上海大学材料成型技术

第一篇：上海大学材料成型技术

绪论

“材料成形技术基础”是机械工程专业和相关工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。

材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。

近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。

类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。

美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%～50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料如下图所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。

在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。图2为航空器飞行速率与效益的关系。

在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67℃。而工作温度每提高83℃，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50℃，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50～100℃，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650℃。推重比达15～20的叶片材料要能承受1930～2220℃的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。

材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。

材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，1953～1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。

对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比7～8，在研机9～10，预研机15～20，我国相应为5.5、6.5～7.5、8～10。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。

材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”和“信息化”的特色。

1.精密的材料成形特征 随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。

2.优质的成形技术特征 反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。

3.快速的成形技术特征 表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计(RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50％。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65％。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。

4.复合的材料成形特征 激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5.绿色的材料成形特征 成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： ①高效利用原材料，对环境清洁；②以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； ③符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。

6.信息化特征 成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化、信息化特征。

综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛坯或零件的现代制造方法。

所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形和堆积成形。

（1）受迫成形 利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。

（2）去除成形 运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件限制，难以加工形状极为复杂的零件。

（3）堆积成形 利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的限制，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。

第一章 工程材料

1.1 概述

材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。

1.1.1 金属材料的发展

人类早在6000年以前就发明了金属冶炼。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍7.5％的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸气机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。

19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2003年，全世界的钢产量由2.1亿吨增加到9.6亿吨。而我国2003年钢产量达到2.2亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量，跃居全球钢产量首位。1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。

1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。1.2 固体材料的性能

固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。

1.强度和塑性

材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。动画为低碳钢拉伸实验测得的应力-应变图。实验时将材料做成如图标准试样，试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以ζ表示。

1）弹性和弹性模量

试样加载后应力不超过ζe，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。ζe为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。OP的斜率E（E=ζ/ε）称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。

2)塑性 载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性 的大小用伸长率δ和断面收缩率ψ表示。

3）强度

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。当材料承受拉力时，强度主要是指屈服强度ζs和抗拉强度ζb。

（1）屈服强度σs 在S点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。ζs即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。

需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2％时的应力，记为ζp0.2，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用ζ0.2表示。

（2）抗拉强度 抗拉强度为动画所示的σb值，是试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂。σs与σb的比值称为屈强比，其值一般在0.65～0.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的σs与σb均有很大的影响。

冲击韧度

评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度αk。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB229-84制成带U型缺口的标准试样，将具有质量G（N）的摆锤举至高度为H（m），使之自由落下，将试样冲断后，摆锤升至高度h（m）。如试样断口处的截面积为S（cm）。则冲击韧性αk 的值为：αk =G(H-h)/S(J/cm)材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。

224.疲劳强度

许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。

5.断裂韧度

一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力ζ作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子KⅠ来描述。

6.金属的高温力学性能

金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度ζS、硬度等值降低，而塑性增加 的现象称高温蠕变。小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零2分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。

1.3 金属的结构

固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。1.3.1金属的晶体结构 1.晶体和金属的特性

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

● 金属键

金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；同时金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。

2.晶格、晶胞和晶格常数

为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为“晶格”所示。

晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以（埃）为单位（1 =1×10-8cm）。晶胞各边之间的夹角以α、β、γ表示，如动画所示。

3.晶向与晶面

1）立方晶系的晶向指数

在晶体中，任意二个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。确定立方晶系的晶向指数方法如下：

（1）选定晶胞某一点阵为原点，以晶胞3条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；

（2）过原点作一有向线平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指数[uvw]，如果方向相反，则它们的晶向指数的数值相同，但符号相反；

（3）取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，[uvw]即为晶向指数。例如，当座标值X=1，Y=2, Z=1/3时，其晶向指数为[361]。

2）立方晶系的晶面指数

晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标轴的截距来决定。晶面指数的一般表示形式为（h k l），其确定步骤如下：

（1）建立坐标：选晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点（以免出现零截距），以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；

（2）取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号（）内，即为该晶面的晶面指数。

与晶向指数相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指数。指数值相同而符号相反的两个晶面，如（100）与（），则平行地分布在原点两边。

4.常见的晶格类型

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵。大多数金属属于以下三种晶格类型。1)体心立方晶格

其中心的原子周围有8个最邻近原子环绕，称其配位数为8。

2)面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子，中心面上的原子为二个晶胞共有，故晶胞中实际原子数为 4个。属于这类晶格的金属有：γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、镍（Ni）、金（Au）等。

3)密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，故晶胞中实际原子数为6个。属于这类晶格的金属有：镁Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等。

1.3.2实际金属的晶体结构

1.多晶体与亚结构

单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小（1°～2°）的小晶块，称为“亚晶粒”，亚晶粒的边界称为“亚晶界”。

2.晶格缺陷

在实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，因而晶体内部存在大量的晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形状特点，可分为三类。

1)点缺陷

点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”。

2)线缺陷

线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”，好象沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“┴”表示；多出的一列原子位于晶体的下部称为“负刃型位错”，用符号“┬”表示。

3)面缺陷

面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，晶界和亚晶界处原子不规则排列，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，使晶界表现出与晶粒内部不同的性能。如晶界易被腐蚀；晶界的熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。

1.4 金属的结晶

• 液体的结构

液体的结构不同于气体。有以下特点：

① 存在短程有序现象，即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团，一瞬间又变成另外的原子团。② 存在结构起伏现象，即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象。此现象也称为相起伏。③ 存在成分起伏现象，即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象。④ 在一定条件下形成长程有序，即晶体中大范围原子有序稳定排列。

金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程，称为结晶过程。

1.4.1 纯金属的冷却曲线和过冷现象

1．纯金属的冷却曲线

纯金属都有一个固定的熔点或结晶温度。金属的结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在坩埚中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据，并将其绘成如图1-19所示的纯金属冷却曲线。

第二篇：热成型技术（定稿）

王辉：热成型技术可以帮助汽车节能减排http://auto.QQ.com

2009年10月20日18:31

腾讯汽车

我要评论(0)主持人：下面进行今天最后一个主题演讲。下面有请本特勒汽车工业亚太区车身技术总监王辉博士。他演讲的题目是汽车安全设计及车身轻量化——本特勒热成型技术的应用。

王辉：我叫王辉，我来自德国本特勒集团。

不管现在的汽车动力是混合型的动力，还是电池的电动力，汽车车身轻量化的问题是一个主要的问题，汽车越轻，同样的动力他跑得越快，在同样的动力下他跑得远。所以我们今天的题目主要是讲一下怎么样用现代的工业技术以及新材料把车身在满足一些技术条件，比如说碰撞条件、干路条件下能满足轻量化，在节能减排方面做一些贡献。节能减排是一个大趋势，本特勒作为全球最大的汽车零部件供应商之一，我们可以说本特勒也在行动以节能减排。

我今天题目主要有几个部分，在技术报告之前，我用几分钟给大家介绍一下本特勒。另外，我再介绍一下关于二氧化碳的减排，这个题目今天我们前面的报告人都已经介绍了，我再简单介绍一下。另外，在车身上面材料的使用，为什么使用这个材料，这个材料有什么好处。我以前在国内做报告的题目就是这样：对于不同的零件我们可以使用不同的材料，满足他的技术要求，根据这个设计来满足轻量化的要求。另外，我给大家介绍我们近一两年在市场上推广的三个技术。最后，我要介绍三个例子，通过这三个例子大家可以看出来，作为节能减排，我们车的轻量化怎么能够在车的设计过程中考虑到成本的要求、轻量化的要求、技术的要求。

首先，本特勒。本特勒是一个家族企业，它已经存在了130年的历史。他以前是一个铁匠出身的，在50年代的时候，他曾经生产过五千辆最小车。60年代，本特勒集团分成三个分支，有钢管、钢材、汽车技术、贸易。我们今天主要讲的是汽车贸易，在汽车贸易里面我们有三个产品部门，第一个是底盘部门，我是来自车身部门的。另外一套，我们还有发动机和排气管道部门，另外，我们还有工程技术公司。本特勒全球在汽车行业总共在二十多家，有52个工厂16个研发中心，去年在汽车行业的销售量是46亿欧元，全球18000名员工。它的主要产品提前已经提到了，主要是底盘，底盘部门有底盘零件和底盘模块。我们还有车身件，车身件在车身里面，主要是A铸、B铸、前面保险杠这些系统。这些系统在汽车轻量化里面可以做很多的文章，因为在车身里面，碰撞是一个主要的，现在国内汽车要打开国际的碰撞门，你必须考虑到你这个车的设计，怎么样才能设计出一个车在国外欧洲碰撞的时候能够达到它的五星、四星的要求。我们这里面主要的安全零部件就拆开了热成型技术。我们主要发动机的钢管和排气管道，我们公司还有一个钢管厂，它是高强度的钢管它的抗强度能够到1600兆发左右。

这是我们公司以后要创新发展的未来，现在主要有三个：去年我们在国内搞技术展览的时候，我们已经提到这三个模块：这三个模块一个是有效合理的利用资源。有效合理的利用资源主要是考虑加工，我们通过不同的创新、改革使我们的先进工艺技术应用到生产中去，使能源消耗降低。这样我们有效的使用资源。另外，我们考虑到安全性。因为汽车的安全性是一个主要的课题，我们生产出来的车必须要安全。另外，就是环境保护，我们主要是考虑到怎样使汽车轻量化以达到减排的效果。所以我们不但在汽车零部件里面使用热成型技术，还有碳纤维材料，我们也可以提供这些产品的设计和生产。

接下来简单介绍我们公司的情况，我们公司在中国的业务也开展得很好，目前中国有四家工厂，两家在上海，一家在长春，另外一家在福州，而且我们公司是第一家把热成型技术引入中国的公司。前面介绍了我们公司。

下面讲一下我们下一个课题，这个课题主要是二氧化碳的规则。这个规则主要是欧共体定的规则。02年65%的车二氧化碳的排放量必须不能超过130克，05年，55%的车必须达到这个要求，如果不能达到这个要求，有一个惩罚，就是惩罚我们汽车厂，如果汽车厂超过一克，罚款五欧元，如果超过四克，每一克要付费95欧元。从2019年以后，所有的车生产，如果超出了这个标准，每一克都要罚款95欧元。这对汽车轻量化起到了很大的作用。这里面我们做了一个市场调查，如果车身或者整车的总量减轻一公斤，它的油耗可以节省多少升每公里，但是二氧化碳的排放量减少0.06克。这个0.06克是一个很小的数字，我们可以忽略不计，但是如果你从北京开到上海，来回跑一趟，二氧化碳的排放量就是很大的数字。而且如果你超过一克，从2012年开始，如果减轻重量一公斤，我就可以节省成本5.7欧元。这5.7欧元人民币就是57块钱。我们通过这个可以看出来，汽车的轻量化是非常关键的。在满足节能减排的大趋势下，作为一个汽车工程技术人员，必须要考虑到汽车的轻量化。我们做过一个调查，车身重量占整个车的40%，如果我们把车身减轻，整个车的重量就能够减轻。现在一般的设计都是单一的车型，我可以用全钢板车身结构，豪华车或者是奥迪车，全部是铝合金材料。在将来我们要考虑的肯定是车身的多样化，或者是材料的多样化。你要用不同的材料到不同的零部件上面去。以满足他的技术要求。这些材料比如说我们这里面说的有超高强度钢，一般抗拉强度在800以上的我们叫它是超高强度钢。比如说热成型技术，它的抗拉程度可以到1500、1600。铝合金、碳纤维复合材料，镁合金，这些技术在我们公司里面都可以进行设计以及进行生产。而且我们有一些产品已经在用这些方面的技术。

这是在德国汽车学会，由大众汽车公司牵头进行的研究。它是超级轻量化的车。这个车身的设计是有180公斤。这个车型是一个高尔夫(图库 论坛)的车型，这个高尔夫车型现在是180公斤，跟高尔夫

3、高尔夫4对比，它的材料减轻30%多。铝合金占了53%，有96公斤左右。钢板、钢材66公斤，镁合金11公斤，还有一些塑料件，这里面可能还有碳纤维复合材料。大家如果看一看的话，这里面的技术用了很多，比如说灰色的是热成型零部件，这里面表示，前面中央通道及以及底盘，底部通道，都是用高强度钢。为了满足侧面碰撞，A如和门底下的踏板，都是用热成型技术。再看这个车，这个车在欧洲碰撞已经拿到五个星，如果我们对它进行分析，看看哪些零部件我们可以改。看看在大的零部件能不能减轻它的重量。通过我们对前后保热成型材料，对顶部、底部，我们整个可以做一下估算。在满足这个技术要求情况下，碰撞要求、钢度要求等等要求情况下，我们可以减轻重量66公斤，这个66公斤是什么概念？成本我们现在不要考虑。因为铝合金和镁合金的材料成本肯定是很高的。我们现在根据技术进一步的创新，我估计成本肯定会降下来。我们考虑到二氧化碳的排放。这个排放我们可以考虑它在生产中，比如说复合材料或者是铝合金，它在生产中产生的二氧化碳提高了。但是，如果在使用期间它就降低了。而且在回收方面，因为复合材料等等的回收产生的二氧化碳也提高了。所以我们把整个考虑一下，如果一个车的使用寿命是20万公里，我们可以计算一下，它的二氧化碳的排放量可以减排670公斤。这670公斤我们除20万公里，等于是我们每公里减排4克二氧化碳。你一公斤，或者是一克，如果没有达标，你必须罚款95欧元，4克相当于400欧元左右，通过我们的分析，我们认为有可能根据我们的技术，尤其是热成型技术，我们能满足节能减排的要求。前面谈到了很多的热成型技术，热成型到底是什么样的技术？热成型其实是很简单的一个技术。大家可以看出来，这个工艺过程很简单，首先是开点、下料，进行炉子的加温，这个温度一般是在950度左右加温。加温以后，一次冲压成形，然后再进行冷却。这个技术和一般的冲压技术的区别多了一个模子。模具里面有一套冷却系统。它减轻重量，因为它强度提高了，所以重量可以减轻。而且可以减少它里面加强板的数量，比如说我们可以看出来，这里面的中央通道是大众车的一个通道，我们可以通过热成型技术可以用到中央通道里面去，加强板等一些零部件就可以省掉了。因为我们是一次成型，所以我们就需要一套模具。同时，它的成型的精度非常高。另外，它的碰撞的能力非常优秀。

这是我们一般用在汽车材料上面的图，我们也称它为香蕉图，因为它的形状像香蕉。一般我们国内在车身的材料是在这个范围之内，它的强度是200兆帕，它的强度是40%，因为它比较软，比较容易成型。它的原始材料没有加温之前强度已经很高了，延伸率15%。通过加热，它的材料里面，晶体发生变化，然后变到这个程度情况下，我们进行冲压成形，这个材料一加热950度以后，钢板肯定还是软的，在这个情况下加热成型。成型的同时进行冷却。冷却是轧果处理了，它的强度就提高了。热成型技术和我们老祖宗以前造剑的技术是一样的。王麻子菜刀很快，它的刀的成型也是经过炉子里面烧，进行锤打，到炉子里面冷却。这个工艺的好处是它的成型在25秒到30秒这么很短的时间内来完成。这个技术是很关键的。这个材料是1600兆帕，跟200兆帕相比，我们强了8倍。国内的这些厂家经常提这个问题，你这个材料技术好，哪个零部件我是第一优选，比如说要热成型技术。这里面是我们在市场调查，上面这些图形，所有这些零部件标志，在06年以前都可以采用热车型技术进行生产的。现在我们已经拓宽了，比如说这个中央通道，在06年如果这个曲线进行对比，本特勒每年可以生产八百万件，而且BERU是在汽车零部件里面首选的零部件。

热成型我们公司是全球领先的，我们不光停留在以前的热成型技术上面，我们这几年在热成型技术开发获得了很大的成功。比如说我们最里面一个技术，这个技术我们通过分析计算，我们发现这些零部件BERU的厚度，到底不部不要那么厚，中间厚一点，根据不同的厚度，我们可以在材料开展的过程中进行汞压，使得板的厚度根据我们的要求来调整轧汞的参数来满足他不同的厚度。冲压以后下料，下料以后进行热成型，最后冲压成形。这里面的好处，我哪个地方厚就可以进行热成型加工，一套模具就可以满足他的要求。这个技术我们已经成功的用到了宝马X5(图库 论坛)上面去。

另外一个，打补丁技术，在碰撞的时候，有机的部位会加强，加强需要加强板和加强金。我们在BERU的技术里面，两个料同时进行下，下完了以后点焊连接起来，一起送到炉子里面加温，一次成形，这个技术解决了：第一，省一套工序费用。第二，如果你单独进行加工，最后技术组装焊接的话，它的强度很高，焊接不在一起。这种技术它解决了撞碰带来的困难。这里面大家要问了，你在加温之前焊在一起了，再加热以后再成型，这两个点会不会脱落？我们可以解决这个问题。另外，局部进行加热，尤其在侧面碰撞，它里面的要求特别高，最高的要求你顶部材料强一点，底部弱一点，所以碰撞的时候，底部吸收能量多一点。我们这个技术现在已经成功的运用到了奥迪Q5(图库 论坛)的技术上面去了，奥迪Q5去年在欧洲获得车身展的最优秀奖。一般碰撞的时候顶部变形小一点，底部变形大一点。如果我们以热成型，不同材料局部加热，底部变形很小，顶部变形很大，可以满足碰撞的要求，使得底部能量吸收多一点，因为底部的空间比较大。在优化的过程中我们发现，这里面有一个轻量化的对比。如果用冷成型，它的重量是8.7公斤，如果我们用这个技术，4.5公斤。整车的重量减轻4.3公斤。我们不断的提高，还可以把重量减轻。

下面讲三个例子。我们经过分析、计算，完全可以做到把外面这个板热成型，如果我们采用热成型技术，连成的三件我们可以连件进行组成，重量可以减轻八公斤，性能可以提高，成本上面少了一个零件，总量减轻了，装配成本减少了。所以我们这个零件在葡萄牙进行量产。另外，我们这里面做了一个例子，这个车已经碰撞无形，但是由于车底很重，我们通过进行比较可以看出来，这里面有五层板连接起来的，大家看这个照片，这个照片是这个车子的切割照片，这个车子是帕萨车车子的切面，这里面就是用热成型技术，我们可以在保证它的性能的情况下，减轻车底的重量7%，这个7%的数字很小，但是这个车420公斤，7%的概念相当于是30公斤左右。最后一个例子，我们把20年以前的车进行分析，看这个车能不能满足现在的欧洲碰撞要求。大家可以看出来，如果20年前的车与我们在做碰撞，全面的碰和侧面的碰，整个车压缩得很大，我们对它进行分析，以前用的车身材料没有用高强度钢，用600兆帕的钢也是占8%左右。我们进行优化、分析，采用高强度钢，我们可以发现，最里面优化前和优化后，我们可以减少它的变形将近800毫米，800毫米可以把里面的驾驶员的生命进行保护，碰撞以后他没有进行压缩。车内碰撞可以减少500毫米。

这就是我今天要做的报告，谢谢大家！

第三篇：材料成型技术基础复习提纲整理

第一章绪论

1、现代制造过程的分类（质量增加、质量不变、质量减少）。

2、那几种机械制造过程属于质量增加（不变、减少）过程。

（1)质量不变的基本过程主要包括加热、熔化、凝固、铸造、锻压（弹性变形、塑性变形、塑性流动）、浇灌、运输等。

（2）质量减少过程材料的4种基本去除方法：切削过程；磨料切割、喷液切割、热力切割与激光切割、化学腐蚀等；超声波加工、电火花加工和电解加工；落料、冲孔、剪切等金属成形过程。

（3）材料经过渗碳、渗氮、氰化处理、气相沉积、喷涂、电镀、刷镀等表面处理及快速原型制造方法属于质量增加过程。

第二章液态金属材料铸造成形技术过程

1、液态金属冲型能力和流动性的定义及其衡量方法

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，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。

液态金属的充型能力通常用铸件的最小壁厚来表示。液态金属自身的流动能力称为“流动性”。液态金属流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。在生产和科学研究中应用最多的是螺旋形试样。

2、影响液态金属冲型能力的因素（金属性质、铸型性质、浇注条件、铸件结构）

（1）金属的流动性：流动性好的液态金属，充型能力强，易于充满薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩。

流动性不好的液态金属，充型能力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。

（2）铸型性质：铸型的蓄热系数b(表示铸型从其中的金属液吸取并储存在本身中热量的能力)愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降。（3）浇注条件：浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响。浇注温度越高，充型能力越好。在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升，超过某界限后，由于吸气，氧化严重，充型能力的提高幅度减小。液态金属在流动方向上所受压力(充型压头)越大，充型能力就越好。但金属液的静压头过大或充型速度过高时，不仅发生喷射和飞溅现象，使金属氧化和产生”铁豆”缺陷，而且型腔中气体来不及排出，反压力增加，造成“浇不足”或“冷隔”缺陷。浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充型能力越低。

（4）铸件结构：衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R(R＝铸件体积/铸件散热表面积＝V／S)和复杂程度，它们决定着铸型型腔的结构特点。R大的铸件，则充型能力较高。R越小，则充型能力较弱。

铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，充型能力弱。铸件壁厚相同时，铸型中的垂直壁比水平壁更容易充满。

3、收缩的定义及铸造合金收缩过程（液态、凝固、固态）铸件在液态、凝固和固态冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩，是液态金属自身的物理性质。液态收缩阶段(Ⅰ)表现为型腔内液面的降低。

凝固收缩阶段(Ⅱ)由状态改变和温度下降两部分产生。一般用体收缩率表示。固态收缩阶段(Ⅲ)通常表现为铸件外形尺寸的减少，故一般用线收缩率表示。

4、缩孔、缩松的定义，形成条件、产生的基本原因，形成部位及防止方法。液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。

1）金属的成分

结晶温度范围越小的金属，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越大的金属，产生缩松的倾向越大。

（2）浇注条件和铸型性质

提高浇注温度时，金属的总体积收缩和缩孔倾向大，浇注速度很慢缩孔容积减少，铸型材料对铸件冷却速度影响很大。

缩松:金属型<湿型<干型。（3）补缩压力和铸件结构 在凝固过程中增加补缩压力，可增大缩孔而减小缩松的容积。若金属在很高的压力下浇注和凝固，则可以得到无缩孔和缩松的致密铸件。缩孔和缩松的防止方法

（1）针对金属的收缩和凝固特点制定正确的技术方法控制铸件的凝固方向使之符合顺序凝固方式或同时凝固方式；

（2）合理确定内浇口位置及浇注方法；

（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等技术措施。

5、铸造应力的定义及分类，产生的缺陷（热裂、冷裂、变形），防止和减少的措施。铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。分类

按形成的原因不同铸造应力分为热应力、相变应力和机械阻碍应力。按应力存在的状况可分为临时应力和残余应力

临时应力是暂时的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失。残余应力是长期存在的，当引起应力的原因消除后，仍存在铸件中。当铸造应力的总合超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂。

热裂是在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则，表面与空气接触而被氧化并呈氧化色。

冷裂是铸件在低温时形成的裂纹。冷裂纹常穿过晶粒，外形规则，呈圆滑曲线或直线状，表面光滑而具有金属光泽或显微氧化色。

防止和减小铸造应力的措施 ：

在零件能满足工作条件的前提下，选据弹性模量和收缩系数小的材料； 采用同时凝固方式；

合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小铸件各部分温差； 采用退让性好的型、芯砂。

若铸件已存在残余应力，可采用人工时效、自然时效或振动时效等方法消除。

6、金属的吸气性及金属吸收气体的过程，主要气体（H2、N2、O2）

金属在熔炼过程中溶解气体；在浇注过程中因浇包未烘干、铸型浇注系统设计不当、铸型透气性差以及浇注速度控制不当、或型腔内气体不能及时排出，都会使气体进入金属液，增加金属中气体的含量。这就构成了金属的吸气性。（氢、氮、氧）。（1）气体分子撞击到金属液表面；

（2）在高温金属液表面上气体分于离解为原子状态；

（3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面；

（4）气体原子扩散进入金属液内部。

7、偏析、宏观偏析、微观偏析、正偏析、逆偏析的定义及其消除方法。

铸件凝固后，截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。微观偏析是指微小（晶粒）尺寸范围内各部分的化学成分不均匀现象。

在铸件较大尺寸范围内化学成分不均匀的现象叫宏观偏析。主要包括正偏析和逆偏析。正偏析：k>1，杂质的分布从外部到中心逐渐增多； 逆偏析：k<1，易熔物质富集在铸件表面上。

8、铸件可能出现那几种气孔（析出性、反应性、侵入性）及其定义

（1）析出性气孔 当金属液冷却速度较快时，由于铸件凝固，气泡来不及排出而保留在铸件中形成的气孔，称为析出性气孔。（2）反应性气孔 金属液与铸型、熔渣之间相互作用或金属液内部某些组元发生化学反应产生的气体所形成的气孔，则称为反应性气孔。

（3）侵入性气孔 砂型铸造时，由于砂型透气率低或排气通道不畅，砂型受热产生的气体，在界面上超过一定临界值时，气体就会侵入金属液而未上浮排出，则产生侵入性气孔。

9、熔炼的分类（按合金和熔炼特点）及熔炼的基本要求

根据所熔炼合金的特点，熔炼大概可分为铸铁熔炼、铸钢熔炼和有色金属熔炼。根据熔炉的特点又可分为冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼和坩锅熔炼等。依据炉衬的种类，熔化技术可分为酸性或碱性。

10、浇注系统的组成及主要功能 浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道 浇注系统的主要功能

连接铸型与浇包，导入液态金属； 挡渣及排气；

调节铸型与铸件各部分的温度分布，控制铸件的凝固顺序；

保证液态金属在最合适的时间范围内充满铸型，不使金属过度氧化，有足够的压力头，并保证金属液面在铸型型腔内有必要的上升速度。

11、铸件冒口的定义、作用及设计必须满足的基本要求（P51）

铸型中能储存一定金属液(同铸件相连接在一起的液态金属熔池)补偿铸件收缩，以防止产生缩孔和缩松缺陷的专门技术“空腔”，被称为冒口。冒口的作用：

主要是“补缩铸件”、集渣和通、排气。设置冒口必须满足的基本条件：

凝固时间应大于或等于铸件(或铸件上被补缩部分)的凝固时间； 有足够的金属液补充铸件(或铸件上被补缩部分)的收缩； 与铸件上被补缩部位之间必须存在补缩通道。

12、冷铁的作用

放入铸型内，用以加快铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序，与冒口相配合，可扩大冒口的有效补缩距离。

13、常用的机器造型和制芯方法有哪些？

震实造型、微震实造型、高压造型、抛砂造型、气冲造型等。

14、液态金属的凝固过程，顺序凝固、同时凝固的定义

15、砂型铸造和特种铸造的技术特点（P52）砂型铸造的特点是：

适应性广，技术灵活性大，不受零件的形状、大小、复杂程度及金属合金种类的限制。生产准备较简单。

生产的铸件其尺寸精度较差及表面粗极度高；铸件的内部品质也较低； 在生产一些特殊零件(如管件、薄壁件)时，技术经济指标较低。特种铸造的技术特点：

铸件的尺寸精度较高，表面粗糙度低。

在生产一些结构特殊的铸件时，具有较高的技术经济指标，不用砂或少用砂，降低了材料消耗，改善了劳动条件； 使生产过程易于实现机械化、自动化。

但特种铸造适应性差，生产准备工作量大，需要复杂的技术装备。因此，特种铸造技术(陶瓷型铸造除外)一般适用于大批大量生产。

16、常用的特种铸造方法有哪些？其基本原理和特点是什么？ 熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造等。

17、何谓金属的铸造性能，铸造性能不好会引起哪些铸造缺陷？

铸造部分复习题

1、影响液态金属冲型能力的因素有哪些？

2、简述砂型铸造和特种铸造的技术特点。（15）

3、简述铸件上冒口的作用和冒口设计必须满足的基本原则。冒口的作用：

主要是“补缩铸件”、集渣和通、排气。设置冒口必须满足的基本条件：

凝固时间应大于或等于铸件(或铸件上被补缩部分)的凝固时间； 有足够的金属液补充铸件(或铸件上被补缩部分)的收缩； 与铸件上被补缩部位之间必须存在补缩通道。

4、铸造成形的浇注系统由哪几部分组成，其功能是什么？（10）

5、熔炼铸造合金应满足的主要要求有哪些？

熔炼出符合材质性能要求的金属液，而且化学成分的波动范围应尽量小； 熔化并过热金属所需的高温； 有充足和适时的金属液供应； 低的能耗和熔炼费用；

噪声和排放的污染物严格控制在法定的范围内。

6、试比较灰铸铁、铸造碳钢和铸造铝合金的铸造性能特点，哪种金属的铸造性能好？哪种金属的铸造性能差？为什么？（P46）

第三章 复习及复习题

一、名词解释：

1、金属塑性变形、加工硬化

金属塑性变形是利用金属材料塑性变形规律，施加外力使之产生塑性变形而获得所需形状、尺寸和力学性能的零件或毛坯的加工工艺。

塑性:材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力

加工硬化：在塑型变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，塑型、韧性下降，这一现象称为加工硬。（工程材料）金属在室温下塑性变形，由于内部晶粒沿变形最大方向伸长并转动、晶格扭曲畸变以及晶内、晶间产生碎晶的综合影响，增加了进一步滑移变形的阻力，从而引起金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。亦称为冷作硬化。

2、自由锻: 自由锻造(又称自由锻)是利用冲击力或压力使金属材料在上下两个砧铁之间或锤头与砧铁之间产生变形，从而获得所需形状、尺寸和力学性能的锻件的成形过程。模锻：模型锻造包括模锻和镦锻，是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。胎模锻：胎模锻造是在自由锻造设备上使用不固定在设备上的各种称为胎模的单膛模具，将已加热的坯料用自由锻方法预锻成接近锻件形状，然后用胎模终锻成形的锻造方法。

3、落料、冲孔

落料和冲孔又统称为冲裁。落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。

4、固态金属的冷变形和热变形

冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。热变形是指金属在进行塑性变形时的温度高于该金属的再结晶温度。

5、板料分离和成形 分离过程是使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或者料坯。成形过程是使坯料发生塑性变形而成一定形状和尺寸的工件。

6、金属的可锻性

金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。

三、简答题

1、简述自由锻成形过程的流程及绘制自由锻件图要考虑的主要因素。

计算坯料质量和尺寸、下料零件图→绘制锻件图 →确定工序、加热温度、设备等→加热坯料、锻打→检验→锻件

敷料、加工余量、锻件公差

2、在金属的模锻过程中，影响金属充填模腔的因素有哪些？

①金属的塑性和变形抗力。显然，塑性高、变形抗力低的金属较易充满模膛。②金属模锻时的温度。金属的温度高，则其塑性好、抗力低，易于充满模膛。

③飞边槽的形状和位置。飞边槽部宽度与高度之比(b／h)及槽部高度h是主要因素。(b/h)越大，h越小，则金属在飞边流动阻力越大。强迫充填作用越大，但变形抗力也增大。④锻件的形状和尺寸。具有空心、薄壁或凸起部分的锻件难于锻造。锻件尺寸越大，形状越复杂，则越难锻造。

⑤设备的工作速度。一般而言，工作速度较大的设备其充填性较好。⑥充填模膛方式。镦粗比挤压易充型。⑦其他如锻模有无润滑、有无预热等。

3、请阐述金属在模锻模膛内的变形过程及特点。（1）充型阶段

在最初的几次锻击时，金属在外力的作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止。特点：模锻所需的变形力不大。（2）形成飞边和充满阶段

继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。此时，模锻所需的变形力开始增大。随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急速增大，当这个阻力一旦大于金属充满模膛圆角和深处的阻力时，金属便改向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止。

这一阶段的特点是飞边进行强迫充填，变形力迅速增大。锻足阶段

如果坯料的形状、体积及飞边槽的尺寸等工艺参数都设计得恰当，当整个模膛被充满时，也正好锻到锻件所需高度。但是，由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多，或者飞边槽阻力偏大，导致模膛已经充满，但上、下模还未合拢，需进一步锻足。

这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余的金属。

4、简述模锻技术过程中确定分模面位置的原则。

①要保证模锻件易于从模膛中取出。故通常分模面选在模锻件最大截面上。②所选定的分模面应能使模膛的深度最浅。这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。

③选定的分模面应能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。④分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致。便于锻模制造。⑤所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少。这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。

5、落料和冲孔用凹、凸模刃口尺寸是如何确定的？

设计落料时，凹模刃口尺寸即为落料件尺寸，然后用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值。设计冲孔模时，凸模刃口尺寸为孔的尺寸，然后用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值。为保证零件的尺寸要求，提高模具的使用寿命，落料时取凹模刃口的尺寸应靠近落料件公差范围的最小尺寸；而冲孔时则取凸模刃口的尺寸靠近孔的公差范围内的最大尺寸。

第四章 粉末压制和常用复合材料成形过程

练习题

一、名词解释： 粉末冶金：粉末压制(这里主要指粉末冶金)是用金属粉末(或者金属和非金属粉末的混合物)做原料，经压制成形后烧结而制造各种类型的零件和产品的方法。

电解法：电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。雾化法金属粉末制备方法：雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流(空气或惰性气体)、水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到金属粉末。

三、简答

1、硬质合金的分类情况及其主要用途是什么？ 钨钴类(YG)主要组成为碳化钨(WC)和钴(Co)。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。

钨钴类硬质合金有较好的强度和韧度，适宜制作切削脆性材料的刀具。如切削铸铁、脆性有色合金、电木等。且含钴愈高，强度和韧度愈好，而硬度、耐磨性降低，因此，含钴量较多的牌号一般多用作粗加工，而含钴量较少的牌号多用于作精加工。钨钴钛类(YT)主要组成为碳化钨、碳化钛(TiC)和钴。常用牌号有YT5、YT10、YTl5等。

钨钴钛类硬质合金含有比碳化钨更硬的碳化钛，因而硬度高，热硬性也较好，加工钢材时刀具表面会形成一层氧化钛薄膜，使切屑不易粘附，故适宜制作切削高韧度钢材的刀具。同样含钴量较高(如YT5．含钴9％)的牌号用作粗加工。钨钽类(YW)主要组成为碳化钨、碳化钛、碳化钽(TaC)和钴。其特点是抗弯强度高。牌号主要有YWl(84％WC、6％TiC、4％TaC、6％Co)，YW2(82％WC、6％TiC、4％TaC、8％Co)两种。这类硬质合金制作的刀具用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工的材料。

2、请简要介绍粉末压制结构零件设计的原则

一、压制件应能顺利地从压模中取出

二、应避免压制件出现窄尖部分

窄尖部分会出现装粉不足，使压制成形因难。窄尖部分还会影响压模的强度和寿命。

三、零件的壁厚应尽量均匀，台肩尽可能的少，高(长)宽(直径)比不超过2.5(厚壁零件不超过4)零件的高度太高，压制方向上的台肩多，各部分壁厚相差过大等，都会造成压制件的密度分布不均匀。

四、制品的尺寸精度及表面粗糙度 压制烧结零件的尺寸精度，应以能满足零件的技术要求为准；既不要盲目地追求过高的尺寸精度，这样不仅大大增加生产成本；又不要不必要地降低尺寸精度，从而抹煞粉末压制的技术特点。

制品的表面粗糙度取决压模的表面粗糙度。烧结后一般在10~15μm，若想进一步降低表面粗糙度，则需要进行复压校形或精压。

3、请简要介绍金属粉末的制备方法

1、矿物还原法制取粉末

矿物还原法是金属矿石在一定冶金条件下被还原后，得到一定形状和大小的金属料，然后将金属料经粉碎等处理以获得粉末。

矿物还原法主要适用于铁粉生产，也能生产钴、钼、钙、难熔的金属化合物粉末（如碳化物、硼化物、硅化物粉末）等。

2、电解法

电解法是采用金属盐的水溶液电解析出或熔盐电解析出金属颗粒或海绵状金属块，再用机械法进行粉碎。

电解法生产的金属品种多，纯度高，粉末颗粒呈树枝状或针状，其压制性和烧结性都较好。

3、雾化法制取粉末

雾化法是将熔化的金属液通过喷射气流(空气或惰性气体)、水蒸汽或水的机械力和急冷作用使金属熔液雾化，而得到金属粉末。

由于雾化法制得的粉末纯度较高，又可合金化，粉末有其特点，且产量高、成本较低，故其应用发展很快。可用来生产铁、钢、铅、铝、锌、铜及其合金等的粉末。

4、机械粉碎法

机械破碎法中最常用的是钢球或硬质合金球对金属块或粒原料进行球磨。

适宜于制备一些脆性的金属粉末，或者经过脆性化处理的金属粉末(如经过氢化处理变脆的钛粉)。

第五章 固态材料的连接过程 练习题

一、名词解释： 焊接：将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头的过程称为焊接。

熔化焊接：利用热源局部加热的方法，将两工件接合处加热到熔化状态，形成共同的熔池，凝固冷却后，使分离的工件牢固结合起来的焊接称为熔化焊。压力焊接：在焊接过程中，对焊件施加一定压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。钎焊：钎焊是采用熔点比母材低的金属作钎料，将焊件加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，使钎料填充接头间隙，与母材产生相互扩散，冷却后实现连接焊件的方法。

摩擦焊：摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，将工件端面加热到塑性状态，然后在压力下使金属连接在一起的焊接方法。

电阻焊：电阻焊是利用电流通过焊件时产生的电阻热，作为热源，加热焊件，在压力下进行焊接的。

直流正接和直流反接：直流正接：工件接阳极，焊条接阴极。直流反接：工件接阴极，焊条接阳极。

三、简答题

1、焊接用焊条药皮的作用是什么，由哪几部分组成？ 药皮的作用

A 改焊接工艺性能：易引弧、稳弧，减小飞溅，使焊缝成形美观； B 机械保护作用：气体、熔渣隔离空气，保护熔液和熔池金属；

C 冶金处理作用：药皮中的某些元素可起到渗合金、脱氧、脱硫、去氢作用。药皮的组成

主要有稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、稀渣剂、增塑剂等。主要原料有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。

2、简述碱性焊条和酸性焊条的性能和用途。熔渣以酸性氧化物为主的焊条，称为酸性焊条。

酸性焊条的氧化性强，焊接时具有优良的焊接性能，如稳弧性好，脱渣力强，飞溅小，焊缝成形美观等，对铁锈、油污和水分等容易导致气孔的有害物质敏感性较低。熔渣以碱性氧化物为主的焊条，称为碱性焊条。

碱性焊条有较强的脱氧、去氧、除硫和抗裂纹的能力，焊缝力学性能好，但焊接技术性能不如酸性焊条，如引弧较困难，电弧稳定性较差等，一般要求用直流电源。而且药皮熔点较高，还应采用直流反接法。

3、手工电弧焊用焊条的选用原则是什么？

首先根据焊件化学成分、力学性能、抗裂性、耐蚀性及高温性能等要求，选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构形状、受力情况、焊接设备条件和焊条售价来选定具体型号。①根据母材的化学成分和力学性能

若焊件为结构钢时，则焊条的选用应满足焊缝和母材“等强度”，且成分相近的焊条； 异种钢焊接时，应按其中强度较低的钢材选用焊条；

若焊件为特殊钢，如不锈钢、耐热钢等时，一般根据母材的化学成分类型按“等成分原则”选用与母材成分类型相同的焊条。

若母材中碳、琉、磷含且较高，则选用抗裂性能好的碱性焊条。②根据焊件的工作条件与结构特点

对于承受交变载荷、冲击载荷的焊接结构，或者形状复杂、厚度大，刚性大的焊件，应选用碱性低氢型焊条。

③根据焊接设备、施工条件和焊接技术性能

无法清理或在焊件坡口处有较多油污、铁锈、水分等赃物时，应选用酸性焊条。在保证焊缝品质的前提下，应尽量选用成本低、劳动条件好的焊条。无特殊要求时应尽量选用焊接技术性能好的酸性焊条。

4、什么是焊接热影响区？它由哪几部分组成，分别对焊接接头有何影响？ 在电弧热的作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生组织或性能变化的区域，称为焊接热影响区。

热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。过热区的塑性和冲击韧度很低。焊接刚度大的结构或碳的质量分数较高的易淬火钢材时，易在此区产生裂纹。

一般情况下，焊接热影响区内的正火区的力学性能高于未经热处理的母材金属。已相变组织和未相变组织在冷却后晶粒大小不均匀对力学性能有不利影响。

5、焊接应力产生的根本原因是什么？减少和消除焊接应力的措施有哪些？

焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热，是产生生焊接应力和变形的根本原因。（1）选择合理的焊接顺序（2）焊前预热

焊前将焊件预热到350-400℃，然后再进行焊接。预热可使焊缝部分金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时冷却收缩，因此可显著减少焊接应力，同时可减少焊接变形。（3）加热“减应区”

在焊接结构上选择合适的部位加热后再焊接，可大大减少焊接应力。（4）焊后热处理

去应力退火过程可以消除焊接应力。

即将工件均匀加热到600-650℃，保温一定时间，然后缓慢冷却。整体高温回火消除焊接应力的效果最好，一般可将80％—90％以上的残余应力消除掉。

6、简述金属材料焊接性的概念。指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。即金属材料对焊接加工的适应性称为金属材料的焊接性。

7、简述埋弧自动焊的特点及应用。

①生产率高 生产率比手工电弧焊高5-10倍。②焊接品质高而且稳定 ③节省金属材料 ④劳动条件好

但是埋弧自动焊的灵活性差，只能焊接长而规则的水平焊缝，不能焊短的、不规则焊缝和空间焊缝，也不能焊薄的工件。焊接过程中，无法观察焊缝成形情况，因而对坡口的加工、清理和接头的装配要求较高。埋弧自动焊设备较复杂，价格高，投资大。应用

埋弧自动焊通常用于碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢等中厚板(6-60mm)结构的长焊缝及直径大于250mm环缝的平焊，生产批量越大，经济效果越佳。

8、铸铁焊补的主要困难及采取的主要措施有哪些？

焊接接头易产生白口组织，硬度很高，焊后很难进行机械加工。焊接接头易产生裂纹，铸铁焊补时，其危害性比白口组织大。在焊缝易出现气孔。

第四篇：【技术】浅谈整体成型工艺

【技术】浅谈整体成型工艺

背景

复合材料由于具有高比强度、高比刚度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性好等优点，因此越来越广泛地应用于各类航空飞行器,大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。复合材料的应用部位已由非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量已成为航空器先进性的重要标志。复合材料整体成型是指采用复合材料的共固化（Co-curing）、共胶接（Co-bonding）、二次胶接（Secondary bonding）或液体成型等技术和手段，大量减少零件和紧固件数目，从而实现复合材料结构从设计到制造一体化成型的相关技术。在复合材料结构的设计和制造过程中，将几十甚至上百个零件减少到一个或几个零件，减少分段、减少对接、节省装配时间，可大幅度地减轻结构质量，并降低结构成本，而且充分利用了固化前复合材料灵活性的特点。国内外航空领域广泛地采用整体成型复合材料主构件，如诺·格公司的B2轰炸机、波音（Boeing）公司的787飞机和洛·马公司的F35战斗机均在机身和机翼部件中大量运用整体成型复合材料，整体成型结构已经成为挖掘复合材料结构效率，实现复合材料功能结构一体化以及降低复合材料制造成本的大方向。一某轻型公务机整体化复合材料中机身 01 成型材料02 成型方法上半模、下半模分别铺贴完成后合模，并进行接缝补强，最后固化成型。综合考虑工装的重量及与复合材料热膨胀系数的匹配性，选择复合材料工装，为了减轻增压舱上半模重量，上半模型面只采用复合材料型板进行加强，与金属结构支架的连接是可卸的，以利于翻转组合及吊装，图2 为工装示意图。目前，夹层结构的成型方法可以根据面板与蜂窝夹层结构的成型步骤分为共胶接法、二次胶接法和共固化法，对特殊要求的结构还可以采取分步固化。通过对机身结构铺层设计分析，对上、下半模合模位置进行了铺层补强设计，这就排除了采用上、下半模分别成型，然后二次胶接方法的可能。另外，由于整体性要求，若采用分步固化技术，机身外蒙皮固化粘结后形成内部机身舱腔体，局部位置内蒙皮的铺叠操作难度太大，几乎无法实现，所以针对中机身整体结构，采用共固化技术。同时根据结构特点、材料特性及质量要求等对主要工艺展开研究如下：（1）预浸料铺层及剪口优化技术；（2）蜂窝芯加工及定位技术；（3）蜂窝夹层结构的共固化工艺参数确定。二工艺路线及主要工艺措施

01 工艺流程中机身整体成型工艺采用共固化技术，即分别在上、下半模铺叠外蒙皮；然后铺放胶膜，定位蜂窝芯及预埋件；最后铺叠内蒙皮，合模，固化。主要工艺流程如图3 所示。02 主要工艺措施（1）铺层展开及优化。采用CATIA 软件CPD 模块对中机身铺层进行可制造性分析，发现整层设计的预浸料层在结构突变的位置无法展开，并且纤维角度变化非常大，远远偏离了设计给出的铺层角度，如图4 所示。这是因为中机身型面复杂，而对于复杂曲面上的铺层，进行二维展开时，既要保证铺层能够展开，还要保证展开的铺层与3D 模型上边界一致，往往存在较大的困难。只有当制造可行性分析表明纤维变形在可接受范围内才可以进行铺层展开。所以在对复合材料分层数模进行工艺分析时，对不同位置作为起铺点的纤维角度变化进行分析，找出变形面积最小的铺叠起始位置，再通过铺层拼接及开剪口技术找到最优且满足设计铺层角度公差的工艺设计方案，图5 为经过优化后的铺层展开分析图。（2）蜂窝芯预处理。整个增压舱除了防火墙和翼盒外均使用19.05mm 过拉伸NOMEX蜂窝芯，其主要特点是蜂窝纵向柔性较大，易变形，贴模性好，适合成型曲度较大的零件。此种蜂窝芯的理论外形尺寸为2.44m×0.99m，而增压舱上下两部分的蜂窝芯展开尺寸约4m×2.5m，其尺寸远远超出蜂窝芯的外形尺寸，且蜂窝芯外形复杂，如图6 所示。制造过程中蜂窝芯需要拼接，常规蜂窝芯拼接是将蜂窝按位置要求分块后进行型面铣切，然后拼接。但过拉伸蜂窝芯收缩性较大，采取先铣切后拼接的方式，由于收缩会造成实际拼接时比理论外形小15~20mm，所以研制过程采用拼接胶先将蜂窝芯拼接，同时进行稳定化处理，如图7 所示，然后进行外形铣切，可以把误差控制在±3mm 范围以内，符合设计要求。（3）蜂窝芯及预埋件定位。

为了准确定位蜂窝芯和预埋件，在工装制造过程中就通过数控加工和定位预埋衬套和螺栓，用于定位蜂窝芯定位样板和预埋件。预埋件主要是翼盒、防火墙、舷窗等已固化零件，预埋件与蜂窝芯之间采用填充胶填充，以起到填充、补强和粘接的作用。（4）制袋。

将铺叠完的上、下半模合模，铺叠补强层后进行制袋，由于中机身尺寸大，机身内部闭角多，排袋困难，容易架桥，局部地区由于导气不畅通，造成假真空。通过模拟和试验的方法，确定整体真空袋尺寸，通过制作“子母袋”的方法，将上、下半模整体包覆。另外，采用3/4”的抽气嘴分布于机身内部各处闭角附近，并确保各抽气嘴之间透气层的连续性，避免假真空。图8 为合模后制袋。（5）固化。复合材料结构在升温固化过程中经历复杂的热-化学变化，温度、压力及保温时间等工艺参数的确定对结构成型过程有着重要的影响，最终关联着质量问题。如果工艺参数选择不当，常常使复合材料形成不同类型的缺陷，如分层、孔隙、脱粘等。在中机身的成型过程中，按简单的材料工艺进行固化，即室温升至130℃，保温2h，降温至60℃，结果发现固化保温过程中局部位置温度突变，存在集中放热的现象，如图9 所示，检测发现部分区域存在大面积气孔和疏松现象。分析原因，主要是由于中机身模具是一个一端封闭的结构，且机身模具各部位厚度差别较大，整体温度场均匀性不好，造成成型过程温度场难以保证，直接影响固化质量。为解决这一问题，需进行工艺参数的调整，以材料规范中材料本身的固化参数为基础，通过对典型结构零件固化炉成型工艺研究，采用双台阶固化曲线（见图10），结果表明，在树脂凝胶点87℃保温1.5h（第一台阶），在树脂进行了部分固化反应，释放了一定的固化反应热，这样，能够减小在最终固化温度130℃固化过程中的固化反应热释放，减小了温度场差异，有利于排除挥发分，保证固化度一致性。（6）外形铣切及检测。

中机身的风挡、舷窗、舱门等处采用外形铣切型架及靠模的方式进行铣切，如图11 所示。经无损及型面检测，均能满足设计要求。三结束语

通过对某型公务机中机身整体成型技术的研究，证明了该结构采用蜂窝预处理及定位，上、下模组合成型及共固化工艺的制造方案是可行的。本研究也是对我国通用飞机复合材料主结构整体成型工艺的一次有益探索，提升了我国通用飞机复合材料技术设计和制造水平，对推动我国通用飞机产业的发展具有重要的作用和意义。

第五篇：褐煤成型技术分析

褐煤成型技术

1褐煤多联产技术

褐煤多联产是以褐煤为原料，集褐煤预处理，气化，化工合成，发电，供热，废弃物资源循环利用等单元工艺构成的褐煤综合利用系统，其整个核心工艺是褐煤预处理及煤的干燥，干馏，成型，气化，燃烧，其过程是通过大规模的褐煤预处理提质后，将提质煤放在燃烧炉或气化炉燃烧和气化，气化后粗合成气通过气体净化单元处理后再通过合成反应器，生成合成氨，甲醇，二甲醚，合成油等洁净燃料或其它高附加值化工产品，反应尾气直接通往燃气-蒸汽联合循环发电或开展热，电，冷联产。

褐煤多联产工艺具有产品结构灵活，生产成本低，能源转化效率高和环境友好等特点，可以最大限度地处理或利用煤炭中的污染物，体现了循环经济的理念。由于我国的能源结构是以煤炭为主，而褐煤又占有相当的比重，并在相当长的时间内难以改变这种格局。因此，我国的经济要想可持续发展，就必须在实现褐煤资源的高效，洁净利用，优化终端能源结构上下功夫。褐煤多联产就是解决这一问题的综合利用技术。

2褐煤干燥

2.1褐煤干燥工艺

褐煤干燥提质按干燥介质与褐煤接触的方式划分，可分为两类：直接干燥和间接干燥。直接干燥是褐煤直接与热介质接触，通过热介质蒸发褐煤水分而达到干燥褐煤的目的。直接干燥可分为普通蒸发干燥，热油干燥，热水干燥，蒸汽空气联合干燥等。间接干燥通常是褐煤不直接与热介质接触，通过换热器与热介质换热，吸收热量蒸发水分而达到干燥的目的。德国多特蒙德大学Strauss等研究开发了热压脱水工艺（MTE），国内中国矿业大学通过“985”优势学科平台建设，已搭建了褐煤热压脱水实验系统，国内大唐华银及一些电厂等单位正在作相关研究。

2.1.1褐煤直接干燥工艺

褐煤直接干燥通常是将热介质直接与褐煤接触蒸发水分而达到干燥褐煤的目的。按照干燥床型，干燥温度，进料时间或产品是块煤还是粉煤等因素来进行划分，工艺略有区别。普通干燥方式有固定床，流化床，回转窑等。每一种都有其优缺点。它们大部分都在相对低温条件下的干燥，通常干燥介质为热烟气。由于褐煤的燃点较低，干燥过程中常因局部过热，使煤质变差，控制不好还会引起燃烧和爆炸。但由于这些工艺在常压低温下进行，所以成本较低。如果干燥后的产品立即使用的话，可采用这些工艺，由于没有改变煤的疏松结构，一旦重新处于潮湿的空气或水中，又会迅速吸收失去的水分。

2.1.2褐煤间接干燥工艺

褐煤间接干燥通常是热介质不直接与褐煤接触，通过换热器吸收热量蒸发水分而达到干燥褐煤的目的。管式干燥机就是采用这种间接干燥的原理，煤在管内流动，蒸汽通过管壁传热，褐煤吸热达到干燥的目的。这种工艺具有安全性，可靠性的特点，因而，特别适用于燃点低，易燃，易爆的年轻煤种。

采取合理的结构可以取得较好的干燥效果。管式干燥机就是一种较好的间接干燥工艺技术。

2.2褐煤成型工艺原理

褐煤热压成型工艺是根据褐煤毛细孔模型的原理，褐煤中有大量含水的毛细孔，毛细孔中含有一定量的内水，经采用干燥工艺后，大部分的内水被干燥，少部分水分作为黏结剂。根据褐煤的类型和成型原理，需保留一定的水分，成型时毛细孔被压溃，进而充填煤粒间的空隙，呈现出相互作用的分子间力，加强了煤粒间的接触而成型。成型后的褐煤毛细孔结构被破坏，故重新吸附水现象大为降低。无黏结剂高压热压成型与有黏结剂成型比较，有其独特的优点。产品能量密度较高，含水量少，强度高，不需要添加有机黏结剂，有一定的防水 褐煤烘干机

性，适合长途运输。

2.3国内外褐煤干燥研究应用情况

为了更高效地利用褐煤，国内的研究机构和企业都进行了大量的工作。目前，澳大利亚，美国，德国，希腊，波兰等国家都有丰富的褐煤资源，为了增加低阶煤在市场的竞争力，提高电厂效率，都进行了褐煤干燥技术的研究工作，其中褐煤的预干燥处理技术是这几年的研究重点。在欧洲，褐煤的干燥也是洁净煤技术项目中的一个重要组成部分。

美国针对褐煤，也在开展煤炭干燥和煤质改性的研究。印度尼西亚（简称“印尼”）拥有丰富的褐煤资源，原煤灰分很低，但水分高达20～60，因此，印尼煤炭企业也在寻求经济高效的褐煤干燥技术，以增强印尼煤在国际市场的竞争力。

国外新近开发研究的用于褐煤的气流干燥，流化床干燥等技术，属于快速直接干燥，其效率高，蒸发强度大，自动化程度高，但其投资较高，目前尚处于试验阶段。如德国RWE公司研发的蒸汽流化床干燥褐煤的工艺，澳大利亚研发的闪蒸干燥管干燥褐煤技术等。

目前，褐煤加工利用在我国刚刚起步。褐煤提质应根据褐煤质量性能，产品市场定位，选择相应的加工技术。目前我国研究开发的若干种褐煤提质技术中，已进行工业化试生产的技术主要有：大连理工大学的褐煤固体热载体法快速热解技术，鞍山热能研究院的褐煤低温干馏改质技术，北京柯林斯达能源技术开发公司的褐煤低温干燥改性提质技术等。这几种技术所采取的干燥方法和加热温度不同，产品方案和产品性能也有差异，均已在国内褐煤产地建立了工业化试生产装置。国内还有常见的回转圆筒干燥机，属于直接干燥，技术成熟，操作稳定，但设备体积，质量大，蒸发强度低，干燥停留时间长，不适宜用于高挥发分的褐煤干燥。目前中国煤炭科学研究院对此做过一些工作，但由于回转圆筒干燥机出力较低，基本否定用于褐煤干燥工业化生产。由上述可见，要满足未来煤炭技术需要的干燥方法，必须达到以下目标：减少对环境的污染；适应未来褐煤深加工工艺过程的需要；降低干燥过程的能源消耗，提高深加工过程的效率；降低生产成本，提高对进口燃料的竞争能力。

3褐煤预处理后的综合利用工艺褐煤通过干燥，干馏，成型后的产品可采用先进的气流床（粉煤加压气化），碎煤移动床（固定床加压气化）等气化技术将其大规模加压气化，具有环保性能好，原料适应，效率高的特点。煤气化后得到CO H2 CH4粗合成气，是制合成氨，甲醇，甲烷气，油品和IGCC的原料气体.3.1褐煤制合成氨工艺

褐煤通过干燥，干馏或成型后进入气化单元，得到的合成气中的CO可通过蒸气变换，在催化剂作用下反应得到H2 CO2，其中的CO2是生产尿素的原料。变换气再经过气体净化，如低温甲醇洗，甲烷化（或液氮洗），配氮，压缩后进行氨合成，最后得到产品尿素，内蒙古呼伦贝尔盟金新化工有限公司投资31.5亿元的年产50万吨合成氨，80万吨尿素的煤化工项目已经开工建设。该合成氨装置以宝日希勒煤田的褐煤为原料，采用英国BGL熔渣煤气化技术，将于2011年6月建成投产。

3.2褐煤制甲醇工艺

利用褐煤预处理后进行煤气化得到合成气再作为甲醇原料是一个非常好的原料路线，甲醇无论是作为过渡性混合燃料，还是成为燃料电池的重要原料，有很好的前景。关键决定选择煤气化技术和装置规模。煤气化后得到（CO H2）粗合成气中CO H2是制甲醇的原料气。粗合成气先经预变换后，再经低温甲醇洗，压缩，甲醇合成，甲醇精馏，最后得到甲醇。扎赉诺尔煤业有限公司建设年产60万吨褐煤制甲醇生产线项目已经立项。内蒙古鲁新能源开发有限公司依托当地丰富的褐煤，水资源，规划建设年产300万吨甲醇项目，一期建设年产120万吨甲醇及转化烯烃项目。

3.3褐煤制氢工艺

20世纪70年代初国际上出现的石油危机使人们对石油天然气的安全供应问题有了深刻的认识，从而促进了煤气化技术的进步。

通过气化实现能量的有效转换，以减轻对石油资源的依赖。粗合成气经变换后CO可降至0.2左右。再通过酸性气体脱除后，能得到98以上的氢气。在煤制油的直接液化工艺中，氢气是重要的原料；氢还可用做燃料电池的燃料。

3.4褐煤间接液化制备油品工艺

褐煤间接液化技术是先将煤气化生产合成气，然后以合成气为原料通过费托合成生产出馏程不同的液态烃。煤间接液化包括煤气化单元，气体净化单元，F-T合成单元，分离单元，后加工提质单元等。与直接液化技术相比，间接液化技术对煤质要求不高。南非于20世纪50年代开始建设商业化工厂，目前已形成年产700万吨产品生产能力。国内间接液化技术开发也有20年的历史，已建成了低温浆态床合成油中试装置，并进行了长周期试验运行，获得了高质量柴油产品。

2009年我国煤制油项目先后试车成功，神华集团的直接液化和中科合成油公司的间接液化自主知识产权煤制油技术得到验证。2009年1月，神华集团鄂尔多斯百万吨级直接液化煤制油示范装置试车成功，并于三季度进行第二次试车，截至12月份，已经总计出产了10万吨左右汽油，柴油等油品，首列石脑油专列于10月18日载着2300吨石脑油出厂运往天津港外销。神华煤制油化工公司18万吨/年的铁剂浆态床间接液化装置也成功试运行，神华集团也已经正式拿到成品油批发执照。截至2009年年底，我国煤制油产能达到168万吨。应用中科合成油公司铁基浆态床间接液化技术的3套工业试验装置也陆续投产。伊泰16万吨/年煤制油项目于2009年3月试车成功，并于9月正式投产，截至4季度，该项目累计生产油品1.2万多吨。伊第8期汪寿建：褐煤干燥成型多联产在工程实践中的应用和发展？1383？

泰煤制油公司和内蒙古石油化学工业检验测试所制定了《F-T合成柴油》，《F-T合成石脑油》企业标准，这两项标准填补了我国煤制油品标准的空白。预计在2010年我国已经建成的煤制油示范项目将陆续迈向商业化运营阶段，直接液化煤制油和间接液化煤制油的经济性，产品方案和质量指标将经受市场的考验。

3.5褐煤用于燃气蒸汽联合循环发电工艺

燃气蒸汽联合循环发电（integratedgasificationcombinedcycle，IGCC），是把高效的联合循环总能系统和洁净的燃煤技术结合起来的先进发电系统。

它由两部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉，空分装置，煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统，余热锅炉，蒸汽轮机发电系统。IGCC洁净煤发电的主要特点如下所述。

（1）热效率高，目前已达43～46，计划2010年可达到50.（2）环保性能好。脱硫率98～99，NOx排放等同于天然气，CO2排放也降低。

（3）燃料适应性强，对高硫煤有独特的适应性。

（4）可用于对燃油联合循环机组及老燃煤电厂改造，达到提高效率，改善环保的目的。褐煤作为原料用于燃气蒸汽联合循环发电技术工艺流程。

IGCC的发展主要经历3个阶段：原理概念性验证阶段，商业示范验证阶段，商业化阶段。目前，对第二代阶段技术进行完善与提高，向第三代技术过渡并实现商业化应用已成为发电技术的主要发展方向。目前，美国各大集团（如GE，Texaco，Destec，FosterWheeler等），有关高校以及专业机构[美国电力研究所（EPRI），美国能源部能源情报署（EIA），美国国家能源技术实验室（NETL），美国环境研究中心（NCER），美国气化技术协会，IGCC联合会，煤利用研究协会]一直在积极进行该技术的研究，使得美国在技术上处于世界领先地位。欧洲非常重视IGCC技术的研究开发，目前欧洲联盟委员会资助了3项IGCC示范项目。日本是目前世界上拥有PFBC-CC电厂的台数最多，单机容量最大的国家，但是IGCC

技术却在世界范围内的石化企业中获得了相当成功的应用，这就使日本的能源界开始关注IGCC技术的研发和应用。

随着国际上IGCC机组从示范到商业化的运行，国内也开始大力发展IGCC技术。华能天津IGCC绿色煤电工程示范项目已经于2009年5月批复，现正在建设过程中。目前国内已经报批和进行可行性研究的IGCC项目还有：华电杭州半山IGCC工程示范项目，中国烟台发电厂IGCC项目，中广核东莞电化太阳洲IGCC示范工程项目等。由于IGCC项目符合国家的节能减排政策，国家发改委已经开始重视并对IGCC项目采取很宽松的政策，以前对此没有审批，主要是出于对初期投资非常大的考虑。

4褐煤干燥成型技术的实际应用

4.1中国化学工程集团公司-德国泽玛克间接干燥型煤工艺

由中国化学工程集团公司-德国泽玛克联合开发的褐煤间接干燥型煤工艺具有安全，可靠性高的特点，特别适用于燃点低，易燃，易爆的年轻煤种。

由于结构合理，传热效率高，在褐煤应用过程中取得较好的干燥效果。管式干燥机为一回转窑系统，在鼓形体内有一个多管系统，鼓体稍微倾斜。原煤连续不断地从上方送入干燥机管内，由于鼓体是倾斜的，当鼓体旋转时，煤不停地流到出口，干燥所需的热能由多管系统内的低压蒸汽提供，低压蒸汽沿鼓体轴向进入，并迅速向管外表面扩散，与煤一起进入机体内的空气吸收了水分以后在除尘器内与干煤粉分离，一部分重新压缩进入干燥机，另一部分排入大气。

褐煤干燥成型工艺关键设备由高压成型机组成，无黏结剂高压成型设备目前国内还不能生产。国外无黏结剂高压热压成型与国内褐煤有黏结剂成型比较，有其独特的优点，不需要添加昂贵的有机黏结剂，产品适合长途运输。而有黏结剂成化型如果不作防水处理，会较快吸收空气中的水分，强度降低。采用间接干燥成型技术有下列特点。

（1）针对富含水的褐煤在干燥提质过程中具有含水量高，挥发分高，易着火发生爆炸的特点，采用具有安全措施的干燥工艺，控制安全的干燥温度范围，用低压过热蒸汽作为干燥热媒介质，使干燥输送过程中具有可控性和安全措施，防止褐煤由于温度过高，挥发分气体逸出及粉尘与空气中的氧气反应发生爆炸。

（2）采用褐煤无添加黏结剂热压成型工艺，其成型和产品输送过程安全，可靠，无污染排放，热压成型后的褐煤发热量增加。

（3）与煤一起进入干燥装置内的空气吸收了水分以后与水蒸气混合在除尘器内与煤粉分离除尘后排入大气。由于在低温下进行干燥，主要是以干燥煤粒为主，煤的组分基本没有发生变化，挥发分气体没有逸出，干燥成型对环境的影响较小，基本无废弃物排放。排放的气体符合环保的要求。

（4）干燥，热压成型设备大型化，结构合理，成熟可靠，易于制造，施工简单，操作容易，布置紧凑，具有较好的经济效益。

（5）褐煤热压成型对煤的毛细孔结构进行强制压溃和破坏，保证干燥成型效果。热压成型后的褐煤水分大量除掉，空隙大量减少，褐煤的机械强度明显增强，煤质密度增强，便于运输，为褐煤的综合利用提供了便利。

采用中国化学工程集团公司-德国泽玛克联合开发的间接干燥型煤工艺技术已有大型工艺生产装置的业绩，年产100万吨型煤工厂见图7所示，管式干燥机间接干燥辊压成型工艺流程见图9所示。

4.2神华集团-中国矿业大学低阶煤高温烟气直接干燥成型技术

由神华集团和中国矿业大学（北京）共同开发的低阶煤高温烟气成型技术，是一种高温烟气干燥的工艺，该方法适用于褐煤和其它低阶煤的干燥。使用燃煤高温烟气，通过直接接触法干燥褐煤等煤种。其特点是排烟量少，热效率高，干燥速度快。干燥后的煤中内水含量

明显降低，煤的发热量增加。褐煤高温烟气直接干燥成型提质的特点是干燥和成型相互依托，连续运行。“热”用于脱水，较少部分焦油脱出，为无黏结成型提供条件；“压”用于成型，破坏褐煤的孔隙结构，保证脱出水后在短时间内回吸。该核心技术是褐煤的成型，通过控制干燥特性，干燥工艺参数，既保持一定的干燥度，使部分焦油组分脱出作为粘接成分，又不能过热造成褐煤着火。辊压成型压力约需1t/cm2以上，设备技术和材质要求高。该工艺设计两条生产线，每条生产线的设计生产能力为50万吨/年，设计出力83.33t/h.每条生产线设1台41.2MW热烟气发生炉，一台气流干燥器，4台出力为7～25t/h的HPU140-100对辊成型机，产品为半枕状型煤。提质后褐煤发热量提高约25，根据褐煤煤质（主要是灰分）的不同，提质煤发热量可达到4500～5500kcal/kg（1kcal=4.183kg）。

5结语

综上所述，以煤为主的能源结构决定中国必须高效洁净利用煤炭资源，褐煤多联产系统显然是未来煤炭技术发展的一种趋势，发展褐煤多联产系统对我国能源工业的战略调整和国民经济的可持续发展将起到一定的作用。褐煤多联产的目的是要大幅度地提高褐煤利用的效率和经济性，从而减轻资源需求压力并减少污染，并同时大规模地制备液体燃料和高附加值化工产品，部分缓解油气进口压力。

因此，褐煤多联产应当是大容量而且能够大规模应用的，褐煤多联产的核心技术应能满足大型化装置的要求，只有如此，企业才能获得最好的经济效益和社会效益。