第一章 铸造成形工艺理论基础

材料成形工艺基础主编华中科技大学沈其文主讲制造教研室储开宇学时32FundamentalofMaterialsForming材料科学与工程的四大要素合成加工组织结构材料科学与工程性能使用效能材料科学与工程的多学科化材料科学与工程物理学冶金学化学陶瓷学计算数学生物学材料科学与材料工程的差异材料科学和材料工程是一个整体，不可分割；它们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同。材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论。材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。尼龙纤维的研制：1928年杜邦公司开始研究天然尼龙Carother等成功合成聚酯等高分子物理化学家发现聚酯能够冷拉丝成形利用X射线发现拉伸纤维强度源于高分子链的高度取向Carother等提出熔融纺纤的新概念工程技术人员发明尼龙熔融纺纤技术小分子流体力学不使用于高分子物质纺纤设备的要求铜容器腐蚀造成尼龙熔体颜色污染1938年首批合成尼龙纤维产品问世材料科学材料科学材料科学材料工程材料工程材料工程材料科学材料工程材料工程所涉及的三大制备技术根据所需材料的性能、结构要求，进行材料的提纯净化、原料(成分)配制和合成或合金化的过程．是材料制备工程的首要环节。熔融凝固制备技术原材料熔融精炼凝固坯料常用于金属、无机非金属化合物、半导体材料坯锭和玻璃制品的制备。粉末冶金制备技术原料粉末压制烧结混合这是陶瓷材料、水泥以及硬质合金以及铁基合金等材料的主要成材途径。单体聚合制备技术这是高分子材料的典型的制备技术。天然气聚合聚合物单体煤炭石油材料工程的加工成形技术通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。玻璃材料有它的特殊性，从原材料配制、熔化，到熔体快冷成形为制品，必须一步完成。材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。课程的主要目的•《材料成形工艺基础》是机械类或近机械类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。其主要任务是介绍以下内容：•1）制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；•2）制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板料冲压成形过程；•3）了解常用金属材料焊接过程基本知识；•4）了解有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。•为后续课程的学习及从事机械零件设计、制造及管理工作打下必要的技术基础学习方法和计分方法•理论与实践•讲课和多媒体•金工实习•平时（20%）+考试（80%）材料与人类文明•人类的文明进程是依据什么而划分的？材料应用的发展是人类发展的里程碑：——石器时代、铜器时代、铁器时代……。——发展得越来越快。历史大型推想壁画—古代采矿冶炼图技术项目名称中国发明时间与国外发明时间比较块炼铁春秋晚期公元前1250年赫梯国王哈图斯里三世在一封信中说到铁的生产和贸易生铁冶铸至迟在公元前六世纪比欧洲早1900多年水排（水力鼓风机）至迟在西汉、东汉之交（公元开始时）比欧洲早1200年装有活门的简单木风箱(木扇)至迟在北宋时比欧洲早500-600年活塞式木风箱至迟在公元1637年前比欧洲早100多年焦炭炼铁公元1368-1644年1709年英国A达比用焦炭炼铁成功生铁柔化处理技术至迟在公元前五世纪比欧洲早2300年生铁炼钢（炒钢）西汉后期（公元前一世纪）1784年英国科特在反射炉中用搅炼法炼炼钢铜镍合金公元四世纪1823年英国人汤麦逊和德国人罕·宁格兄弟仿制成功炼锌公元十世纪初英国1738年湿法炼铜公元前二世纪欧洲比我国晚1500多年考工记记载铸造各类青铜器不同合金成分配比—六齐公元前三世纪中外古代冶金技术重大发明时间对照表战国早期著名的青铜乐器，1978年出土于湖北随县曾侯乙墓。它是我国及世界迄今为止发现的最古老、数量最大、保存最好的一套古代编钟。该钟群分8组65枚，重2500多公斤。钟上错金铭文计2800余字，标记音名和音律，所有钟都可发双音，以割肄为基调，音域宽达五个半八度，半音齐备，可以旋宫转调，演奏各类乐曲和谐动听。因其音乐艺术与金属工艺的精巧结合，而被誉为“世界第八大奇迹”。中国古代三大铸造技术•在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位和广泛的社会影响，像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。•劳动人民通创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。泥范铸造我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。熔模铸造传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和现代熔模铸造（如制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件），无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。历史失蜡法：古代金属铸造的一种方法，其过程是用蜡制成模，外敷造型材料，成为整体铸型，加热将蜡化去，形成空腔铸范。我国目前最早使用失蜡法制成的铸件是河南出土的春秋晚期的铜禁、铜盞部件和湖南宁乡出土的四羊方尊。铜禁春秋中期河南淅川出土•铁范（金属型）铸造铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。•1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。•这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热；范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。•近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。4,500BC——1,000BC青铜时代（BronzeAge）•从矿石中提炼铜——冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一•青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。•史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。•到春秋战国时期，齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶铜经验总结。青铜：第一种合金夏钺（yue）戈历史青铜文化商代青铜bronze文化仰韶文化的后期，即大约在公元前3500年以后的一个时期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是1975年在甘肃东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一件公元前3000年左右青铜刀。到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的时期。青铜文化四羊方尊商代青铜器物。1938年湖南宁乡出土，铜尊高58.3厘米，重约34.5公斤。现藏于北京的中国历史博物馆。其设计独特，金属加工工艺高超，集浅雕、浮雕、圆雕于一身，把平面图像和立体浮雕结合起来，把器皿和动物形象结合起来,成为了冶铸与艺术相结合的典型代虎食人卣（you）此卣作虎形，踞坐以后足及尾支撑，前爪抱住一人，张口噬人首。人体与虎相对，手扶虎肩，脚踏在虎后爪上，转面向左侧视。虎肩部附提梁，梁两端有兽首，上饰长形夔纹，以雷纹衬地。虎背上部为椭圆形器口，有盖，盖立一鹿。虎两耳竖起，面上及颚侧饰鳞纹和云纹，利牙如锯似钩。虎背饰牛首纹，自盖后端沿虎脊设一道扉棱，棱中部有钩状突起。人物头发向后直披，面容静穆，着衣，从背后可见方口衣领和窄袖口。人的大腿到臀部饰一对蛇纹。器外底有阴线纹饰，中为游龙，两侧名为一角。此卣形制复杂，铸造技术高超，虎噬人被表现得动人心魄，触目惊心，使之成为造型艺术品的杰作。现藏于日本泉屋博物馆。共有两件另一件藏于法国巴黎市立东方美术馆，重6.5公斤，长24厘米，高32厘米，宽19厘米。虎食人卣（you）:商代晚期。是一种极特别的酒器，出土于湖南省安化县。通高35.7㎝，重5.09㎏。口缘直径10.4×9.0㎝青铜文化二里冈出土饕餮（tāotiè）乳钉纹方鼎商早期，饪食器。1974年河南省郑州市出土，高100厘米、重82.55千克。正方体，平沿外折，拱形立耳，以饕餮纹与乳钉纹作主要纹饰。郛钉纹方鼎的发现对研究商代青铜铸造业的发展，探讨郑州商城的历史沿革提供了宝贵的资料1974年河南省郑州市张寨南街出土，是目前发现的商代早期最大的青铜礼器，现藏中国历史博物馆。器体呈长方形，立耳，四柱状足，为商代后期鼎常见的样式。鼎腹的四面各以浮雕式人面作主体装饰，面部较为写实，特征突出，十分醒目。表情威严肃穆，高颧骨，双眼圆睁，眉弯曲，唇紧闭。双耳肥大，上饰勾云纹，下有手爪形纹饰。地衬云雷纹。腹部四角有外凸的扉棱，并带有齿状凸饰，使形体庄重而富于动势。足上部饰兽面纹，也饰扉棱，与腹部呼应，下有三道弦纹。耳外侧饰阴线夔龙纹。整个装饰层次丰富，清晰精致，主题鲜明。鼎腹内壁铸“大禾”两字铭文，此鼎亦被称之为大禾方鼎。大禾人面方鼎大禾人面方鼎：礼器，商代后期，高38.5厘米，口长29.8厘米，宽23.7厘米，1959年湖南省宁乡县黄村寨子山出土，湖南省博物馆藏。青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎司母戊鼎青铜文化商代青铜文化司母戊鼎：商王为祭祀其母所铸的重器。1939年安阳武官村出土，长166厘米，高133厘米，宽79厘米。重833千克，是中国目前发现最重的青铜器。据估计，铸造这样大型青铜器，需300多人同时工作。它是商代青铜文化顶峰时期的代表作，其造型典雅厚重，纹饰美观，充分显示了商代青铜冶铸业生产规模的宏大和技术水平的高超。青铜文化豕(shi)尊豕尊，商后期，容酒器，俗称猪尊，1981年出土于湘潭县九华乡桂花村船形山一个叫“金盆养鲤”的地方。用豕的形象作器形，在古代青铜器中是极其个别的。豕的两眼圆睁状，两耳成招风状，长嘴上翘微张，犬齿尖长，背上鬃毛竖起，四支刚健，臀、腹滚圆，生殖器刻画仔细，活脱脱一头野公猪形象。我们再仔细看，头部阴刻兽面纹，腹、背、盖面为鳞甲纹；四肢和臀部饰倒立的夔纹，夔首反顾，夔尾盘曲，并以云雷纹填饰；盖孔呈椭圆形，腹空，实测容积为13升。该器前后肘部的圆孔分别为21和21.5厘米，直径1.4厘米，两边对穿，腹内为圆管状，是供抬绳穿系而特意设计的，圆管与尊身二次铸成，然后焊接。值得注意的是，该器当年使用过程中曾多次修复，大体有六处：第一处颈、背交接处；第二处，臀部；第三处，盖钮；第四处，左边犬齿；第五处，猪鬃的左侧。从这些修补处，可以感受到当年使用的频繁。司母辛觥(gong)司母辛觥：商代晚期，通高36.5㎝、通长47.4㎝；1976年河南安阳小屯五号墓出土，中国社会科学院考古研究所藏。兽鸟合体，站立状，造型别致。器身扁长，前窄后宽，宽长流，前端有一圆形流孔，流下有一条直通胸部的扉棱。底略外鼓，下有四足。前两中兽形奇蹄，足外侧饰龙纹，龙口向下。后两足如鸟足。有四爪，足底有凹下的浇口，足饰羽毛纹。兽头半圆形鋬，胸部两侧各饰一条阴线小龙；前足上部两侧各有一形体较大的倒立龙纹；腹后端分饰并拢的双翅和下垂的短尾，与两鸟足合成一体。均以雷纹为地。鋬下壁面有一阴线兽面纹，兽口向下。底内中部有铭文三字。盖前端为一兽头，大卷角。盖面饰龙纹，龙的中脊突起作扉棱形，口向流端，身尾特长。在龙的右侧饰一虎形纹，双足前屈，长尾后垂；左侧饰虎形纹