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1、BUAA材料成型原理与工艺 概论北京航空航天大学材料学院北京航空航天大学材料学院 周铁涛周铁涛 20142014. .1 1BUAA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，20052：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，20023：材料成形技术基础何红媛 主编东南大学出版社，2000 BUAA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
2、金工业、聚合物的合成工业)相互关联、互 相依存并且相互促进。BUAA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
3、导制品生产打下必要的理论基础。BUAA0.1 材料种类与应用材料是人类进行生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。 BUAA0.1.1 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
4、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，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。BUAA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
5、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。BUAA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
6、%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。BUAA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
7、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。BUAA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。BUAA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
8、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 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。BUAA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
9、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。 BUAA表0.1 金属材料的种类种 类范 围钢碳素钢：碳素结构钢、碳素工具钢合金钢：合金结构钢(包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴 承钢、易切钢等) 合金工具钢(包括刃具钢、模具钢和量具钢等) 特殊性能钢(包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢等) 铸 铁灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、特殊性能铸铁(如耐磨铸铁、 耐热铸铁)等 有色金属及 合金铝及铝合金：变形铝合金(包括防锈铝、硬铝、超硬铝 和锻铝四类) 铸造铝合金(包括铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝 锌合金四类)铜及铜合金：紫铜(纯铜
10、)、黄铜、白铜和青铜(包括锡青铜和 无锡青铜)、钛及钛合金 其它金属及合金(如镁及其合金)BUAA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、形状记忆合金、储氢合 金等类型，它们分别应用于各自相应的领域。BUAA0.1.2 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
11、.2亿吨，化学纤维消耗量近3000万吨，橡胶消耗量达2000 3000万吨，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1000万吨钢铁的作用 ，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。BUAA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
12、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。BUAA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
13、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。BUAA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
14、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。BUAA橡胶是一类在较宽的温度范
15、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。 BUAA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、
16、化工防腐 、船舰防腐、飞机隐身等方面应用很广泛。BUAA种类举 例塑料通用塑料：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、酚醛树 脂(PF）、氨基塑料(UF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧 树脂(E-51)等工程塑料：聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳 酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚（PPO）、丙稀晴丁二 烯苯乙烯树脂(ABS)、聚酰亚胺(PI)等纤维人造纤维：粘胶纤维、铜氨纤维、醋酸纤维素纤维、蛋白质 纤维等合成纤维：PET纤维(涤纶)、PA纤维(锦纶或尼龙)、聚丙稀睛 纤维(晴纶)、聚丙稀纤维(丙纶)、聚氨酯纤维(氨纶)、聚氯乙 稀纤维(氯纶)等橡胶通用橡胶：顺丁橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁基橡胶（IIR ）、乙丙橡胶（EPR）等特种橡胶：丁睛橡胶(NBR)、硅橡胶(MQ)、氟橡胶(FPM)、 聚硫橡胶等表0.2 高分子三大材料的种类BUAA0.1.3 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
