材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论

材料成型原理及工艺材料成型是指将原料通过一定的工艺过程，使其获得所需形状的过程。

在材料成型中，最常见的方式包括热成型、冷成型和粉末冶金成型等。

这些成型工艺的原理和应用在各个领域都有广泛的应用。

热成型是指通过加热材料使其软化并塑性变形以达到所需形状的一种成型方法。

主要包括热压成型、热拉伸成型、热挤压成型等。

其原理是通过加热使材料达到一定的软化点或熔点，然后通过外力施加，使材料塑性变形并成型。

热成型适用于塑料、玻璃、金属等材料的成型，并且可以制造复杂形状的产品。

冷成型是通过机械力作用在室温下进行的成型方法。

冷成型主要包括挤压成型、压铸成型、冷轧成型等。

其中，冷挤压是常见的一种冷成型方式，主要应用于金属材料的成型。

其原理是通过施加机械力，使材料在室温下产生塑性变形，并达到所需形状。

具有高精度、高效率的特点。

粉末冶金成型是一种将粉末材料在一定温度下进行成型的方法。

其主要过程包括压制和烧结两个过程。

首先将粉末材料经过一定的工艺处理得到一定的物理性质，然后该粉末被用来制造一种新型的成型工艺。

原理是通过压制使粉末粒子结合，并在一定的温度下进行烧结，最终得到所需形状的产品。

其优点是可以制造复杂形状的产品，同时可以利用废料进行再利用。

在材料成型过程中，还有一些辅助工艺和辅助设备的应用，以实现更好的成型效果。

例如模具是实现材料成型的重要工具，通过对模具进行设计和制造，可以获得不同形状和尺寸的产品。

在热成型过程中，需要控制加热温度、保持时间、冷却速率等参数，以确保产品的质量。

在冷成型过程中，需要选择合适的冷却介质和冷却方式，以使产品达到所需的硬度和强度。

在粉末冶金成型过程中，需要控制压制力、压制时间和烧结温度等参数，以实现产品的致密度和力学性能。

总结起来，材料成型的原理和工艺非常丰富多样，根据不同材料和产品的要求选择合适的成型方式可以实现高效率、高质量的制造。

随着科技的进步和工艺的改进，材料成型在各个行业的应用也越来越广泛。

第五节与液态成形相关的新工艺、新技术简介一、模具快速成形技术快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）：利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。

它能根据产品的三维模样数据，不借助其它工具设备，迅速而精确地制造出该产品，集中体现在计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。

传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、刨、磨等多种机加工设备和各种工装、模具，成本高又费时间。

一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率生产的要求。

快速成形技术是现代制造技术的一次重大变革。

（一）快速成形工艺快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。

迄今为止，国内、外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：1．纸层叠法—薄形材料选择性切割（LOM法）计算机控制的CO２激光束按三维实体模样每个截面轮廓对薄形材料（如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等）进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结快速形成原型。

用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

2．激光立体制模法—液态光敏树脂选择性固化（SLA法）液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即快速形成原型。

激光立体制模法可以用来制作消失模，在熔模精密铸造中替代蜡模。

3．烧结法—粉末材料选择性激光烧结（SLS法）粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。

粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。

用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。

4．熔化沉积法—丝状材料选择性熔覆（FDM法）加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息作X-Y平面运动和高度Ｚ方向的运动，塑料、石腊质等丝材由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型。

第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。

Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。

层流比紊流消耗能量大。

2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。

润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。

3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。

4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。

5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。

化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。

6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。

能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。

结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。

浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。

第一章习题1 . 液体与固体及气体比较各有哪些异同点哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。

金属熔化时典型的体积变化∆V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。

②金属熔化潜热∆H m约为气化潜热∆H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。

由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。

2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义液体的配位数N1、平均原子间距r1各表示什么答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。

N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。

r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。

3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。

答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。

近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。

晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。

而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。

第一章1.聚合物材料的加工性质：可模塑性、可挤压性、可纺性、可延性。

2.什么是可挤压性？答：可挤压性是指聚合物经过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。

发生地点：主要有挤出机、注塑机料筒、压延机辊筒用、模具中等聚合物力学的状态：粘流态。

表征参数：熔融指数3.什么是可模塑性？答：可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。

发生地点：主要有挤出机、注塑机、模具中等聚合物力学状态：高弹态、粘流态表征方法：螺旋流动试验在成型加工过程中，聚合物的可模塑性常用在一定温度、压力下熔体的流动长度来表示。

4.什么是可纺性？答：可纺性是聚合物材料经过加工形成连续的固态纤维的能力。

发生地点：主要有熔融纺丝聚合物力学状态：粘流态表征方法：纺丝实验5.什么是可延性？答：可延性表示无定型或半结晶聚合物在一个或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。

发生地点：压延或拉伸工艺聚合物力学状态：高弹态、或玻璃态。

表征方法：拉伸试验（速率快慢、式样）可延性源于：1）大分子结构非晶高聚物单个分子空间形态：无规线团：结晶高聚物：折叠链状细而长的长链结构和巨大的长径比2）大分子链的柔性。

6.什么是粘弹性？答：粘弹性是纯弹性和纯粘性的有机组合。

A，粘性：物体受力后，形变随时间发生变化，除去外边后，形变不能回复。

B，弹性：物全受力后，发生形变，除去外力后，形变能回复1）普弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能迅速回复，与时间无关。

（符合胡克定律）2）高弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能回复，与时间有关。

（不符合胡克定律）7.什么是滞后效应？答：在外作用力下，聚合物分子链由于跟不上外力作用速度而造成的形变总是落后于外力作用速度的效应。

形成原因：长链结构和大分子的运动具有步性，存在松弛过程，需要松弛时间。

聚合物的可挤压性：粘度---流动性---MFR表征、表征意义及使用意义聚合物的可模塑性：可模塑性的影响因素聚合物的可延性：冷拉伸、热拉伸、滞后效应线型高聚合物的聚集态与成型加工：力学三态的特征（分子运动状态、宏观力学状态）及适应的成型加工方法重要的成型加工特征温度：Tb /Tg/Tm/Tf/Td习题：1.请用粘弹性的滞后效应相关理论解说塑料注射成型制品的变形收缩现象以及热处理的作用。

液态成形工艺技术液态成形工艺技术是一种将液体材料注入模具中，通过各种方式使其固化成形的技术。

液态成形工艺技术包括压铸、注塑、压力真空成型等。

这些技术广泛应用于工业生产中，能够生产高精度、高性能的零部件和产品。

液态成形工艺技术的基本原理是通过将液体材料注入模具中，并施加一定的压力，使其充满整个模腔。

在一定的温度和时间下，液体材料会逐渐固化，从而得到所需的成品。

压铸是一种常见的液态成形工艺技术。

在压铸中，液态金属被注入到模具中，并经过高压力的作用，使其充满整个模腔，然后在一定的时间内进行冷却固化。

最终，通过打开模具，可以得到精确的金属零部件。

注塑是另一种常见的液态成形工艺技术。

在注塑中，熔融的塑料被注入到模具中，并且根据模具的形状和尺寸，塑料材料会逐渐固化。

注塑工艺技术可以生产各种塑料制品，如塑料壳体、包装材料等。

注塑工艺技术具有生产效率高、成本低等优点，因此在工业生产中得到广泛应用。

压力真空成型是一种利用压力和真空力来注入液态材料进行成形的技术。

在压力真空成型中，将液态材料放入模具中，并在一定的压力和真空条件下，使其充满整个模腔，并在固化过程中保持形状。

压力真空成型技术适用于各种不同材料的成形，如橡胶、塑料、陶瓷等。

液态成形工艺技术具有许多优点。

首先，液态成形工艺技术可以生产高精度的零部件和产品，尺寸和形状的精准度较高。

其次，液态成形工艺技术可以实现大规模的生产，生产效率较高。

此外，液态成形工艺技术具有良好的表面质量和产品性能，可以生产出高质量的产品。

然而，液态成形工艺技术也存在一些局限性。

首先，液态成形工艺技术对模具的要求较高，模具制造成本较高。

其次，对液态材料的选择和控制有一定的技术要求，不同的液态材料需要不同的成形工艺。

此外，液态成形工艺技术在处理高温材料和特殊材料时存在一定的困难。

总之，液态成形工艺技术是一种重要的加工技术，能够生产出高精度、高性能的零部件和产品。

随着材料和工艺的不断创新，液态成形工艺技术将在工业生产中发挥越来越重要的作用。

第一章重点总结第一节了解即可，没有出过题。

第二节1.纯金属的液态结构（11页第三段）2.实际金属的液态结构（11页第四段第五行，从“因此，实际液态金属-----”到段末）3.名词解释温度起伏，结构起伏，能量起伏（11页三、四段中）4.13页第一段“X射线衍射-----”第三节5.影响液态金属粘度的因素（14页）（1）化学成分，难熔化合物的液体粘度较高，熔点低的共晶成分合金粘度低（2）温度，液体金属的粘度随温度的升高而降低。

（3）非金属夹杂物，非金属夹杂物使液态金属粘度增加6.粘度在材料成形过程中的意义1）对液态金属净化的影响（2）对液态合金流动阻力的影响（3）对凝固过程中对流的影响7.名词解释，表面张力（15页最下面一句“总之，一小部分---”）8.表面张力产生的原因，（16页第一段）9.影响表面张力的因素（见2005年A卷二大题1小题）第四节10.流变铸造及特点（21页第一段“即使固相体积分数达到---”至最后，及21页最后一段，22页第一段）11.半固态金属表观粘度的影响因素（21页2 3 4段）第二章重点总结1铸造概念（22页第一段第一句）第一节2.液态金属充型能力和流动性有何本质区别（见2006年A卷第2题）3.两种金属停止流动机理（1）纯金属和窄结晶温度范围合金的停止流动机理（22页最后一段）（2）款结晶温度范围合金停止流动机理（23页第二三段）4.影响充型能力的因素及促进措施（1）金属性质方面的因素1.合金成分2.结晶潜热3.金属比热容4液态金属粘度5表面张力（2）铸型性质方面的因素1铸型蓄热系数，蓄热系数越大，铸型的激冷能力就越强2.铸造温度（3）浇注条件方面因素1.浇注温度2充型压头3浇注系统结构（4）铸件结构方面因素1折算厚度2铸件复杂程度（每点后最好总结一句话）第二节5.金属凝固过程中的流动（第二节1、2段）第三节6.了解存在三种传热；对流传热，传导传热，辐射传热即可第四节7.了解存在三种计算凝固时间的方法1理论计算法2平方根定律3折算厚度法即可第三章重点第一节1为什么过冷是液态合金结晶的驱动力（见2006年A卷第1题）2. 何为热力学能障和动力学能障？凝固过程中是如何克服这两个能障的？（见2005年D卷第3题）第二节 3.形核条件(40页第一段)4.名词解释，匀质形核，非匀质形核（41页最上部）5，2007年B卷第1题6.记住公式3-17 7.2006年A卷第3题第三节8.晶体宏观长大方式晶体宏观长大方式取决于界面前方液体中的温度分布，即温度梯度（1）平面方式长大固-液界面前方液体中的温宿梯度大于0，液相温度高于界面温度，称为正温度梯度分布。

《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。

2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。

3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。

4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。

5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。

2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。

3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。

而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。

4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。

材料成型原理及工艺实验指导书姓名班级学号南京农业大学工学院机械工程系机械制造教研室2006年11月目录实验一铸造合金流动性测定 (1)实验二铸造合金热裂倾向测定 (4)实验三焊接缺陷分析 (6)实验四铸造合金收缩率的测定 (12)实验五铸造残余应力测定 (15)实验一铸造合金流动性测定一、实验目的1．了解铸造合金流动性的测定原理、方法及过程；2．理解影响合金流动性的各种因素。

二、合金流动性测定原理流动性是铸造合金最主要的铸造性能之一，其影响因素众多：如金属及合金自身的特性、出炉温度、浇注温度、铸型的种类、铸件结构复杂程度、浇注系统设计等，为使其具有可比性，实际中常浇注流动性试样，并按浇出的试样尺寸评价流动性的好坏。

流动性试样按照试样的形状可分为：螺旋试样，U试样，棒状试样，楔型试样，球型试样等；按照铸型材料来分有：砂型和金属型。

螺旋试样法应用比较普遍，其特点是接近生产条件，操作简便，测量的数值明显。

螺旋试样的基本组成包括：外浇道，直浇道，内浇道和使合金液沿水平方向流动的具有倒梯形断面的螺旋线形沟槽。

合金的流动性是以其充满螺旋形测量沟槽的长度（cm）来确定的。

图1.1为同心三螺旋线测定法试样形状和尺寸。

此法为标准法。

同心三螺旋线的合金流动长度的平均值来测定合金的流动性，从而提高了测量的精度。

也可图1.1 同心三螺旋线测定法试样简以采用不同心的三螺旋线试样测定，图1.2为不同心三螺旋线测定法试样形状和尺寸，其截面为倒梯形，长度为1500mm，每隔50mm试样模型上有一凸点（便于读数）。

分别测量三螺旋线长度取其平均值来测定合金的流动性。

图1.2 不同心三螺旋线试样示意图1堤坝式浇口杯2 上砂箱3下砂箱4全压井5螺旋形试样a缓冲池b直浇口c溢流池d浇口井三、实验仪器设备及材料1．合金熔炼：100kW中频感应电炉一台（套），容量为10kg的坩埚、容量为10kg手端包；或电阻炉一台，Al2O3坩埚一个，热电偶、防护用品等。