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1、材料成型原理与工艺 概论 北京航空航天大学材料学院 周铁涛 2014.1,主要参考书目：1：材料成型原理与工艺 应宗荣 主编 哈尔滨工业大学出版社，2005 2：工程材料及成形工艺基础 齐乐华 主编 西北工业大学出版社，2002 3：材料成形技术基础 何红媛 主编 东南大学出版社，2000,材料要获得应用和发展必须具备两个基本条件： 一.材料必须具有能满足特定应用场合所要求的性能 二.有经济有效的成形方法将其成形为特定的制品 因此材料工业包括了：材料制备工业和制品加工工业两大工业体系；制品加工工业是材料工业的两极之一，它与材料制备工业(如金属的冶金工业、聚合物的合成工业)相互关联、互相依存并且
2、相互促进。,材料总是以一定的制品形式获得应用的。而材料要变成制品必须经历一定的成形工艺过程。成形工艺过程包括：温度、压力和各种场力的施加及变化。 成形工艺过程既赋予制品所需要的形状，同时也直接影响制品的微观结构和宏观性能。因此掌握制品成形工艺方法与成形行为、制品结构的形成过程与规律、制品结构与制品性能关系、制品成形工艺条件对制品质量的影响规律等，对于在制造特定的制品时指导材料及成形工艺方法的选择、成形工艺过程与条件的确定以及设备与模具的设计和选用等都具有重要的意义。本课程的基本任务就是阐明制品成形的基本原理和工艺方法，为指导制品生产打下必要的理论基础。,0.1 材料种类与应用 材料是人类进行生
3、产生活和与大自然作斗争的物质基础，今天它与能源、信息和生物技术共同构成了现代科学技术的四大支柱。材料作为用来制造机器零件、构件和其它可供使用制品的物质，按化学组成特征，可分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。,0.1.1 金属材料 金属材料是目前应用最广泛、重量用量最大的材料，是现代机械制造工业的最主要材料。现在世界上有86种金属！在各种机床、矿山机械、冶金设备、动力设备、农业机械、交通运输设备、航空航天器、现代兵器中，金属制品占80%90%，金属材料在材料领域中占有举足轻重的地位。 金属材料按组成可分为纯金属和金属合金两大类。由于金属合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本低，
4、因而实际中多使用金属合金。金属合金是一种以金属元素为基础，加入其它金属或非金属元素经熔炼或烧结而制成的、具有金属特性的材料。最常用的金属合金是以铁(Fe)和碳(C)为基础的铁碳合金，其用量占整个金属材料的90%以上。,铁碳合金通常称为钢铁或黑色金属，黑色金属只有三种：铁、锰与铬。而它们三个都不是黑色的！纯铁是银白色的；锰是银白色的；铬是灰白色的。黑色金属分为钢和铸铁两大类。钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金，是使用最广泛的金属材料，产量占金属的90%以上，1990年世界钢产量为6.85亿吨，中国2000年钢产量1.285亿吨。根据钢的化学成分，钢又可以分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。碳
5、钢除含主要成分铁和碳外，还含有少量的硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)等元素。碳钢具有良好的工艺性能和较好的机械性能，且价格低廉，应用最广泛，其产量占钢产量的80%以上。为了改善和提高钢的性能，在碳钢基础上有针对性地加入某些元素，这种钢称为合金钢，它主要用来制造性能要求高的机械零部件。,含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，除含铁和碳外，它还含有Si、Mn、P、S及某些合金元素，其成分大致为：2.5%4.0%C，1.0%3.0%Si，0.5%1.4%Mn，0.01%0.5%P，0.02%0.2%S。与钢相比，主要区别在于铸铁含C、Si较高，含P、S杂质元素较多，所以其组织和性能与钢差
6、别较大，铸铁的铸造性能优良但物理机械性能不如钢。铸铁是重要的工程材料，中国2000年的铸铁产量近1000万吨，铸铁主要应用于农业机械、汽车拖拉机、机床制造等领域。,除钢铁(黑色金属只有三种：铁、锰、铬)以外的各种金属材料又称非铁材料或有色金属，如铝(Al)、铜(Cu)、镁(Mg)和钛(Ti)等。有色金属的种类很多，其用量和产量不及钢铁，但由于它们具有某些独特的性能和优点，在空间技术、航海、原子能、计算机等新型工业部门获得了重要的应用，已成为现代工业中不可缺少的重要材料。2000年中国10种常用有色金属及其合金的年产量已超过800万吨。,铝是地壳中储量最丰富的金属元素，约占地壳总量的8.2%，居
7、四大金属Al、Fe、Mg和Ti之首。铝具有良好的塑性和韧性以及仅次于银、铜的导电性和导热性，广泛用作导电材料和热传导材料。但纯铝强度低，不宜作结构材料，为了提高其强度，通常加入一定量的合金元素（如Si、Cu、Mg、Mn等）制成铝合金。铝合金广泛用作飞机结构材料、舰船构件、各种缸体、壳体及其它制件。,铜及其合金按其颜色分为紫铜、黄铜、青铜和白铜，紫铜即为纯铜，其它三种为铜合金。纯铜塑性高、强度低，有优良的低温韧性，突出的优点是优良的导电性和导热性及良好的耐腐蚀性(抗大气和淡水腐蚀)，广泛用作电机电器、电线电缆、电刷、防磁机械、化工用传热或深冷设备。以锌、镍或除锌与镍以外的其它元素为主要合金元素的
8、铜合金，分别为黄铜、白铜和青铜，铜合金主要用作船用耐腐蚀零件、高温高压管道、冷凝器、弹壳、弹簧、抗磁元件和电工材料等。,钛及其合金资源丰富，具有比强度高、耐热性好、抗蚀性能优异等突出特点。钛有-Ti和-Ti两种同素异形体，其合金一般按退火组织分为钛合金、钛合金和钛合金。钛及其合金常用作飞机结构材料、发动机部件、柴油机活塞、耐海水腐蚀管道与阀门、低温材料等，已成为航空、航天、冶金、造船及化工工业重要的结构材料，但因其化学性质非常活泼，因而加工工艺复杂，价格昂贵，其应用领域比较局限。,表0.1 金属材料的种类,此外，金属还可按应用性能分为高温合金、弹性合金、轴承合金、低熔点合金、钎焊合金、形状记忆
9、合金、储氢合金等类型，它们分别应用于各自相应的领域。,0.1.2 高分子材料 高分子材料是地位仅次于金属材料的一大类新型材料，它是20世纪才发展起来的材料，但由于其综合性能优越、成形工艺相对简单和价格低廉等优势，应用领域极其广泛，发展非常迅速。高分子材料又常常称为聚合物、高聚物或高分子化合物，通常可分为塑料、化学纤维和橡胶三大材料，其次还包括粘合剂和涂料等材料。2000年世界塑料消耗量已达1.2亿吨，化学纤维消耗量近3000万吨，橡胶消耗量达20003000万吨，其中仅塑料的体积消耗量已超过钢铁。按体积消耗量来说，高分子材料已超过金属材料而成为第一大类材料。据测算，100150万吨塑料可发挥1
10、000万吨钢铁的作用，代替一吨钢所需的塑料的建设投资仅为一吨钢所需投资的1/31/2，而生产一吨钢的能耗则为生产相当塑料的4.5倍。因此就目前而论，高分子材料的发展速度仍远远超过金属材料的发展速度，其在材料王国已占有极其重要的地位。,高分子材料具有质轻、传热系数小、耐腐蚀性良好、电气绝缘性和成形加工性优良、减震消音、透光、易着色等明显的突出特点，其在日常生活和各个工业领域都获得了极其广泛的应用。但也应注意，高分子材料的热膨胀系数大、使用温度低(一般不超过200，仅少数品种可达300400)，同时容易燃烧和容易老化等。,塑料按用途和性能可分为通用塑料和工程塑料。通用塑料是指生产量大、用途广、价格
11、低廉且成形加工工艺性良好的一类塑料品种，它们约占塑料总产量的80%。但由于其综合力学性能和耐热性不高，故通常不宜用作结构零件和耐热件。工程塑料是指那些拉伸强度大于50MPa、冲击强度大于6KJm2、长期耐热温度超过100、耐腐蚀性和电绝缘性优良、可代替金属材料在不同的工程环境中用作承载结构零件的塑料。 塑料可用作饮水杯、椅子、手提箱包、购物袋等日常用品，还可用作各种家用电器外壳和绝缘构件、塑料门窗、给排水管道、农用薄膜、开关、齿轮、轴承、电线电缆、仪器表盘等，特别是由于其质轻节能，现广泛用作汽车、火车、飞机、轮船、兵器、航空航天等零部件，此外还可作为军事上的防弹隐身材料等。据估计，1990年军
12、用结构材料中，塑料及其复合材料占78%，而钢铁仅占1519%。据预测，在21世纪期间，塑料及其复合材料在航空航天和兵器工业等军事领域将成为主导材料。,化学纤维包括人造纤维和合成纤维两大类。人造纤维是指天然原料,如天然纤维素和蛋白质等，经化学改性或处理后再纺丝而制成的纤维。合成纤维是使用化学合成的高分子化合物通过纺丝制成的纤维，其中涤纶和锦纶的产量分别占整个化学纤维的6065%和2030%，为最主要的两大品种。化学纤维按纤维长度可分为长丝和短纤两大类。长丝是连续不断的很长纤维，主要用于机织和针织物，而短纤是被切断成一定长度(如25150毫米)的纤维,主要用于棉混纺。化学纤维广泛用于替代棉、麻、蚕
13、丝、羊毛等天然纤维制造各种织物，目前其产量已超过天然纤维。化学纤维除用于民用领域外，还广泛用于交通运输、建筑、道路、化工等工业领域，如作为绳索、轮胎帘子线、土工布、过滤材料等，而芳纶纤维等耐热高性能纤维还在航空航天、军事等领域获得应用，如各种零部件、防弹衣、防弹装甲等。,橡胶是一类在较宽的温度范围内，通常在50150之间，表现出优异弹性的高分子材料的总称。按来源分，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类，天然橡胶是橡树上流出的胶乳经凝聚、干燥等工序制成的橡胶，合成橡胶是化学合成的高分子化合物。按用途和性能分，合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。通用橡胶性能与天然橡胶相近，广泛用作轮胎、胶鞋、胶辊、胶
14、管、输送带、减震部件等。特种橡胶主要用于制作特殊条件下使用的橡胶制品，如油槽、输油管、耐高温电线电缆、化工设备、飞机和宇航用密封件。,此外，聚合物粘合剂和涂料也广泛用于国民经济的各个工业部门。聚合物粘合剂是固态材料粘接连接工艺最常用的材料，而聚合物涂料在建筑、公路、化工防腐、船舰防腐、飞机隐身等方面应用很广泛。,表0.2 高分子三大材料的种类,0.1.3 陶瓷材料 陶瓷材料有时也称为无机非金属材料，种类繁多，应用很广。陶瓷材料可分为传统陶瓷材料和特种陶瓷材料两大类。传统陶瓷材料也称为普通陶瓷材料，泛指硅酸盐材料，它是用天然粘土、石英、长石为原料经成形和烧结而制成。特种陶瓷材料是指化学合成陶瓷，
15、采用经人工提炼、纯度较高的金属氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、硅酸盐及其它盐类和单质经配料、成形和烧结工艺而制成。,传统陶瓷材料是工业和基本建设所必需的基础材料，如瓷砖、陶器、瓷器等。但由于传统陶瓷材料脆性大，因而难以用作机械结构部件。特种陶瓷材料具有高熔点、高硬度、化学稳定性好、耐高温、耐磨损等突出优点，其中的结构陶瓷还具有较高的强度和韧性，某些品种的韧性甚至已接近铸铁水平，而功能陶瓷还具有介电性、压电性、铁电性、热电性、半导体性或软硬磁性等某些特殊性能，因而特种陶瓷具有广泛的应用领域。特种陶瓷在机械、汽车、化学等传统工业领域可用作切削刀具、热机部件、耐热耐腐部件、热交换器等，在激光、光纤、
16、微电子、光电子等领域用作激光器元器件、光电元器件等，在空间和军事领域用作宇宙飞船隔热瓦、高温高压弦窗玻璃、陶瓷装甲、导弹和飞机端头帽与红外窗等。特种陶瓷是现代工业发展的重要支柱，在微电子、激光、光纤、光电子、传感、超导和空间军事等工业的发展中，占有十分重要甚至是核心的地位。,表0.3 陶瓷材料的种类,0.1.4 复合材料 在现代高技术领域，特别是航空航天、海洋工程、原子能工业、现代兵器工业等，要求材料兼具有高强度、高韧性和低密度等，还常要求能经受住各种极端环境条件如超高温、超高压、超高真空、高腐蚀性介质和辐射等的考验。单一材料往往不能满足这些要求，例如金属的力学性能固然不错，但耐温性有限，陶瓷
17、材料虽然既耐高温又耐腐蚀，但较脆；高聚物虽然密度低、韧性好，但强度、刚度和耐热性低。把两种和两种以上性质不同的材料通过设计结合在一起成为一体，这样的多相固体材料往往可以综合各种组分材料如金属、高分子材料、陶瓷等的优点，可满足各种不同特殊环境的使用要求，这类多相多质固体新型材料称为复合材料。目前对复合材料提出了“三高一低”的要求，即高强度、高模量、耐高温和低密度的要求。,复合材料一般有两个基本相：一相是连续相，称为基体相；另一相是分散相，称为增强相。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散性的填料，其中纤维增强的复合材料发展最快，应用最广。常用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、硼纤维、碳
18、化硅纤维、芳香族聚酰胺纤维(芳纶)、晶须等。 复合材料通常按基体材料进行分类，可以分为聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)和陶瓷基复合材料(CMC)，其使用温度分别可高达250350、3501200和2000以上。,聚合物基复合材料由于既具有聚合物的特性，同时又具有更高的比强度和比模量以及某些特种功能，是目前复合材料的主流。其中又以玻璃纤维增强塑料使用最广泛，其次是高性能纤维增强的耐高温聚合物基结构复合材料和具有特定功能的聚合物基功能复合材料。他们广泛应用在建筑、运输、化工防腐和航空航天等工业领域，如冷却塔、浴缸、门窗、车厢外壳、头盔、化工防腐管道、大型雷达罩、防弹装甲、防弹衣
19、等。金属基复合材料目前发展较快，其中铝基复合材料占主导地位。由于金属基复合材料具有金属特性，又具有高比强度、比模量、耐热、耐磨等特性，在航空航天、电子、汽车、先进武器系统中具有重要的地位。陶瓷基复合材料可具有强度高、硬度大、耐高温等陶瓷特性，同时采用高强度、高模量纤维或晶须增强后，其高温强度和韧性大幅度提高，作为航空航天领域用的高温结构零件具有独特的优势，如导弹头锥、火箭喷管、滑动构件等，但由于制备工艺复杂和缺少耐高温纤维，陶瓷基复合材料相比之下发展较缓慢。,此外，还有增强材料和基体为同种物质的一类同质复合材料，如碳/碳复合材料，它们在飞机起落架、导弹帽等方面获得了应用。,0.2 材料成形原理
20、和工艺体系 0.2.1 材料成形原理问题 对于材料成形原理的划分有多种方法，最常见的方法有三种：(1)按材料来划分，材料成形原理分为金属成形原理、高分子材料成形原理、陶瓷成形原理和复合材料成形原理。(2)采用一部分按成形工艺而另一部分按材料，这样两者都同时并存的方式来划分。如将材料成形原理划分为铸造原理、锻造原理、冲压原理、焊接原理、粉末冶金原理、高分子成形原理和陶瓷成形原理等内容。(3)按材料成形过程属性来划分，不论材料和具体成形工艺如何，基于在材料的成形过程中都存在一些共同的属性，如流动形变、固化成形、分子结构和组织结构变化等，这些问题在材料成形过程中是最基本和最普遍的问题，其基本原理对不
21、同的材料和不同的成形工艺都是相通的。因此将材料成形的基本原理分为流变学原理、固化原理、结晶原理、取向原理、化学冶金学、交联与降解原理和烧结理论等。,0.2.2 材料成形工艺体系 材料成形工艺体系也有多种分类方法。按材料性质分，可分为金属工艺、陶瓷工艺、高分子材料工艺和复合材料工艺四大类。 按材料成形所处的物态分，材料成形工艺可分为固态成形工艺和液态成形工艺两大类。其中粉末成形与烧结工艺划属固态成形工艺。此外，金属新近发展的流变铸造技术，应划属半固态成形工艺为宜。 按材料成形时的工艺特征分，材料成形工艺可分为浇铸工艺、挤出工艺、注射工艺、压制工艺、压延工艺、塑性成形工艺、粉末成形与烧结工艺、连接
22、工艺、热处理工艺、沉积工艺、切削工艺等。,表0.4 四大材料的成形工艺方法,表0.5 不同物态的成形工艺方法,0.2.3 材料成形工艺体系的发展 材料的成形工艺可以追溯到久远的古代，它与材料的发展密切联系在一起，并反过来促进材料的发展。材料的成形工艺体系是基于传统材料金属和陶瓷的成形发展起来的。其中粉末冶金、铸造和锻造工艺最为源远流长。 粉末冶金最早应用在制砖和制陶方面，时间是在公元前5000年前左右的陶器时代，粉末冶金在金属方面的应用出现在金属冶炼技术之前，人们将拾来的金属矿石碎块加热后捶打在一起，制成器物。建于公元前2世纪Ashoka王朝时代的著名“德里铁柱”高7.1米,重60吨,铁柱裸露
23、在荒野中,距今已有1500年的历史。和远古时期的著名“大马士革之剑”都是粉末冶金工艺应用的典范。现在粉末冶金除在金属和陶瓷方面获得重要应用外，还应用于高分子材料如聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的成型，并在复合材料方面也获得了一定的应用。,我国铸造工艺的应用始于公元前三千多年前的夏朝初期，最早出现于青铜制品，如司母戊鼎和编钟等。公元前6世纪开始用于铸铁的成型，先后出现了失蜡法铸造、泥型铸造、金属型铸造、熔模铸造等铸造方法，历史上著名的铸造业代表人物有春秋战国时期的铸剑家干将和莫邪等。1849年发明了重要的铸造方法压铸法，大大提高了生产效率和工件质量。特别是近二三十年来铸造工艺获得了重大的发展，铸造
24、新技术不断出现。与此同时，铸造技术在陶瓷、高分子材料和复合材料方面获得了重要的应用，成为四大材料极为重要的成形工艺。,锻造工艺出现的时期大致与铸造工艺相近，它是金属成形的重要工艺。在19世纪，由于蒸汽机和液压机的发明和应用，发展了金属的冲压成型，它和锻造工艺一起构成金属的塑性成形工艺体系。高分子材料的塑性成形工艺如热成型、薄膜和纤维的拉伸等都是在金属塑性成形工艺基础上发展起来的，大约在20世纪40年代获得应用；而高分子材料塑性成形工艺的中空吹塑技术则源自公元前三世纪发明的玻璃吹瓶技术。,我国是最早使用焊接和胶接工艺的国家，早在战国墓出土的殉葬铜器中就发现铜器的耳和足是用钎焊方法与本体连接在一起
25、的，比欧洲运用钎焊技术早2000多年。在秦始皇陵出土的金银饰品中，金银饰器之间采用了无机胶粘剂胶接方法。但材料的焊接技术在19世纪末和20世纪初才真正发展起来，而粘接技术则是在高分子胶粘剂出现以后才被广泛应用。,挤出工艺最早应用于制砖和陶瓷制品，1845年在高分子材料上获得应用，采用挤出工艺生产古塔波胶(天然胶)包覆的电线，当时的挤出机是柱塞式的，生产过程为间歇式，生产效率和成形质量差。挤出成形工艺在1880年发明了螺杆式挤出机之后才逐渐获得广泛应用并逐渐得到发展和完善。注射工艺是基于金属压铸法原理发展起来的，最早应用于高分子材料的成型，第一台高分子材料注射机制造于1872年，1937年注射工
26、艺开始应用于陶瓷坯件的成型。目前挤出工艺和注射工艺成为高分子材料最主要的工艺方法，并已成为陶瓷和复合材料的重要成形方法。材料的其它成形工艺如压延、流涎、压制等工艺大多是在造纸、陶瓷方面首先发展起来，然后逐渐应用到高分子材料和复合材料的。,材料成形工艺的发展过程表现出一个非常重要和明显的特点，即：同一种成形工艺可以用于不同材料的成形，不同材料的成形工艺可以相互借鉴，并共同促进该成形工艺的发展，当然同一种成形工艺应用于不同材料可能存在一些特殊性。材料成形工艺的这种互通性，正是本课程成形工艺部分的内容以成形工艺为主线，而不以材料为主线来进行组织的原因和基础。,目前材料成形工艺表现出以下的一些发展趋势
27、： (1)材料成形向精密、精确、低能耗、无污染方向发展。比如成形工艺正在从制造工件的毛坯和从接近零件的形状向直接制造最终工件即精密成形或净成形方向发展。 (2)材料成形工艺向连续化、自动化方向发展，不断提高生产效率。 (3)材料成形工艺由技艺发展成为工程科学，使工艺设计、工艺模拟和成形制造过程科学化。 (4)新技术在材料成形工艺方面获得应用。如激光技术、微波技术、红外技术、超声波技术、高能辐射、电磁动态技术等。 (5)计算机集成制造系统、智能制造技术等的应用，使成形工艺过程、结构和性能做到可设计和可监控，向实现制品性能裁剪的方向发展。,0.3 材料成形的基本过程 材料在成形过程中，通常会同时发
28、生形状、结构和性质的变化，其中形状的变化是首要和最基本的变化。对于液态成形来说，形状的变化由形状的获得和形状的保持两个过程完成，材料通过流动或形变获得形状，然后固化将获得的形状保持下来而获得制品，有时还需一定的后续工序如修边、机械切削甚至装配才能形成最终形状的制品。制品在获得形状变化的同时，材料的结构和性质也伴随着发生一定的变化。制品有时甚至会采用专门的后续处理工艺过程(如热处理和表面处理等)，以获得所需的组织结构，由此提高制品性能或满足特殊应用环境对制品性能的要求。,尽管制品的类型和形式多种多样，但材料成形通常都要经历一些基本的过程。材料采用浇铸、挤出等成形工艺时，通常首先按材料配方进行备料
29、和配料，而采用焊接、塑性成形工艺时，则常常需将大的预制件切割、下料裁成或制成尺寸相应的坯件。物料有时需经一定的预处理，如预热、干燥或热处理后才进行成形，成形工艺得到的制品可能是半成品坯件或终成品。有些半成品坯件可能需经热处理调节内部组织结构，或有些半成品毛坯尚需进行机械精加工、打孔或开槽等。对于表面性能有特殊要求或外观要求美观的制品，则需进行表面渗碳、渗氮等表面处理或进行表面修饰，最后有的制品可能尚需多部件组装成为一个整体。,制品和材料不同，选择的工艺方法不同，具体成形过程可能相应有所不同。金属虽然可以用先进的净形或近似净形成形加工新方法从原材料直接制成最终的成品，但目前普通的金属成形工艺方法
30、如浇铸、锻造、焊接等，在绝大多数情况下得到的通常都需经进一步的热处理和机械切削加工才得到所需要的最终机械零件。而高分子材料和陶瓷制品除特殊情况外一般可不需机械切削加工即直接得到制品。,陶瓷制品通常要经过坯体成形和烧结两道基本工艺过程才能制得。坯体成形通常有压制成型、注浆成形、旋压成形、滚压成形、挤压成形和注射成型等工艺方法，其中粉末压制成型是最重要的坯体成型工艺。坯体需经烧结才能获得必要的物理力学性能，烧结是陶瓷制品的关键工序，对制品的结构和性能至关重要。,合成纤维的最重要的制造方法是熔体纺丝和溶液纺丝两条工艺路线，它们都属于挤出成形。涤纶、尼龙、丙纶等采用熔体纺丝路线，睛纶、维尼纶、芳纶采用
31、溶液纺丝路线。合成纤维熔体纺丝时，除聚合物原料外还常加入颜料等有关助剂，经干燥后在挤出机中熔融成熔体，再经挤出成为初生纤维，初生纤维经拉伸、取向以提高纤维的力学性能，有时提高纤维的纺织加工和使用性能，还对拉伸后的纤维进行假捻变形、空气变形等加工，最后经热定型消除应力和提高结晶度即得纤维成品。当要求成品是短纤维时，通常采用集束拉伸，然后进行卷曲以提高纺织加工和使用性能，再经热定型、干燥后并切断成一定长度，制造的工艺流程相应长一些。,橡胶制品加工的特别之处是开始加工的橡胶原料(生胶)为线性大分子，制成橡胶制品后，橡胶制品整个变成一个三维网络体形大分子，获得优异的弹性和其它的相应力学性能。由于生胶的
32、分子量较大，粘度很高，流动性很差，混炼和成形困难，故首先需经塑炼降低分子量，然后再与使用的各种配合剂(如填料、硫化剂等)混炼均匀，混合均匀的胶料再经压延、挤出或模压成形为坯件半成品，最后通过硫化剂等将线性橡胶大分子交联成为三维网络体形大分子，才得到我们日常见到的各种橡胶制品。,0.4 成形制品时材料及其成形工艺的选择 在成形特定的制品时，不可避免地会遇到应选用什么材料和采用什么成形工艺的问题，正确选用材料和成形工艺方法是制品成形必须面对的任务。成形制品时选择材料及其成形工艺一般应遵循适用、经济和可行的三大基本原则。适用性原则要求所选的材料应保证制品的性能能满足使用要求，同时成形工艺方法和流程既
33、对所选的材料适用又对制品的形状和性能适用。经济性原则要求制品的最终成本应最低，制品成本包括所选的材料所包含的原料成本、成形工艺所产生的加工成本以及制品的使用成本(如维修维护费等)，同时还得考虑制品使用寿命对制品成本的折算。而可行性原则则要求考察生产企业已有的原料、设备条件以及社会协作关系等是否能保证材料的获得及其成形工艺的实施。其中适用性原则的重要性是第一位的，制品必须满足在规定年限内正常服役的要求。如在满足适用性原则的前提下有多种材料和成形工艺可供选择，则以经济性原则和可行性原则来选定最合适的材料和成形工艺路线。,选择材料时，可根据制品的使用环境和使用性能要求，首先确定选用四大材料中的哪一类
34、材料。如使用环境温度在700800的话, 就不能选用聚合物材料, 则应在金属和陶瓷及其复合材料中选择。而如果制品要求是绝缘的, 则金属材料就不合适了。各类机械的机身、机架、导轨和底座等可选用金属中的灰铸铁，而家用电器外壳、箱包等则多选用聚合物材料。材料在满足制品使用环境和物理机械性能的前提下，应考虑选择工艺性能良好的材料品种和规格，使材料可选择生产效率高的成形工艺流程，材料应同时保证各道工序所需要的工艺性能要求，如需要焊接的制品则材料应具有合适的可焊性，需要淬火的零件则材料应有合适的淬硬性和淬透性，对于要进行机械切削的零件则要求材料要有合适的切削性能。,制造某一制品通常有好几种成形方案可供选择
35、。在材料确定后，应根据材料性质、制品形状特征和制品工作时的受力状态等来选择成形工艺。如选用的材料是灰铸铁时, 因灰铸铁的可锻性很差，只能采用铸造方法；而选用的材料是可锻性好的钢材或非铁合金时，则即可采用铸造方法又可选择锻造工艺。制品结构形状与尺寸、精度和表面粗糙度的要求在很大程度上限制了金属毛坯成形工艺的选择，例如形状复杂的金属薄壁件毛坯不能采用金属型铸造工艺或自由锻造工艺，尺寸较大的毛坯采用模锻工艺或金属型铸造也是不合适的。精度很高而表面粗糙度要求很低的金属零件毛坯可选用特种铸造、精密模锻和冷挤压等成形工艺。聚合物管材、棒材和纤维通常都采用挤出成形，而各种瓶、壶和桶等则通常采用中空吹塑成形。制品工作时的受力状态也是选择成形工艺时应考虑的因素，如金属机架和箱体类零件通常选择铸造工艺成形其毛坯再经机械切削得到最终的零件；而轴杆类和盘套类金属零件具有流线状纤维组织时，制品的使用性能优良，因此常选用锻造工艺成形以在零件内部形成流线状纤维组织。,复习思考题 1. 简要说明金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大材料的地位。 2. 简要说明材料成形过程中的基本变化和基本过程。 3. 成形制品时选择材料及其成形工艺应遵循哪些基本原则？并简要说明。,