材料與材料加工技術

1、材料加工技術講義徐剛，韓高榮編制浙江大學材料科學與工程學系二 0 一二年六月緒論材料是人類文明的物質(zhì)基礎，是社會進步和高新技術發(fā)展的先導。自上世 紀 70 年代開始，人們把信息、能源和材料看作是現(xiàn)代社會的三大支柱。新材料 和新材料技術的研究、 開發(fā)和應用反映了一個國家的科學技術與工業(yè)化水平。 以 大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術， 以光纖通信為代表的現(xiàn)代通信技術， 以及 及現(xiàn)代科技與技術于一體的載人航天技術等，幾乎所有的高新技術的發(fā)展與進 步，都以新材料和新材料技術的發(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)成材料科學與工程學四面

2、體的底面， 這充分反映了材料制 備及加工技術的重要作用和地位。 材料制備與加工技術的發(fā)展既對新材料的研究 開發(fā)、應用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用， 同時又可有效地改進和提高傳統(tǒng)材料的 使用性能， 對傳統(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 術的研究開發(fā)是目前材料科學與工程學最活躍的領域之一。材料種類很多，按材料的鍵合特點和組成分類，大致分為四大類：金屬材 料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料；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。相應地，為了適應不同種類材料的鍵合特點，和使用特 點及功能要

3、求，材料制備和加工技術也多種多樣。本講義是面向浙江大學材料科學與工程學專業(yè)學位碩士研究生培養(yǎng)而編寫 的“材料加工技術 ”。主要涉及金屬材料加工和陶瓷粉體成型燒結(jié)先進制備技術， 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、復合鑄造技術， 以及金屬粉體、陶瓷粉體制備，和先進陶瓷成型、 燒結(jié)等材料加工新技術新工藝。 注重材料制備及加工技術案例分析， 從技術個案的起源、 開發(fā)、改進和完善的整 個過程，對材料加工技術特點及其原理進行系統(tǒng)介紹， 重點突出新技術創(chuàng)新的基 本規(guī)律，培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新和利用新技術開發(fā)新材料的能力。第一章材料與材料加工技術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， 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，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)代社會發(fā)展 的高新技術的出現(xiàn)和發(fā)展， 都是以新材料和新材料制備加工技術的發(fā)展和突破為 前提的。材料是人類社會文明發(fā)展的基礎，整個人類文明通常是用當時的一種重要 的材料來斷代的 （圖 1-1）。人類的各個歷史時期有各自的新材料， 每一種新材料 的出現(xiàn)，都促進了人類文明的發(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。 青銅器、鐵器的出現(xiàn)，促進了農(nóng)業(yè)生

5、產(chǎn)的發(fā)展?，F(xiàn)代硅材料和光纖材料的應用， 使人類社會進入了信息時代。圖 1-1 人類歷史按材料的斷代按材料的組成和結(jié)合鍵的特點分類是一種比較科學的分類方法，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、 無機非金屬材 料、高分子材料和復合材料四大類。 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。無機非金屬材料主要是由離子鍵或共價鍵結(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。 復合材料是由兩種或兩種以上不同種類的材料復合 而成的，它不僅保留了組成材料的各自優(yōu)點， 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重要性。圖 1-2 各類材料在不同歷史階段的相對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、機械及工業(yè)設計等。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)應用正在大量的影響著現(xiàn)代社 會的進步和發(fā)展。1.2 材料加工技術材料科學與工程四面體材料科學與工程學形成和提出于上世紀 60年代。X射線衍射分析術和電子 顯微術的發(fā)明和應用， 使得人們可以對材料的微觀結(jié)構(gòu)進行分析和研究。 現(xiàn)代材 料科學與工程由四個基本要素構(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。 這四個基本要素之間形成所謂的四面體

8、關系 （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致晶粒的細化，進而導致材料的塑性降低，強度、硬度提高圖 1-3 材料科學與工程四面體關于材料的制備、成型與加工技術的研究開發(fā)是目前材料科學與工程中最 活躍的研究領域之一。 材料先進制備、 成型與加工技術的發(fā)展， 既對新材料的研 究開發(fā)、應用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用， 同時可有效的改進和提高傳統(tǒng)材

9、料的 使用性能， 對傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的改造具有重要作用。 材料加工技術的創(chuàng)新、 應用已 成為新材料研發(fā)的一條重要途徑。材料加工技術的分類材料加工技術分類主要有兩種方法， 一是按照傳統(tǒng)的三級學科來進行分類， 二是按照叫概念股過程中被加工材料所處的相態(tài)來進行分類。 按照傳統(tǒng)的三級學 科進行分類，材料加工方法分為，機床加工（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兩種分類方法的分類框圖。（a）按傳統(tǒng)學科分類（b）按材料相態(tài)分類圖

10、 1-3 材料加工技術分類材料加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及主要發(fā)展方向 材料先進制備預成型加工技術的研究開發(fā)是近三十年來材料科學與工程學 領域最為活躍的方向之一。快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄軋、復合鑄造、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 批先進技術和工藝不斷發(fā)展和完善， 并逐步獲得實際應用， 促進了傳統(tǒng)材料的升 級換代，加速了新材料的研發(fā)、 生產(chǎn)和應用， 解決了高技術領域發(fā)展對特種高性 能材料的制備加工與組織性能精確控制的急需。當前，材料加工技術的總體發(fā)展趨勢，可以概括為三個綜合，即過程綜合、 技術綜合和學科綜合。 過程綜合主要包括兩個方面的含義， 一

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

12、材料設計、制備、成形與加工處理的全過程中對材料的組織性能 和形狀尺寸進行精確控制。第一個特征是實現(xiàn)材料加工技術的第五次革命，進入新材料設計與植被加 工工藝時代的重要標志。 實現(xiàn)第二個特征則要求具有兩個基本條件， 一是計算機模擬與仿真技術的高度發(fā)展，二是材料數(shù)據(jù)庫的高度完備化。 以上材料加工技術的發(fā)展趨勢和特征主要表現(xiàn)在以下幾個主要發(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，簡化工藝 環(huán)節(jié)，實現(xiàn)最終形、短流程地連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，同時達到節(jié)能降耗， 減輕環(huán)境負擔的目的， 是材料制備與成形加工的主要發(fā)展方向之一， 也是實現(xiàn)傳 統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)升級換代的主要關鍵之一。 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 技術和新工藝。（2）發(fā)展先進的成形加工技術，實現(xiàn)組織與性能的精確控制。發(fā)展非平衡 凝固技術、電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術、等溫成型技術等先進成形技術，通過 控制冷卻速度或附加外場的作用， 改善材料的組織，實現(xiàn)對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)展先進層狀復合材料成形、 先進超塑性成形等 技術，有利于發(fā)展新材料，促進新材料的應用。（3）材料設計、制備及成形加工一體化。發(fā)展材料設計、制備及成型加工 一體化技術，可以實現(xiàn)先進材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。典型的 材料設計、 制備及成型加工一體化技術有噴射成形、 粉末注射成形、 激光快速成 形等技術， 是用于不銹鋼、 高溫合金、鈦合金、南融合金、陶瓷材料、 復合材料、 梯度功能材料零部件制備預成型加工的研究熱點。 材料設計、 制備及成形加工一 體化是實現(xiàn)真正意義上的