3D打印原理和工艺汇总[推荐五篇]

第一篇：3D打印原理和工艺汇总

3D打印原理和工艺

3D打印其实并不是一项崭新的技术，它早已在工业应用的领域默默奉献了近三十年。总的来说，物体成型的方式主要有以下四类：减材成型、受压成型、增材成型、生长成型。

减材成型：主要是运用分离技术把多余部分的材料有序地从基体上剔除出去，如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。

受压成型：主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。受压成型多用于毛坯阶段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密铸造、精密锻造等净成型均属于受压成型。

增材成型：又称堆积成型，主要利用机械、物理、化学等方法通过有序地添加材料而堆积成型的方法。

生长成型：指利用材料的活性进行成型的方法，自然界中的生物个体发育属于生长成型。随着活性材料、仿生学、生物化学和生命科学的发展，生长成型技术将得到长足的发展。

3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术，从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周几大大缩短，生产成本大幅下降。

下面介绍几项主流的3D打印技术原理。

LOM：分层实体成型工艺

分层实体成型工艺（Laminated Object Manufacturing，LOM），这是历史最为悠久的3D打印成型技术，也是最为成熟的3D打印技术之一。LOM技术自1991年问世以来得到迅速的发展。由于分层实体成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉且成型精度高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。下面我们一起了解一下LOM技术的原理，如图所示为LOM技术的基本原理：

LOM分层实体成型工艺（插图由筑梦创造绘制）

分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。

其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄膜材料）逐步送至工作台上方。

激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完全成型。

LOM工艺采用的原料价格便宜，因此制作成本极为低廉，其适用于大尺寸工件的成型，成型过程无需设置支撑结构，多余的材料也容易剔除，精度也比较理想。尽管如此，由于LOM技术成型材料的利用率不高，材料浪费严重颇被诟病，又随着新技术的发展LOM工艺将有可能被逐步淘汰。

SLA：立体光固化成型工艺

立体光固化成型工艺（Stereolithography Apparatus，SLA），又称立体光刻成型。该工艺最早由Charles W.Hull于1984年提出并获得美国国家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了3D Systems公司并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。SLA工艺也成为了目前世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。SLA工艺以光敏树脂作为材料，在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。下面我们一起了解一下SLA技术的原理，如图所示为SLA技术的基本原理：

SLA立体光固化成型工艺（插图由筑梦创造绘制）

液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。

当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。因为液态树脂具有高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。

新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。

当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。

SLA工艺成型效率高，系统运行相对稳定，成型工件表面光滑精度也有保证，适合制作结构异常复杂的模型，能够直接制作面向熔模精密铸造的中间模。尽管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有较大的限制而不适合制作体积庞大的工件，成型过程中伴随的物理变化和化学变化可能会导致工件变形，因此成型工件需要有支撑结构。目前，SLA工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵，液态的光敏树脂具有一定的毒性和气味，材料需要避光保存以防止提前发生聚合反应。SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱，小编在一次3D打印体验活动（iCader带您走进中科院探秘3D打印”活动简报：华南地区的3D打印技术产业联盟呼之欲出）中看到了SLA成品触地碎裂的情况。此外，使用SLA成型的模型还需要进行二次固化，后期处理相对复杂。

SLS：选择性激光烧结工艺

选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS），该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

二十年多年来奥斯汀分校和DTM公司在SLS工艺领域投入了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS公司针对SLS工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS快速成型设备，在2012年的欧洲模具展上EOS公司研发的3D打印设备大放异彩。

在国内也有许多科研单位开展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等。

SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：

SLS选择性激光烧结工艺（插图由筑梦创造绘制）

选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。

当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷甚至还可以是金属。

当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。

SLS工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较高。尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵，烧结前材料需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛刻。

FDM：熔融沉积成型工艺

熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling，FDM）是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。该技术由Scott Crump于1988年发明，随后Scott Crump创立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3D Modeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。

国内的清华大学、北京大学、北京殷华公司、中科院广州电子技术有限公司都是较早引进FDM技术并进行研究的科研单位。FDM工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面3D打印机主要采用的技术方案。

熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿X轴的方向进行移动，工作台则沿Y轴和Z轴方向移动（当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。下面我们一起来看看FDM的详细技术原理：

FDM熔融沉积成型工艺（插图由筑梦创造绘制）

热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。

喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。

采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持，为了节省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM设备会采用了双喷头的设计，一个喷头负责挤出成型材料，另外一个喷头负责挤出支撑材料。

一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高，沉积效率也较低。用于制作支撑材料的丝材会相对较粗一些，而且成本较低，但沉积效率会更高些。支撑材料一般会选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净。

3DP：三维印刷工艺

三维印刷工艺（Three-Dimension Printing，3DP），该技术由美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明于1993年，3DP的工作原理类似于喷墨打印机，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状的材料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的，如图所示为3DP的技术原理：

3DP三维印刷工艺（插图由筑梦创造绘制）

首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂（如硅胶）喷射在预先粉层上的指定区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件。

PolyJet：聚合物喷射技术

PolyJet聚合物喷射技术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，如图所示为PolyJet聚合物喷射系统的结构：

PolyJet聚合物喷射系统的结构

PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。

完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。

工件成型的过程中将使用两种不同类型的光敏树脂材料，一种是用来生成实际的模型的材料，另一种是类似胶状的用来作为支撑的树脂材料。

这种支撑材料由过程控制被精确的添加到复杂成型结构模型的所需位置，例如是一些悬空、凹槽、复杂细节和薄壁等等的结构。当完成整个打印成型过程后，只需要使用Water Jet水枪就可以十分容易地把这些支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型工件。

使用PolyJet聚合物喷射技术成型的工件精度非常高，最薄层厚能达到16微米。设备提供封闭的成型工作环境，适合于普通的办公室环境。此外，PolyJet技术还支持多种不同性质的材料同时成型，能够制作非常复杂的模型。

DLP：数字光处理

DLP技术是3D打印机成型技术之一，相比SLA成型技术来讲，DLP成型技术速度更快。DLP成型技术使用数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态聚合物。当然，DLP技术精细度要比FDM成型技术的精细度高很多。

常见工艺对比

常见缩写汇总

    光固化成型（SLA）分层实体制造（LOM）选择性激光烧结（SLS）形状沉积成型（SDM）    熔融沉积成型（FDM）多相喷射沉积（MJD）三维印刷（3DP）

直接金属激光烧结（DMLS）

第二篇：染整工艺原理序言080703

序言

我国正在从世界纺织大国迈向纺织强国，国力的竞争，归根到底是人才的竞争，培养优秀创新人才刻不容缓。为此，教育必须先行，高质量教材或教学参考书，便显现重要作用。

本人从事纺织品染整工程教育和科研数十年，值此工业转型之际，由于责任心驱使，萌生发挥余热编撰《染整工艺原理》，以期百花齐放，促进科技发展，希望对后来者有所启迪。特邀请多位学术造诣深的学者、专家、教授合作，群策群力，以便编撰工作顺利进行，也希望能将他们的专长和经验传承下去。

本套书的编写原则是：沿用20世纪80年代王菊生、孙铠主编的《染整工艺原理》的体系和风格，将纤维化学、染料化学的有关基本知识、基本理论和染整工艺融合在一起，着重于染整工艺原理的论述，并推陈出新，与时代同步，同时注意深入浅出，便于自学。本套书也是东华大学（原中国纺织大学）主持编写的轻化（染整）工程专业系列教材和参考书之一。

本书分四个分册出版，各册内容为：

第一分册—纺织纤维的结构和性能（含高分子基础知识）

第二分册—纺织品前处理和后整理（含生物酶和功能整理基础知识）

第三分册—染料中间体合成路线、染料结构与特性及其对各类纺织品的染色（含染色物理化学基础知识）

第四分册—纺织品印花及配色技术原理

参加第一分册编写的有蔡再生、周文龙、孙铠，蔡再生为分册主编；参加第二分册编写的有沈淦清、汪澜、王柏华、刘学、袁琴华、朱泉、孙铠，沈淦清为分册主编；参加第三分册编写的有蔡再生、沈勇、戴瑾瑾、黄德音、陈荣圻、薛迪庚、孟庆华、陈水林、邢建伟、钱灏、何瑾馨、毛允萍、刘金强、武达基，蔡再生、沈勇为分册主编；参加第四分册编写的有黄茂福、忻浩忠，黄茂福为分册主编。

本书可供高等纺织院校纺织品染整专业用作教学参考书或教材，也可供专业从业人员或研究人员参考。

由于编者水平有限，书中难免会有缺点和错误，热忱欢迎读者批评指正。主编孙铠

2008年7月8日

第三篇：烧结工艺的主要设备及其工作原理

烧结工艺的主要设备及其工作原理

为了保证供给高炉的铁矿石中铁含量均匀，并且保证高炉的透气性，需要把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料。铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。本专题将详细介绍烧结生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息，其次，我们将简要介绍球团法生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。

铁矿粉造块的目的：

◆综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类。

◆去除有害杂质，回收有益元素，保护环境。

◆改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求。

铁矿粉造块的方法：烧结法和球团法。

铁矿粉造块后的产品：分别为烧结矿和球团矿。（供高炉炼铁生产的主要原料）

一、烧结生产的工艺流程介绍：

烧结是钢铁生产工艺中的一个重要环节，它是将铁矿粉、粉（无烟煤）和石灰、高炉炉尘、轧钢皮、钢渣按一定配比混匀。经烧结而成的有足够强度和粒度的烧结矿可作为炼铁的熟料。利用烧结熟料炼铁对于提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性保证高炉运行均有一定意义。

烧结生产的流程

目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程如图下所示。主要包括烧结料的准备，配料与混合，烧结和产品处理等工序。

配料与混合的主要设备:

电子计量称：对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自动称量的衡器。主要有机械式(常见的为滚轮皮带秤)和电子式两大类。电子皮带秤是使用最广泛的皮带秤。由承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器组成。

主要用到的自动化产品：称重传感器、速度传感器、数显表、变频器、电动机

混合机：混合机械是利用机械力和重力等，将两种或两种以上物料均匀混合起来的机械。混合机械广泛用于各类工业和日常生活中。常用的混合机械分为气体和低粘度液体混合器、中高粘度液体和膏状物混合机械、热塑性物料混合机、粉状与粒状固体物料混合机械四大类。【查看工作原理】

主要用到的自动化产品：断路器、接触器、电动机

烧结生产：

烧结作业是烧结生产的中心环节，它包括布料、点火、烧结等主要工序。

布料:将铺底料、混合料铺在烧结机台车上的作业

点火：点火操作是对台车上的料层表面进行点燃，并使之燃烧。

烧结：准确控制烧结的风量、真空度、料层厚度、机速和烧结终点。

主要用到的自动化产品：PLC，组态软件，变频器，电动机

二、球团矿生产工艺流程

把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

球团矿生产的流程：

一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序，如下图所示。

球团矿的生产流程中，配料、混合与烧结矿的方法一致；将混合好的原料经造球机制成10-25mm的球状。

球团矿生产中的主要设备：

圆盘造球机：将焦炭粉、石灰石粉或生石灰、铁精矿粉混合后，输入圆盘造球机上部的混合料仓内，均匀地向造球机布料，同时由水管供给雾状喷淋水，倾斜（倾角一般为40一50°）布置的圆盘造球机，由机械传动旋转，混合料加喷淋水在圆盘内滚动成球。【查看工作原理】

主要用到的自动化产品：断路器、接触器、电动机

带式焙烧机：带式焙烧机工艺使球团焙烧的整个工艺过程——干燥、预热、焙烧、冷却都在一个设备上完成，具有工艺过程简单、布置紧凑、所需设备吨位轻等特点，为工厂缩小占地面积、减少工程量、实现焙烧气体的循环利用以及降低热耗和电耗创造了条件。【查看工作原理】

主要用到的自动化产品：断路器、接触器、电动机

第四篇：青岛科技大学橡胶工艺原理讲稿[范文模版]

青岛科技大学橡胶工艺原理讲稿（5）青岛科技大学, 橡胶, 讲稿, 工艺, 原理

§3-6炭黑对橡胶的补强机理

炭黑补强作用使橡胶的力学性能提高，同时也使橡胶在粘弹变形中由粘性作用而产生的损耗因素提高。例如tanδ、生热、损耗模量、应力软化效应提高。因应力软化效应能够比较形象地说明大分子滑动补强机理，因此将两者结合一起讨论。一．应力软化效应

（一）应力软化效应的含义

硫化胶试片在一定的试验条件下拉伸至给定的伸长比λ1时，去掉应力，恢复。第二次拉伸至同样的λ1时所需应力比第一次低，如图3-18所示，第二次拉伸的应力-应变曲线在第一次的下面。若将第二次拉伸比增大超过第一次拉伸比λ1时，则第二次拉伸曲线在λ1处急骤上撇与第一次曲线衔接。若将第二次拉伸应力去掉，恢复。第三次拉伸，则第三次的应力应变曲线又会在第二次曲线下面。随次数增加，下降减少，大约4~5次后达到平衡。上述现象叫应力软化效应，也称为Mullins效应。应力软化效应用拉伸至给定应变所造成的应变能下降百分率ΔW表示。（3-10）

式中 W1 —第一次拉伸至给定应变时所需要的应变能；

W2 —第一次拉伸恢复后，第二次（或更多次数）再拉伸至同样应变时所需的应变能。

（二）应力软化效应的影响因素

应力软化效应代表一种粘性的损耗因素，所以凡是影响粘弹行为的因素对它均有影响。填料及其性质对应力软化效应有决定性作用。1．填充的影响

2．填料品种对应力软化效应的影响 3．炭黑品种对应力软化效应的影响

总的趋势是补强性高的炭黑应力软化效应比较高，反之亦然。

（三）应力软化的恢复

应力软化有恢复性，但在室温下停放几天，损失的应力恢复很少，而在100℃×24h真空中能恢复大部分损失的应力。因为炭黑的吸附是动态的，在恢复条件下，橡胶大分子会在炭黑表面重新分布，断的分子链可被新链代替。剩下的不能恢复的部分称为永久性应力软化作用。

二．炭黑的补强机理

近半个世纪以来，人们对炭黑补强机理曾进行了广泛的探讨。各个作者提出的机理虽然能说明一定的问题，但有局限性。随着时间进展，橡胶补强机理也在不断地深化和完善。橡胶大分子滑动学说的炭黑补强机理是一个比较完善的理论。现将各种论点简述如下。

（一）容积效应

（二）弱键和强键学说

（三）Bueche的炭黑粒子与橡胶链的有限伸长学说

（四）壳层模型理论

核磁共振研究已证实，在炭黑表面有一层由两种运动状态橡胶大分子构成的吸附层。在紧邻着炭黑表面的大约0.5nm（相当于大分子直径）的内层，呈玻璃态；离开炭黑表面大约0.5~5.0nm范围内的橡胶有点运动性，呈亚玻璃态，这层叫外层。这两层构成了炭黑表面上的双壳层。关于双壳层的厚度Δγc，报道不一，不过基本上是上述范围。这个双壳的界面层内中的结合能必定从里向外连续下降，即炭黑表面对大分子运动性的束缚不断下降，最后到橡胶分子不受束缚的自由状态。

图3-22 炭黑填充的硫化胶的非均质模型

A相—进行微布朗运动的橡胶分子链；B相—交联团相；C相—被填料束缚的橡胶相

对壳层补强作用的解释是双壳层起骨架作用。提出了填充炭黑橡胶的不均质结构示意图，见图3-22。图中A相为自由大分子，B相为交联结构，C相为双壳层，该理论认为C相起着骨架作用联结A相和B相，构成一个橡胶大分子与填料整体网络，改变了硫化胶的结构，因而提高了硫化胶的物理机械性能。

（五）橡胶大分子链滑动学说

这是比较新和比较全面的炭黑补强理论。该理论的核心是橡胶大分子能在炭黑表面上滑动，由此解释了补强现象。炭黑粒子表面的活性不均一，有少量强的活性点以及一系列的能量不同的吸附点。吸附在炭黑表面上的橡胶链可以有各种不同的结合能量，有多数弱的范德华力的吸附以及少量的化学吸附。吸附的橡胶链段在应力作用下会滑动伸长。大分子滑动学说的基本概念可用示意图3-23表示。

（1）表示胶料原始状态，长短不等的橡胶分子链被吸附在炭黑粒子表面上。

（2）当伸长时，这条最短的链不是断裂而是沿炭黑表面滑动，原始状态吸附的长度用点标出，可看出滑移的长度。这时应力由多数伸直的链承担，起应力均匀作用，缓解应力集中为补强的第一个重要因素。

（3）当伸长再增大，链再滑动，使橡胶链高度取向，承担大的应力，有高的模量，为补强的第二个重要因素。由于滑动的摩擦使胶料有滞后损失。滞后损失会消耗一部分外力功，化为热量，使橡胶不受破坏，为补强的第三个因素。

（4）是收缩后胶料的状况，表明再伸长时的应力软化效应，胶料回缩后炭黑粒子间橡胶链的长度差不多一样，再伸长就不需要再滑动一次，所需应力下降。在适宜的情况（如膨胀）下，经过长时间，由于橡胶链的热运动，吸附与解吸附的动态平衡，粒子间分子链长度的重新分布，胶料又恢复至接近原始状态。但是如果初次伸长的变形量大，恢复常不超过50%。

图3-23 橡胶大分子滑动学说补强机理模型

也发生滑移，全部分子链高度取向，高定伸，缓解应力集中，应力均匀，滑动耗能；4—恢复，炭黑粒子间的分子链有相等的长度，应力软化再滑移，BB1—原始状态；2—中等拉伸，AA

§3-7 白炭黑 一．白炭黑的制造

白炭黑的制备多采用两种方法，即煅烧法和沉淀法。

煅烧法制备的白炭黑又称为气相法白炭黑或干法白炭黑，它是以多卤化硅（SiClx）为原料在高温下热分解，进行气相反应制得。

干法白炭黑粒径极小，约为15~25nm，飞扬性极大。气相法白炭黑杂质少，补强性好，但制备复杂且成本高，主要用于硅橡胶中，所得产品为透明、半透明状，产品的物理机械性能和介电性能良好，耐水性优越。

沉淀法白炭黑普遍采用硅酸盐（通常为硅酸钠）与无机酸（通常使用硫酸）中和沉淀反应的方法来制取水合二氧化硅。

沉淀法白炭黑粒径较大，约为20~40nm，纯度较低，补强性比煅烧法差，胶料的介电性能特别是受潮后的介电性能较差，但价格便宜，工艺性能好。可单用于NR、SBR等通用橡胶中，也可与炭黑并用，以改善胶料的抗屈挠龟裂性，使裂口增长减慢。二．白炭黑的结构 1．白炭黑的化学结构

白炭黑的95~99%的成分是SiO2，经X射线衍射证实，因白炭黑的制法不同，其结构有不同差别。气相法白炭黑内部结构几乎完全是排列紧密的硅酸三维网状结构，这种结构使粒子吸湿性小，表面吸附性强，补强作用强。而沉淀法白炭黑的结构内除了生成三维结构的硅酸外，还残存有较多的二维结构硅酸，致使结构疏松，有很多毛细管结构，很易吸湿，以致降低了它的补强活性。2．白炭黑的结构

白炭黑的结构象炭黑，它的基本粒子呈球形。在生产过程中，这些基本粒子在高温状态下相互碰撞而形成了以化学键相连结的链枝状结构，这种结构称之为基本聚集体。链枝状结构彼此以氢键吸附又形成了次级聚集体结构，这种聚集体在加工混炼时易被破坏。三．白炭黑的表面化学性质 1．表面基团

图3-24 白炭黑的表面模型

相邻羟基（在相邻的硅原子上），它对极性物质的吸附作用十分重要；隔离羟基，主要存在于脱除水分的白炭黑表面上。这种羟基的含量，气相法白炭黑比沉淀法的要多，在升高温度时不易脱除；双羟基，在一个硅原子上连有两个羟基。

白炭黑表面的基团具有一定的反应性，表面的反应包括：失水及水解反应、与酰氯反应、与活泼氢反应、形成氢键等。2．白炭黑表面的吸附作用

白炭黑表面有很强的化学吸附活性，这与表面羟基有关。它可以和水以氢键形式结合，形成多分子吸附层。除此之外，它还可与许多有机小分子物质发生吸附作用。

多官能团的胺类或醇类的吸附性高于单官能团的，所以SiO2胶料中常用乙醇胺、乙二醇、三乙醇胺等多官能团化合物做活性剂。3．热行为

将白炭黑加热就会放出水分，随温度升高，放出水分量增加。在150~200℃之前，放出水最多，200℃以后趋向平缓，有明显的转折点，见图3-25。折点以前主要是吸附水脱附，折点后是表面羟基缩水反应。四．白炭黑对胶料工艺性能和硫化胶性能的影响

（一）白炭黑对胶料工艺性能的影响 1．胶料的混炼与分散

白炭黑由于比表面积很大，总趋向于二次聚集，加之在空气中极易吸收水分，致使羟基间易产生很强的氢键缔合，进一步提高了颗粒间的凝聚力，所以白炭黑的混炼与分散要比炭黑困难得多，而且在多量配合时，还容易生成凝胶，使胶料硬化，混炼时生热大。为获得良好的分散，就要求初始混炼时，保持尽可能高的剪切力，以便使白炭黑的这些聚集体粒子尽可能被破坏，而又不致使橡胶分子链发生过多的机械降解。为此，白炭黑应分批少量加入，以降低生热。适当提高混炼温度，有利于除掉一部分白炭黑表面吸附水分，降低粒子间的凝聚力，有助于白炭黑在胶料中的分散。2．白炭黑补强硅橡胶混炼胶中的结构控制

白炭黑，特别是气相法白炭黑是硅橡胶最好的补强剂，但有一个使混炼胶硬化的问题，一般称为“结构化效应”。其结构化随胶料停放时间延长而增加，甚至严重到无法返炼、报废的程度。对此有两种解释，一种认为是硅橡胶端基与白炭黑表面羟基缩合；另一方面认为硅橡胶硅氧链节与白炭黑表面羟基形成氢键。

防止结构化有两个途径，其一是混炼时加入某些可以与白炭黑表面羟基发生反应的物质，如羟基硅油、二苯基硅二醇、硅氮烷等。当使用二苯基硅二醇时，混炼后应在160~200℃下处理0.5~1h。这样就可以防止白炭黑填充硅橡胶的结构化。另一途径是预先将白炭黑表面改性，先去掉部分表面羟基，从根本上消除结构化。3．胶料的门尼粘度

白炭黑生成凝胶的能力与炭黑不相上下，因此在混炼白炭黑时，胶料的门尼粘度提高，以致于恶化了加工性能，故在含白炭黑的胶料配方中软化剂的选择和用量很重要。在IIR中往往加入石蜡烃类、环烷烃类和芳香烃类，用量视白炭黑用量多少及门尼粘度大小而异，一般可达15-30%。在NR中，以植物性软化剂如松香油、妥尔油等软化效果最好，合成的软化剂效果不大，矿物油的软化效果最低。4．胶料的硫化速度

白炭黑粒子表面有大量的微孔，对硫化促进剂有较强的吸附作用，因此明显地迟延硫化。为了避免这种现象，一方面可适当地提高促进剂的用量；另一方面可采用活性剂，使活性剂优先吸附在白炭黑表面，这样就减少了它对促进剂的吸附。

活性剂一般是含氮或含氧的胺类、醇类、醇胺类低分子化合物。对NR来说胺类更适合，如二乙醇胺、三乙醇胺、丁二胺、六亚甲基四胺等。对SBR来说，醇类更适合，如己三醇、二甘醇、丙三醇、聚乙二醇等。活性剂用量要根据白炭黑用量、PH值和橡胶品种而定，一般用量为白炭黑的1~3%。

（二）白炭黑对硫化胶性能的影响

白炭黑对各种橡胶都有十分显著的补强作用，其中对硅橡胶的补强效果尤为突出。

白炭黑是一种补强效果仅次于相应炉法炭黑的白色补强剂。含一定量白炭黑的硫化胶与相应炉法炭黑（如HAF）补强的硫化胶相比，具有强度高、伸长率大，撕裂强度高、硬度高、绝缘性好等优点。通常将炭黑和白炭黑并用，可以获得较好的综合性能。五．白炭黑的发展与应用方向 1．存在的问题（1）加工性能；（2）静电问题；（3）价格问题

2．白炭黑的发展与应用方向

当前，白炭黑的发展向高分散性、精细化、造粒化和表面改性化等方面发展。§3-7 有机补强剂

橡胶用有机补强剂包括合成树脂和天然树脂，但并非所有树脂都可用作补强剂。用作补强剂的树脂多为合成产品，如酚醛树脂、石油树脂及古马隆树脂。天然树脂有木质素等。许多树脂在胶料中同时兼有多种功能，如酚醛树脂可用作补强剂、增粘剂、纤维表面粘接剂、交联剂及加工助剂。石油树脂、高苯乙烯树脂也有多种功能。一．酚醛树脂

一般橡胶专用补强酚醛树脂的聚合必须加入第三单体，并通过油或胶乳改性合成的酚醛树脂，使其具有高硬度、高补强、耐磨、耐热及加工安全和与橡胶相容性好的特征。通用橡胶补强酚醛树脂主要有间苯-甲醛二阶酚醛树脂、贾树油或妥尔油改性二阶酚醛树脂和胶乳改性酚醛树脂。

酚醛树脂的化学结构特征如图3-27所示。

图3-27 酚醛树脂的化学结构特征

R1，R2为不同的烷基；X，Y为非金属原子或烷基

线形酚醛树脂商业化的产品主要有：美国Occidental公司的Durez系列、Schenectady公司的SP系列、Summit公司的Duphene系列、Polymer Applications公司的PA53系列；德国BASF公司的Koreforte系列；法国CECA公司的R系列；我国常州常京化学有限公司的PFM系列。

酚醛树脂主要用于刚性和硬度要求很高的胶料中，尤其常用于胎面部位（胎冠和胎面基部）和胎圈部位（三角胶和耐磨胶料）。二．石油树脂

石油树脂是石油裂解副产物的C5、C9馏分经催化聚合所制得的分子量油状或热塑性烃类树脂。按化学成分可分为芳香族石油树脂（C5树脂）、脂肪族石油树脂（C9树脂）、脂肪-芳香族树脂（C5/C9共聚树脂）、双环戊二烯树脂（DCPD树脂）以及这些树脂加氢后的加氢石油树脂。

C5石油树脂还可进一步分为通用型、调和型和无色透明型3种。DCPD树脂又有普通型、氢化型和浅色型3种之分。C9石油树脂，按原材料预处理及软化点分为PR1和PR2两种型号和多种规格。C5石油树脂软化点多在100℃左右，主要作为增粘剂用于NR和IR胶料中。C9石油树脂软化点为 90~100℃，主要用于油墨和涂料；软化点在120℃以上的C9石油树脂还可用作橡胶补强剂。C5/C9石油树脂为C5和C9两种成分兼有的树脂，软化点为 90~100℃，主要用于NR和SBR等橡胶和苯乙烯型热塑性弹性体。DCPD石油树脂软化点为 80~100℃，用于轮胎、涂料和油墨。氢化的DCPD树脂软化点可高达 100~140℃，主要用于各种苯乙烯型热塑性弹性体和塑料中。三．苯乙烯树脂

常用的高苯乙烯树脂由苯乙烯和丁二烯共聚制得，苯乙烯含量在85%左右，有橡胶状、粒状和粉状。高苯乙烯树脂

§3-10 新型纳米增强技术

近年来，橡胶的纳米增强及纳米复合技术日益引起人们浓厚的兴趣。纳米材料已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。纳米复合材料（nanocomposite）被定义为：补强剂（分散相）至少有一维尺寸小于100nm。与传统的复合材料相比，由于纳米粒子带来的纳米效应和纳米粒子与基体间强的界面相互作用，橡胶纳米复合材料具有优于相同组分常规聚合物复合材料的力学性能、热学性能，为制备高性能、多功能的新一代复合材料提供了可能。

作为纳米粉体，炭黑和白炭黑均具有纳米材料的大多数特性（如强吸附效应、自由基效应、电子隧道效应、不饱和价效应等）。根据炭黑和白炭黑的原生粒子以及它们在橡胶基质中的一次聚集体的尺寸，炭黑和白炭黑增强橡胶也属于纳米复合材料。也正因为如此，炭黑和白炭黑的高增强地位一直很难被取代。一．插层复合法 1．原理和分类

插层复合法是制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的方法。首先将单体或聚合物插入经插层剂处理的层状硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层结构，使其剥离成厚为1nm、面积为100nm×100nm的层状硅酸盐基本单元，并均匀分散在聚合物基体中，以实现高分子与粘土类层状硅酸盐在纳米尺度上的复合。按照复合过程，插层复合法可分为两大类。

（1）插层聚合（intercalation polymerization）。先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出的大量热量克服硅酸盐片层间的作用力，使其剥离，从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合。

（2）聚合物插层（polymer intercalation）。将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用力化学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中。

按照聚合反应类型的不同，插层聚合可以分为插层缩聚和插层加聚两种。聚合物插层又可分为聚合物溶液插层和聚合物熔融插层两种。从结构的观点来看，聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料可分为插层型（intercalated）和剥离型（exfolicated）纳米复合材料两种类型，其结构示意图见图3-28所示。

在插层型聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料中，聚合物插层进入硅酸盐片层间，硅酸盐的片层间距虽有所扩大，但片层仍然具有一定的有序性。在剥离型纳米复合材料中，硅酸盐片层被聚合物打乱，无规分散在聚合物基体中的是一片一片的硅酸盐单元片层，此时硅酸盐片层与聚合物实现了纳米尺度上的均匀混合。由于高分子链在层间受限空间与层外自由空间有很大的差异，因此插层型聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料可作为各向异性的功能材料，而剥离型聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有很强的增强效应。

图3-28 聚合物/层状硅酸盐复合材料的结构示意图

（a）相分离型微米复合材料；（b）插层型纳米复合材料；（c）剥离型纳米复合材料 2．层状硅酸盐

具有层状结构的粘土矿物包括高岭土、滑石、膨润土、云母四大类。目前研究较多并具有实际应用前景的层状硅酸盐是2：1型粘土矿物，如钠蒙脱土、锂蒙脱土和海泡石等，其单元晶层结构如图3-29所示。

层状硅酸盐的层间有可交换性阳离子，如Na+、Ca2+、Mg2+等，它们可与无机金属离子、有机阳离子型表面活性剂等进行阳离子交换进入粘土层间。通过离子交换作用导致层状硅酸盐层间距增加。在适当的聚合条件下，单体在片层之间聚合可能使层间距进一步增大，甚至解离成单层，使粘土以1nm厚的片层均匀分散在聚合物基体中。

图3-29 2:1型页硅酸盐单元晶层的结构

（片层的厚度约为1nm，层间距也约为1nm，片层的直径范围约为30nm到几个微米之间）3．插层剂的选用原则

插层剂的选择在制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的过程中是极其重要的一个环节，需要根据聚合物基体的种类以及复合工艺的具体条件来选择。

选择合适得插层剂需要重点考虑以下几个方面的因素：

（1）容易进入层状硅酸盐晶片间的纳米空间，并能显著增大粘土晶片间片层间距。

（2）插层剂分子应与聚合物单体或高分子链具有较强的物理或化学作用，以利于单体或聚合物插层反应的进行，并且可以增强粘土片层与聚合物两相间得界面粘结，有助于提高复合材料的性能。（3）价廉易得，最好是现有得工业品。

目前在制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料时常用的插层剂有烷基铵盐、季铵盐、吡啶类衍生物和其他阳离子型表面活性剂等。层状硅酸盐/橡胶纳米复合材料的性能特点是：纳米分散相为形状比（面积/厚度比）非常大的片层填料，限制大分子变形的能力比球形增强剂更强（但弱于常规短纤维），因而橡胶/粘土纳米复合材料具有较高的模量、硬度、强度等高增强性和其他特殊性能如：优异的气体阻隔性能和耐小分子溶胀和透过性能，耐油、耐磨、减震、阻燃、耐热、耐化学腐蚀。适用于轮胎内胎、气密层、薄膜、胶管、胶辊、胶带、胶鞋等制品。

二、溶胶-凝胶法

用溶胶-凝胶法原位生成SiO2增强橡胶是橡胶的纳米增强领域最为活跃的课题，其原理是将二氧化硅的某些反应前体，如四乙氧基硅烷（TEOS）等引入橡胶基质中，然后通过水解和缩合直接生成均匀分散的纳米尺度的SiO2粒子，从而对橡胶产生优异的增强作用。这种复合技术通常是在硫化胶中完成，TEOS最终在硫化胶网络中形成了粒径为10~50nm的SiO2粒子，该粒子直径分布窄，分散非常均匀，性能明显超过了直接填充沉淀法SiO2增强的橡胶。用此技术已制备了SBR，BR，聚二甲基硅氧烷（PDMS），NBR，IIR等纳米复合材料。橡胶/纳米SiO2复合材料中的分散相分散非常均匀，分散相的化学成分及结构、尺寸及其分布、表面特性等均可以控制，这不但为橡胶增强的分子设计提供了可能性，也为橡胶增强理论的研究提供了对象和素材。用该方法制备的纳米复合材料具有很高的拉伸强度和撕裂强度，优异的滞后生热和动/静态压缩性能，在最优化条件下的综合性能明显超过炭黑和白炭黑增强的橡胶纳米复合材料。限于技术的成熟性和产品的成本，该方法在橡胶工业中的广泛应用仍需进一步探讨。三．原位聚合增强法

近十年来，不饱和羧酸盐/橡胶纳米复合材料的研究日益受到人们的关注。这是一种利用原位自由基聚合生成分散相的纳米复合材料。所谓“原位聚合”增强，是指在橡胶基体中“生成”增强剂，典型的方法如在橡胶中混入一些与基体橡胶有一定相容性的带有反应性官能团的单体物质，然后通过适当的条件使其“就地”聚合成微细分散的粒子，并在橡胶中形成网络结构，从而产生增强作用。不饱和羧酸金属盐增强橡胶就是“原位聚合”增强的典型例子。1．不饱和羧酸盐的制备

不饱和羧酸盐的通式可用Mn+(RCOO-)n表示，其中M为价态为n的金属离子，R为不饱和烯烃。RCOO-可以是丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）和马来酸等的羧酸根离子，其中AA和MAA等α，β-不饱和羧酸最为常见。不饱和羧酸盐的制备一般是通过金属氧化物或氢氧化物与不饱和羧酸进行中和反应制得的。不饱和羧酸盐也可在橡胶中原位制得，即将金属氧化物和不饱和羧酸直接加入橡胶中，让中和反应在橡胶中原位发生。一般是在密炼机中将金属氧化物和橡胶混合均匀，再加入不饱和羧酸。2．不饱和羧酸盐补强橡胶的特点

早期不饱和羧酸盐作为过氧化物的活性交联助剂，提高交联效率。80年代后，不饱和羧酸盐在橡胶中的应用得到重视，发现不饱和羧酸盐不仅可以改善硫化特性，而且直接用不饱和羧酸盐补强的橡胶也具有较高的硬度和强度，逐渐用于一些产品的制造，如用于高尔夫球芯。日本ZEON公司也开发了商品名为ZSC的复合材料，应用于汽车零部件、油田开采等领域。与传统的炭黑补强相比，不饱和羧酸盐补强橡胶有以下特点：（1）在相当宽的硬度范围内都有着很高的强度；

（2）随着不饱和羧酸盐用量的增加，胶料粘度变化不大，具有良好的加工性能；（3）在高硬度时仍具有较高的伸长率；（4）较高的弹性。

3．不饱和羧酸盐补强橡胶的机理

不饱和羧酸盐补强的橡胶中存在着大量的离子交联键并分散着纳米粒子，这种结构特点使硫化胶具有独特的性能。

离子交联键具有滑移特性，能最大限度地将应力松弛掉，并产生较大的变形，因此能够赋予硫化胶高强度、高的断裂伸长率。不饱和羧酸盐在橡胶基体中发生聚合反应，生成的聚盐以纳米粒子的形式存在在橡胶中，并有一部分不饱和羧酸盐接枝到橡胶大分子上，从而改善了橡胶与填料粒子间的相容性。

橡胶，特别是合成橡胶的增强一直是橡胶领域的重要研究课题。炭黑和白炭黑增强一直占据着主导地位，统治着橡胶工业。而原位纳米复合技术的高分散性、可设计性（物理化学结构、界面、形状、尺寸及其分布等）却是橡胶技术追求的理想境界。因此发展价格低廉的新型纳米增强剂，寻找更科学、适用的纳米复合技术，是橡胶纳米增强研究的一个重要方向。同时，利用纳米复合技术开发特种和功能性新型纳米复合材料，以填补炭黑和白炭黑增强弹性体的性能空缺。

第五篇：金属热处理原理及工艺 期末总结

正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺

固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺 时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。Al-4Cu合金在时效过程中，过饱和固溶体的各个沉淀阶段，其顺序可概括为： 过饱和G.P.区过渡相过渡相(CuAl2)稳定相 固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型 时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度时效处理有自然时效和人工时效两种。

淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺

回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺

调质处理：将钢件淬火，随之进行高温回火，这种复合工艺称调质处理。表面热处理：改变钢件表面组织或化学成分，以其改面表面性能的热处理工艺。表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。化学热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺 渗碳：向钢的表面渗入碳原子，提高表面含碳量，提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性。

渗氮：在工件表面渗入氮原子，形成一个富氮硬化层的过程。提高材料表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，且渗氮性能优于渗碳。碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。提高表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，并兼具渗碳和渗氮的优点

完全退火和等温退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。

球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。

去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。铁素体(F)1.组织: 碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体2.特性: 呈体心立方晶格.溶碳能力最小,最大为0.02%;硬度和强度很低,HB=80-120,σb=250N/mm^2;而塑性和韧性很好,δ=50%,ψ=70-80%.因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件.这类钢有超低碳钢,如 0Cr13,1Cr13、硅钢片等

奥氏体1.组织: 碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。2.特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等 渗碳体(C)1.组织: 铁和碳的稳定化合物(Fe3C)2.特性: 呈复杂的八面体晶格.含碳量为6.67%,硬度很高,HRC70-75,耐磨,但脆性很大,因此,渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起.碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是

以渗碳体或其他碳化物形式出现

珠光体(P)1.组织;铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c 含碳0.8%）铁素体片和渗碳体

片交替排列的层状显微组织, 2.特性: 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物.其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细性质也不同.奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体),在500-600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体(有的一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高.正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中,故不如索氏体 莱氏体(L)1.组织: 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）2.特性: 铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130℃便凝固出莱氏体.当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体.因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合).莱氏体硬而脆(＞HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁.在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等.这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性

淬火与马氏体1.组织: 碳在α-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状2.特性:淬火后获得的不稳定组织.具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后的硬度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为HRC65,冲击韧性很低,脆性

很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零.奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低,奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏组织,其韧性最高 回火马氏体(S)1.组织: 与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织

2.特性:淬火钢重新加热到150-250℃回火获得的组织.硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格,但内应力比淬火马氏体小

索氏体(S)1.组织: 铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到500-680℃回火后获得的组织.与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性都高,随回火温度提高,硬度和强度降低,冲击韧性提高.硬度约为HRC23-35.综合机械性能比较好.索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体

屈氏体屈氏体(T)组织或特性

1.组织: 铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织2.特性:淬火钢重新加热到350-450℃回火后获得的组织.它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很致密,仍具有较高的强度和硬度,并有比马氏体好的韧性和塑性,硬度约为

HRC35-45.屈氏体有的叫二次屈氏体或回火屈氏体

下贝氏体(B)1.组织: 显微组织呈黑色针状形态,其中的铁素体呈现针状,而碳化物呈现极小的质点以弥散状分布在针状铁素体内2.特性:过冷奥氏体在400-240℃等温度转变后的产物.具有较高的硬度,约为HRC40-55,良好的塑性和很高的冲击韧性,其综合机械性能比索氏体更好;因此,在要求较大的、韧性和高强度相配合时,常以含有适当合金元素的中碳结构钢等温淬火,获得贝氏体以改善钢的机械性能,并减小内应力和变形 低碳马氏体具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(σb=1200-1600N/mm^2，σ0.2=1000-1300N/mm^2,δ5≥10%,ψ≥40%αk≥60J/cm^2);同时还有低的冷脆转化温度(≤-60℃);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下,其缺口敏感度和过载敏感性都较低.低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA综合力学性能,比中碳合金钢等温淬火获得的下贝氏体更好.保持了低碳钢的工艺性能,但切削加工较难.工艺

1.低碳钢及低碳合金钢制模具 例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具 例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。3.调质钢制模具 例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具 例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。论述钢材在热处理过程中出现脆化现象的主要原因及解决方法。答：①过共析钢奥氏体化后冷却速度较慢出现网状二次渗碳体时，使钢的脆性增加，脆性的网状二次渗碳体在空间上把塑性相分割开，使其变形能力无从发挥。解决方法，重新加热正火，增加冷却速度，抑制脆性相的析出。②淬火马氏体在低温回火时会出现第一类回火脆性，高温回火时有第二类回火脆性，第一类回火脆性不可避免，第二类回火脆性，可重新加热到原来的回火温度，然后快冷恢复韧性。③工件等温淬火时出现上贝氏体时韧性降低，重新奥氏体化后降低等温温度得到下贝氏体可以解解。④奥氏体化温度过高，晶粒粗大韧性降低。如：过共析钢淬火温度偏高，晶粒粗大，获得粗大的片状马氏体时，韧性降低；奥氏体晶粒粗大，出现魏氏组织时脆性增加。通过细化晶粒可以解决。

20CrMnTi、40CrNiMo、60Si2Mn、T12属于哪类钢？含碳量为多少？钢中合金元素的主要作用是什么？淬火加热温度范围是多少？常采用的热处理工艺是什么？最终的组织是什么？性能如何？

20CrMnTi为渗碳钢，含碳量为0.2%，最终热处理工艺是淬火加低温回火，得到回火马氏体，表面为高碳马氏体（渗碳后），强度、硬度高，耐磨性好；心部低碳马氏体（淬透）强韧性好。Mn与Cr 提高淬透性，强化基体，Ti阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。

40CrNiMo为调质钢，含碳量为0.4%，最终

热处理工艺是淬火加高温回火，得到回火索氏

体，具有良好的综合机械性能，Cr、Ni提高淬透性，强化基体，Ni提高钢的韧性，Mo细化晶粒，抑制第二类回火脆性。

60Si2Mn为弹簧钢，含碳量为0.6%，最终热处理工艺是淬火加中温回火，得到回火托氏体（或回火屈氏体），具有很高的弹性极限，Si、Mn提高淬透性，强化基体，Si提高回火稳定性。

T12钢为碳素工具钢钢，含碳量为1.2%，最终热处理工艺是淬火加低温回火，得到回火马氏体＋粒状Fe3C＋残余奥氏体（γ'），强度硬度高、耐磨性高，塑性、韧性差。

用T12钢（锻后缓冷）做一切削工具，工艺过程为：正火→球化退火→机加工成形→淬火→低温回火。各热处理工艺的目的是什么？得到什么组织？各种组织具有什么性能。

① 正火：消除网状的二次渗碳体，同时改善锻

造组织、消除锻造应力，得到片状的珠光体，片状的珠光体硬度较高，塑性韧性较差。② 球化退火：将片状的珠光体变成粒状珠光

体，降低硬度，便于机械加工；组织为粒状珠光体，这种组织塑性韧性较好，强度硬度较低。

③ 淬火：提高硬度、强度和耐磨性；组织为马

氏体＋粒状碳化物＋残余奥氏体；这种组织具有高强度高硬度，塑性韧性差。

④ 低温回火：减少或消除淬火应力，提高塑形

和韧性；组织为回火马氏体＋粒状碳化物＋残余奥氏体。回火组织有一定的塑性韧性，强度、硬度高，耐磨性高。

什么是淬火？目的是什么？具体工艺有哪些？简述淬火加热温度的确定原则。

把钢加热到临界点（Ac1或Ac3）以上保温并随之以大于临界冷却速度（Vc)冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。

淬火目的：提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。

具体工艺有：单液淬火法；中断淬火法(双淬火介质淬火法)；喷射淬火法；分级淬火法；等

温淬火法。

淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3＋(30～50℃)，过共析钢则为Ac1＋(30～50℃)，合金钢一般比碳钢加热温度高。确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。

某车床主轴（45钢）加工路线为： 下料→锻造→正火→机械加工→淬火（淬透）→高温回火→花键高频表面淬火→低温回火→半精磨→人工时效→精磨。正火、淬火、高温回火、人工时效的目的是什么？花键高频表面淬火、低温回火的目的是什么？表面和心部的组织是什么？

正火处理是为了得到合适的硬度，以便切削加工，同时改善锻造组织，消除锻造应力。淬火是为了得到高强度的马氏体组织，高温回火是为了得到回火索氏体，淬火＋高温回火称为调质，目的是为使主轴得到良好的综合力学性能。人工时效主要是为了消除粗磨削加工时产生的残余应力。花键部分用高频淬火后低温回火是为了得到回火马氏体，增加耐磨性。表面为回火马氏体，心部为回火索氏体组织。

低碳钢（15、20）、中碳钢（40、45）、共析钢（T8）获得良好综合力学性能的最终热处理工艺及组织。

低碳钢：淬火加低温回火，组织为回火马氏体。中碳钢：淬火加高温回火，组织为回火索氏体。共析钢：等温淬火，组织为下贝氏体。三

十九、正火、退火工艺选用的原则是什么？ 含0．25％C以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。对含碳0．25～0．50％的钢，一般采用正火。对含碳0．50～0．75％的钢，一般采用完全退火。含碳0．75～1．0％的钢，用来制造弹簧时采用完全退火作预备热处理，用来制造刀具时则采用球化退火。含碳大于1．0％的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。珠光体、贝氏体、马氏体的特征、性能特点是什么？

片状P体，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好；粒状P体，Fe3C颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高。第二相的数量越多，对塑性的危害越大；片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；上贝氏体为羽毛状，亚结构为位错，韧性差；下贝氏体为黑针状或竹叶状，亚结构为位错，位错密度高于上贝氏体，综合机械性能好；低碳马氏体为板条状，亚结构为位错，具有良好的综合机械性能；高碳马氏体为片状，亚结构为孪晶，强度硬度高，塑性和韧性差。

常用的热处理方法

一、退火目的：

1、降低硬度，便于切削加工；

2、细化晶粒，均匀组织，以改善钢件毛坯的机械性能，或者为下一步淬火做好准备；

3、消除内应力具体工艺有：扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和消除应力退火。

二、正火目的是使低碳和中碳钢件及渗碳机件的组织细化，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能。正火实质上是退火的一种特殊形式具有与退火相似的目的所不同的是冷却速度比退火快，可以缩短生产周期，比较经济。

三、淬火目的是提高钢件的硬度和强度。对于工具刚来说，淬火的主要目的是提高它的硬度，以保证刀具的切削性能和冲模工具及量具的耐磨性。有很多零件如齿轮、曲轴等，他们在工作时一方面要受磨，另一方面又要受到冲击作用，因此要求零件表面有很高的硬度，而中心有较好的韧性。这时可以利用表面淬火的方法来达到上述要求。表面淬火是应用将工件的表面迅速加热到淬火温度（这时金属内部的温度仍比较低），随后立即用水喷到工件表面上，进行急速冷却。这样就能获得表面硬、中心韧的要求。表面加热时，可用氧炔焰、高频电流或中频电流加热。

四、回火目的是消除淬火后的脆性和内应力，调整组织，提高钢件的塑性和冲击韧性。对于工具来说，是为了尽可能减少脆性保留硬度。对于零件来说是为了提高韧性，但不可避免的会使硬度降低。

五、调质淬火后高温回火，叫做调质。

目的是使钢件获得很高的韧性和足够的强度，使其具有良好的综合机械性能。很多重要零件如主轴、丝杠、齿轮等都是经过调质处理的。调质一般是在零件机械加工后进行的，也可把锻坯或经过粗加工的光坯调质后再进行机械加工。