材料與材料加工技術(shù)

1、材料加工技術(shù)講義徐剛，韓高榮編制浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系二 0 一二年六月緒論材料是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)進(jìn)步和高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)。自上世 紀(jì) 70 年代開始，人們把信息、能源和材料看作是現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱。新材料 和新材料技術(shù)的研究、 開發(fā)和應(yīng)用反映了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)化水平。 以 大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)， 以光纖通信為代表的現(xiàn)代通信技術(shù)， 以及 及現(xiàn)代科技與技術(shù)于一體的載人航天技術(shù)等，幾乎所有的高新技術(shù)的發(fā)展與進(jìn) 步，都以新材料和新材料技術(shù)的發(fā)展為突破和前提。材料的制備與加工，和材料的成分與結(jié)構(gòu)，材料的性能是決定材料使用性 能的三大基本要素， 構(gòu)成材料科學(xué)與工程學(xué)四面

2、體的底面， 這充分反映了材料制 備及加工技術(shù)的重要作用和地位。 材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展既對(duì)新材料的研究 開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用， 同時(shí)又可有效地改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的 使用性能， 對(duì)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的更新改造具有重要作用。 因此，材料制備與加工技 術(shù)的研究開發(fā)是目前材料科學(xué)與工程學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一。材料種類很多，按材料的鍵合特點(diǎn)和組成分類，大致分為四大類：金屬材 料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料；按材料的用途分類，既可分為結(jié) 構(gòu)材料和功能材料兩大類，也可細(xì)分為建筑材料、信息材料、能源材料、生物材 料、航空航天材料等等。相應(yīng)地，為了適應(yīng)不同種類材料的鍵合特點(diǎn)，和使用特 點(diǎn)及功能要

3、求，材料制備和加工技術(shù)也多種多樣。本講義是面向浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)而編寫 的“材料加工技術(shù) ”。主要涉及金屬材料加工和陶瓷粉體成型燒結(jié)先進(jìn)制備技術(shù)， 包括：金屬材料快速凝固、定向凝固、半固態(tài)加工、連續(xù)鑄軋、復(fù)合鑄造技術(shù)， 以及金屬粉體、陶瓷粉體制備，和先進(jìn)陶瓷成型、 燒結(jié)等材料加工新技術(shù)新工藝。 注重材料制備及加工技術(shù)案例分析， 從技術(shù)個(gè)案的起源、 開發(fā)、改進(jìn)和完善的整 個(gè)過程，對(duì)材料加工技術(shù)特點(diǎn)及其原理進(jìn)行系統(tǒng)介紹， 重點(diǎn)突出新技術(shù)創(chuàng)新的基 本規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新和利用新技術(shù)開發(fā)新材料的能力。第一章材料與材料加工技術(shù)1.1 材料與新材料 材料是人類用以制作各種用于

4、產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)， 新材料主要是指最近發(fā)展起來的或正在發(fā)展中的具有特殊功能或效用的材料。 現(xiàn) 代社會(huì)，大規(guī)模集成電路、 光纖通信、 航空航天等幾乎所有的影響現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展 的高新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展， 都是以新材料和新材料制備加工技術(shù)的發(fā)展和突破為 前提的。材料是人類社會(huì)文明發(fā)展的基礎(chǔ)，整個(gè)人類文明通常是用當(dāng)時(shí)的一種重要 的材料來斷代的 （圖 1-1）。人類的各個(gè)歷史時(shí)期有各自的新材料， 每一種新材料 的出現(xiàn)，都促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。 陶器是人工制備的第一種材料， 也是人類文 明發(fā)展出現(xiàn)的第一種新材料。陶器的出現(xiàn)，使得人類生產(chǎn)獲得的物品得以存儲(chǔ)。 青銅器、鐵器的出現(xiàn)，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生

5、產(chǎn)的發(fā)展?，F(xiàn)代硅材料和光纖材料的應(yīng)用， 使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。圖 1-1 人類歷史按材料的斷代按材料的組成和結(jié)合鍵的特點(diǎn)分類是一種比較科學(xué)的分類方法，也是一種 最傳統(tǒng)和常用的分類方法。 按照這種方法， 材料常分為金屬材料、 無機(jī)非金屬材 料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。 金屬材料是以金屬鍵結(jié)合的材料。 工業(yè)上常 把金屬材料分為兩類，即黑色金屬和有色金屬。黑色金屬通常包括鐵、錳、鉻及 其合金，其中以鐵基合金應(yīng)用最廣。 有色金屬是指黑色金屬以外的所有金屬及其 合金。無機(jī)非金屬材料主要是由離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合的金屬氧化物或金屬非氧化 物組成的，主要包括陶瓷、 玻璃和水泥。高分子材料是主要由分子量特

6、別大的高 分子化合物構(gòu)成的有機(jī)合成材料， 它的主要成分是碳和氫。 高分子材料主要有三 類，塑料、 橡膠和合成纖維。 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同種類的材料復(fù)合 而成的，它不僅保留了組成材料的各自優(yōu)點(diǎn)， 而且具有單一材料所不具備的優(yōu)異 性能。這四類材料在人類文明發(fā)展的不同歷史階段所具有相對(duì)重要性是不斷變化 的。圖 1-2 描述了這四類材料在不同歷史年代的相對(duì)重要性。圖 1-2 各類材料在不同歷史階段的相對(duì)重要性按材料的用途分類，一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類。結(jié)構(gòu)材料一般具 有良好的力學(xué)性能， 可以承受一定的載荷、 沖擊或磨損等， 主要用于建筑土木工 程、機(jī)械及工業(yè)設(shè)計(jì)等。這一類材料主要包括：

7、金屬材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、水泥混凝 土構(gòu)件，工程塑料等。 功能材料是具有某些特殊的物理性能， 如聲、光、電、熱、 磁等，或功能的材料稱為功能材料。功能材料又可細(xì)分為生物材料、智能材料、 生態(tài)環(huán)境材料、信息功能材料等。 功能材料的開發(fā)應(yīng)用正在大量的影響著現(xiàn)代社 會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。1.2 材料加工技術(shù)材料科學(xué)與工程四面體材料科學(xué)與工程學(xué)形成和提出于上世紀(jì) 60年代。X射線衍射分析術(shù)和電子 顯微術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用， 使得人們可以對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。 現(xiàn)代材 料科學(xué)與工程由四個(gè)基本要素構(gòu)成： 即材料的組成與結(jié)構(gòu)， 材料的性質(zhì)， 材料的 制備與加工，和材料的使用性能。 這四個(gè)基本要素之間形成所謂的四面體

8、關(guān)系 （圖 1-3）。材料的組成與結(jié)構(gòu)、材料的性質(zhì)和材料的制備與加工等三要素構(gòu)成四面體 的基面， 決定著材料的使用效能。 同時(shí)構(gòu)成基面的三要素之間， 材料的性質(zhì)決定 于材料的組成、 結(jié)構(gòu)，而材料的組成與結(jié)構(gòu)又受材料的制備和加工的影響， 進(jìn)而 材料的制備和加工也影響著材料的性質(zhì)。 如金屬材料塑性加工可以導(dǎo)致晶粒的細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致材料的塑性降低，強(qiáng)度、硬度提高圖 1-3 材料科學(xué)與工程四面體關(guān)于材料的制備、成型與加工技術(shù)的研究開發(fā)是目前材料科學(xué)與工程中最 活躍的研究領(lǐng)域之一。 材料先進(jìn)制備、 成型與加工技術(shù)的發(fā)展， 既對(duì)新材料的研 究開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用， 同時(shí)可有效的改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材

9、料的 使用性能， 對(duì)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的改造具有重要作用。 材料加工技術(shù)的創(chuàng)新、 應(yīng)用已 成為新材料研發(fā)的一條重要途徑。材料加工技術(shù)的分類材料加工技術(shù)分類主要有兩種方法， 一是按照傳統(tǒng)的三級(jí)學(xué)科來進(jìn)行分類， 二是按照叫概念股過程中被加工材料所處的相態(tài)來進(jìn)行分類。 按照傳統(tǒng)的三級(jí)學(xué) 科進(jìn)行分類，材料加工方法分為，機(jī)床加工（包括：車、削、刨、磨等） 、鑄造 （凝固成形）、粉末冶金、塑性加工、焊接、熱處理等。按照被加工材料在加工 過程中的所處的相態(tài)，材料加工技術(shù)分為：氣態(tài)加工、液態(tài)加工、半固態(tài)加工和 固態(tài)加工。圖 1-3 列出了材料加工技術(shù)兩種分類方法的分類框圖。（a）按傳統(tǒng)學(xué)科分類（b）按材料相態(tài)分類圖

10、 1-3 材料加工技術(shù)分類材料加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及主要發(fā)展方向 材料先進(jìn)制備預(yù)成型加工技術(shù)的研究開發(fā)是近三十年來材料科學(xué)與工程學(xué) 領(lǐng)域最為活躍的方向之一。快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄軋、復(fù)合鑄造、精密鑄 造、半固態(tài)加工、粉末注射成形、陶瓷凝澆注模成形、熱等靜壓成型等等，一大 批先進(jìn)技術(shù)和工藝不斷發(fā)展和完善， 并逐步獲得實(shí)際應(yīng)用， 促進(jìn)了傳統(tǒng)材料的升 級(jí)換代，加速了新材料的研發(fā)、 生產(chǎn)和應(yīng)用， 解決了高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展對(duì)特種高性 能材料的制備加工與組織性能精確控制的急需。當(dāng)前，材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為三個(gè)綜合，即過程綜合、 技術(shù)綜合和學(xué)科綜合。 過程綜合主要包括兩個(gè)方面的含義， 一

11、是指材料設(shè)計(jì)、 制 備、成形與加工的一體化，二是指多個(gè)過程的綜合化。如噴射成形技術(shù)、半固態(tài) 加工技術(shù)、鑄軋一體化等。技術(shù)綜合是指除了加工工程越來越發(fā)展成為一門多種 技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)， 尤其體現(xiàn)為制備、 成形、加工技術(shù)等與計(jì)算機(jī)模擬 設(shè)計(jì)、控制技術(shù)的綜合。學(xué)科綜合體現(xiàn)為材料工程學(xué)科內(nèi)鑄造、塑性加工、熱處 理、連接之間的綜合，以及材料工程學(xué)科與材料物理化學(xué)、材料科學(xué)的綜合，與 計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息工程、環(huán)境工程等學(xué)科的跨學(xué)科綜合。由以上材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)見，在今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)， 材料制備、成形與加工技術(shù)的發(fā)展將具有以下兩個(gè)主要特征：（一）性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的一體化； （二）在

12、材料設(shè)計(jì)、制備、成形與加工處理的全過程中對(duì)材料的組織性能 和形狀尺寸進(jìn)行精確控制。第一個(gè)特征是實(shí)現(xiàn)材料加工技術(shù)的第五次革命，進(jìn)入新材料設(shè)計(jì)與植被加 工工藝時(shí)代的重要標(biāo)志。 實(shí)現(xiàn)第二個(gè)特征則要求具有兩個(gè)基本條件， 一是計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)的高度發(fā)展，二是材料數(shù)據(jù)庫的高度完備化。 以上材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)主要發(fā)展方向：（1）材料制備與成形加工的短流程化和高效化?？s短工藝流程，簡(jiǎn)化工藝 環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最終形、短流程地連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗， 減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的目的， 是材料制備與成形加工的主要發(fā)展方向之一， 也是實(shí)現(xiàn)傳 統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的主要關(guān)鍵之一。 薄板坯

13、連鑄連軋是。 半固態(tài)成形、 連續(xù)鑄 軋、連續(xù)鑄擠等是鋼鐵生產(chǎn)中比較典型的、 成功的短流程化工藝， 是通過將凝固 玉成形來能夠個(gè)過程合二為一， 形成以節(jié)能降耗， 提高生產(chǎn)效率為主要特征的新 技術(shù)和新工藝。（2）發(fā)展先進(jìn)的成形加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織與性能的精確控制。發(fā)展非平衡 凝固技術(shù)、電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、等溫成型技術(shù)等先進(jìn)成形技術(shù)，通過 控制冷卻速度或附加外場(chǎng)的作用， 改善材料的組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料組織的精確控制， 不僅可以提高傳統(tǒng)材料的使用性能， 而且有利于改善難加工材料與難成形材料的 加工性能， 提高產(chǎn)品的附加值。 發(fā)展先進(jìn)層狀復(fù)合材料成形、 先進(jìn)超塑性成形等 技術(shù)，有利于發(fā)展新材料，促進(jìn)新材料的應(yīng)用。（3）材料設(shè)計(jì)、制備及成形加工一體化。發(fā)展材料設(shè)計(jì)、制備及成型加工 一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。典型的 材料設(shè)計(jì)、 制備及成型加工一體化技術(shù)有噴射成形、 粉末注射成形、 激光快速成 形等技術(shù)， 是用于不銹鋼、 高溫合金、鈦合金、南融合金、陶瓷材料、 復(fù)合材料、 梯度功能材料零部件制備預(yù)成型加工的研究熱點(diǎn)。 材料設(shè)計(jì)、 制備及成形加工一 體化是實(shí)現(xiàn)真正意義上的