无机非金属材料工学教案之成形

1、无机非金属材料工学教案之成形第一节 概 述成形：将配合料制成的浆体、可塑泥团、半干粉料或熔融体，经适当手段和设备变成一定形状制品的过程。无机非金属材料成形由两个步骤组成：第一步是使可流动变形的物料成为所需要的形状； 主要是研究在外力作用下物料流动与变形的规律，这也是流变学研究的内容。第二步是通过不同的机制使其定形(不同材料各不相同)。第二节 流变模型与成形流变学：研究实际材料不同于刚体、虎克体、牛顿体等 理想材料在外力作用下所发生的应力和变形， 特别是与时间因素有关的流动。成形：利用各种外力使浆体、 泥团或熔体产生流动、 变形到达所需的形状。 一、三种根本变形及 三种理想的流变模型一弹性变形应

2、力和应变间存在着一一对应关系，它们互为单值函数，当应力消除以后，应变亦随之消失，这种形变称为弹性变形。只发生弹性变形的理想体称为弹性体。如弹性体的应力和应变间成正比关系,那么这种物体就称为线弹性体，也称为虎克体。如图1-6-1a所示。表示应力；表示伸长，那么：=E E：与弹性有关的常数二粘性流动液体在剪切应力的作用下，剪切应变将随时间而不断增 加，这种变形称为粘性流动。如果剪切应力与剪切应变的速率成正比，那么这种理想体为牛顿液体，可用粘性元件即粘壶来表示，如图1-6-1b所示。式中：剪切应力； 剪切应变的速率； 与粘性有关的常量， 称粘度系数。其流变方程为：三塑性流动 当剪切应力小于某一极限值

3、屈服应力时，不发生剪切应变，当剪切应力到达该极限值时，就立即发生极大的剪切应变，这种形变称为塑性流动，这种材料称刚塑性体。可用塑性滑块模型来表示，如图1-6-1c其应力与应变关系可表示为：当时： =0当=时：可为任意值， 直到二、胀流性液体与假塑性液体 实际液体很少完全符合牛顿液体的情况，它们的剪切应力与剪切应变速率之间的关系可写成以下通式：一些非塑性材料如氧化铝、石英等的悬浮液往往具有胀流性。 一般陶瓷泥浆在剪切速率不很高时为假塑性。具有明显假塑性 的釉浆在加压喷出时，低粘度有利于喷出，一旦喷到制品上后， 粘度增大，有利于釉在坯体外表的滞留。式中：剪切应力粘度系数当n=1时，该材料称为牛顿体

4、；当n1时，称为胀流性液体，后两种也称为非牛顿液体。三、流变模型与本构方程 真实的材料往往或多或少同时具有以上两种或三种变形，其流变模型可用三种根本元件通过各种串联及并联方式组成。 某些材料，如油漆、水泥浆等，从流动性方面来看似乎是粘性液体，但它刷到垂直面上的薄层，却可以承受一定的剪切应力而不致流下，又具有固体的性质。 对这种材料可用图1-6-2所示的模型来描述。又称宾汉体模型。以下是几种典型的流变模型及它们的流变状态如图1-6-3所示。以麦可斯韦模型表示的材料称麦可斯韦体，它主要以粘性流动为主，本质上是液体；开尔应文体那么以弹性变形为主，本质上是固体；三元件模型1代表一种粘弹性固体；而模型2

5、代表一种粘弹性液体；伯格斯体即是麦可斯 韦体和开尔文体的串联，还具有液体性质。材料中任一点的应力状态和应变状态之间有密切关系,可以用以下的通式来表示:这种函数关系当然和材料的性质有关，是由材料的本质与构造决定的，所以，又称为本构方程。四、流动曲线、应力曲线和应变曲线一、流动曲线图1-6-4为几种典型体的流动曲线。反映在某应力下某种材料流动速度的快慢,黏度和表观密度的大小二应力曲线和应变曲线 -应力和应变随时间变化的曲线图1-6-5为麦克斯韦体的应力与应变曲线,成形时可根据这些曲线得知加多少力后,经多少时间才能到达所要求的变形值.五、徐变曲线和松弛曲线 一徐变曲线它表示在应力不变时应变随时间的变

6、化曲线。(a)、(c)在一定应力下不断变形，本质上是液体；(b)的变形缓慢增大并以弹性变形为极限，本质上是固体。陶瓷泥浆经可塑变形后还属于宾汉体。二松弛曲线在一定变形情况下，应力随时间变化的曲线。如图1-6-7所示。(a)、(c)产生应力松弛，而(b)、(d)是不松弛体。六、触变性和反触变性触变性：是指在剪切应力保持一定时，表观粘度将随着剪切应力作用的持续时间而减小，剪切应变速率将不断增加的性质。或者，当剪切应变速率保持不变时，剪切应力将逐渐下降。具有这种性质的材料称为正触变材料; 相反，表观粘度随着应力作用时间而增加的称为反触变材料。 触变性的大小可用触变环的大小和方向来表示： 正触变性的泥

7、浆在搅拌时粘度小，静止时粘度不断增大，影响它在模内的流动，严重时会堵塞管道。但泥料的触变性可增加抵抗变形的能力，帮助定型。在注浆成型中的触变性结构可增加泥浆的渗水性。所以要求泥浆有适宜的触变性。第三节 浆料的成形 一、通 性 适用于粘性料浆，其中液相是连续的，成型时浆体在模具中流动、充满模具并具有模具的形状，然后经脱水陶瓷浆或水化混凝土，成为自重下不变形的坯体，脱模后继续枯燥或水化变成接近固体。 控制参数：浆体的流动度 成型影响因素：温度、水化时间、外加剂等二、混凝土浆体的密实成形1、振动密实成型 2、压制密实成型3、离心脱水密实成型三、陶瓷注浆成形 两种方法：1、空心注浆 2、实心注浆机理：

8、物理脱水毛细管力、化学凝聚石膏于Na-粘土和水玻璃发生离子交换反响成型速度强化注浆：见图1-6-16强化注浆可缩短吸浆时间，提高成坯的质量，常采用压力注浆、离心注浆、真空注浆二、注浆成型对泥浆的要求 三、陶瓷泥浆的流变性及外加剂的作用粘土类矿物是板状颗粒，在板面上带有负电荷，两端面带有正电荷，端-板面相互吸引，形成棚架结构。第四节 玻璃熔体的成形与退火一、玻璃的主要成形性质 一粘 度 二外表张力 三弹 性 四比热、热导率、热膨胀系数、外表辐 射强度和透热性 二、成形制度的制定三、吹制成形四、拉制成形五、浮法生产平板玻璃高温熔融状态的玻璃液浮在比它重的金属液外表上，受外表张力的作用而光洁平整，冷

9、却硬化后定型。平衡厚度约为7mm六、玻璃的退火-退火窑示意图第五节 可塑成形一、可塑泥料的流变特性:可塑泥团从流变学的观点看属于宾汉体，由于它的含水量低，固体含量大，所以有很高的屈服值，成型后能克服自重的影响而不变形。图1-6-33，当开始加载到屈服点a时，变形是弹性的；应力增加到超过屈服点a时，那么产生性塑流动，到达b点会出现裂纹，a与b之间有一个不可忽裂的变形。一般可近似地用屈服值和允许变形量的乘积来表示泥料的成型能力。图1-6-34表示不同的成型方法对泥料的屈服值和变形量的要求不同旋坯泥料的屈服值较小，挤压法和拉坯法较大。二、挤 压 成 形 三、旋 坯 成 形四、滚 动 成 形 五、塑 压 成 形第六节 粉料压制成形一、压制成型工艺原理 ：粉料经压力作用聚合成有一定强度的坯体，物料颗粒间形成了键合分子键、氢键； 核心问题是压制中坯体 密度、强度的变化。坯体中压力的分布二、压制成形对粉料