材料成型学
材料成形技术是以各种工艺方法将材料制备成具有一定结构形式和形状工件的技术。
材料成形的工艺方法:1.液态成形技术:金属的液态成形,塑料的液态成形2固态成形技术:塑性成形技术 粉末冶金技术 3连接成形技术:焊接成形技术
非金属材料最突出得到特点是：密度小、重量轻、抗腐蚀性能优良且电绝缘性好；成形工艺简单，生产成本较低，应用前景广泛
高分子材料可分为天然的和人工合成的两大类。合成方法常见的有两种，即加成聚合和缩合聚合
塑料的组成：塑料以合成树脂为基本成分一般含有 添加剂、增塑剂、稳定剂、色料。 按树脂的分子结构和热性能，塑料可分为：热塑性塑料和热固性塑料
热塑性塑料：分子结构为线性或支链结构，可反复加热重塑，且保持其化学结构和性能基本不变。
热固性塑料：以缩聚反应合成的树脂为基础，加入多种添加剂组成的塑料。不可反复加热重塑，固化后，分子为网状的体型结构，呈不溶不熔的特性。
塑料的特性决定了其成形方法：热塑性：通过温度的降低成形热固性：合成反应成形 注塑成型又称注射成型，将热塑性塑料或某些热固性塑料加工成零件的加工方法。
注塑成型流程：将粉状的塑料原料经料斗装入料桶，并在其内加热至熔融状态，在注射机柱塞或螺杆作用下注入模具，冷却后脱模即得所需形状的塑料制品
注射形成工艺的主要因素：注射温度：提高温度－充模易，零件表面光洁，但高的熔体温度使塑料降解，力学性能急剧下降；
模具温度：影响充型、模塑成型周期、制品的内应力等－低模温：充型困难；高模温：冷却时间长――生产周期长，分子链松弛等。
注射压力包括：塑化压力和注射压力 塑化压力：背压，是指螺杆顶部熔料在螺杆转动时所受到的压力：提高背压使剪切力提高，温度也会提高，塑化率下降，小于2.0MPa；注射压力：以拄塞或螺杆顶部对塑料施加的压力，克服塑料流动阻力，提高冲模速度，对熔料进行压实。 注塑成型预热处理－－防止对母体造成伤害
挤塑成形也称挤出成形是将粉料或颗粒的塑料原料加入挤压机的料桶中，加热软化，在螺旋螺杆的作用下，使塑料受挤压前移通过口模，冷却后制成等截面连续制品的方法。
塑化的方法:干法：加热成为熔体，塑化与成形在同一设备完成；湿法：加溶剂塑化，塑化与成形为独立的过程，需要进行去除溶剂
挤塑成形生产装置：关键部件是：螺杆。螺杆：加料段、压缩段、均化段三个阶段
挤出工艺参数:挤出机料筒温度：温度由低到高：加料段、压缩段、均化段。防止加料段温度过高，否则导致塑料在这段螺杆与料筒之间熔融，无法有效输送到螺杆前端。挤出模具温度：略高于料筒均化段温度，较高的口模温度有利于降低离模膨胀，容易得到表面光洁的制品；但过高的温度会引起塑料降解，甚至烧焦。挤出速度和牵引速度：与生产效率有关。但过高的挤出速度容易引起塑料熔体表面破碎；而牵引速度的提高会形成塑料熔体的拉伸，适合的拉伸比（口模与芯棒所形成的空间的截面积与制品截面积之比）可缓解熔体破裂的产生。
压塑成形：压制成型分为：模压法和层压：是将粉状、粒状的塑料原料或片状的塑料坯料（层压法）放入模具中，经加热和加压而成形为塑料制品的方法。
压塑成形成形过程：将合成树脂、固化剂、固化促进剂、填料、润滑剂、色料等按一定配比混合并定量加入高温的压塑模具型腔和加料室中，然后将模具闭合
压塑成形主要控制因素：成型压力、模压温度和加料量。
模压温度：指成型时的模具温度。提高模温可缩短成型周期，但塑料是热不良导体，太高的模温会使内部的塑料得不到应有的固化。模具温度在一定范围提高，也可以降低成型压力，但应防止模具温度过高导致塑料固化而失去降低成型压力的可能性
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料人工复合而成的新型材料。 复合材料的特点增强相与基体的相容关系:润湿性,比重差,粘度变化。材料制备与成型同时完成 组成复合材料有两类物质：一类是基体材料――形成几何形状并起粘结作用另一类是增强材料，
起提高强度或韧化作用
金属基复合材料的分类：整体复合材料，表面复合材料
外加增强体颗粒法：即将固态的增强体颗粒逐步加入并混合于液态金属中制得金属基复合材料。 粉末冶金法：将增强体与基体合金粉末混合后冷压或热压烧结
外加增强体颗粒法问题：分布：增强相往往会因与基体比重不同而产生凝聚、上浮或下沉，难以均匀分布；界面：润湿性问题，表面要求高粘度：粘度随增强项含量的提高，粘度提高，成形性恶化；缺陷：制件中容易形成气孔、夹杂
原位反应复合法：通过加入增强相形成元素或引入反应气体在基体金属液内部原位发生反应、形核生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法，这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒。
与以上两种复合工艺相比，原位反应复合法的增强体颗粒尺寸比较细小，且表面无污染，与基体的结合为冶金结合，避免了与基体浸润不良的问题，因而结合良好；具有工艺简单，成本低的特点。但不足的是目前在原位反应时，除了所预计生成的增强体外，仍不免其它副反应夹杂物存在，同时难以精确控制增强体的体积分数。
原位反应复合法核心是进行增强相颗粒的合成反应关键是合成过程控制：控制反应速度，控制颗粒大小和数量
实现表面复合材料制备需解决的基本问题： 表层与母体材料之间的结合问题成形工艺问题 表面复合材料铸渗法是铸件表面合金化的一种方法，又被称为覆铸造法或熔铸法，即在铸型型壁上涂（或贴）覆一定配比的合金粉末膏剂（也称涂覆层或膏块），当浇注成形时，金属液浸透涂料的毛细孔隙，高温的液态母材金属与合金粉末之间产生强烈热作用（合金粉末溶解、熔化或发生化学反应）并进行物质互渗，以此改变铸件表层的结构和性能。
由于其本身的成形工艺，使其具有两个致命的缺点。第一，铸渗法靠毛细管作用使金属液浸透涂覆层或膏块，这就要求涂覆层或膏块的紧实度要恰当，也即要求合金粉末的粒度要合适。粒度过小：无法渗，溶解，熔化，流失；粒度过大：不能完全熔解，最终滞留于表面层内形成夹杂第二，铸渗法要求膏剂具有良好的流动性、悬浮性和涂挂性，这就要求严格控制粘结剂的加入量。加入量过少，涂覆层和膏块的强度会降低，在浇注过程中难于避免会被高温铁水冲散；加入量过多，浇注时这些有机粘结剂会在高温铁液的作用下气化分解，生成的气体和分解的产物容易在表面层、母材，尤其是二者的界面上形成气孔和夹杂，
铸造烧结法是将具有一定配比的合金粉末预先压制成压坯，放置铸型中，当高温铁水浇入铸型后，粉末坯块在高温铁水的热作用下，发生化学反应并烧结，生成大量的陶瓷颗粒，从而在铸件表面烧结反应生成3~4mm厚的表面复合材料，复合层与铸件形成一体，成为铸件的一具有特殊性能的表层。
表面再生技术是通过向金属摩擦表面引入一种被称之为摩擦表面再生剂，进而在金属摩擦表面原位生成金属陶瓷层，达到修复磨损、减少摩擦、延长寿命等一系列节材、节能、环保目的。它可对一切有润滑金属摩擦副的机械设备和车辆完成节能环保改造、免拆精修，延长使用寿命。 铸造的主要影响因素主要体现在二个方面：一是影响充型，2是影响凝固收缩。
改善金属的流动性有利于形成薄壁复杂的铸件，排除内部夹杂物和气体加快凝固中液体的补缩 铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。
逐层凝固:纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。
糊状凝固：铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。
砂型铸造：以型砂（SiO2）为铸型、在重力下充型的液态成形工艺方法！
砂型铸造特点：方便、成本低，适用于生产各类铸件，环境污染严重
金属型铸造：以金属为铸型、在重力下的液态成形方法。
金属型成型属金属型芯，在铸件凝固过程中不能退让而阻碍铸件的收缩
金属型的铸造工艺未预热――液态金属冷却快，流动性加剧下降――冷隔，气孔等
预热方法：火焰－温度不均匀，电阻加热器加热――适用于大中型模具，搬运不方便，加热炉加热――放入加热炉加热，温度均匀――小型模具
表面涂料涂料作用：调节铸件冷却速度，保护金属型－防止型壁冲蚀破坏――防止高温金属液对型壁的直接冲蚀和热击，利用涂料层蓄气――涂料层有一定孔隙度，因而有一定的蓄气和通气作用。
涂料的组成：粉状耐火材料：氧化锌、滑石粉等，粘结剂：水玻璃、糖浆等，溶剂：水，特殊附加物：硅铁粉――防止灰铸铁白口；硼酸――防止镁合金氧化
涂料基本要求：一定的粘度――便于喷涂，不龟裂，且易于清除，高温时不发生化学反应 金属型的浇注温度：低――冷隔、气孔，高――冲蚀型壁
金属型浇注速度：由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应――先慢――防止飞贱，后快―保证很好充型――防止浇注金属溢出，再慢
金属型铸造特点：优点铸件质量和精度高，冷却速度快，组织致密，力学性能高，生产效率高，适宜大批量生产缺点：易产生气孔，应力，裂纹，浇不足，冷隔，白口组织等缺陷。不宜生产形状复杂件，薄壁，大型铸件模具制造成本高。
熔模铸造：以蜡模为模型，以若干层耐火材料为铸型材料，成形铸型后，熔去蜡模形成型腔，最终在重力下成形的液态成形方法。
熔模的组装两种方法：焊接法，机械组装法
熔模铸造流程：制模—制模组—挂涂料—撒砂—脱模—焙烧—浇铸。
脱模：热水法――把模组型壳放入80～90℃，使模料溶化，并从浇口溢出――方法简单，但因型壳浇口向上侵入水中，脏物易进入型腔中
高压蒸汽法――将模组浇口朝下在高压釜中，向釜内通入2～5个大气压的高压蒸汽，模料熔失――效率高
模料软化点（开始变形的温度）高于40℃，防止熔模在室温下变形
压力铸造：将液态或半液态在高压作用下快速压入金属铸型并在压力下结晶获得铸件
压力铸造第一阶段： 压射冲头以慢速前进，封住浇口，液态金属被推动，具所受压力Pl也较低，此时Pl仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩撩阻力；
第二阶段：本阶段在压射冲头作用下，金属将完全充满压室至浇口处的空间；
第三阶段：液体金属充填浇注系统和压铸型型腔；
第四阶段：本阶段的主要任务是建立最后的增压，使铸件在压力P4下凝固，而达到使铸件致密的目的。
压力铸造特点和应用：浇注时间短，易于机械化、自动化作业；铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；铸件尺寸精度高，表面光洁；凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔；模具成本高，铸件尺寸受限；适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产
压力铸造:影响充填速度有三个因素；即压射速度，比压和内烧口截面积。
压射速度是指压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度，充填速度是指液体金属在压力作用下，通道内浇口进入型腔的线速度。
低压铸造:指液态金属在低的气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固而获得铸件的一种铸造方法。
特点和应用：充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣少；铸型散热快，组织致密，机械性能好；无需冒口设置，金属利用率高；铸件尺寸精度高，表面光洁；适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件
离心铸造指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。
离心铸造最后在铸件下部内表面上形以下凹的曲面
影响铸件凝固方式的主要因素 ：（1）合金的结晶温度范围（2）铸件的温度梯度
合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。
2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温
间的收缩。
体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
铸件壁的连接：铸件的结构圆角，避免锐角连接，厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡，减缓筋、辐收缩的阻碍
铸件外形的设计：避免外部侧凹凸起；分型面应尽量为平直面，凸台、筋条的设计应便于起模。 铸件内腔的设计：应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。便于型芯的固定、排气和清理。 浇注位置：浇注时铸件在型内所处的状态和位置
浇注时铸件在铸型中所处的空间位置：1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面2. 应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置3.铸件的大平面应朝下 4.为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件的厚大部位朝上或侧放
分型面的选择原则：1. 分型面应选在铸件的最大截面处2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。
砂芯：为了起模仿便，并形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位，所采用的砂块。以工艺要求为主。作用：起模方便、局部的特殊要求。
芯头的作用
铸件的尺寸：
铸型充满，阻渣能力 铸型的特点:多孔性,透气性,不润湿性三个作用:热作用,机械作用,化学作用
对浇注系统的基本要求:1. 符合铸件的凝固原则或补缩方法。2. 在规定的浇注时间内充满型腔。
3. 提供必要的充型压力头，保证铸件轮廓、棱角清晰。4. 使金属液流动平稳，避免严重亲流。防止卷入、吸收气体和使金属过度氧化。5. 具有良好的阻渣能力。6. 金属液平稳充型。7). 烧注系统的金属消耗小，并容易清理。
浇口杯的作用：承受金属液的冲击和分离熔渣，避免金属液对沙型的直接冲击。
浇口杯种类及特点：漏斗式：①阻渣能力差；②金属↓；③结构简单池式： ①一定的阻渣能力；②金属↑；③结构相对复杂
直浇道作用：引导金属液进入横浇道、内浇道或直接引入铸型
浇口窝作用：缓冲作用，缩短直——横拐弯处的高度紊流区减小直——横拐弯处的局部阻力系数和水头损失
横浇道中金属的流动四个区：直——横浇道拐弯处的高度紊流区，过渡区，正常区，横浇道的末端高度紊流区 横浇道发挥阻渣作用应具备的条件：（1）充满条件(2)流速V0，流动平稳，流速尽可能低小的吸动区H横/H内＞5内浇道与横浇道的搭接为封闭式，(3)内浇道的要求：内浇道的位置——远离直—横拐弯处和横浇道末端。合理的末端区和末端结构
强化横浇道阻渣的措施：虑网——根本的措施，特殊结构的横浇道，利用惯性力的形成来集渣， 内浇道的作用：控制充型速度和方向，分配金属，控制和调节铸件的温度和凝固顺序 远离直浇道的内浇道流量大
内浇道设计的基本原则 ：控制凝固的顺序，调节温度场——位置和数量，控制金属液进入铸型的方向和大小，有利于阻渣——扁平结构，便于清理
砂型浇注系统的充满条件：金属液的压力＞型壁的气体压力
浇注系统的分类：按组元截面分：封闭式特点：阻渣，消耗金属少，喷射、冲砂，金属易氧化——二次渣的形成开放式特点：充型平稳，金属氧化小，冲刷作用小，阻渣差，金属消耗大——内浇道较大。按内浇道在铸件上的位置分：顶注式特点：易充满，补缩——顺序凝固——温
度梯度，节约金属——冒口小，冲刷大。底注式特点：不易充满——冷隔，补缩——顺序凝固——温度梯度——缺陷，不节约金属——冒口大，冲刷小
△ ABC：铸件在凝固过程总的收缩量
△ ACD：铸件在凝固过程总的膨胀量
△ ABE：铸件的表观收缩量；AC：铸件总的凝固时间
AE：铸件达到表观收缩为零所需的时间；E点：均衡点――在这一点
ae：外部补缩时间
均匀凝固理论
逐层凝固――铸件表面形成一个完整的外壳――普通灰铸铁，糊状凝
固――未形成完整外壳――球磨铸件――刚性好的铸型；石墨化膨
胀――片状石墨，球状石墨――二次膨胀；自补缩能力――消除缩松
利用铸铁件石墨的二次膨胀消除缩的工艺方式为：均衡凝固原理
影响因素：利于石墨化的因素，将有利于利于石墨化二次膨胀消除缩
松缺陷；合金成分；铸铁材料―一定要求外部补缩；铸件结构――壁厚；越是薄壁件越是需要补缩
通用冒口补缩原理:冒口凝固时间大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间：遵守的是顺序凝固的原则
实用冒口的核心是：部分或全部利用石墨化膨胀消除二次收缩缺陷
实用冒口设计的依据：铸件的壁厚（模数）及铸型的强度
直接实用冒口基本原理：1）利用全部共晶膨胀以补偿铸件的二次收缩（2）冒口补缩液态收缩（ 3）液态收缩结束或共晶膨胀开始，冒口补缩结束——冒口颈冻结（4）利用膨胀压力：早期形成内压——铸型弹性扩张，二次收缩时内压逐渐降低——避免铸件内部出现缺陷（压力冒口） 关键模数：是指铸件关键部位的模数
关键部位：满足这样三个条件：1它的体积膨胀量能抵偿所有的更厚部位的液态收缩量，直到比它厚的部位开始膨胀为止，膨胀量等于液态收缩量。2关键部分的膨胀比它更厚部分的液态收缩同时发生3两者相互关联
直接实用冒口的优缺点：优点:1出品率高2冒口位置好确定3冒口易清楚缺点：铸型强度要求高。模数大于0.48cm的球铁件，要求用干型等。对于复杂铸件关键模数不易确定