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新型材料技术及应用 冲压工程技术分部孙泉 2010 3 25 发表内容 材料学及传统材料简介新型材料 铝合金材料的汽车冲压件应用新型材料 新型陶瓷材料性能及应用其它新型材料概述 材料学简介 传统材料的性能及应用 材料学简介 材料 是指人类用来制作有用物件的物质 新材料 则是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异的性能的一类材料 1 材料的定义 2 材料的分类 按发展程度分 传统材料新型材料按物理化学属性 1 金属材料包括纯金属以及合金如钢铁铜铝铝合金等 2 无机非金属材料如水泥 陶瓷 玻璃等 3 有机合成材料如塑料 橡胶 合成纤维 3 材料的性质 1 延展性 即延性和展性 延性就是能延长的性质 例如铁能制成铁丝 展性是能展开的性质 铝能制成很薄的铝箔 2 稳定性 属于化学性质 比如见光或受热是否容易分解 是否易和氧气反应等 3 可塑性 就是指当材料在一定温度和压力下 受到外力作用时可产生形变 而外力去除后仍能保持受力时的状态 钢铁 金属材料 钢铁 生铁与钢的比较 钢的分类 性能及用途 铜 金属材料 铜 1 铜的物理性质 纯铜呈紫红色 熔点约1083 4 沸点2567 密度8 92g cm3 具有良好的延展性 1g纯铜可拉成3000m细铜丝或压延成面积为10m2几乎透明的铜箔 2 铜的导电性 纯铜的导电性仅次于银 但比银便宜得多 所以当今世界一半以上的铜用于电力和电讯工业上 3 铜的应用 铜线 电极以及电镀工业 铝 金属材料 铝 1 铝的物理性质 铝是人类继铜 铁之后 第三种被广泛应用的金属 纯净的铝是具有银白色光泽的金属 有良好的延展性 制成铝箔可包装纸烟 糖果 铝的导电性仅次于银和铜 导电率为铜的64 密度仅为2 70g cm3 为铜的30 因而铝广泛地代替铜做电缆 2 铝的应用 纯铝的导电 导热和耐蚀性能良好 主要用作导电 导热材料 但强度低 不宜作结构材料 大量用于制做炊具 还可以做太阳能的吸收装置 无机非金属材料 水泥 水泥是最常用的建筑材料 它也是硅酸盐 是由石灰石和粘土配合 加热到烧结的程度 而后粉碎研磨制成 水泥在空气或水中都能硬化 陶瓷 它是由粘土或粘土加入石英和长石等的混合物经成形 干燥和焙烧而成的 无机非金属材料 以某些元素的氧化物 碳化物 氮化物 卤素化合物 硼化物以及硅酸盐 铝酸盐 磷酸盐 硼酸盐等物质组成的材料 有机合成材料 有机合成材料 专指高分子合成材料 主要分为塑料 纤维和橡胶 但并无严格的分界线 塑料 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯和聚丁烯等 它们的原料均来源于石油或天然气 因此在塑料中是产量最大的品种 聚乙烯为其代表 如食品包装袋 油桶是我们最熟悉的应用 但它的主要缺点是受热和在空气中易老化 纤维 聚合物经一定地机械加工 牵引 拉伸 定型等 后形成细而柔软地细丝 形成纤维 纤维具有弹性模量大 受力时形变小 强度高等特点 有很高的结晶能力 分子量小 一般为几万 橡胶 高弹性的高分子化合物 分为天然橡胶与合成橡胶二种 天然橡胶是从橡胶树 橡胶草等植物中提取胶质后加工制成 合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得 橡胶制品广泛应用于工业或生活各方面 高温 高压 催化剂 新型材料 铝合金材料的汽车冲压件应用 金属材料 铝及铝合金 铝合金 1 铝合金的物理性质 铝合金比重轻 强度接近合金钢 刚度超过钢 铸造和可切削性也较好 适宜制造重量轻的结构部件 2 铝合金的应用 航空工业不可缺少的材料 在交通运输 建筑 轻工 化工 仪表机械等部门 在家用器具方面也得到广泛应用 铝及某些铝合金用阳极氧化等法处理 通过着色工艺 生成各种颜色 广泛作包装 装饰材料使用 人造卫星 铝合金的主要应用领域 战机 舰船 导弹 火箭 战车 高速列车 汽车 高层建筑 铝合金的冲压件成型技术 目前 钢板制作汽车冲压件几乎为不可替代的形式 但随着对提高能源使用效率 降低能耗的要求越来越高 铝合金将成为汽车轻质化的关键材料 具有战略意义 1 铝合金制作汽车冲压件的优势 2 铝合金板材制作冲压件的不足 1 热冲压 基于恒温超塑性的成型工艺 2 热态液力成形 基于相变超塑性成型工艺 铝合金材料的硬度高 塑性及韧性差成为汽车冲压件成形的最大阻碍 4 铝合金板材成形基于超塑性成形工艺分类 3 铝合金板材超塑性成型原理 1 恒温超塑性 铝合金在恒定温度下表现出拉延性能极大提高的性能 2 相变超塑性 铝合金在相变温度下反复加热和冷却时出现拉延性能提高 5 铝合金板材成形技术的现况 虽然在汽车制造 航空航天 军工 电子等领域得到了不同程度的应用 但是从未获得和传统成形工艺比肩的地位 或达到 应用广泛 的程度 由于加工效率低及成本高 目前只在高端产品和中 小批量的生产中铝合金板材占据优势 铝合金汽车冲压件成型 热冲压 在热冲压加工过程中 通过嵌于模具中的电阻加热棒对R角等控制金属板料流动的关键部位和板料进行加热 一般介于200 300 并通过在氮化硼等润滑剂中添加氧化镁乳液 可以成功地用于板料热冲压成形 1 工艺原理 基于恒温超塑性成型工艺 研究表明 在200 300 温度下进行冲压成形 5000和6000系列铝合金的成形性大幅度提高 对5754 O铝合金板材分别在室温 100 175 和250 下进行带锥度的盒形件拉深试验 最大拉深深度分别为35mm 38mm 45mm和60mm 2 成型工艺 3 工艺缺陷 1 只适应于低拉伸深度的冲压件 2 加热过程的时间消耗导致SPH低 3 加热的不均匀导致废品率高 4 模具的制作 维护成本高 5 仅适用于小批量生产 铝合金汽车冲压件成型 热态液力成型 热态液力成形时 将加热到预置温度的专用耐热油注入到已预热的模具型腔 通过加热和冷却装置将模具及液体的温度控制在合适的范围内 然后按照设计的加载路径进行成形 1 工艺原理 2 成型工艺 3 工艺缺陷 基于相变超塑性成型工艺 利用铝合金材料的相变点温度下反复加热冷却 提高铝合金材料的成形性能 1 只适应于低拉伸深度的冲压件 2 加热过程的时间消耗降低SPH 3 模具的制作 维护成本高 4 仅使用于小批量生产 新型材料 新型陶瓷材料性能及应用 新型陶瓷材料 新型陶瓷材料 新型陶瓷材料主要是指金属陶瓷材料 由陶瓷和粘接金属组成的非均质的复合材料 陶瓷主要是氧化铝 氧化锆等耐高温氧化物或它们的固溶体 粘接金属主要是铬 钼 钨 钛等高熔点金属 1 新型陶瓷材料定义 2 新型陶瓷材料的分类 按功能 1 纯氧化物陶瓷如 二氧化锆氧化铝 2 非氧化物陶瓷如 碳化物陶瓷氮化物陶瓷及硅化物陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化铝 它主要在高温下使用 也称高温结构陶瓷 在空气中可以耐受1980 的高温 是军事技术 原子能及化工设备等领域中的重要材料 1 氧化铝陶瓷 2 氧化铝陶瓷的性质 具有耐高温 耐腐蚀 耐磨 绝缘等优异特性 3 氧化铝陶瓷的用途 1 氧化铝刀具 具有硬度高 耐磨性好 耐热性和化学稳定性优良的特点 加工中不易与金属粘接 在数控加工中获得广泛应用 其中氧化铝基陶瓷刀具适用于碳钢 合金钢和铸铁材料的加工 2 坩埚 融化器皿 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷坩埚 氧化锆陶瓷 氧化锆 一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料 1 氧化锆ZrO2陶瓷 2 氧化锆陶瓷的性质 氧化锆材料具有高硬度 高强度 高韧性 极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能 氧化锆已经在陶瓷 耐火材料 机械 电子 光学 航空航天 生物 化学等等各种领域获得广泛的应用 3 应用特例介绍 氧传感器 氧传感器 氧传感器 电压正常值 0 1 0 9V 其它新型材料 复合材料纳米材料超导材料智能材料简介 复合材料 复合材料 是以一种材料为基体 Matrix 另一种材料为增强体 reinforcement 组合而成的材料 各种材料在性能上互相取长补短 产生协同效应 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求 1 复合材料的定义 2 复合材料的分类 复合材料是一种混合物 复合材料按其组成分为金属与金属复合材料 非金属与金属复合材料 非金属与非金属复合材料 3 复合材料的性能 4 复合材料的应用 航空航天领域 由于复合材料热稳定性好 强度 刚度高 可用于制造飞机机翼和前机身 卫星天线及其支撑结构 太阳能电池翼和外壳 大型运载火箭的壳体 发动机壳体 航天飞机结构件等 汽车工业 由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性 可减振和降低噪声 抗疲劳性能好 损伤后易修理 便于整体成形 故可用于制造汽车车身 受力构件 传动轴 发动机架及其内部构件 复合材料中以纤维增强材料应用最广 用量最大 其特点是比重小 强度和模量大 例如碳纤维与环氧树脂复合的材料 其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍 还具有优良的化学稳定性 减摩耐磨 自润滑 耐热 耐疲劳 耐蠕变 消声 电绝缘等性能 纳米材料 纳米材料 合成材料的基本单元大小限制在1 100nm范围的材料 这大约相当于10 100个原子紧密排列在一起的尺度 1 纳米材料的定义 2 材料的分类 纳米金属材料 纳米半导体薄膜 纳米陶瓷 纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等 3 材料的性质 由于它的尺寸已经接近电子的相干长度 它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化 并且 其尺度已接近光的波长 加上其具有大表面的特殊效应 因此其所表现的特性 例如熔点 磁性 光学 导热 导电特性等等 往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质 当人们将宏观物体细分成超微颗粒 纳米级 后 它将显示出许多奇异的特性 即它的光学 热学 电学 磁学 力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同 超导材料 超导材料 具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料 现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体 1 超导材料的定义 2 超导材料的分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料 合金材料 化合物材料和超导陶瓷 3 超导材料的性质 零电阻性 超导材料处于超导态时电阻为零 能够无损耗地传输电能 完全抗磁性 超导材料处于超导态时 只要外加磁场不超过一定值 磁力线不能透入 超导材料内的磁场恒为零 4 超导材料的应用 利用材料的超导电性可制作磁体 应用于电机 高能粒子加速器 磁悬浮运输 受控热核反应 储能等 可制作电力电缆 用于大容量输电 功率可达10000MVA 可制作通信电缆和天线 其性能优于常规材料 智能材料 智能材料 由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成 智能材料就是指具有感知环境 包括内环境和外环境 刺激 对之进行分析 处理 判断 并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料 1 智能材料的定义 2 智能材料的特征 1 传感功能 Sensor 2 反馈功能 Feedback 3 信息识别与积