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材料成型工艺及设备大连理工大学张兴国DalianUniversityofTechnology材料科学与工程学院材料学科分类一级学科：材料科学与工程二级学科包括：材料学（金属材料与热处理、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等）-金属材料工程（本科）材料物理与化学（材料物理、材料化学）-材料物理、材料化学（本科）材料加工工程（铸造、锻造、焊接）-材料成型与控制工程（本科）材料成型工艺及设备材料加工技术材料加工技术的作用与地位一般认为,现代材料科学与工程由四个基本要素组成：即材料的成分组织结构、材料的性质、制备与加工工艺（技术）、材料使用性能，它们之间构成四面体关系。由此可知，材料的制备与加工与材料的成分和结构、材料的性质一起构成了决定材料使用性能的最基本的三大要素，也充分反映了材料制备与加工技术的重要作用和地位。材料成型工艺及设备材料作为社会生存与发展的物质基础，其使用与发展一直是标志人类进步的里程碑。历史上每一次产业革命的成功都离不开新材料的开发，它是工业革命的先导，材料与能源、信息、生物技术构成了现代文明社会的四大支柱。进入21世纪，材料学科对于维护我国的国家安全和国际形象，可持续地发展我国的国民经济，支撑我国国民经济各领域的近、中、长远期科技发展规划，都呈现出比过去任何时期更加突出的现实意义和深远的历史意义。绪论：材料成型工艺及设备概论材料发展的战略地位材料加工技术与科学材料与材料技术材料与新材料材料：是人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其他产品的物质，也可以简单定义为：材料是可以制造有用器件的物质。新材料：是指那些新出现或正在发展之中的，具有优异性能或特定性能的材料。材料的分类：一般认为，材料可以分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料三大类。此外，两种或两种以上的材料复合而成的材料称为复合材料，具有许多单一材料所不具备的优点，被广泛地应用于国民经济和国防领域。材料与材料技术－材料分类根据材料的用途，还可将材料分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料：以力学性能为主要要求指标，用来制造以受力为主的构件。根据用途不同，对结构材料同时也要求物理性能和化学性能，如导电性、导热率、耐腐蚀和耐高温性能等。功能材料：则是利用材料特有的物理或化学性能，以实现能量转换、储存、输送或完成特定动作的一类材料。同样，根据使用场合的不同，对功能材料同时也要求一定的力学性能，如强度、耐磨性等。材料的另一种分类方法是根据材料的具体应用领域，将其分为电子信息材料、能源材料、生态环境材料、生物医用材料、化工材料、航空航天材料、机械工程材料、建筑材料等。材料加工技术的发展第一次革命--时间：公元前4000年（夏朝、商朝）时代特征：从漫长的石器时代进入青铜器时代；技术发展契机：1．铜的熔炼；2．铸造技术。对技术和产业的促进作用：1．自然资源加工技术；2．器具、工具的发达；3．农业和畜牧业的发展。司母戊大方鼎（商王文丁祭母而铸。1939年河南安阳出土。带耳高1370mm，器口长1100mm，宽780mm，重875kg，内壁铸铭文“司母戊”三个字）四羊方尊（商后期酒器。1938年湖南宁乡出土。高583mm，上口每边长524mm，重34.5kg，尊的颈部为蕉叶夔文、兽面纹、云雷纹，肩部浮雕出围绕的四条龙，前肩四面以圆雕形式各铸一大卷角羊的前半身，而头、腹部构成器腹四角）材料加工技术的发展材料加工技术的发展第二次革命--时间：公元前1350年（商朝）；时代特征：从青铜器时代进入铁器时代；技术发展契机：1．铁的规模冶炼；2．锻造技术。对技术和产业的促进作用：1．武器的发达；2．铸铁技术、大规模铸铁产品；3．混凝土等的出现。材料加工技术的发展第三次革命--时间：公元1500年（明朝）；时代特征：从铁器时代进入合金化时代；技术发展契机：1．高炉技术的发展和成熟；2．纯金属的精炼和合金化。对技术和产业的促进作用：1．钢结构（军舰、铁桥）；2．蒸汽机、内燃机；3．机床；4．电镀，电解铝；5．不锈钢，铜、铝等有色合金。材料加工技术的发展第四次革命--时间：20世纪初期；时代特征：合成材料时代的到来；技术发展契机：1．酚醛树脂、尼龙等塑料合成技术；2．陶瓷材料合成制备技术。对技术和产业的促进作用：1．结构材料轻质化；2．材料复合技术；3．航空航天技术迅速发展；4．陶瓷材料的发展与应用；5．人造金刚石；6．超导材料与技术；7．计算机技术与信息技术；8．新材料大量涌现和应用。材料加工技术的发展第五次革命--时间：20世纪末期时代特征：新材料设计与制备加工工艺时代的开始技术发展契机：1．资源－材料－制品界限的弱化与消失；2．材料性能设计与工艺设计的一体化要求。对技术和产业的促进作用：1．生物工程；2．环境工程；3．可持续发展；4．太空时代（太空资源开发、太空旅游）。材料技术技术：技术是一种本领，是技能、技巧与技艺的总称。因此，材料技术可以理解为是关于材料的制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍。材料技术的定义：从学科的观点来考虑，可以将材料技术定义为：将材料科学和其他相关学科（如计算机、机械制造、自动控制）的知识应用于材料生产（制备）和应用的实际，以获得所需产品、提高材料的使用效能的技艺。材料技术一般而言，材料技术主要包括：1）制备技术：高分子材料合成、粉体制备、人工晶体、材料复合技术等；2）成型与加工技术：凝固成型、塑性加工、注射成型、连接技术、粉末冶金技术等；3）改质改性技术：热处理技术，材料三束改性技术（离子束、电子束、激光束），电磁场、超声场材料改性技术；4）防护技术：涂层处理、薄膜、钢板镀锌、隐身材料等；5）评价表征技术：力学性能试验、成型性试验、无损探伤、显微结构分析、组织性能表征等；6）模拟仿真技术：组织性能预报、过程仿真技术，数字化制造（3D打印）技术；7）检测与监控技术：无损检测、在线检测和实时监控等。材料成型工艺及设备绪论材料成型工艺学概论第一章金属液态成型方法简介第二章砂型分类与造型方法第三章金属-铸型的界面作用第四章砂型铸造缺陷特征及成因第五章砂型（芯）材料种类及特点第六章铸型工艺方案（铸件结构设计）第七章浇注系统设计第八章冒口设计第九章材料连接工艺学第十章材料先进成型技术主要参考书1.铸造工艺学，曹文龙主编，机械工业出版社；2.铸造工艺学，王文清、李魁盛主编，机械工业出版社；3.铸造工艺设计简明手册，叶荣茂主编，机械工业出版社；4.材料成型工艺基础，严绍华主编，清华大学出版社；5.材料成型工艺基础，翟封祥主编，哈工大出版社；6.铸造工艺设计，李弘英主编，机械工业出版社；7.材料加工工艺（第一版），黄天佑、都东、方刚编著，清华大学出版社，2004年；8.铸件缺陷和对策手册（第一版），陈国桢、肖柯则、姜不居编著，机械工业出版社，2000年；9.焊接词典（第二版），中国机械工程学会焊接分会编，机械工业出版社；10.焊接与连接工程学导论，何德孚主编，上海交大出版社；11.焊接基础，牛济泰主编，黑龙江科学技术出版社。大连理工大学材料成型及控制工程专业大连理工大学—1949年4月15日冶金工程系-1949年4月创立—1951年11月调整到东北大学铸造专业-1953年创建金属材料及热处理专业-1958年创立铸造专业博士点-1984年获准材料科学与工程博士后流动站-1992年获准材料学博士点-1993年获准材料科学与工程一级学科博士点-2000年铸造专业→材料成型及控制工程专业（铸锻焊）1999年材料成型及控制工程专业辽宁省第一批本科教学示范专业-2006年，教育部高等学校特色专业建设点—2009年材料成型及控制工程专业—全国第一个通过工程教育专业认证—2010、2013年全国专业评估—铸造第四，近几年材料成型全国前三名已退休教授：郭可讱、邓兆豪、李隆盛教授金俊泽、高钦、周继扬、郑贤淑教授徐延伟、方大成、陈光钧、程骥、丛家瑞、曹兴言、张恩涛、杨长贺、张国梁、刘顺华教授在职教授：李廷举、张兴国、刘黎明、姚曼、姚山、周文龙、曹志强、张维平、张伟、郝海、王同敏、陈国清、董红刚材料成型及控制工程专业主要液态金属成型技术1．砂型铸造；2．金属型铸造；3．熔模铸造；4．离心铸造；5．消失模铸造；6．压力铸造；7．悬浮铸造；8．磁型铸造；9．挤压铸造；10．实型铸造；11．壳型铸造；12．连续铸造。第一章传统材料成型与加工技术传统液态成型与加工技术－砂型铸造1.砂型铸造：砂型铸造采用具有一定性能的型砂、芯砂来制造砂型及砂芯，并在其中浇注液态金属使其成型、凝固的铸造方法，是目前各种液态成型方法中最基本、应用也最为广泛的一种成型方法。优点:1）能够最经济地制造出外形和内腔都很复杂的零件；2）适应性强，对各种合金均可采用砂型铸造方法；3）铸件的尺寸、形状都很接近零件,加工余量不大；4）原材料来源广泛，价格低廉，生产成本小。五阀缸盖缺点：1.砂型铸造的工序繁多，工艺控制难度大；2.质量不高而且不稳定；3.劳动强度大，生产环境差。据不完全统计，砂型铸造生产的铸件约占世界铸件总产量的80～90%。砂型铸造的基本材料包括：模型：木模、金属模、塑料模等；砂型：湿型、表干型、干型；型砂：石英砂、水玻璃砂、石灰石砂、铬铁矿砂、锆砂、镁砂、油砂、树脂砂、水泥砂等。传统液态成型与加工技术－砂型铸造传统液态成型与加工技术－砂型铸造大连机车车辆有限公司—铸铁砂箱型砂准备模型制作芯盒芯砂芯骨制芯合箱检验造型下芯合箱熔炼浇注冷却凝固开箱落砂去除浇冒口热处理表面清砂（喷丸、吹砂，抛丸）清理打磨去毛翅铸件热加工铸造生产工艺流程图传统材料成型与加工技术-砂型铸造传统液态成型方法－砂型铸造传统液态成型方法－砂型铸造长春一汽一铸主要产品与装备柴、汽油机缸盖后桥壳减速器壳排气管柴油机缸体变速箱外壳德国静压造型线气冲造型生产线美国冷芯制芯机长春一汽二铸主要产品CA4GE缸体差速器壳体转向器壳体排气歧管减速器外壳曲轴制动盘Perkins4缸缸盖一汽有色铸造厂主要产品和设备消失模生产线德国L40热芯盒制芯机德国Laempe公司L40冷芯机倾转浇注机生产线机加车间五阀缸盖转向器壳体CA488缸盖进气歧管（消失模）大连旅桑实业有限公司--机电类大连旅桑实业有限公司--泵类件大连旅桑实业有限公司--汽车件传统液态成型方法-自动造型生产线垂直分型无箱射压示意图(a)--射砂(b)--压实(c)--合型(d)--复位射砂压实合型复位传统液态成型方法－金属型铸造金属型铸造：将液态金属浇入由金属材料制成的铸型中以获得铸件的方法称为金属型铸造。1）金属型模体：一般用耐热铸铁或铸钢制成。在模体中除了型腔以外，还有浇注系统、排气槽和合模定位装置。浇注系统一般为底注式或缝隙式，直浇道作成倾斜或蛇形，以降低流速。为了阻渣，通常在浇注系统中设集渣包。金属型没有透气性，所以，必须在型腔上部和分型面处设排气槽。在气体易聚集而又不在分型面处需设排气塞。铸件的内腔和孔、槽等需用型芯来形成。较简单的用金属芯，复杂的则采用砂芯。2）金属型的外围结构,包括：两半模的夹紧装置，开合型的铰链装置、顶出铸件的顶杆机构以及手工操作的手把机构。如钢锭、轧辊、离心铸造的生产等。金属型铸造的优缺点优点：1.实现了一型多用，省去配砂、造型、落砂等工序，节约原材料，改善了劳动条件，而且便于实现自动化生产；2.铸件尺寸精度高，表面质量好，机械加工余量小；3.冷却速度快，铸件内部组织致密，力学性能好。如金属型铸造的铝合金相对于砂型铸造来讲，抗拉强度可提高20％，伸长率提高25％，冲击韧性提高一倍；4.铸件质量较为稳定，废品率低。缺点：1.金属型制造成本高、周期长；2.铸造工艺要求严格，不适合于单件、小批量生产；3.金属型的冷却速度快,不宜制造形状复杂的和大型薄壁件。块体非晶合金产品制备技