反应挤出成型工艺与应用
摘要：本文详细叙述了聚合物反应挤出的国内外发展背景与现状、反应挤出的概述及成性原理。并阐述了反应挤出成型的应用，如聚合物合金的制备、接枝、偶联/交联、降解等方面。根据反应挤出成型工艺的成果展望了它的未来发展趋势。
关键词：聚合物反应挤出设备原理应用发展
前言
反应挤出是20世纪60年代后期才兴起的一种新技术，因其能使聚合物多样化、功能化、生产连续化、工艺操作简单经济而越来越受到重视。由于反应性挤出加工技术具有投资少，简化生产过程，可连续且小批量生产等优点，已成为国内外竞赛开发的热点。
德国Achen大学的W . Menges、美国Akron大学的James . L. White及英国Brumel大学的P . R . Homsky等人分别在1986年和1994年的文献中较全面地剖析了尼龙-6双螺杆反应挤出合成中各种加工参数及条件因素之间的影响情况，将反应挤出尼龙-6的研究开发工作推向新的热点。美国青年科学家Waymouth通过控制聚烯烃的微观结构，利用连续反应成型技术，直接由丙烯单体制备了热塑性弹性体纤维。美国Bodolus. C. L报道了在存有充油丁睛橡胶时，丙烯酸酯与丙烯睛在挤出机中的共聚反应，制得的共聚物的冲击强度比一般丙烯酸酯—丙烯睛共聚物高10倍。在国内，反应性挤出加工也广泛地应用在聚合物合金的制备、接枝、偶联/交联、降解等方面。
1、反应挤出概述
所谓反应挤出，是把挤出机作为连续化的微背混式柱塞流反应器，使欲反应的混合物在熔融挤出过程中同时完成指定的化学反应。具体地讲，它具有利用挤出机处理高粘度聚合物的独特功能，对挤出机螺杆料筒上的各个区域进行独立的温度控制、物料停留时间控制和剪切强度控制，使物料在各个区域传输过程中完成固体输送、增压熔融、物料混合、熔体加压、化学反应、排除副产物和未反应单体、熔体输送和泵出成型等一系列化工基本单元操作，因此它是理想的高粘度聚合物熔融态反应方法。
2、反应挤出的成型工艺原理
反应挤出是以螺杆和料筒组成的塑化挤压系统作为连续反应器，将欲反应的各种原料组分，如单体、引发剂、聚合物、助剂等一次或分次由相同的或不同的加料口加入到螺杆中，在螺杆转动下实现各原料之间的混合、输送、塑化、反应和从口模挤出的过程。传统挤出过程一般以聚合物为原料，通过外加热量和螺杆转动过程中施加给物料的剪切摩擦热将其熔融并混合均匀，然后经口模挤出、模具造型、脱模冷却后得到制品。其挤出过程是物料由固态→(晶态或玻璃态)→液态(粘流态)→固态（结晶态或玻璃态)的以物理变化为主的过程。而反应挤出中存在着化学变化，如单体之问间的缩聚、加成、开环形成聚合物的聚合反应，聚合物与单体之问的接枝反应，聚合物之问的交联反应等。
聚合物在反应过程或者在聚合物合成过程中反应体系的粘度往往越来越高。实践证明，当聚合物粘度在10一1 000 Pa . s时，聚合物原料在传统反应器中已不能进行聚合反应，需要进行稀释以降低其粘度。反应挤出却可以在此高粘度下实现聚合反应。其主要原因为螺杆和料筒组成的塑化挤出系统能将聚合物熔融后降低粘度，并利用螺杆转动使之混合均匀，从而把聚合物的化学反应与挤出加工有机地结合成一个完整连续的过程。
3、反应挤出成型设备
3.1单螺杆挤出机
单螺杆挤出机的混炼效果及容量不及双螺杆挤出机，但其设备价格低、投资小，因此应用极为广泛。普通的3段式单螺杆挤出机螺杆分为加料段、熔融段和均化段，不能满足反应挤出的需要。吴大鸣等对传统的3段式单螺杆挤出机进行了设计改造，在螺杆上加设反应段。反应段螺槽比均化段要深，这样就增加了熔体的停留时问，提高了原料的反应程度。
3.2双螺杆挤出机
双螺杆挤出机具有两大功能，一是以混炼、塑化、改性为主;二是用于反应挤出。双螺杆反应挤出机作为一种连续加工的反应器，初始物料从料斗加入，在螺杆的作用下输送、混合、剪切、反应、传热、脱挥、造粒或模塑成型。双螺杆反应挤出机由于料筒上的2个孔相通，物料相互窜流而具有非常优异的分布混合特性。
3.3螺杆一线式电磁动态塑化挤出机
螺杆一线式电磁动态塑化挤出机的每一阶均有独立的驱动系统和加热冷却系统。第一阶为多螺杆挤出机，聚合物由于主、副螺杆的相互啮合产生捏合挤压与混合，同时在振动力场作用下，啮合区间隙随时间周期性变化，经定量加料系统进入的物料被螺杆间的运动拉入压延间隙，实现动态压延混合，而且瞬时变化的剪切速率和压力产生耗散热能，因此物料被快速熔融和混炼，各组分之问的相互扩散加强，参与反应的物质充分均匀混合，反应进行得更加彻底。第二阶为单螺杆挤出机，在振动力场作用下使聚合物进一步熔融和塑化，实现低温挤出。通过调节各阶的转速、温度、压力、频率和振幅，可以达到控制化学反应过程、反应产物结构与性能的目的，突破了控制预聚物或聚合物混合混炼过程及停留时间分布不可控的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递的平衡问题，实现反应产物产量与质量的良好协同，从而得到性能更加优异的制品。
4、反应挤出的应用
4.1聚合物合金的制备
聚合物合金是由两种或两种以上的聚合物材料构成的复合体系。它可以改进原有聚合物材料的性能或形成具有崭新性能的聚合物材料。聚合物合金各组分之问的相容性问题是决定其性能优劣的关键。利用反应挤出设备将不相容或相容性较差的聚合物材料进行反应共挤出可以有效地解决其相容性问题。一种方法是通过螺杆高速剪切引起聚合物降解或加入引发剂使一些聚合物分了上引入自由基，这些自由基可以与其它聚合物形成化学键，从而有效地改善共混体系之问的界面，达到相容的目的。另一种方法是挤出时通过在聚合物分了上引入活性基团来提高共混组分的相容性。
聚丙烯(PP)与尼龙6 (PA6)的相容性较差，Long Yu等合成出增容剂PP接枝马来酸酐(PPGmah)并将其与PP及PA6进行反应共挤出。经分析检测发现，增容剂PP-gMA H在反应挤出时其MAH基团与PA6形成化学键，而它本身又与PP具有很好的相容性，从而将相容性差的两相有效地连接起来。
4.2聚合物的接枝
通过反应性挤出，在极性聚合物分子链上接枝极性官能团，可赋予产品一些特殊的性能，接枝产品在工程塑料、复合材料等方面有着广泛的应用，因此王益龙等深入研究了聚乙烯的反应性挤出接枝。他们先进行了反应性挤出粉碎聚乙烯接枝马来酸酐 (MA )的研究，在高速混合机中，均匀混合HDPE粉料、马来酸酐和过氧化二异丙苯(DCP，然后在单螺杆挤出机中，在1800C下熔融挤出反应，得到了PE接枝MA (PE-MA)样品，研究了产物的接枝率Gx 随DCP或MA用量的变化，得出了熔融指数高的HDPE有利于接枝反应的结论。但因马来酸酐毒性大，沸点低(2020C)限制了其接枝产品的应用，王益龙等在随后的研究中开发了新的极性反应单体—丁二醇偶联的马来酸二丁酯(低偶联马来酸酐,LCME)。反应性挤出得到
PE-LCME的接枝率随PE的型号、不同DCP的浓度而呈规律性变化，龙文保等将反应性挤出技术运用于制造硅烷交联聚乙烯热收缩管取得了成功。在聚乙烯硅熔融接枝反应挤出过程中，先后发生:引发剂过氧化二异丙苯分解反应;游离基引发聚乙烯形成聚乙烯游离基反应;不饱和硅烷接枝聚乙烯反应，引发剂用量存在某一极限值，在引发剂浓度没有超过极限值时，提高反应挤出温度可以促进接枝反应，获得更高的凝胶含量。同时，提高反应挤出温度还可以降低聚乙烯接枝粘度，削弱熔体破裂现象，在保证挤出管材质量的前提下提高产量，管材在190 ~ 2300C下反应挤出，由反应挤出成型的可交联聚乙烯管材，在水和催化剂作用下，先后发生聚乙烯硅烷接枝体的水解反应，和水解所得硅醇基团的综合脱水反应(交联)，交联时问控制在8一12h。
4.3偶联/交联反应
偶联/交联反应包括单个聚合物大分子与缩合剂、多官能团偶联剂或交联剂的反应，通过链的增长或支化来提高相对分子质量，或通过交联增加熔体粘度。常见的偶联/交联反应主要为由聚酯、PA与多环氧化物的反应及动态硫化制备热塑性弹性体。聚烯烃[如聚乙烯(PE )、PP]具有优异的电绝缘性、憎水性、耐化学药品性、低温性、延展性、透明性及低成本和良好加工性。但耐高温性差却是其最大的缺点。通过反应挤出制备交联PE(PE-X)和交联PP (PP-X)是提高其耐热性、力学性能和耐化学药品性的重要方法。
青岛大学的杨淑静等通过双螺杆挤出机采用一步法硅烷接枝交联技术制得了热成型性和发泡性能良好的高熔体强度PP(HM SPP )其方法是在催化剂存在条件下，使硅烷接枝与交联在反应挤出过程中同时进行和完成而制得具有硅烷接枝并部分交联结构的HM SPP,该HM SPP具有良好的热成型性和发泡性能。
4.4可控降解反应
反应挤出技术可用于控制聚合物的相对分子质量分布，特别是用于聚烯烃的可控降解。经过降解后的聚烯烃相对分子质量分布变窄。
1966年，研究者用反应挤出加工方法在过氧化物存在下使PP在双螺杆挤出机中于2300C、转速10r/min.物料停留时问约为1 min的操作条件下降解，最终产物的比浓粘度较低。
在EXXON公司的研究工作中，将PP在空气存在下进行挤出得到了流变性可控的PP 产物，并用特制的单螺杆挤出机升高或降低挤出机温度，分别制得粘度较低或较高的材料。熔体粘度较低、分子质量分布窄、分子质量小的即可满足高速纺丝、薄膜挤出、薄壁注塑制品的要求。
反应挤出加工技术已被Eastman Kodak公司用于降低在纤维生产中使用的PET的特性粘度。除聚酯外，PA也可以进行可控降解。
5、发展与展望
随着现代科学技术的迅速发展，对于聚合物材料性能的要求也越来越高。单一品种的聚合物材料已很难满足需要。而合成聚合物新品种又比较困难，因此，立足于聚合物现有品种的改性已成为一种发展趋势。利用反应挤出进行聚合物改性，其发展前景十分广阔。在聚合物合成方面，由于反应挤出技术能实现小批量、多品种、专门化生产聚合物的部分品种，因而其应用也十分广泛。
反应挤出在聚合物加工中具有很大的优越性，但是加工过程有些问题比如反应接枝中的低反应效率、接枝程度，聚合物加工的变化，单体接枝与均聚反应的竞争、交联，以及聚合物链的降解、复杂的偶合变化等，至今仍未解决。相信不久，对反应挤出加工的机理等诸多问题将有更深的了解。采用反应挤出技术开发高性能的聚合物合金将对未来社会产生巨大的影响。
参考文献
[1]董建华，马劲，殷敬华，等，高分子材料反应加工的基本科学问题[J]，中国科学基金
2003 (1 ): 12-15.
[2]瞿金平，胡汉杰，聚合物成型原理及成型技术[M]，北京:化学工业出版社，2001.
[ 3]任杰，李申，任天赋，反应挤出研究进展[J]，建筑材料学报 2006.9(1);66-71
[4] XanthosM，反应挤出原理与实践[M].瞿金平译，北京:化学工业出版社，1999: 5-30.
[5]钟明强，刘俊华，益小苏，反应挤出在聚合物共混改性中的应用与进展[J]，
高分子材料科学与工程2001 17 (1 )；39- 42.
[6]王益龙，刘安栋，反应挤出技术研究进展[J]，现代塑料加工应用，2004.16(2);35-39
[7] 左瑞霖，张广成，聚乙烯的硅烷交联技术进展[J}.塑料2000 29 (6):41-46.
[8] 杨淑静，宋国君，杨超，等，反应挤出共混法制备各发泡用聚丙烯的研究[J] .塑料
2006 35 (3 ): 73-77.
[9]付东升，张康助，孙福林等，反应性挤出原理及应用研究进展[J]，现代塑料加工应用
2003 15 (5 ); 52-55.
[10]瞿金平，螺杆一线式电磁动态塑化挤出机:中国92103639[Pl，1992一OS一08.
[11]吴培熙，张留成，聚合物共混改性[M]，北京:中国轻工业出版社，2001.
[12] 杨淑静，宋国君，赵石国，等，高熔体强度聚丙烯研究进展 [J]，工程塑料应用
2006. 34 (9 ): 74-77.
[13] 邵佳敏，夏浙安，双螺杆反应挤出尼龙6[J].塑料科技1997.(6).40-42
[14] Gao S S Zhang Y ZhangA,et al Polystyrene prepared by reactive extrusion. kinetics
and effect of processing paraneteis[ J]，Polymers forAdvanced Technologies
2004 15 (4):185一191.
[15] Tzoganakis C. Polymer technology. reactive extrusion of polymers a review[J]，Advances
Polymer Technology. 1989. 9 (4);321一330.
[16] Veignes B Berlin F. Modeling of reactive system in twin-screw extrusion. challenges
and applications[ J]，Comptes Rendus Chinie.2006 9 (ll):1409一1418.
[17] Long Yu. Katherine Dean. Lin Li Polymer blends and composites from renewable
resources[J]，Progress in Polymer Science 2006 31 ;576一60
[18]W ang Zhengzhou W u X iusheng Gui Zhou et al Themal and crystallization
behavior of silane-crosslinked polypropylene[ J],Polymer International; 2005. 54 (2):442一447.
[19] SongGuojun YangShujing YangChao et al Foaming polypro pylene prepared by a
novel one-step silane-grafting and crosslinking method[ J]，Joumal of Porous Materials.
2006. 13(3):297一301.
[20]watkins Kenneth R Dean et al. Process for producing low pilling textile fber and
product of the process US 4359557[ P] 1982一11一06.
[21] DeGraafRA.Janssen L P B M. The production of a nev biode-gradable starch plastic by
reactive extrusion[ J]，Polym Eng Sci.2000 40 (9):2 086一2 094.
材料成型工艺 （Material Molding Process） 课程代码：（07310060） 学分：6 学时：90（其中：讲课学时78：实验学时：12） 先修课程：材料成型原理、金属学及热处理、机械设计基础 适用专业与培养计划：材料成型及控制工程专业2012年修订版培养计划 教材：《金属材料液态成型工艺》、贾志宏主编、化学工业出版社、第一版； 《金属材料焊接工艺》、雷玉成主编、化学工业出版社、第一版； 《冲压工艺与模具设计》、姜奎华主编、机械工业出版社、第一版开课学院：材料科学与工程学院 课程网站：（选填） 一、课程性质与教学目标 （一）课程性质与任务（需说明课程对人才培养方面的贡献） 《材料成型工艺》是材料成型及控制工程专业的主干课程之一。该课程主要任务是学习液态成型、塑性成型及焊接成型的工艺原理、方法、特点、质量影响因素及其规律、质量控制、适用范围等。学习过程中侧重于实际经验、工程技术及其理论知识的综合应用。通过系统学习，在掌握成型工艺过程基本规律及其物理本质的基础上，学生能够根据不同的零件需求，灵活选择和全面分析成型工艺、完成合理的工艺设计；同时，针对成型过程中出现的质量问题进行科学分析，找到解决措施，消除和减少工件质量缺陷； 本课程以数学、物理、化学、物理化学、力学、金属学与热处理、材料成型原理等作为理论基础，主要应用物理冶金、化学冶金、成形力学理论，系统阐述金属材料成型工艺过程的相关现象及其影响因素、规律、形成机制；同时，还汇总了大量的工程技术经验和实用技术。 通过本课程的学习，可以为材料成型工艺课程设计、金属综合性实验、毕业设计等后续课程学习奠定必要的基础知识。 （二）课程目标（需包括知识、能力与素质方面的内容，可以分项写，也可以合并写） 1. 掌握铸造成型、冲压成型和焊接成型工艺过程所涉及的主要物理原理； 2. 掌握各种成型方法的工艺特点及应用范围，能够根据实际产品需要选择高效、优质低成本的成型工艺方法；
塑料挤出成型工艺 塑料挤出机的挤出方法一般指的是在200度左右的高温下使塑料熔解,熔解的塑料再通过模具时形成所需要的形状。挤出成型要求具备对塑料特性的深刻理解和模具设计的丰富经验、是一种技术要求较高的成型方法。挤出成型是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法,也称为“挤塑”。与其他成型方法相比，具有效率高、单位成本低的优点。挤出法主要用于热塑性塑料的成型，也可用于某些热固性塑料。 挤出的制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外，还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。挤出的产品可称为“型材”，由于横截面形状大多不规则，因此又称为“异型材”。 塑料挤出机故障分析
塑料挤出机是一种常见的塑料机械设备，在日常操作挤出机的过程中，挤出机会出现各种各样的故障，影响塑料机械正常生产，下面我们就对挤出机故障分析。 塑料挤出机故障分析：主机电流不稳 1、生产原因：(1)喂料不均匀。(2)主电机轴承损坏或润滑不良。(3)某段加热器失灵，不加热。(4)螺杆调整垫不对，或相位不对，元件干涉。塑料挤出机 2、处理方法：(1)检查喂料机，排除故障。(2)检修主电机，必要时更换轴承。(3)检查各加热器是否正常工作，必要时更换加热器。(4)检查调整垫，拉出螺杆检查螺杆有无干涉现象。 塑料挤出机故障分析：主电机不能启动 1、产生原因：(1)开车程序有错。(2)主电机线程有问题，熔断丝是否被烧环。(3)与主电机相关的连锁装置起作用 2、处理方法：(1)检查程序，按正确开车顺序重新开车。(2)检查主电机电路。(3)检查润滑油泵是否启动，检查与主电机相关的连锁装置的状态。油泵不开，电机无法打开。(4)变频器感应电未放完，关闭总电源等待5分钟以后再启动。(5)检查紧急按钮是否复位。塑 料挤出机故障分析：机头出料不畅或堵塞
陶瓷大学材料成型原理题库 热传导：在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子及自由电子等微观粒子的热运动来传递热量。热对流：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 热辐射：是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程。 均质形核：晶核在一个体系内均匀地分布 凝固：物质由液相转变为固相的过程 过冷度：所谓过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值 成分过冷：这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷，称为成分过冷 偏析：合金在凝固过程中发生化学成分不均匀现象 残余应力：是消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力 定向凝固原则：定向凝固原则是采取各种措施，保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近，朝冒口方向凝固，冒口本身最后凝固。 屈服准则：是塑性力学基本方程之一，是判断材料从弹性进入塑性状态的判据 简单加载;在加载过程中各个应力分量按同一比例增加，应力主轴方向固定不变 滑移线：塑性变形金属表面所呈现的由滑移所形成的条纹 本构关系;应力与应变之间的关系 弥散强化：指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段 最小阻力定律：塑性变形体内有可能沿不同方向流动的质点只选择阻力最小方向流动的规律 边界摩擦：单分子膜润滑状态下的摩擦 变质处理：在液态金属中添加少量的物质，以改善晶粒形核绿的工艺 孕育处理;抑制柱状晶生长，达到细化晶粒，改善宏观组织的工艺 真实应力：单向拉伸或压缩时作用在试样瞬时横截面上是实际应力 热塑性变形:金属再结晶温度以上的变形 塑性：指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力 塑性加工：使金属在外力作用下产生塑性变形并获得所需形状的一种加工工艺 相变应力：金属在凝固后冷却过程中产生相变而带来的0应力 变形抗力：反应材料抵抗变形的能力 超塑性: 材料在一定内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变应力，异常高的流变性能的现象
PVC管材挤出工艺流程 PVC塑料是一种多组分塑料，根据不同的用途可加入不同添加剂，因组分不同，PVC制品呈现不同的物理力学性能，针对不同场合应用。而PVC塑料管在塑料管中所占的比例较大。PVC管材分硬软两种，RPVC管是将PVC树脂与稳定剂、润滑剂等助剂混合，经造粒后挤出机成型制得，也可采用粉料一次挤出成型。RPVC管耐化学腐蚀性与绝缘性好，主要输送各种流体，以及用作电线套管等。RPVC管易切割、焊接、粘接、加热可弯曲，因此安装使用非常方便。SPVC管是由PVC树脂加入较大量增塑剂和一定量稳定剂，以及其他助剂，经造粒后挤出成型制造。SPVC管材具有优良的化学稳定性，卓越的电绝缘性和良好的柔软性和着色性，此种管常用来代替橡胶管，用以输送液体及腐蚀性介质，也用作电缆套管及电线绝缘管等。 PVC硬管 1、原料选择及配方 硬管生产中树脂应选用聚合度较低的SG-5型树脂，聚合度愈高，其物理力学性能及耐热性愈好，但树脂流动性差，给加工带来一定困难，所以一般选用黏度为（~）×10-3Pa?s的SG-5型树脂为宜。硬管一般采用铅系稳定剂，其热稳定性好，常用三盐基性铅，但它本身润滑性较差，通常和润滑性好的铅、钡皂类并用。加工硬管，润滑剂的选择和使用很重要，既要考虑内润滑降低分子间作用力，使熔体黏度下降有利成型，又要考虑外润滑，防止熔体与炽热的金属粘连，使制品表面光亮。内润滑一般用金属皂类，外润滑用低熔点蜡。填充剂主要用碳酸钙和钡（重晶石粉），碳酸钙使管材表面性能好，钡可改善成型性，使管材易定型，两者可降低成本，但用量过多会影响管材性能，压力管和耐腐蚀管最好不加或少加填充剂。 2、工艺流程 RPVC管的成型使用SG-5型PVC树脂，并加入稳定剂、润滑剂、填充剂、颜料等，这些原料经适当的处理后按配方进行捏合，若挤管采用单螺杆挤出机，还应将捏合后的粉料造成粒，再挤出成型：若采用双螺杆挤出机，可直接用粉料成型，RPVC管材工艺流程如下： 生产流程原料+助剂配制→混合→输送上料→强制喂料→锥型双螺杆挤出机→挤出模具→定
挤出成型工艺参数包括温度、压力、挤出速率和牵引速度等。 1. 温度 温度是挤出成型得以顺利进行的重要条件之一。从粉状或粒状的固态物料开始，高温制品从机头中挤出，经历了一个复杂的温度变化过程。严格来讲，挤出成型温度应指塑料熔体的温度，但该温度却在很大程度上取决于料筒和螺杆的温度，一小部分来自在料筒中混合时产生的摩擦热，所以经常用料筒温度近似表示成型温度。 由于料筒和塑料温度在螺杆各段是有差异的，为了使塑料在料筒中输送、熔融、均化和挤出的过程顺利进行，以便高效率地生产高质量制件，关键问题是控制好料筒各段温度，料筒温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和温度控制系统来实现的。 机头温度必须控制在塑料热分解温度以下，而口模处的温度可比机头温度稍低一些，但应保证塑料熔体具有良好的流动性。 此外，成型过程中温度的波动和温差，将使塑件产生残余应力、各点强度不均匀和表面灰暗无光泽等缺陷。产生这种波动和温差的因素很多，如加热、冷却系统不稳定，螺杆转速变化等，但以螺杆设计和选用的好坏影响最大。 表9-1是几种塑料挤出成型管材、片材和板材及薄膜等的温度参数。 表9-1 热塑性塑料挤出成型时的温度参数 塑料名称 挤出温度/℃ 原料中水分 控制/% 加料段压缩段均化段机头及口模段 丙烯酸类聚合物室温100~170 ~200 175~210 ≤0.025醋酸纤维素室温110~130 ~150 175~190 ＜0.5 聚酰胺（PA）室温~90 140~180 ~270 180~270 ＜0.3 聚乙烯（PE）室温90~140 ~180 160~200 ＜0.3 硬聚氯乙烯（HPVC）室温~60 120~170 ~180 170~190 ＜0.2 软聚氯乙烯及氯乙烯共聚 物 室温80~120 ~140 140~190 ＜0.2 聚苯乙烯（PS）室温~100 130~170 ~220 180~245 ＜0.1
液态金属成型原理
0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流体流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策
第七章 凝固金属的组织结构
第七章 凝固金属的组织结构
? 第一节 凝固金属的组织结构 第二节 偏析（Segregation） 第三节 金属凝固组织形态控制
第七章 凝固金属的组织结构
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一、凝固铸态组织的含义
z 铸态组织，即铸件的晶粒组 织，包括晶粒的形状、尺寸 和取向。广义讲，还包括合 金元素的分布（偏析）和凝 固过程形成的缺陷。
第七章 凝固金属的组织结构
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二、晶粒组织（Grain Structure）
? 典型铸态组织：表面细晶粒、柱状晶粒、等轴晶粒
z激冷晶区的晶粒细小;
内部等轴晶区 表层急冷晶区
z柱状晶区的晶粒垂直 于型壁排列，且平行 于热流方向.
z内部等轴晶区的晶粒 较为粗大;
中间柱状晶区
第七章 凝固金属的组织结构
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几种不同类型的铸件宏观组织示意图
（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶
第七章 凝固金属的组织结构
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三、铸态组织形成原因
? 1. 表面细晶粒
z 型壁激冷，大量生核； z 三维散热，生长迅速，
相互抑制； z 生长无方向性。
第七章 凝固金属的组织结构
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综合测试题一 模具寿命与材料成形加工及材料学 一、填空题（每小题2分，共20分） 1. 目前铸造成形技术的方法种类繁多按生产方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。 2. 在铸造生产中，细化铸件晶粒可采用的途径有增加过冷度、采用孕育处理和附加振动。 3. 铸铁按碳存在形式分灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。 4. 合金在铸造时的难易程度的衡量指标合金的流动性和收缩。 5. 合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。 6. 压力加工的加工方法主要有：冲压、锻造、轧制、拉拔和 挤压等。 7. 合金的流动性常采用浇注螺旋型标准试样的方法来衡量， 8. 流动性不好的合金容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。 9. 液态金属的充型能力主要取决于金属的流动性，还受外部条件如浇注温度、充型压力、铸型结构和铸型材料等因素的影响,是各种因素的综合反映。 10.金属由浇注温度冷却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互关联的收缩阶段。 11.液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是内应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 12.铸造中常产生的铸造缺陷有缩孔、缩松、浇不足、裂纹、内应力、夹渣和夹砂等
13. 特种铸造相对于砂型铸造的两类特点：型模的革新和充型方式的变更。 14.常用特种铸造方法金属型铸造、压力铸造、离心铸造、消失模铸造和熔模铸造、壳型铸造等。 15.衡量金属锻造性能的两个指标塑性和变形抗力。 16.自由锻造常用设备空气锤和水压机。 17.自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转和错移等。 18.镦粗的变形特点横截面积变大，长度变短普通拔长的变形特点横截面积变小，长度变长芯轴拔长的变形特点内孔直径不变，长度变长，壁厚变薄。 19.锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度之差。后者过低易产生加工硬化现象。 20. 锤上模锻的实质金属在模膛内成形和变形阻力大，变形不均匀。 21. 模膛的分类制坯模膛和模锻模膛。 22. 板料冲压中分离工序有冲孔、落料、剪切和修整等。变形工序有拉深、弯曲、翻边和成形等。 23. 电弧燃烧实质是指电弧的产生、运动和消失的动态平衡。 24. 电弧分为阴极区、阳极区和弧柱区三个区。 25. 直流电焊机正接极是指焊件接正极，焊条接负极。 26. 焊接冶金过程的特点反应温度高、接触面积大、冷却速度快。 27. 焊接接头是指焊缝和热影响区。焊接热影响区包括熔合区、过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。 28. 焊接应力和变形产生的原因对焊缝区不均匀的加热和冷却。
在产品设计中，要达到合理运用塑料材料的目的，除了要掌握各种塑料的特性、按照正确的选材方法合理选材外，还要熟练掌握塑料的工艺，只有这样才能按照产品的功能要求合理的进行塑料构成类的产品设计。对于工业设计师来说，必须较全面地认识各种塑料的性质，懂得如何将造型设计的细节与成型、加工过程整体规划，最终才能获得满意的产品。 一、塑料的成型工艺 塑料的成型是将原材料制成具有一定形状制品的工艺过程。塑料的成型工艺有多种，着重介绍注射成型、挤出成型、压制成型、压延成型、吹塑成型、热成型、手糊成型、传递模塑成型、浇铸成型、缠绕成型、喷射成型、醮涂成型、片状模塑料成型、拉拔成型、发泡成型等。 （一）注射成型 注射成型又称注塑成型，是热塑性塑料的主要成型方法之一，也适应部分热固性塑料的成型。其原理是将粒状或粉状的原料加入到注射机的料斗里，原料经加热熔化呈流动状态，在注射机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，在模具型腔内硬化定型。如图6-53为注射成型原理图。 图6-53注射成型原理图 （引自杰姆斯·伽略特著常初芳译. 设计与技术. 北京：科学出版社，2004.）注射成型的模具具有一个型腔，其形状与需要加工成型的零件形状相反。熔融的塑料通过模具中心的浇注口进入，填充模具，溶液在模具内部形成了中空的形状。注射成型的模具有冷流道二板模具、冷流道三板模具、热流道模具几种。 注射成型工艺的优点有：能一次成型外形复杂、尺寸精确的塑料制件；可利用一套模具，成批地制得规格、形状、性能完全相同的产品；生产性能好、成型周期短、可实现自动化或半自动化作业；原材料损耗小、操作方便、成型的同时产品可取得着色鲜艳的外表等。
21.铸件宏观组织的控制途径与措施 1.铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。 （1）柱状晶： 生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。 但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。 （2）等轴晶： 晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。 枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。 细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。 2.铸件宏观组织的控制途径和措施 等轴晶组织的获得和细化 强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区 1）加入强生核剂——孕育处理 孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。 变质——加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体的生长形貌，如球化或细化。 A.形核剂： a）直接作为外加晶核 b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核 能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出 B.强成分过冷元素： 通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。 强化熔体内部的非均匀形核孕育剂富集抑制晶体生长
第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。 答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。 答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固
第四章 1． 何谓结晶过程中的溶质再分配它是否仅由平衡分配系数K 0所决定当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明K 0为一常数。 答：结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固两相重新分布的 现象。 溶质再分配不仅由平衡分配系数K 0决定 ，还受自身扩散性质的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。 当相图上的液相线和固相线皆为直线时K 0为一常数，证明如下：如右图所示： 液相线及固相线为直线，假设 其斜率分别为m L 及m S ，虽然 C *S 、C *L 随温度变化有不同值，但 L m S m L S m T T m T T C C K /)(/)(0****--===S L m m =常数， — 此时，K 0与温度及浓度无关， 所以，当液相线和固相线为直 线时，不同温度和浓度下K 0为 定值。 2． 某二元合金相图如右所示。合金液成分为C B =40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：①α相与液相之间的平衡分配系数K 0；②凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几③凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线。 解：（1）平衡分配系数K 0 的求解： 由于液相线及固相线均为直 线不同温度和浓度下K 0为 定值，所以：如右图， 当T=500℃时， K 0 =**L C C α=%60%30= K 0即为所求 α相与液相之间的 平衡分配系数. （2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数的计算: > 由固相无扩散液相均匀混合下溶质再分配的正常偏析方程 、 图 4-43 二元合金相图K 0＜1C 0K 0C 0/K 0T C *S C *L C 0C T *Tm
挤出成型工艺和挤出机 1.挤出成型工艺 1.1 挤出成型工艺: 在挤出机中经过加热、加压而使物料以流动状态连续经过口模( 即机头) 成型的方法称挤出成型或挤塑。是塑料重要的成型方法之一。 1.2 挤出成型的特点: ①设备成本低, 制造容易, 投资少, 上马快。 ②生产效率高, 挤出机的单机产量较高, 产率一般在几公斤～5吨/小时。 ③连续化生产。能制造任意长度的薄膜、管、片、板、棒、单丝、异型材以及塑料与其它材料的复合制品等。 ④生产操作简单, 工艺控制容易, 易于实现自动化。占地面积小, 生产环境清洁, 污染少。 ⑤能够一机多用。挤出机也能进行混合、造粒。 1.3 挤出成型可分为两个阶段: 第一阶段是使固态塑料变成粘性流体( 即塑化) , 并在加压情况下, 使其经过特殊形状的口模, 而成为截面与口模形状相仿的连续体。 第二阶段则是用适当的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体, 即得到所需制品。 1.4 挤出成型工艺分类: 干法( 熔融法) —经过加热使塑料熔融成型 ①塑化方式 湿法( 溶剂法) —用溶剂将塑料充分软化成型( CN、 CA 及纺丝)
连续式: ②加压方式 间歇式: 2. 挤出设备 塑料的挤出, 绝大多数都是热塑性塑料, 而且又是采用连续操作和干法塑化的。故在设备方面多用螺杆式挤出机。螺杆式挤出机有单、双( 或多螺杆) 之分。大部分用单螺杆挤出机, 只是粉料, RPVC 95%以上都用双螺杆挤出机。 2.1 单螺杆挤出机 2.1.1 单螺杆挤出机的组成: 螺杆式挤出机, 借助螺杆旋转产生的压力和剪切力, 使物料充分塑化和均匀混合, 经过口模 柱塞式挤出机, 借助柱塞压力, 将事先塑化好 的物料挤出口模而成型。仅用于粘度特别大, 流动性极差的塑料。如: PTFE, 成型温度下, 粘度为1010～1014泊( 一般熔融塑料的粘度
3D 打印技术及其发展趋势 3D 打印（3D Printing ）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流，引起了国内外新闻媒体和社会公众的广泛关注。2011年2月，英国《经济学人》杂志刊载的封面文章，对3D 打印技术的发展作了简要介绍和展望，文章认为：3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。更有新闻媒体乐观地认为：3D 打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。由此可见，了解3D 打印技术的相关知识及其未来发展对我们学习先进成型技术、掌握新材料和新成型技术的市场需求及发展具有重要意义。 一、3D 打印技术简介 3D 打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成三维实体的技术。与传统的“去除型”制造不同的是：传统的数控制造一般是在原材料的基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品（如图1(a)所示）；而3D 打印技术则是直接根据计算机图形数据，将三维实体分解为若干个二维平面，再通过逐层增加材料的方法生成所需形状的物体（如图1(b)所示），因此又称为“增材制造”（AM ，Additive Manufacturing ）技术。3D 打印技术在制造过程中不需要复杂的成型工艺，不需要原胚和模具，亦不需要众多的人力，从而简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了生产效率并降低了成本。 作为一种综合性应用技术，3D 打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技图1（a ）去除型制造 原材料 零件 二维分解 逐层添加 零件 图1（b ）增材制造 图1 去除型制造与增材制造的区别
片材车间内部学习教材
目录第一节 概 述 第二节 挤出成型基本工艺流程 第三节 挤出成型原辅材料基础知识第四节 挤出成型过程的工艺控制第五节 挤出成型的辅助加工 第六节 挤出产品的后续加工
第一节 概 述 挤出成型是在挤出成型机中，塑料被加热、加压，通过一定形状的模具成型，然后经冷却定型、拉伸（也有不经过拉伸的）、卷取（或切割）成为具有一定截面形状的制品。 一条挤出生产线由两部分组成。第一部分是将塑料熔融挤到料筒末端的过程，第二部分是将已经塑化好的塑料熔体经过模头成型，再经过定型装置定型，再经过牵引、切断、或修整等工序而成为制品的过程。 在塑料加工领域中，挤出成型是应用最广泛的一种成型方法，与其他成型方法相比，具有如下优点： ①设备制造容易，成本低； ②可以连续化生产，生产效率高； ③设备的自动化程度高，劳动强度低； ④生产操作简单，工艺控制容易； ⑤挤出产品均匀，密实，质量高； ⑥对原料的适应性强，不仅大多数的热塑性塑料可以用语挤出成型，而且少数的热固性塑料也能适应； ⑦所生产的产品广泛，可一机多用，同一台押出机，只要更换辅机，就可以生产出不同的制品或半成品； ⑧生产线的占地面积小，而且生产环境清洁。 当然，挤出成型也有缺点： ①不能生产三维尺寸的产品； ②制品往往需要二次加工。 由于挤出成型的优点突出，因此，挤出成型在塑料加工行业中具有举足轻重的地位，热塑性塑料的95%可用螺杆式挤出机生产。 作为挤出成型工程技术人员及技术工人，必须掌握塑料熔体的基本性质。只有掌握了塑料熔体的基本性质，才能对挤出成型过程中的各种控制有理论上的依据，减少实际生产中的盲目性，减少调试时间。
材料成型加工思考题 1.给出HAZ的概念 HAZ定义：焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生了金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区（heat-affected zone, HAZ ）。 2.焊接热循环有哪几个参数？ 焊接热循环曲线可以分为加热与冷却两个阶段，采用四个参数描述其特征。 最高温度Tm：最高温度又称为峰值温度，它与HAZ中的点有对应关系，距离焊缝近的点峰值温度高。 相变温度以上的停留时间tH：可以分为加热停留时间t′及冷却停留时间t″。tH越长，奥氏体均质化越充分，但是，奥氏体晶粒长大也越严重。 冷却速度ωc或冷却时间tc：冷却速度ωc是指冷却至某一温度Tc时的瞬时冷却速度，可以在温度-时间曲线上在Tc点作切线求得。也可以采用一定温度范围内的平均冷却速度或者采用一定温度范围内的冷却时间tc （如t8/5，t8/3，t100）来反映冷却速度。 3.说明Tm、t8/5的含义。 最高温度Tm：最高温度又称为峰值温度，它与HAZ中的点有对应关系，距离焊缝近的点峰值温度高。焊接钢时，HAZ过热区的Tm可达1300 ℃～1350 ℃，奥氏体因严重过热而长大，冷却后组织粗大，韧性下降。 t8/5：焊接熔池的温度从800度降到500的时间，这个很重要，因为通过控制t8/5可以改变熔池的冷却速度，从而达到防止冷裂纹、控制组织以达到满意的性能。 4.说明易淬火钢与不易淬火钢HAZ组织分布。 （1）不易淬火钢HAZ组织分布 这类钢主要有低碳钢、普通低合金钢（16Mn、15MnV）等。按不同部位最高温度范围及组织变化可以将HAZ 分为四个区:熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。
工艺控制略解 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)吹塑瓶的生产按型坯的预成型不同可分为注射拉伸吹塑(简称注拉吹)和挤出拉伸吹塑(简称挤拉吹)。在这两种成型方法中，由于注拉吹工艺易控制，生产效率高，废次品少而较为通用。 PET吹塑瓶可分为两类，一类是有压瓶，如充装碳酸饮料的瓶；另一类为无压瓶，如充装水、茶、油等的瓶。 虽然生产厂家不同，但其设备原理相似，一般均包括供坯系统、加热系统、吹瓶系统、控制系统和辅机五大部分。吹塑工艺PET瓶吹塑工艺流程。影响PET瓶吹塑工艺的重要因素有瓶坯、加热、预吹、模具及环境等。 茶饮料瓶是掺混了聚萘二甲酸乙二酯(PEN)的改性PET瓶或PET与热塑性聚芳酯的复合瓶，在分类上属热瓶，可耐热80℃以上；水瓶则属冷瓶，对耐热性无要求。在成型工艺上热瓶与冷瓶相似。 、瓶坯： 制备吹塑瓶时，首先将PET切片注射成型为瓶坯，它要求二次回收料比例不能过高(5％以下)，回收次数不能超过两次，而且分子量及粘度不能过低(分子量31000-50000，特性粘度-0.85cm／g) 、加热： 瓶坯的加热由加热烘箱来完成，其温度由人工设定，自动调节。烘箱中由远红外灯管发出远红外线对瓶坯辐射加热，由烘箱底部风机进行热循环，使烘箱内温度均匀。瓶坯在烘箱中向前运动的同时自转，使瓶坯壁受热均匀。 、预吹： 预吹是二步吹瓶法中很重要的一个步骤，它是指吹塑过程中在拉伸杆下降的同时开始预吹气，使瓶坯初具形状。这一工序中预吹位置、预吹压力和吹气流量是三个重要工艺因素。预吹瓶形状的优劣决定了吹塑工艺的难易与瓶子性能的优劣。正常的预吹瓶形状为纺锤形，异常的则有亚铃状、手柄状等，如图2所示。造成异常形状的原因有局部加热不当，预吹压力或吹气流量不足等，而预吹瓶的大小则取决于预吹压力及预吹位置。在生产中要维持整台设备所有预吹瓶大小及形状一致，若有差异则要寻找具体原因，可根据预吹瓶情况调整加热或预吹工艺。预吹压力的大小随瓶子规格、设备能力不同而异，一般容量大、预吹压力要小；设备生产能力高，预吹压力也高。 即使采用同一设备生产同一规格的瓶子，由于PET材料性能的差异，其所需预吹压力也不尽相同。玻纤增强的PET材料，较小的预吹压力即可使瓶子底部的大分子正确取向；另一些用料不当或成型工艺不适当的瓶坯，注点附近有大量的应力集中不易消退，如果吹塑，常会在注点处吹破或在应力测试中从注点处爆裂、渗漏。根据取向条件，此时可如所示把灯管移出2-3支至注点上方开启，给予注点处充分加热，提供足够热量，促使其迅速取向。对于已加热二次使用的瓶坯或存放时间超标的瓶坯，由于时温等差效应，二者成型工艺相似，与正常瓶坯相比，其要求的热量要少，预吹压力也可适当降低。
1过冷度：金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值 2均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程 3异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程 4异质形核速率的大小和两方面有关，一方面是过冷度的大小，过冷度越大形核速率越快。二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定，如果夹杂物的基底和晶核润湿，那么形核速率大。 5形核速率：在单位时间单位体积内生成固相核心的数目 6液态成型：将液态金属浇入铸型之，凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法 7复合材料：有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体 8定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法 9溶质再分配系数：凝固过程当中，固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值 10流动性是确定条件下的充型能力，液态金属本身的流动能力叫做流动性 11液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力 影响充型能力的因素：（1）金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热导率金属的结晶特点。（2）铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度（3）浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和。 12影响液态金属凝固过程的因素：主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理（孕育处理、变质处理、微合金化）等对液态金属的凝固也有重要影响 13液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流，自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动，由密度差引起的对流成为浮力流。凝固过程中由传热。传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀，密度小的液相上浮，密度大的下沉，称为双扩散对流，凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间，强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流，例如压力头。机械搅动、铸型震动、外加磁场。 14铸件的凝固方式：层状凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很小的时候）、体积凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很大的时候）、中间凝固方式（介于中间情况的时候）、 15影响铸件凝固方式的因素有二：一是合金的化学成分，二是铸件断面上的温度梯度。 16热力学能障动力学能障：热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小，动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的，他与驱动力的大小无关，而仅仅取决于界面的结构和性质，例如激活自由能。单从热力学条件来看，液相的自由能已经大于固相的自由能，固相为稳定相，相变应该没有能障，但是要想液相原子具有足够的的能量越过高能界面，还需动力学条件，因此液态金属凝固过程中必须克服热力学和动力学两个
材料成型原理 （Principle of Material Forming） 课程代码：（07310070） 学分：6 学时：90（其中：讲课学时80：实验学时：10） 先修课程：材料科学基础，金属热处理 适用专业与版本：材料成型及其控制工程，2012修订版教学计划 教材：《金属材料成型原理》、雷玉成主编、化学工业出版社、2010年8月第一版；《金属液态成型原理》，贾志宏主编，北京大学出版社，2011年9月，第1版开课学院：材料科学与工程学院 课程网站：（选填） 一、课程性质与教学目标 （一）课程性质与任务（需说明课程对人才培养方面的贡献） 本课程是材料成型及其控制工程专业一门重要的专业基础课。主要任务是着重运用所学的基础理论及专业基础理论知识阐明金属液态成型、塑性成型、连接成型以及材料在成形过程中的化学冶金或缺陷产生等基本内在规律和物理本质，使学生掌握材料成型的主要分析方法和基本原理，理解材料成型过程中的组织演化及形态，揭示材料成型过程中影响产品(材质、零件)性能的因素及缺陷形成的机理，培养学生从本质上认识和分析材料成型过程中所出现的实际问题和解决途径并对材料成型过程中微观组织结构分 析及研究能力。 通过该课程的学习使学生掌握液态金属的性质、铸件及熔焊成型件形成中的基本凝固理论，凝固过程中铸件与铸型的热交换特点，深入理解铸件形成过程及金属结晶理论；掌握金属塑性力学的基本知识，理解金属塑性变形与流动的基本规律，了解塑性成形问题的基本解法，对变形过程能进行应力、应变分析及力能参数的计算，并能预测变形过程中金属流动趋势；掌握在熔化焊条件下化学冶金和物理冶金方面的规律，焊接过程中冶金缺陷分析，为制定焊接工艺、提高焊接质量提供理论依据。 通过本课程的学习，可以为学习材料成型工艺、材料成型装备及自动化、金属材料综合性实验、铸造/焊接/锻造专业方向选修课程等后续课程奠定坚实的基础。 （二）课程目标（需包括知识、能力与素质方面的内容，可以分项写，也可以合并写） 1．理解和掌握液态成型、塑性成型、熔焊成型三种成型的基本原理和内在规律，
一、名词解释 1.均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程。 2.近程有序：原子集团由数量不等的原子组成，其大小为10-10m数量级，在此范围内原子排列仍具有一定的规律性，称为“近程有序”。 3.热裂纹：热裂纹是金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的开裂现象。 4.缩孔：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。 5.铸造应力：金属在凝固及冷却过程中，体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻力，而产生的阻力。 6.溶质再分配：从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进行着溶质元素的重新分布过程，称为合金结晶过程中的溶质再分配。 7.加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。 8.内应力：在没有外力的作用下，平衡于物体内部的应力。 9.定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法。 10.孪生：晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向发生均匀切变。 11、快速凝固：指在比常规冷却速度快得多的条件下，合金以极快的冷却速 度急冷或深过冷，从液态转变为固态的过程。 12焊接热循环：指在焊接过程中热源沿焊件的某一方向移动，焊件上热源热量所及的任一点的温度都要经历由低到高的升温阶段，达到峰值后又经历由高到低的降温阶段，这个过程就称为焊件热循环。 13定向凝固原则：采取各种措施，保证铸件结构上各部分按距离冒口的距离由远及近，朝冒口方向凝固，冒口本身最后凝固 14冷裂纹: 焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹。 15融化潜热:在熔点温度的固态变为佟温度的液态时,金属要吸收的大量的热量. 16表面张力:表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。 17液态成形：是将液化的金属或合金在重力或其他力的作用下注入铸型的型腔
材料成型原理名词解释 第一章 2、金属的表面活性物质：使液态金属表面张力降低的溶质元素，称为该金属的表面活性物质。 3、金属的非表面活性物质：使液态金属表面张力增加的溶质元素，称为该金属的非表面活性物质。 4、充型能力：液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充满铸型的能力，简称充型能力。 5、流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流动性”。 6.铸造：铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。 7.铸件：将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或其它力(压力、离心力、电磁力等)作用下充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的金属制品称为铸件。 8.晶界流动：晶粒间出现相对流动，称为
晶界流动。 9.金属的熔点：金属由固态变成液态过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。 10.熔化潜热：金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。 11.近程有序排列：这种仅在原子集团内的有序排列称为“近程有序排列”。 12.近程有序：原子集团由数量不等的原子组成，其大小为10-10m数量级，在此范围内原子排列仍具有一定的规律性，称为“近程有序”。 13.结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏而存在“结构起伏” 14.能量起伏：原子集团间的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离原子。这样的结构不是静止的，而是处于瞬息万变的状态，即原子集团、空穴或裂纹的大小、形态和分布及热运动的状态都处于每时每刻都在变化的状态--液态中也存在着很大的能量起伏。
一、判断题（正确的打√，错误的打×，每题1分，共15分） 1. 液态金属表面张力的产生是由于表面原子受力不平衡造成的。（√） 2. 只要过冷度?T<0，液态金属就能凝固。（×） 3. 随着凝固速度的增加，固/液界面前沿的成份过冷范围增大。（×） 4. 只要两相共晶组织中其中一相的体积分数小于1/π时，凝固后则形成棒状组织。（×） 5. 对于短而粗的铸件，由平方根定律计算出的凝固时间较实际的长。（√） 6. 焊接线能量即单位长度焊缝上输入的电功率。（×） 7. 高速焊接条件下易得到偏向晶。（×） 8. 熔池反应区是焊接冶金反应最剧烈的部位。（×） 9. 氮在金属中的溶解度与氮的分压成正比。（×） 10. 焊接时临界应变增长率越大，则热裂敏感性越小。（√） 11. 某个质点的等效应力可以在过该点的某个微分面上表示出来。（×） 12. 可以用工具或质点的运动速度来衡量物体内质点的变形速度。（×） 13. 对数应变具有可加性，因此，如果用对数应变表示变形量的大小，那么，不论物体的 载荷状态如何，物体的总变形量都可以由各个阶段的微小变形量加和得到。（×） 14. 在变形物体内部，速度间断线两侧的法向速度必须相等。（√） 15. 主应力法可以求变形力，但无法分析变形体内的应力分布。（√） 二、问答题（11小题，共48分） 1. 怎样的质点才能作为异质形核的晶核？（4分） 答：质点的熔点要高，（2分）且质点/晶核间的界面要润湿或部分润湿（润湿角θ在0°< θ<180°），或者界面两侧质点和晶核的原子排列相似，实现界面共格对应，点阵度配位度δ<25%。（2分） 2. 随着成分过冷范围的增大，单相合金的凝固组织有何变化？（5分） 答：随着成份过冷范围的增大，单相合金的凝固将从无成份过冷的平面生长依次转变为窄成份过冷区的胞状生长、较宽成份过冷区的柱状树枝晶生长、宽成份过冷区的自由树枝晶生长，（3分）从而其凝固组织从平面晶依次转变为胞状晶、柱状树枝晶、自由树枝晶（等轴晶）。（2分）（注：如只写出上述前半部分，说明该生已掌握成份过冷范围与最终组织之间的关系，也可以得全分） 3. 请用示图分别表示固相无扩散，液相均匀混合、液相只有有限扩散和液相有对流（液相量足够大）的情况下，固相和液相的成份分布。（5分） 答：液相均匀混合、液相只有有限扩散和液相有对流的情况下，固相和液相的成份分布分别如下图(a)、(b)、(c)表示： (a) (b) (c) （1分） （2分） （2分） （只要画出各实线以及与成份C 0间的相对位置即可得分） 4. 什么是焊接热循环？其主要参数有哪些？t 8/5和t 100各代表什么含义？（5分） 答：在焊接过程中，焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后又由高到低随时间的变化，称为焊接热循环。其主要参数有加热速度、最高温度（峰值温度）、相变温度以上的停留时间（高温停留时间）、冷却速度（冷却时间）。 t 8/5——代表从800冷却至500的冷却时间；t 100——从最高温度冷却至100的冷却时间； 评分标准：对焊接热循环，答对“焊件上某点温度随时间变化”即得1分；主要参数每答出1个得0.5分，4个参数全答出得2分；t 8/5和t 100各1分。 5. 焊接熔池凝固有何特点？其凝固组织形态有哪些？（5分） 答：由于焊接熔池凝固条件有体积小、过热、处于运动状态、熔池界面导热好及冷却速度快 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 得分 得分 院（系） 专业班级 学号 姓名 装 订 线 装 订 线 装 订 线