材料加工工艺学期末总结

1.材料的定义

材料是人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器以及其他产品的物质。也可简单定义为：材料是可以制造有用器件的物质。

作为材料，具备以下特点：(1) 一定的组成；(2) 可加工性；(3) 形状保持性；

(4) 使用性能；(5) 经济性；(6) 再生性。

2.材料的种类

按化学结构或组成分类：

金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料（每种材料举几个例子！）

按用途分类：结构材料、功能材料。（又可细分为：航天航空材料、化工材料、机械工程材料、建筑材料、电子信息材料、能源材料、生态环境材料、生物医用材料。）

3.材料科学与工程的定义及四要素：

材料科学与工程定义为：关于材料组成、结构、合成与加工、性能及使用性能相互关系的科学。

四要素：

4.高分子材料的分类及其定义，并举例。

定义：是以高分子化合物为主要组分的材料。

常见的高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维、胶黏剂、涂料

5.塑料的分类

概述：塑料是具有可塑性的高分子材料。它以树脂为主要组分，加入各种添加剂，能在一定温度和压力下加工成形的各种材料的总称。

塑料的组成：

1）树脂；2）填充剂（填料）；3）增塑剂；4）稳定剂；5）增色剂；6）润滑剂；7）固化剂8）其他，比如还有发泡剂、催化剂、阻燃剂等。

塑料的分类（举例！）：

按塑料热性质分类：

热塑性塑料：比如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚四氟乙烯等。

热固性塑料：比如酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂等。

按塑料的功能和用途分类：

通用塑料：比如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等。

工程塑料：比如聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、

聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等。

特种工程塑料：比如聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺等。

功能塑料：比如导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。

6.橡胶的定义

橡胶是具有高弹性的轻度交联的线型高聚物，它们在很宽的温度范围内处于高弹态。一般橡胶在-40℃～80℃范围内具有高弹性，某些特种橡胶在-100℃的低温和200℃高温下都保持高弹性。橡胶的弹性模数很低，在外力作用下变形量可达100%～1000%，外力去除又很快恢复原状。

橡胶有优良的伸缩性，良好的储能能力和耐磨、隔音、绝缘等性能，广泛用于制作密封件、减振件、传动件、轮胎和电线等制品。

第二章

1.成型加工的定义

使固体状态(粉状或粒状)、糊状或溶液状态的高分子材料熔融或变形，经过模县形成所需的形状，并保持其已经取得的形状，最终得到制品的工艺过程。

2.高分子材料的状态变化与成型加工的关系三种物理状态：

玻璃态：T < Tg；高弹态：Tg～Tf (Tm)；粘流态：T >Tf (Tm)

在Tg以下，高分子材料处于普弹性状态(亦称玻璃态)，为坚硬的固体。受外力作用形变(普弹形变)很小，一旦外力消失，形变可以立即恢复。

在Tg以上，高分子材料处于高弹态(亦称橡胶态)，与普弹态相比，只要较小的外力就可使其发生较大的形变(高弹形变)。但这种形变是可逆的。

当达到Tf(Tm)时，高分子材料处于粘流态(亦称流动态)，此时，只要不太大的外力就可使其发生形变，而且这种形变是不可逆的，外力除去后，仍将继续保持，无法自发恢复。

达到Td，则高分子材料开始分解。

综上所述：

在Tg以下，对高分子材料不能进行形变较大的成型加工，只能进行机械加工。

Tg(对无定形聚合物)或Tm(对结晶聚合物)是选择和合理使用塑料的重要温度参数，亦是大多数塑料成型的最低温度。

3.熔体黏度的影响因素

多数高分子化合物是在熔融状态下成型的，熔融时的流动性是其重要的性质，而熔体粘度是表示流动性的基本物性。

聚合物内在因素对熔体粘度的影响：

1、粘度的分子量依赖性

2、粘度的分子量分布依赖性

3、支链对熔体粘度的影响

（图片内容自行补充！）

影响熔体粘度的外界因素有以下几个：（自行简述）

(1)温度。温度升高，可使高分子链热运动和分子间的间距增加，从而使熔体粘度下降。通常温度升高10℃，熔体粘度降低1/2到1/3。然而，不同高分子化合物熔体粘度敏感性并不相同，对温度敏感的高分子化合物，可采用温度来改变成型工艺参数，以便在最佳的工艺条件下获得高质量的制品。

(2) 压力。高分子化合物成型时的压力一般在10-300 MPa，熔体粘度对压力也有敏感性。采用提高成型压力提高熔体流量的办法，效果是有限的。

在正常成型温度范围内、增加压力和降低温度对熔体粘度的影响有相似性，即所谓压力--温度等效性，如对多数高分子化合物，压力增加到100MPa时，熔体粘度的变化相当于温度降低30-50℃的效应。

(3)剪切速率。高分子化合物熔体属假塑性流体，因此，随剪切应力或剪切速率增加熔体粘度下降，即所谓剪切变稀。

熔体粘度对剪切作用是很敏感的，操作中应严格控制螺杆的转速或压力不变。不然，剪切速率的微小变化会引起粘度的显著改变，影响成型过程，造成制品表观质量和内在质量的变坏。

4.流动曲线的定义

施加一定压力于聚合物熔体或浓溶液，并在一定范围内改变压力，观察聚合物熔体或浓溶液的流动行为，以剪切力τ或黏度η对剪切速率γ作图所得的曲线称为聚合物的流动曲线。

5.挤出成型的定义

挤出成型：是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断向形状的连续型材。

6.挤出成型的工艺流程

各种挤出制品的生产工艺流程大体相同，一般包括原料的准备、预热、干燥、

挤出成型、挤出物的定型与冷却、制品的牵引与卷取(或切割)，有些制品成型后还需经过后处理。

1）原料的准备和预处理；2）挤出成型；3）定型与冷却;4）制品的牵引和卷取(切割)；5）后处理

7.螺杆分为哪几段，各段的作用是什么？

根据物料在螺杆中的温度、压力、粘度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段。

(1) 加料段：加料段的作用是对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。塑料在该段螺槽始终保持固体状态。

(2) 压缩段：又叫相迁移段，其作用是对加料段送来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，应该成为完全塑化的粘流状态。

(3) 均化段：又叫计量段，其作用是将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压地通过机头口模挤出成型。

8.压制成型的定义及其成型工艺

压制成型是指主要依靠外压的作用，实现成型物料造型的一次成型技术。

根据成型物料的性状和加工设备及工艺的特点，压制成型可分为模压成型和层压成型（备注：不用模具）两大类。

模压成型包括：热固性塑料的模压成型(即压缩模塑)、橡胶的模压成型(即模型硫化)和增强复合材料的模压成型。

层压成型包括：复合材料的高压和低压压制成型。

热固性塑料模压成型工艺过程通常由成型物料的准备、成型和制品后处理三个阶段组成。

9.压延成型的定义及其成型工艺

压延成型是生产高分子材料薄膜和片材的主要方法，它是将接近粘流温度的物料通过一系列相向旋转着的平行辊筒的间隙，使其受到挤压和延展作用，成为具有一定厚度和宽度的薄片状制品。

（了解）压延成型与前面的模压成型、挤出成型、注射成型并列为四大高分子材料加工方法。

完整的压延成型工艺过程可以分为供料和压延两个阶段。

供料阶段是压延的备料阶段，主要包括塑料的配制、混合、塑化和向压延机传输喂料等几个工序。

压延阶段是压延成型的主要阶段，包括压延、牵引、刻花、冷却定型、输送及卷绕或切割等工序。所以压延成型工艺过程实际上是从原料开始经过各种聚合物加工步骤的整套连续生产线。

10.什么是压延效应？如何消除或减小压延效应。（自己纠正！）

由于物料在压延过程中，在通过压延辊简间隙时受到很大的剪切力和一些拉伸应力，因此高聚物大分子会沿着压延方向作定向排列，以致制品在物理力学性能上出现各向异性，这种现象在压延成型中称为压延效应。

压延效应的大小受到压延温度、辊筒转速与速比、辊隙存料量、制品厚度以

及物料的性质等因素的影响。

物料温度适当提高，可以提高其塑性，加强大分子的热运动，破坏其定向排列，压延效应可以降低；

辊简的转速与速比增加，压延效应提高，若转速下降，则压延的时间增加，压延效应可降低；

辊隙存科较多，压延效应也上升；

制品的厚度小，物料所受剪切作用增加，则压延效应也增加，所以压延制品越薄，质量难以保证，这也是为何薄膜厚度小于0.05mm很少用压延法生产，而多采用挤出吹塑法的原因；

物料中采用针状或片状配合剂，易带来较大的压延效应，物料的表观粘度大，压延效应也大，要消除这些因素产生的压延效应，应尽量不使用各向异性的配合剂并提高物料的塑性，

压延后缓慢冷却，有利于取向分子松弛，也可降低压延效应；

引离辊、冷却辊和卷取辊等之间的速比，也对压延效应有影响。

11.注射成型的定义及其成型工艺。什么是反应注射成型？

塑料的注射成型是将粒状或粉状塑料加入到注射机的料筒，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞或移动螺杆快速而又连续的压力下，从料简前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合的模具内，充满模腔的熔体在受压的情况下，经冷却（热塑性塑料）

或加热(热固性塑料)固化后，开模得到与摸具型腔相应制品的成型方法。

1、合模与锁紧

2、注射装置前移

3、注射

4、保压

5、制品的冷却和预塑化

6、注射装置后退和开模顶出制品

1、成型前的准备

(1) 原料的预处理(2) 料简的清洗(3) 嵌件的预热(4) 脱模剂的选用。

2、注射成型过程

(1) 加料塑化(2) 注射充模(3) 保压(4) 冷却(5) 脱模

3、制品后处理

(1)热处理(退火处理)。(2)调湿处理。(3)整修。

12.二次成型的定义及与一次成型的区别。

二次成型是指在一定条件下将高分子材料一次成型所得的型材通过再次成型加工，以获得制品的最终型样的技术。二次成型是相对于一次成型而言的。

二次成型技术与一次成型技术相比，除成型对象不同外，二者的主要区别在于：

一次成型是通过材料的流动或塑性形变而成型，成型过程中伴随着聚合物的状态或相态转变；

二次成型是在低于聚合物流动温度或熔融温度的“半熔融”类橡胶态下进行的，一般是通过粘弹形变来实现材料型材或坯件的再成型。

第三章金属复习归纳

1、铸造成型

液态金属在铸型中冷却：获得零件或毛坯的成型方法。可以分为以下几种：

砂型铸造，金属型铸造，熔模铸造，压力铸造。其中后三种为特种铸造。

2、压力铸造与低压铸造的区别？

A、压力铸造（简称压铸）

在高压下(5~500MPa)快速(浇口速度达30~60m/s )将液态或半液态合金压入金属铸型中,并在压力下结晶，以获得铸件的方法。压力铸造是在压铸机上进行的。

特点:1要求在压力作用下凝固，否则无意义；2表面冷却很快，所有铸件表层晶粒很细小，性能很高。3压铸模具成本较高、生产效率高，压铸不宜小批量生产。

应用:1压铸可以生产锌合金、铝合金、镁合金、黄铜铸件；2在压铸件中，铝合金压铸件约占30~50%，其次为锌合金压铸件，黄铜压铸件约占1~2%，镁合金压铸件正在快速增长。3压铸件应用行业为汽车、拖拉机、仪表、电子工业、计算机、医疗器械等。

B、低压铸造

使液态合金在压力下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶、以形成铸件的工艺过程。特点（1）充型压力和速度便于控制，适应各种铸型。（2）铸件的

组织致密，机械性能较高。（3）不用冒口补缩，金属利用率高。（4）铸件尺寸、形状范围广。

适用:一般用来生产铝、镁合金精密铸件。也能铸造各种合金。

3、凝固方式的分类及其定义

凝固方式根据液固两相区的宽窄可将铸件的凝固方式分为三种方式，即：逐层凝固；体积凝固(也称糊状凝固)；中间凝固。

逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金在恒温下结晶，故在凝固过程不存在液、固并存的凝固区，断面上的固体和液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着时间的延长，温度不断下降，固体层将不断加厚，液体层不断减薄，直到中心全部凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。如果合金的结晶温度范围（dt）很小，且断面温度梯度很大时，铸件的凝固区域将很窄，也属于逐层凝固方式。

体积凝固(也称糊状凝固)：如果1.合金的结晶温度范围很宽，或2.结晶温度范围不大，但温度场较平坦，以至表面还没有凝固结束，铸件中心温度已降至了结晶温度，使凝固区域宽泛到贯穿整个铸件断面。这种凝固方式称为体积凝固，这种情况下的凝固先呈糊状，而后固化，故又称为糊状凝固。

中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式称为中间凝固。且大多数合金以中间方式凝固。

4、铸件晶粒组织的分类及定义

最典型的铸件晶粒组织由三个晶区组成，即表面细晶区、内部柱状晶区和中心等轴晶区。

表面细晶区：当液体金属受到冷铸型的强烈激冷，产生很大过冷，因而在型壁上及液体中大量生核，成长为细晶粒区。这些细晶粒是在过冷液体中生核、生长的，其生长方式也采取枝晶状。它的结晶潜热既能从型壁导出，也能向过冷的液体中散失，因此受散热方向影响较小，晶体的生长是无方向性的。

内部柱状晶区：柱状晶区是表面层区晶体向内单向延伸生长的结果。随着液体中对流的减弱、型壁上或凝固层上晶体的脱落减少以及结晶潜热的析出使型壁温度升高，导致细晶区不能扩展，液体金属冷却减慢，温度梯度变得平缓，即形成柱状晶区。

中心等轴晶区：由于液态金属内部的独立形核和生长。独立形核的来源一是对流漂移到铸件中心部位的自由小晶粒，二是符合晶面共格的非金属夹杂物。

5、凝固缺陷及其控制

凝固缺陷的种类：合金中的成分偏析，气孔与夹杂的形成机理，缩孔缩松的形成与防止，凝固收缩、变形与裂纹，焊接中的缺陷。

凝固缺陷防治措施：

气孔的防治：

1消除气体来源：炉料洁净、型砂水分、有机粘结剂用量和含氮量、焊条烘干等2合理工艺：精炼、除气和气体保护3增加气体析出：金属型铸造、密封加压凝固等。

初生夹杂物的防治：（1）加溶剂——吸收夹杂（2）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出（3）过滤法

二氧化碳夹杂物防治：（1）合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型（2）控制金属液的易氧化元素（3）铸型内造还原型气氛

缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。

缩松防止：无法通过浇冒口消除。△T↑枝晶发达→缩松↑

防止铸件热裂的途径：

1）提高合金抗热裂能力

2）改善铸型和型芯的退让性，减少铸件收缩时的各种阻力

3）减小铸件各部位温差，建立同时凝固的冷却条件

4）改进铸件结构的设计

6、偏析的种类及其控制

偏析：合金在凝固中发生的化学成分不均匀现象叫偏析。

种类：1、微观偏析：合金微小范围内（约一个晶粒范围）的化学成分不均匀性，如晶内偏析和晶界偏析。2、宏观偏析：合金凝固断面上各部位的化学成分不均匀性，常有正常偏析、逆偏析和重力偏析等。

防控：

晶内偏析防控：不稳定，通过扩散退火和均匀化退火可以消除。

晶界偏析防控：

正常偏析防控：扩散退火无效，提高冷速有效，如降低浇注温度、加速铸件凝固。

逆偏析防控：

重力偏析防控：（1）强化冷却（2）加入组织初晶沉浮的合金元素，如Cu-Sb 合金中加入Ni，Sb-Sn合金中加入Cu。

第四章粉末冶金

1.粉末冶金的定义及其主要加工程序

粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为“金属陶瓷法”

粉末准备：配制（基本材料+添加剂）混合压制成型烧结零件成品

2.粉末性能和制备方法

固态物质按分散程度不同分成致密体、粉末体和胶体三类。

粉末的化学成分一般是指主要金属或组元的含量、杂质或夹杂物的含量以及气体的含量

粉末的物理性能：粉末颗粒大小和粒度组成、粉末颗粒形状与结构、显微硬度、粉末比表面、粉末真密度以及粉末颗粒的晶格状态。在技术条件中，通常只规定各级粉末颗粒的百分含量——粒度组成或筛分组成

粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、压缩性与成形性来表征。

制备方法

一、机械制粉，1机械研磨，2气流研磨法

二、物理制粉法1.雾化制粉法 2.物理蒸发冷凝法

三、化学制粉法1.化学气相沉积法2.氧化还原法3.电化学制粉法

3.粉末冶金的加工方法

预处理主要包括:表面改性、热处理、筛分。混合、悬浮。塑化、造粒等。成型。

胶态成型法、1注浆成型(空心注浆、实心注浆) 2热压注成型（3）流延法成型（4）原位凝固胶态成型

塑性成型法、⑴挤压成型(2)轧制成型(3)注射成型

压制成型法⑴干压成型（2）等静压成型

4.烧结的定义

烧结的概念：粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。

烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度和密度增加。

1. 复合材料的定义及其分类

定义：由两种或两种以上，物理化学性质不同的物质组合而成的多相固体材料。

2. 聚合物基复合材料的成型工艺。

一是预浸料制备

二是成型，即将预浸料按产品的要求，铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;

三是固化，即把已铺置成一定形状的叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素影响下使形状固定下来，并能达到预期的性能要求。

1手糊成型工艺、2喷射成型工艺、3模压成型工艺、4层压成型工艺、5缠绕成型工艺、6挤出成型工艺、7注射成型工艺、8树脂传递模具、9.反应注射模塑和增强型反应注射模塑。

3.手糊成型和连续纤维缠绕成型的定义。

(1)手糊成型工艺

手糊成型工艺是复合材料最早的一种成型方法，也是一种最简单的方法，其具体工艺过程如下：首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所需厚度为止。然后，在一定压力作用下加热固化成型（热压成型）或者利用树脂体系固化时放出的热量固化成型（冷压成型），最后脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下图所示：

(2). 连续缠绕成型工艺

将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。

缠绕工艺流程图如下图所示：