机械工程英语翻译-汉语翻译.doc

UNIT 1材料的类型 材料可以按多种方法分类。科学家常根据状态将材料分为：固体、液体或气体。他们也把材料分为有机材料(曾经有生命的)和无机材料(从未有生命的)。 就工业效用而言，材料被分为工程材料和非工程材料。那些用于加工制造并成为产品组成部分的就是工程材料。非工程材料则是化学品、燃料、润滑剂以及其它用于加工制造过程但不成为产品组成部分的材料。 工程材料还能进一步细分为：金属材料陶瓷材料复合材料 聚合材料，等等。金属和金属合金 金属就是通常具有良好导电性和导热性的元素。许多金属具有高强度、高硬度以及良好的延展性。某些金属能被磁化，例如铁、钴和镍。在极低的温度下，某些金属和金属化合物能转变成超导体。 合金与纯金属的区别是什么？纯金属是在元素周期表中占据特定位置的元素。例如电线中的铜和制造烹饪箔及饮料罐的铝。合金包含不止一种金属元素。合金的性质能通过改变其中存在的元素而改变。金属合金的例子有：不锈钢是一种铁、镍、铬的合金，以及金饰品通常含有金镍合金。 为什么要使用金属和合金？许多金属和合金具有高密度，因此被用在需要较高质量体积比的场合。某些金属合金，例如铝基合金，其密度低，可用于航空航天以节约燃料。许多合金还具有高断裂韧性，这意味着它们能经得起冲击并且是耐用的。 金属有哪些重要特性？ 密度定义为材料的质量与其体积之比。大多数金属密度相对较高，尤其是和聚合物相比较而言。高密度材料通常由较大原子序数原子构成，例如金和铅。然而，诸如铝和镁之类的一些金属则具有低密度，并被用于既需要金属特性又要求重量轻的场合。 断裂韧性可以描述为材料防止断裂特别是出现缺陷时不断裂的能力。金属一般能在有缺口和凹痕的情况下不显著削弱，并且能抵抗冲击。橄榄球运动员据此相信他的面罩不会裂成碎片。 塑性变形就是在断裂前弯曲或变形的能力。作为工程师，设计时通常要使材料在正常条件下不变形。没有人愿意一阵强烈的西风过后自己的汽车向东倾斜。然而，有时我们也能利用塑性变形。汽车上压皱的区域在它们断裂前通过经历塑性变形来吸收能量。 金属的原子连结对它们的特性也有影响。在金属内部，原子的外层阶电子由所有原子共享并能到处自由移动。由于电子能导热和导电，所以用金属可以制造好的烹饪锅和电线。因为这些阶电子吸收到达金属的光子，所以透过金属不可能看得见。没有光子能通过金属。 合金是由一种以上金属组成的混合物。加一些其它金属能影响密度、强度、断裂韧性、塑性变形、导电性以及环境侵蚀。例如，往铝里加少量铁可使其更强。同样，在钢里加一些铬能减缓它的生锈过程，但也将使它更脆。陶瓷和玻璃 陶瓷通常被概括地定义为无机的非金属材料。照此定义，陶瓷材料也应包括玻璃；然而许多材料科学家添加了“陶瓷”必须同时是晶体物组成的约定。 玻璃是没有晶体状结构的无机非金属材料。这种材料被称为非结晶质材料。陶瓷和玻璃的特性 高熔点、低密度、高强度、高刚度、高硬度、高耐磨性和抗腐蚀性是陶瓷和玻璃的一些有用特性。许多陶瓷都是电和热的良绝缘体。某些陶瓷还具有一些特殊性能：有些是磁性材料，有些是压电材料，还有些特殊陶瓷在极低温度下是超导体。陶瓷和玻璃都有一个主要的缺点：它们容易破碎。 陶瓷一般不是由熔化形成的。因为大多数陶瓷在从液态冷却时将会完全破碎(即形成粉末)。因此，所有用于玻璃生产的简单有效的诸如浇铸和吹制这些涉及熔化的技术都不能用于由晶体物组成的陶瓷的生产。作为替代，一般采用“烧结”或“焙烧”工艺。在烧结过程中，陶瓷粉末先挤压成型然后加热到略低于熔点温度。在这样的温度下，粉末内部起反应去除孔隙并得到十分致密的物品。 光导纤维有三层：核心由高折射指数高纯光传输玻璃制成，中间层为低折射指数玻璃，是保护核心玻璃表面不被擦伤和完整性不被破坏的所谓覆层，外层是聚合物护套，用于保护光导纤维不受损。为了使核心玻璃有比覆层大的折射指数，在其中掺入微小的、可控数量的能减缓光速而不会吸收光线的杂质或搀杂剂。由于核心玻璃的折射指数比覆层大，只要在全内反射过程中光线照射核心/覆层分界面的角度比临界角大，在核心玻璃中传送的光线将仍保留在核心玻璃中。全内反射现象与核心玻璃的高纯度一样，使光线几乎无强度损耗传递长距离成为可能。 复合材料由两种或更多材料构成。例子有聚合物/陶瓷和金属/陶瓷复合材料。之所以使用复合材料是因为其全面性能优于组成部分单独的性能。例如：聚合物/陶瓷复合材料具有比聚合物成分更大的模量，但又不像陶瓷那样易碎。 复合材料有两种：纤维加强型复合材料和微粒加强型复合材料。纤维加强型复合材料 加强纤维可以是金属、陶瓷、玻璃或是已变成石墨的被称为碳纤维的聚合物。纤维能加强基材的模量。沿着纤维长度有很强结合力的共价结合在这个方向上给予复合材料很高的模量，因为要损坏或拉伸纤维就必须破坏或移除这种结合。 把纤维放入复合材料较困难，这使得制造纤维加强型复合材料相对昂贵。纤维加强型复合材料用于某些最先进也是最昂贵的运动设备，例如计时赛竞赛用自行车骨架就是用含碳纤维的热固塑料基材制成的。竞赛用汽车和某些机动车的车体部件是由含玻璃纤维(或玻璃丝)的热固塑料基材制成的。 纤维在沿着其轴向有很高的模量，但垂直于其轴向的模量却较低。纤维复合材料的制造者往往旋转纤维层以防模量产生方向变化。微粒加强型复合材料 用于加强的微粒包含了陶瓷和玻璃之类的矿物微粒，铝之类的金属微粒以及包括聚合物和碳黑的非结晶质微粒。微粒用于增加基材的模量、减少基材的渗透性和延展性。微粒加强型复合材料的一个例子是机动车胎，它就是在聚异丁烯人造橡胶聚合物基材中加入了碳黑微粒。 聚合材料 聚合物具有一般是基于碳链的重复结构。这种重复结构产生链状大分子。由于重量轻、耐腐蚀、容易在较低温度下加工并且通常较便宜，聚合物是很有用的。 聚合材料具有一些重要特性，包括尺寸(或分子量)、软化及熔化点、结晶度和结构。聚合材料的机械性能一般表现为低强度和高韧性。它们的强度通常可采用加强复合结构来改善。聚合材料的重要特性 尺寸：单个聚合物分子一般分子量为10,000到1,000,000g/mol之间，具体取决于聚合物的结构这可以比2,000个重复单元还多。聚合物的分子量极大地影响其机械性能，分子量越大，工程性能也越好。 热转换性：聚合物的软化点(玻璃状转化温度)和熔化点决定了它是否适合应用。这些温度通常决定聚合物能否使用的上限。例如，许多工业上的重要聚合物其玻璃状转化温度接近水的沸点(100, 212)，它们被广泛用于室温下。而某些特别制造的聚合物能经受住高达300(572)的温度。 结晶度：聚合物可以是晶体状的或非结晶质的，但它们通常是晶体状和非结晶质结构的结合物(半晶体)。 原子链间的相互作用：聚合物的原子链可以自由地彼此滑动(热可塑性)或通过交键互相连接(热固性或弹性)。热可塑性材料可以重新形成和循环使用，而热固性与弹性材料则是不能再使用的。 链内结构：原子链的化学结构对性能也有很大影响。根据各自的结构不同，聚合物可以是亲水的或憎水的(喜欢或讨厌水)、硬的或软的、晶体状的或非结晶质的、易起反应的或不易起反应的。UNIT 2 对热处理的理解包含于对冶金学较广泛的研究。冶金学是物理学、化学和涉及金属从矿石提炼到最后产物的工程学。热处理是将金属在固态加热和冷却以改变其物理性能的操作。按所采用的步骤，钢可以通过硬化来抵抗切削和磨损，也可以通过软化来允许机加工。使用合适的热处理可以去除内应力、细化晶粒、增加韧性或在柔软材料上覆盖坚硬的表面。因为某些元素(尤其是碳)的微小百分比极大地影响物理性能，所以必须知道对钢的分析。 合金钢的性质取决于其所含有的除碳以外的一种或多种元素，如镍、铬、锰、钼、钨、硅、钒和铜。由于合金钢改善的物理性能，它们被大量使用在许多碳钢不适用的地方。 下列讨论主要针对被称为普通碳钢的工业用钢而言。热处理时冷却速率是控制要素，从高于临界温度快速冷却导致坚硬的组织结构，而缓慢冷却则产生相反效果。简化铁碳状态图 如果只把注意力集中于一般所说的钢上，经常要用到简化铁碳状态图。铁碳状态图中靠近三角区和含碳量高于2%的那些部分对工程师而言不重要，因此将它们删除。如图2.1所示的简化铁碳状态图将焦点集中在共析区，这对理解钢的性能和处理是十分有用的。 在此图中描述的关键转变是单相奥氏体() 随着温度下降分解成两相铁素体加渗碳体组织结构。控制这一由于奥氏体和铁素体的碳溶解性完全不同而产生的反应，使得通过热处理能获得很大范围的特性。 为了理解这些过程，考虑含碳量为0.77%的共析钢，沿着图2.1的x-x线慢慢冷却。在较高温度时，只存在奥氏体，0.77%的碳溶解在铁里形成固溶体。当钢冷却到727 (1341)时，将同时发生若干变化。 铁需要从面心立方体奥氏体结构转变为体心立方体铁素体结构，但是铁素体只能容纳固溶体状态的0.02%的碳。被析出的碳与金属化合物Fe3C形成富碳的渗碳体。本质上，共析体的基本反应是奥氏体0.77%的碳铁素体0.02%的碳+渗碳体6.67%的碳。 由于这种碳成分的化学分离完全发生在固态中，产生的组织结构是一种细致的铁素体与渗碳体的机械混合物。通过打磨并在弱硝酸酒精溶液中蚀刻制备的样本显示出由缓慢冷却形成的交互层状的薄片结构。这种结构由两种截然不同的状态组成，但它本身具有一系列特性，且因与低倍数放大时的珠母层有类同之处而被称为珠光体。 含碳量少于共析体(低于0.77%)的钢称为亚共析钢。现在来看这种材料沿着图2.1中y-y 线冷却的转变情况。在较高温度时，这种材料全部是奥氏体，但随着冷却就进入到铁素体和奥氏体稳定状态的区域。由截线及杠杆定律分析可知，低碳铁素体成核并长大，剩下含碳量高的奥氏体。在727(1341)时，奥氏体为共析组成(含碳量0.77%)，再冷却剩余的奥氏体就转化为珠光体。作为结果的组织结构是初步的共析铁素体(在共析反应前的铁素体)和部分珠光体的混合物。 过共析钢是含碳量大于共析量的钢。当这种钢冷却时，就像图2.1的z-z线所示，除了初步的共析状态用渗碳体取代铁素体外，其余类似亚共析钢的情况。随着富碳部分的形成，剩余奥氏体含碳量减少，在727(1341)时达到共析组织。就像以前说的一样，当缓慢冷却到这温度时所有剩余奥氏体转化为珠光体。 应该记住由状态图描述的这种转化只适合于通过缓慢冷却的近似平衡条件。如果缓慢加热，则以相反的方式发生这种转化。然而，当快速冷却合金时，可能得到完全不同的结果。因为没有足够的时间让正常的状态反应发生，在这种情况下对工程分析而言状态图不再是有用的工具。淬火 淬火就是把钢件加热到或超过它的临界温度范围，然后使其快速冷却的过程。如果钢的含碳量已知，钢件合适的加热温度可参考铁碳合金状态图得到。然而当钢的成分不知道时，则需做一些预备试验来确定其温度范围。 要遵循的合适步骤是将这种钢的一些小试件加热到不同的温度后淬火，再通过硬度试验或显微镜检查观测结果。一旦获得正确的温度，硬度和其它性能都将有明显的变化。 在任何热处理作业中，加热的速率都是重要的。热量以一定的速率从钢的外部传导到内部。如果钢被加热得太快，其外部比内部热就不能得到均匀的组织结构。如果工件形状不规则，为了消除翘曲和开裂最根本的是加热速率要缓慢。截面越厚，加热的时间就要越长才能达到均匀的结果。即使加热到正确的温度后，工件也应在此温度下保持足够时间以让其最厚截面达到相同温度。 通过给定的热处理所得到的硬度取决于淬火速率、含碳量和工件尺寸。除了非淬硬钢或部分淬硬钢外，合金钢中合金元素的种类及含量仅影响钢的淬透性(工件被硬化到深层的能力)而不影响硬度。 含碳量低的钢对淬火处理没有明显的反应。随着钢的含碳量增加到大约0.60%，可能得到的硬度也增加。高于此点，由于超过共析点钢完全由珠光体和退火状态的渗碳体组成，硬度增加并不多。珠光体对热处理作业响应最好；基本由珠光体组成的钢能转化成硬质钢。 即使所有其它条件保持不变，随着要淬火的零件尺寸的增加其表面硬度也会有所下降。热量在钢中的传导速率是有限的。无论淬火介质怎么冷，如果在大工件中的热量不能比特定的临界速率更快散发，那它内部硬度就会受到明确限制。然而盐水或水淬火能够将被淬零件的表面迅速冷却至本身温度并将其保持或接近此温度。在这种情况下不管零件尺寸如何，其表面总归有一定深度被硬化。但油淬情况就不是如此，因为油淬时在淬火临界阶段零件表面的温度可能仍然很高。 回火 快速淬火硬化的钢是硬而易碎的，不适合大多数场合使用。通过回火，硬度和脆性可以降低到使用条件所需要的程度。随着这些性能的降低，拉伸强度也降低而钢的延展性和韧性则会提高。回火作业包括将淬硬钢重新加热到低于临界范围的某一温度然后以任意速率冷却。虽然这过程使钢软化，但它与退火是大不相同的，因为回火适合于严格控制物理性能并在大多数情况下不会把钢软化到退火那种程度。回火完全淬硬钢得到的最终组织结构被称为回火马氏体。 由于马氏体这一淬硬钢主要成分的不稳定性，使得回火成为可能。低温回火， 300到400(150205)，不会引起硬度下降很多，主要用于减少内部应变。 随着回火温度的提高，马氏体以较快的速率分解，并在大约600(315)迅速转变为被称为回火马氏体的结构。回火作业可以描述为渗碳体析出和凝聚或聚结的过程。 渗碳体的大量析出开始于600(315)，这使硬度下降。温度的上升会使碳化物聚结而硬度继续降低。 在回火过程中，不但要考虑温度而且要考虑时间。虽然大多数软化作用发生在达到所需温度后的最初几分钟，但如果此温度维持一段延长时间，仍会有些额外的硬度下降。通常的做法是将钢加热到所需温度并且仅保温到正好使其均匀受热。 两种采用中断淬火的特殊工艺也是回火的形式。这两种工艺中，淬硬钢在其被允许冷却前先在一选定的较低温度盐浴淬火。这两种分别被称为奥氏体回火和马氏体回火的工艺，能使产品具有特定所需的物理性能。 退火 退火的主要目的是使坚硬的钢软化以便机加工或冷作。通常是非常缓慢地将钢加热到临界温度以上，并将其在此温度下保持到工件全部均匀受热，然后以受控的速率慢慢地冷却，这样使得工件表面和内部的温度近似相同。这过程被称为完全退火，因为它去除了以前组织结构的所有痕迹、细化晶粒并软化金属。退火也释放了先前在金属中的内应力。 给定的钢其退火温度取决于它的成分；对碳钢而言可容易地从局部的铁碳合金平衡图得到。达到退火温度后，钢应当保持在此温度等到全部均匀受热。加热时间一般以工件的最大截面厚度计每英寸(25mm )大约需45min。为了得到最大柔软性和延展性冷却速率应该很慢，比如让零件与炉子一起冷下来。含碳量越高，冷却的速率必须越慢。加热的速率也应与截面的尺寸及均匀程度相协调，这样才能使整个零件尽可能均匀地加热。正火和球化正火处理包括先将钢加热到高于上临界区50到100(1040)然后在静止的空气中冷却到室温。退火主要用于低碳钢、中碳钢及合金钢，使晶粒结构更均匀、释放内应力或获得所需的物理特性。大多数商业钢材在轧制或铸造后都要退火。 球化是使渗碳体产生成类似球状分布结构的工艺。如果把钢缓慢加热到恰好低于临界温度并且保持较长一段时间，就能得到这种组织结构。所获得的球状结构改善了钢的可切削性。此处理方法对必须机加工的过共析钢特别有用。表面硬化渗碳 最早的硬化钢表面的方法是表面淬火或渗碳。铁在靠近并高于其临界温度时对碳具有亲合力。碳被吸收进金属与铁形成固溶体使外表面转变成高碳钢。碳逐渐扩散到零件内部。渗碳层的深度取决于热处理的时间和温度。固体渗碳的方法是将要处理的零件与木炭或焦炭这些含碳的材料一起放入密闭容器。这是一个较长的过程，用于产生深度为0.03到0.16 英寸(0.764.06mm)这么厚的硬化层。 用于渗碳的一般是含碳量约为0.15%、本身不太适合热处理的低碳钢。在处理过程中外层转化为含碳量从0.9%到1.2%的高碳钢。 含碳量变化的钢具有不同的临界温度，因此需要特殊的热处理。由于在较长的渗碳过程中钢内部会有些晶粒生长，所以工件应该加热到核心部分的临界温度再冷却以细化核心部分的组织结构。然后重新加热到高于外层转变温度再淬火以生成坚硬、细致的组织结构。 由于恰好高于低临界温度通常使过共析钢奥氏体化而硬化，所以对外层采用较低的热处理温度。第三次回火处理可用于减少应变。碳氮共渗 碳氮共渗，有时也称为干法氰化或渗碳氮化，是一种表面硬化工艺。通过把钢放在高于临界温度的气体中，让它吸收碳和氮。可以使用任何富碳气体加氨气，能生成厚度从0.003到0.030英寸(0.08 0.76mm)的耐磨外层。碳氮共渗的优点之一是加入氮后外层的淬透性极大增加，为使用低价钢提供条件。氰化 氰化，有时称为液体碳氮共渗，也是一种结合了吸收碳和氮来获得表面硬度的工艺，它主要用于不适合通常热处理的低碳钢。需表面硬化的零件浸没在略高于Ac1温度熔化的氰化钠盐溶液中，浸泡的持续时间取决于硬化层的深度。然后将零件在水或油中淬火。通过这样处理可以容易地获得0.005到0.015英寸(0.130.38mm)的硬化深度。氰化主要用于处理小零件。渗氮 渗氮有些类似普通表面硬化，但它采用不同的材料和处理方法来产生坚硬表面成分。这种工艺中金属加热到约950(510)，然后与氨气接触一段时间。氨气中的氮进入钢内，形成细微分布于金属表面又十分坚固的氮化物。 氮与某些元素的硬化能力比其它元素大，因此开发了专用的渗氮合金钢。在钢中含铝1%到1.5%被证明特别合适，它能与氨气结合形成很稳定坚固的成分。其加热温度范围为925到1,050 (495565)。 液体渗氮利用熔化的氰化物盐，就像气体渗氮，温度保持在低于转化范围内。液体渗氮时在氰化物溶液中加入比氰化及渗碳都较多的氮和较少的碳。液体渗氮可以获得厚度为0.001到0.012英寸 (0.030.30mm)的硬化层，然而气体渗氮则能获得厚0.025英寸(0.64mm)的硬化层。一般而言两种渗氮方法的用途是类似的。 渗氮在钢表面获得远远超出正常标准的硬度。其硬度范围为900到1,100布氏硬度，这远高于普通表面硬化所获得的硬度。由于渗氮钢的合金比例，它们比普通钢更强，也容易热处理。建议对这种钢在渗氮前先机加工和热处理，因为渗氮后没有剥落并不需要更多的加工。值得庆幸的是由于渗氮处理一点都不影响内部结构和性能，也无需淬火，所以几乎没有任何产生翘曲、裂缝及变化条件的趋势。这种表面能有效地抵御水、盐雾、碱、原油和天然气的腐蚀反应。UNIT 3 铸造是一种将熔化的金属倒入或注入合适的铸模腔并且在其中固化的制造工艺。在冷却期间或冷却后，把铸件从铸模中取出，然后进行交付。 铸造工艺和铸造材料技术从简单到高度复杂变化很大。材料和工艺的选择取决于零件的复杂性和功能、产品的质量要求以及成本预算水平。 通过铸造加工，铸件可以做成很接近它们的最终尺寸。回溯6,000年历史，各种各样的铸造工艺就如同科技进步一样处于一个不断改进和发展的状态。 砂型铸造 砂型铸造用于制造大型零件(具有代表性是铁，除此之外还有青铜、黄铜和铝)。将熔化的金属倒入由型砂(天然的或人造的)做成铸模腔。本节讨论砂型铸造工艺，包括型模、浇注口、浇道、设计考虑因素及铸造余量。 砂型里的型腔是采用型模(真实零件的近似复制品)构成的，型模一般为木制，有时也用金属制造。型腔整个包含在一个被放入称为砂箱的箱子里的组合体内。砂芯是插入铸模的砂型，用于生成诸如孔或内通道之类的内部特征。砂芯安放在型腔里形成所需形状的孔洞。砂芯座是加在型模、砂芯或铸模上的特定区域，用来在铸模内部定位和支撑砂芯。冒口是在铸模内部增加的额外空间，用于容纳过多的熔化金属。其目的是当熔化金属凝固和收缩时往型腔里补充熔化金属，从而防止在主铸件中产生孔隙。 在典型砂型铸造的两箱铸模中，上半部分(包括型模顶半部、砂箱和砂芯)称为上型箱，下半部分称为下型箱，见图3.1所示。分型线或分型面是分离上下型箱的线或面。首先往下型箱里部分地填入型砂和砂芯座、砂芯，并在靠近分型线处放置浇注系统。然后将上型箱与下型箱装配在一起，再把型砂倒入上型箱盖住型模、砂芯和浇注系统。型砂通过振动和机械方法压实。然后从下型箱上撤掉上型箱，小心翼翼地取出型模。其目的是取出型模而不破坏型腔。通过设计拔模斜度型模垂直相交表面的微小角度偏移量来使取出型模变得容易。拔模斜度最小一般为1.5mm(0.060in.)，只能比此大。型模表面越粗糙，则拔模斜度应越大。 熔化的金属从浇注杯注入型腔，浇注杯是浇注系统向型腔提供熔化金属的部分。将浇注系统的垂直部分与浇注杯连接的是浇注口，浇注系统的水平部分称为浇道，最后到多点把熔化金属导入型腔的称为闸道。除此之外，还有称为排放口的浇注系统延长段，它为合成气体和置换空气排放到大气提供通道。 型腔通常大于所需尺寸以允许在金属冷却到室温时收缩。这通过把型模做得大于所需尺寸来达到。为解决收缩效应，一般而言型模做得比所需尺寸大，必须考虑线性因素并作用于各个方向。收缩余量仅仅是近似的，因为准确的余量是由铸件的形状和尺寸决定的。另外，铸件的不同部分也可能需要不同的收缩余量。砂型铸件一般表面粗糙，有时还带有表面杂质和表面变异。对这类缺陷采用机加工(最后一道工序)的余量。 一般而言，砂型铸造作业的典型阶段包括(如图3.2所示)：1. 制作型模。做成用于在型砂中形成型腔的形状。2. 同时还要制作砂芯。这些砂芯用粘结砂做成，等铸件完成后将被打碎取出。3. 型砂与膨润土之类的添加剂充分地混合以增强连接及整体强度。4. 型砂在型模周围成形，并根据需要安放闸道、浇道、冒口、排放口和浇注杯等。通常要采取压紧步骤来保证良好的覆盖和坚固的铸型。安放砂芯来制成铸件的凹形结构或内部特征。为了以后铸模匹配还要用到定位销。对大质量铸件可能需要加入冷却物来使其较快冷却。5. 取走型模，将铸模烘焙以增加强度。6. 匹配上下铸模，做好浇铸金属的准备。7. 金属在熔炉或坩埚中预热到高于液化温度的一个合适范围内(不希望金属在浇铸完成前凝固)。确切的温度要根据应用场合严格控制。在此期间还要进行排气和其它处理步骤，例如去除杂质(即熔渣)。可以加入一定量原先是这种金属铸件的废料再融化10%是适当的。8. 将金属缓慢而连续地注满型模。9. 随着熔化金属的冷却(几分钟到几天)，金属收缩体积减小。在此期间熔化金属可能从冒口回流供给零件以保持其形状不变。10. 在零件开始凝固其内部形成固态金属的小型树枝状结晶期间金属性能被确定，同时也产生了内应力。如果零件以恒定速率冷却得足够缓慢，最终零件将相对均质并释放内应力。11. 一旦零件在共析点以下完全凝固，可以不考虑金属的最后性能而将其取出。这时可以简单地打碎砂型并取出零件，但零件表面会有大量型砂粘附着，内部还有实心的砂芯。12.大量的剩余型砂和砂芯要通过机械敲击零件来去除。其它的选择还有采用振动台、喷砂/喷丸机、手工作业等等。13. 最后零件要用刀具、喷枪等切掉浇道闸道系统，这样就接近最终形状了。再用磨削作业去除多余的部分。14. 通过机加工将零件切削到最终形状。可能还要用清洗作业去除氧化物等。熔模铸造 熔模铸造也称为失蜡加工。这是最古老的制造工艺之一。大约在5,000年前的法老王时代，埃及人就用它制造黄金饰品(因此而得名投资)。复杂的形状能被高精度地制造。另外较难机加工或制作的金属都能用此工艺。它还能用于生产一般制造技术无法生产的零件，例如有复杂形状的涡轮叶片或必须耐得住高温的飞机零件。 制作铸型的型模采用石蜡或其它一些能被融化掉的材料做成。石蜡型模浸泡在耐热浆里，让它覆盖型模并形成外壳，然后使其变干。重复这个浸泡、变干的过程直至获得足够的厚度。完成后把整个型模放在烤箱里融化石蜡。这样就做成了能填充熔化金属的铸型。由于这种铸型是环绕整块型模形成的(无需像传统的砂型铸造工艺那样拔模)，能制作十分复杂的零件和浮雕。石蜡型模本身能用立体制版或类似的模型复制这可以采用计算机立体模型原版制作。 对较低熔化温度而言，用于耐热浆的材料是石膏作粘合剂和用粉末状硅石作耐温材料的混合物。对较高熔化温度而言，则采用硅线石或氧化铝硅酸盐作耐温材料、无水硅酸作粘合剂。根据最后所需光洁度也可采用硅线石和乙烷基硅酸盐。这样生成的铸模可直接用于薄壁铸件或通过将其放在较大容器内用更多耐热浆加强。 在正要浇铸之前，将型模预热到约1,000(1,832)以去除剩余石蜡、硬化粘合剂。在预热的型模中浇铸也能保证型模完全充满。 浇铸可采用重力、压力或真空条件来实现。当使用压力时必须注意渗透性，以便在浇铸的同时让空气逸出。 一般公差可能为长度的0.5%，小尺寸可能低到0.15%。虽然通常尺寸的铸件重量范围为200g到约8kg(7oz到15lb)，但实际可从几克到35kg (0.1oz to 80lb)。对容易铸造的合金而言，通常壁厚约为1mm到0.5mm(0.040 0.020 in.)。 可以用于铸造的材料类型有：铝合金、青铜、工具钢、不锈钢、钨铬钴合金、镍基合金和贵金属。采用熔模铸造的零件常常不需要进一步加工，因为熔模铸造能达到精密的公差。离心铸造 离心铸造(图3.3)作为一个种类包括了离心铸造、半离心铸造和离心法铸造。离心铸造中，永久性的型模在熔化金属浇铸时以较高速度(300到3,000rpm)绕其轴线旋转。受离心力作用熔化金属被抛向型模的内壁，在那里冷却后固化。这种铸件通常为外径处晶粒非常细小的细晶粒铸件，能耐大气腐蚀，典型的情况是管子。内径处则有较多的杂质和内含物，但可用机加工去除。 只有圆柱形才能用此工艺生产。尺寸限制为直径大到3m(10feet)、长度大到15m(50feet)。壁厚为2.5mm到125mm(0.15.0in.)。外径公差保持在2.5mm(0.1in.)以内，内径公差保持在3.8mm(0.15in.)以内。表面粗糙度的有效值(均方根)范围为2.5mm到12.5mm(0.10.5in.)。 可用此工艺铸造的典型材料有：铁、钢、不锈钢以及铝、铜和镍的合金。通过在生产过程中加入第二种材料能进行两种材料铸造。采用这种工艺制造的典型零件有：管子、锅炉、压力容器、飞轮、汽缸衬垫和其它轴对称零件。 半离心铸造：型模可以是永久性的或是消耗性的，可根据需要叠加。它的旋转速度比离心铸造低。零件的中心轴附近存在缺陷和孔隙，因此仅适用于能将这些机加工去除的零件。这种工艺被用于制造车轮、管嘴及类似的随后可用机加工去除中心轴部分的零件。 离心法铸造：离心法铸造用于迫使金属从设备的中心轴进入分布在圆周上的单独型腔。它为每个型腔提供了一种增加填充压力方法并允许再现复杂细节。这种方法常用于浇铸熔模铸型。 实型铸造是与熔模铸造类似的技术，但它用做型模的消耗材料是聚苯乙烯泡沫而不是石蜡。泡沫型模用难熔材料覆盖。型模装入整体砂模中。当金属浇入时，泡沫材料蒸发，金属取代其位置。它能制造没有拔模斜度和缝脊的复杂形状铸件。然而由于型模的消耗特性，型模成本可能较高。最小壁厚为2.5mm，公差能保持在尺寸的0.3% 之内。表面粗糙度的有效值(均方根)能保持在2.5m至25m(0.1in.至1.0in.)之间。 重量限制从400g(1lb)到数吨。无需留拔模余量。这种工艺所用的典型材料有：铝、铁、钢、镍合金、铜合金。可以采用这些工艺制造的零件类型有泵壳、复式接头和自动刹车部件。UNIT 4 引言 锻造是一种重要的热成型工艺。它能用于生产各种形状和尺寸、从很小到重量数吨的零件。 在锻造过程中先将金属加热，然后施加合适的压力使其塑性变形。通常压力都是以由如图4.1所示的动力锤或压力机提供的锤击形式出现。 手工锻造工具包括各种不同形状的锤子。在锻造中用于支撑工件的基础是铁砧。 对小到中等尺寸零件的半机械化锻造而言，锻锤可采用多种动力。就其一般特性而言，都象手工锻锤一样，它们均利用落重能量来产生金属成型所需的压力。锻造大零件则要用到蒸汽、压缩空气、液力或电力驱动的锻压机。大型的自动化锻机用于工程零件的批量生产。 锤锻中常用的开式模锻与闭式模锻是有区别的。在锤锻中零件通过锤击辅之以相对简单的工具成型。其中包括开式锻模，就是不完全封闭被成型金属的模具。锤锻的基本操作之一就是通过锤击使金属伸长，促成其变细变长。手工锻造时一般在每次锤击后都转过90以充分锻打工件并防止横向膨胀。与伸长相反的是镦粗，即产生压缩性缩短。例如，棒料的直径可以通过加热和轴向锤击而增大。 更重要的是闭式模锻，在工业上广泛用于规模生产。闭式模锻中金属在一对锻模之间挤压成型。顶模通常放在锻压机的撞头或锻锤上，而底模则是固定的。两者合在一起形成闭式锻模。闭式模锻能生产高度复杂和精确的零件，而且表面光洁度要比不用闭式锻模的更传统方法好。闭式锻模采用特殊的耐热、耐磨工具钢制成。将一块大小足以充填模腔并能稍有溢出的加热金属放入底模，并将顶模加压合拢，这块金属便获得该模腔的形状。闭式模锻用于相当小的零件大批量快速生产，也可用于很大的零件。对后者而言，例如现代喷气飞机零件，使用能产生50,000吨以上压力的巨型液力锻压机。 锻造有价值的特性之一是它通过使金属组织均匀而改善强度，因此对诸如船舶螺旋桨轴之类的重型锻件，要用能达10,000吨压力的庞大而有力的液压机来挤压金属。虽然这种液压锻机比落锤锻造要昂贵得多，但它除了能给予大零件较高的强度和更均匀的组织外还有其它优点。由于较高的压力和挤压作用，它比落锤锻造噪声及振动都小得多。由于这种情况下被锻钢坯重量大于30吨，人工操作是不可能的，钢坯的所有操作都必须是机械化的。 铸造细化金属的晶粒组织、改善其物理性能。通过适当的设计，可以使晶粒流动方向与实际使用时的主应力方向一致。如图4.2所示，晶粒流动的方向就是在塑性变形期间结晶排列的方向。锻件的物理性能(如强度、延展性和韧性)远好于基础金属，因为基础金属的晶粒是无序排列的。 锻件各部分是连贯一致的，没有孔隙、空洞、杂质及其它缺陷。因此像机加工之类的精加工工序不会受空洞的影响，因为根本就不存在。另外由于锻件良好的表面，像电镀或油漆之类的涂装工序就很简单，几乎不需要做准备工作。 锻造生产的零件具有较高的强度重量比，所以常被用在飞机结构零件的设计中。 锻造金属可以导致下列结果：增加长度、减小横截面，称为延伸金属。减小长度、增加横截面，称为镦粗金属。通过用封闭锻模挤压，改变长度和横截面。 这导致有利的晶粒流使零件坚固。 常用的锻造工艺 金属既可热锻(高于再结晶温度)也可冷锻。 开式模锻/手工锻：开式模锻或手工锻就是操作者操纵工件在开式锻模中反复击打。完成的产品是锻模的粗糙近似物。这就是传统铁匠干的活，是较古老的制造工艺。 压模锻/精密锻：压模锻和精密锻是雏形模锻的进一步改进。完成的零件与模膛更相似。 压锻：压锻通过压力机缓慢的挤压动作将巨大的压力传递给工件。不像开式模锻那样需要多次击打把压缩能量传递到零件外表面，压锻能将力均匀地传递给材料的主体。这使材料性能一致，对大重量锻件而言是十分必要的。采用此工艺生产的零件重量可达125kg(260lb)而长度可达3m(10 feet)。 顶锻：顶锻通过压缩长度增加横截面，用于在螺栓等紧固件、柱塞及类似零件上制造头部。 滚锻：在滚锻时，圆的或是扁平的棒料放在模辊之间缩小横截面增加长度制成诸如轮轴、板簧之类的零件。这是轧锻的基本形式。 型锻：型锻将圆管或圆棒强制压入锻模，随着圆柱形物体的被压入其直径减小。锻模锤击横断面使金属向内流动导致圆管或圆棒的外径变为锻模的形状。 纯型/近似纯型锻 ：采用纯型锻或近似纯型锻，产生材料损耗的主要形式是飞边以及随后的机加工，如图4.3所示。齿轮毛坯材料损耗为70% ，而飞机结构零件的材料损耗甚至达90% 。纯型锻和近似纯型锻工艺通过制作精密模具并生产锻模斜角很小(小于1)的零件能使材料损耗最小化。此类工艺通常可以省去或减少机加工。从模具的角度而言这些工艺是相当昂贵的，需要资金投入。因此这些工艺只有对目前很浪费的生产过程，在材料节约足以补偿模具成本的大量增加时才是合理的。 锻模设计的考虑因素 如果可能分模面应沿着单一平面，否则就顺着零件轮廓方向。分模面应经过零件中心，而不要靠近上下边缘。如果分模面不能在单一平面，利用设计的对称性来减小侧向推力不失为一种好方法。分模面上任意点与主分模面的夹角应小于75。 如同大多数成型工艺，如果不是非用不可，尽量避免采用凹槽，因为凹槽会使零件难以取出。 应提供尽可能大的倒角和半径以帮助材料在锻造过程中流动。锐角会增加锻件中的应力，同时在使用时削弱锻模。 加劲肋不要过高、过窄，因为这会造成材料流动困难。 公差 尺寸公差通常为正，大约取为该尺寸的0.3%，并圆整到较大的0.5mm(0.020in.)。 锻模磨损公差为侧向公差(平行于分模面)，对铜合金大约为+0.2% ，对铝和钢大约为+0.5%。 锻模的闭合公差处于开闭的方向上，范围从对较小锻件其投影面积150cm2(23in.2)取为1mm(0.040in.)，到较大锻件其投影面积6,500cm2(100in.2)取为6.25mm(0.25in.)。 锻模的配合公差是为了允许上模能根据下模替换。 制造良好的锻件必须有合适的滑润剂。滑润剂对防止工件粘住锻模很有用，还可以作为绝热体帮助减少锻模磨损。UNIT 5 粉末冶金(图5.1)采用烧结工艺将金属粉末制成各种各样的零件。金属粉末放在封闭的金属腔(模具)中在压力下被压实。被压实的材料置于炉内烧结，在高温下炉内环境可控，金属粉末熔合形成固体。在烧结前可以进行二次挤压作业(再挤压)以改善压实状态和材料性能。 粉末冶金是一种高度发达的制造可靠铁或非铁零件的方法。通过混合元素或合金粉末并在模具中压实混合物，再烧结或在环境可控炉内加热制成最终形状。 Material 材料 大多数用固定模压制的结构件都是铁基的。粉末可以是单一元素、预先合金或部分合金。诸如铁、铜之类的单一元素粉末较容易被压得相对密度较高、生产具备足够强度的压制物供烧结处理，但是无法制造出很高强度的烧结零件。 预先合金粉末比较硬、不容易压实，因此需要较高的挤压力来产生高密度的压制物。然而它们能生成高强度烧结材料。如果用单一元素粉末生产均匀材料需要很高温度和较长烧结时间，也可用预先合金。最好的例子是不锈钢，因含有铬和镍成分，所以粉末冶金必须用预先合金才经济。 部分合金粉末是一种折衷的方法。单一元素粉末，例如铁与2%的铜(重量百分比) 混合均匀，经部分烧结后铜微粒粘附到铁微粒上而没有产生充分扩散的粉末却保留了粉末的形态。用这种方法混合物中单独粉末的可压缩性得以维持，在运送和使用期间结合将不会分离。 另一种类似的技术是把小百分比的合金元素“粘合”到铁微粒上。这种“粘合”技术已成功用于将碳引入结合物，一种防止碳分离并起尘的技术，生产所谓的“清洁”粉末。 Powder Consolidation粉末合成 通过将大量的粉末放入模具成型为零件或物品，然后合成为内有微粒的冶金结合物。提升温度扩散工艺被称为烧结，有时还辅之以外界的压力来达到目的。虽然在烧结过程中可能会有少量液态出现，但材料决不是全熔化。烧结可以被看作是把微粒焊接成初始的有用形状。作为普遍规律，随着密度的增加机械和物理性能均改善。因此选择何种粉末冶金方法来制作零件取决于其所需的性能级别。许多零件只需理论全密度的8590%而其它的则需全密度才能满足要求。 有些零件，尤其是衬套式轴承常用铜及其合金制作，控制多孔性程度的意义重大，因为这些孔随后要填充润滑剂。 还好有多种合成技术可供选择。Cold Uniaxial Pressing冷单向挤压 单一元素金属，或极小颗粒的预先合金粉末与润滑剂(一般是锂硬脂酸盐，重量百分比0.75%)混合，然后在金属模具中施加压力比如600MPa (87,000lb/in.2)挤压。 冷挤压能保证被压制或“未加工”的零件尺寸十分精确，因为它被精确地按模具的尺寸和形状成型。 这种技术的缺点之一是由于微粒/微粒和模壁/微粒间的摩擦效应，零件不同部位的压实密度存在差异。典型的软铁零件压制密度为7.0g/cc，即大约是理论密度的90%。如果需要较高的压实密度则压实压力要显著提高，因为大型压力机成本较高并且在较高压力下模具强度要更高这样就不合算。Cold Isostatic Pressing冷均衡挤压 金属粉末装入均衡受压的橡胶膜或金属罐内，其所受外压力在各个方向都是均匀的。由于压力是均衡的，所以压制零件密度是均匀的。必须采用不规则形状粉末微粒为压制零件提供足够的未加工强度。然后放入合适的环境中烧结成所需产品。通常这种技术只用于制作诸如棒料、坯段、薄板及粗糙成型零件之类的半成品，所有这些都需要大量进一步加工才能生产出最终尺寸精确的零件。此外使用经济工作压力的产品不是充分致密的，一般需要增加诸如热挤压、热轧或锻之类的额外工序来使材料达到全密度。Sintering烧结 烧结就是通过把粉末压制物加热使邻近的微粒熔合在一起的工艺，它能生成比粉末压制物机械强度更好的固体物。微粒的“熔合”导致零件密度增加，因此该工艺有时被称为致密化。还有一些工艺如热均衡挤压，将压实和烧结工艺合并为单一步骤。 零件压实后通过烧结炉。一般有两个加热区，第一个去除润滑剂，第二个温度更高的区域让粉末微粒之间扩散并结合。根据不同材料的化学成分，烧结的环境包括真空状态也各不相同。例如精确的环境控制可使铁/碳材料生成特殊碳化物和机械性能。 根据材料和烧结温度的不同，零件的密度在烧结过程中也会改变。因为尺寸的变化可以通过了解并调节挤压及烧结参数进行控制，所以零件尺寸几乎无需校正就能满足尺寸公差。可以看到在很多情况下所有使用的粉末都包含在制成品中，废料损失仅产生于需要辅助机加工时。Hot Isostatic Pressing热均衡挤压 粉末通常封装在金属容器内有时也装在玻璃容器内。把容器抽真空，粉末抽气是为了防止材料在合成阶段和密封时被残留气体污染。再加热并施加均衡压力足以使容器和粉末都塑性变形。 粉末致密率取决于该粉末在选定温度和压力下的屈服强度。中等温度下粉末的屈服强度仍然较高，因此需要较高压力使其在经济时间内致密化。对铁合金典型的数值为1120和100MPa。由于很高温度下材料的屈服强度较低，因此只需较低压力就能挤压。采用玻璃容器时可用大气压力(15psi)合成棒料和较大坯段。 因为压力容器必须经受住内气压并允许粉末加热到较高温度，所以这种技术需要相当可观的资金投入。 此工艺与采用冷均衡挤压一样只能生产半成品，可以通过后续加工至较小尺寸，也能用机加工到最终尺寸。Hot Forging (Powder Forging)热锻(粉末锻造) 冷挤压和烧结零件主要优点是接近最终形状(近似纯形)，但不是充分致密的。当为了提供足够的机械性能而致密化是必须时，可以采用热锻或粉末锻造技术。 在粉末锻造中，压制零件一般加热到远低于该材料通常烧结温度的锻造温度，然后在闭模中锻造。这能生产具有锻模形状和合适机械性能的充分致密零件。 粉末锻造零件通常不像冷挤压和烧结零件那样接近最终尺寸或形状。这是由于为热膨胀效应而设置允差以及在锻模上需要拔模斜角所致。此外还需少量机加工，但全面考虑这种方法通常还是很划算的。Metal Injection Moulding (MIM)金属注塑成型(MIM) 注塑成型被很广泛地用于在复杂模具中生产形状精确的塑料零件。注塑压力较低使得制作复杂零件成为可能，通过采用侧面型芯和分离工具甚至可以带有内螺纹。 将细小(直径一般小于20m)球形金属粉末与热塑性粘合剂混合，能生产具有多数注塑成型塑料特征的金属充满塑料零件。注塑成型后，去除塑料粘合材料剩下金属骨架，然后在高温下烧结。 烧结零件可以实现尺寸控制，因为注塑密度明显均匀，所以烧结收缩也是均匀的。 由于所用粉末细小微粒的尺寸和聚合物粘合剂的真实比例，收缩可以比较大。 Features 特征 对较大公差的零件，烧结后可放回模具重新挤压。一般而言这会使零件更精