概論-材料加工工程

材料加工工程第1章概述第2章金屬材料液態(tài)成型第3章金屬材料塑性成型第4章金屬材料連接成型第5章金屬材料切削加工第6章無機非金屬材料加工第7章高分子材料加工第8章復(fù)合材料制備與加工第1章概述1.1材料加工工程1.2材料的性能1.3材料的分類1.4材料加工工藝及分類1.5材料加工新趨勢1.1材料加工工程1.1.1材料的概念材料是用來制作各種有用器件或物品的物質(zhì)。材料到器件或物品時存在一個加工過程。材料的性能由物質(zhì)的性質(zhì)決定，由其組成、組織結(jié)構(gòu)及存在狀態(tài)決定。1.1材料加工工程1.1.2材料加工工程材料加工工程是以材料加工工藝為研究對象的一門綜合性技術(shù)課程。重點是理解材料的性能、組織結(jié)構(gòu)、成分、加工工藝之間的關(guān)系；掌握工藝方法、工藝原理、工藝過程。目標是能根據(jù)需要進行材料的選擇、加工工藝路線和方法的選用和設(shè)計。1.2材料的性能1.2.1材料性能的含義材料性能是指材料在一定條件下，實現(xiàn)預(yù)定目的或者規(guī)定用途的能力。材料性能包括使用性能和工藝性能（加工性能）。材料的使用性能可分為兩類：一種是特征性能。一種是功能物性。

1.2材料的性能特征性能，屬于材料本身固有的性質(zhì)。熱學(xué)性能：熱容、熱導(dǎo)率、熔化熱、熱膨脹、熔沸點等。力學(xué)性能：彈性模量、拉伸強度、抗沖強度、屈服強度、耐疲勞強度、硬度等。電學(xué)性能：電導(dǎo)率、電阻率、介電性能、擊穿電壓等。磁學(xué)性能：順磁性、反磁性、鐵磁性1.2材料的性能特征性能，屬于材料本身固有的性質(zhì)。光學(xué)性能：光的反射、折射、吸收、透射以及發(fā)光、熒光等性質(zhì)。化學(xué)性能即材料參與化學(xué)反應(yīng)的活潑性和能力：耐腐蝕性、催化性能、離子交換性能等。1.2材料的性能功能物性，指在一定條件和一定限度內(nèi)對材料施加某種作用時，通過材料將這種作用轉(zhuǎn)化為另一形式功能的性質(zhì)。包括：熱-電轉(zhuǎn)換性能（熱敏電阻、紅外探測等）、光-熱轉(zhuǎn)換性能（如將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬钠桨逍图療崞鳎?、?電轉(zhuǎn)換性能（太陽能電池）、力-電轉(zhuǎn)換性能、磁-光轉(zhuǎn)換性能、電-光轉(zhuǎn)換性能、聲-光轉(zhuǎn)換性能等。1.2材料的性能1.2.2材料工藝（加工）性能

是指材料適應(yīng)加工工藝要求的能力，也就是材料被加工的能力。它是材料能否大量工業(yè)應(yīng)用的一個重要因素。材料工藝性能往往是由材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能綜合決定的。1.2材料的性能工藝性能包括五大方面：鑄造性能：澆注時，液體能充滿鑄型并得到優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。衡量指標主要有：流動性、收縮性、偏析。

鍛造性能：材料進行壓力加工的性能，取決于材料的塑性和變形抗力。

焊接性能：材料進行焊接及保證焊縫質(zhì)量的能力。

1.2材料的性能切削性能：進行機械加工的能力。成型性能：拉、壓、拔、沖等另包括：可鍛性，沖切性，頂鍛性，冷彎性，熱處理工藝性。1.3材料的分類不同組成和結(jié)構(gòu)的材料性能不同按組成、結(jié)構(gòu)特點分金屬材料MetallicMaterials無機非金屬材料InorganicMaterials高分子材料Polymers復(fù)合材料Composites1.3材料的分類根據(jù)化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)特點分類如圖1.3材料的分類不同使用性能的材料用途不一樣按使用性能分結(jié)構(gòu)材料（StructuralMaterials）——主要利用材料的力學(xué)性能功能材料（FunctionalMaterials）——主要利用材料的物理和化學(xué)性能1.3材料的分類1.3.1金屬材料金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。其特征是存在大量的離域電子。金屬氧化物是否屬于金屬材料？1.3材料的分類絕大多數(shù)金屬元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地殼之中。首先通過各種方法將金屬元素從礦物中提取出來，接著對粗煉金屬產(chǎn)品進行精練提純和合金化處理，然后澆注成錠，加工成形，才能得到所需成分、組織和規(guī)格的金屬材料。1.3材料的分類金屬材料的特性具有金屬光澤良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性拋光表面的反光性延展性塑性等金屬材料由于具有良好的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能和工藝性能，獲得廣泛的應(yīng)用。1.3材料的分類金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。黑色金屬又稱鋼鐵材料。包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵，含碳小于2%的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。有色金屬是指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等，有色合金的強度和硬度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復(fù)合材料等。1.3材料的分類1.3.2無機非金屬材料（InorganicMaterials）無機化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。單質(zhì)材料：單晶硅、金剛石、石墨等。以陶瓷為主?？捎米鹘Y(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子材料等。半導(dǎo)體材料：單晶硅、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等。用于制造集成電路、固態(tài)激光器、發(fā)光二極管、晶體管等。1.3材料的分類1.3.3高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機化合物。天然高分子材料：木材、天然橡膠、棉花、動物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡膠和合成纖維。功能高分子材料：工程塑料、導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物醫(yī)用高分子材料、反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑及高分子試劑等。1.3材料的分類1.3.4復(fù)合材料（Composites）復(fù)合材料：由兩種或多種不同材料組合而成的材料。既保留原組分材料的特性，又具有原單一組分材料所無法獲得的或更優(yōu)異的特性。金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料相互之間或同種材料之間均可復(fù)合形成復(fù)合材料。自然界的復(fù)合材料：例如樹木和竹子為纖維素和木質(zhì)素的復(fù)合體；動物骨骼則是由無機磷酸鹽和蛋白質(zhì)膠原復(fù)合而成。古老的復(fù)合材料：稻草增強粘土以及漆器（麻纖維和土漆復(fù)合而成）。傳統(tǒng)的復(fù)合材料：鋼筋混凝土，玻璃鋼。1.4材料工藝及分類材料工藝包括材料生產(chǎn)工藝和材料加工工藝。材料生產(chǎn)工藝就是把天然原料或人造原料經(jīng)過物理和化學(xué)變化而變成有用材料的工藝技術(shù)。材料加工工藝就是把材料制備成具有一定形狀尺寸和性能的制品的工藝技術(shù)。主要指材料的成形加工、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的控制以及表面處理等。材料加工工藝的本質(zhì)是利用熔化、結(jié)晶、塑性變形、擴散、相變等各種物理、化學(xué)變化使工件成形，以達到預(yù)定的設(shè)計要求。1.4.材料工藝及分類有些材料的生產(chǎn)和加工是合二為一的，如陶瓷。材料的性能取決于材料的組織和成分，而材料的使用性能最終取決于材料的制備與成形加工過程。材料只有通過各種加工，如制取、改性和成形等，最終形成產(chǎn)品，才能體現(xiàn)其功能和價值。材料工藝技術(shù)的突破往往成為新材料和新產(chǎn)品能否問世的關(guān)鍵。1.4材料工藝及分類材料加工四要素關(guān)系示意圖1.4料工藝及分類材料的成形加工工藝過程是制造高質(zhì)量、低成本產(chǎn)品的中心環(huán)節(jié)，是材料科學(xué)與工程四要素中極為關(guān)鍵的一個要素，是促進新材料研究、開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的決定因素。通常我們常提到的“材料科學(xué)與工程”的概念，工程部分往往指的就是材料的工藝和技術(shù)，故人們常常把新材料、新工藝、新技術(shù)相提并論。好的產(chǎn)品不僅需要好的設(shè)計，還需要好的加工工藝來保證和實現(xiàn)。1.4材料工藝及分類材料生產(chǎn)工藝主要在材料制備技術(shù)類課程中學(xué)習(xí)。材料加工工藝的分類材料的組成和結(jié)構(gòu)不同，則材料加工工藝也不同。

金屬材料加工工藝無機非金屬材料加工工藝高分子材料加工工藝復(fù)合材料加工工藝1.4材料工藝及分類金屬材料加工工藝主要有：金屬液態(tài)成形工藝金屬塑性成形工藝金屬連接成形工藝金屬切削加工工藝金屬粉末冶金工藝金屬熱處理工藝金屬材料的加工工藝

1.4材料工藝及分類1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢先進加工技術(shù)的主要發(fā)展領(lǐng)域：（1）常規(guī)制造技術(shù)的優(yōu)化（2）新型（非常規(guī)）加工方法的發(fā)展（3）專業(yè)學(xué)科間的建設(shè)逐漸淡化、消失（4）工藝設(shè)計由經(jīng)驗走向定量分析（5）信息技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊

密結(jié)合1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.1精密成型總趨勢由近形向凈形發(fā)展，即向精密成形方向發(fā)展。如轎車其鑄、鍛件生產(chǎn)工藝的發(fā)展趨勢為以輕代重、以薄代厚、少無切削精密化、成線成套、高效自動化。

以精密成型為代表的新一代材料加工技術(shù)包括：精密鑄造成形、精密塑性成形、精密連接成形、激光精密加工、特種精密加工等。1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.2材料制備與成形一體化是指各個環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)越來越緊密、多個工序綜合化（或短程化），如半固態(tài)成形技術(shù)、創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)制造技術(shù)、噴射成形技術(shù)、激光快速成形、連續(xù)鑄軋技術(shù)等。

它可實現(xiàn)先進材料與零部件的高效、近凈形、短流程成形，也是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及化合物、陶瓷、復(fù)合材料、梯度功能材料等零部件制備成形的好方法。1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.3復(fù)合成形

復(fù)合成形工藝有鑄鍛復(fù)合、鑄焊復(fù)合、鍛焊復(fù)合和不同塑性成形方法的復(fù)合等。

如：液態(tài)模鍛、連續(xù)鑄軋、沖壓件的焊接成形等。1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.4數(shù)字化成形材料的數(shù)字化成形：加工前形成過程的模擬仿真和組織預(yù)測，加工過程中材料成形的數(shù)字化控制，加工后產(chǎn)品質(zhì)量的自動檢測（X光檢查、磁粉探傷等）等。最終目標：優(yōu)化成形加工方法和工藝，實現(xiàn)對制備、成形與加工全過程的精確設(shè)計與精確控制，對制品零件的內(nèi)在質(zhì)量實施自動檢測。1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.5材料成形自動化

自動化是一種把復(fù)雜的機械、電子和以計算機為基礎(chǔ)的系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)操作和控制中，使生產(chǎn)在較少人工操作與干預(yù)下自動進行的技術(shù)。

實現(xiàn)材料成形加工過程的自動化，可以大大提高勞動生產(chǎn)率、降低工人的勞動強度，避免人力生產(chǎn)中的人為因素（如疲勞、情緒景況影響等），保障產(chǎn)品的質(zhì)量與精度，大大降低原材料的消耗。

因此，自動化是高質(zhì)量、快速生產(chǎn)的前提，也是人類現(xiàn)代化的主要標志。1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢1.5.6綠色清潔生產(chǎn)

材料成形加工行業(yè)一直是勞動環(huán)境較惡劣的行業(yè)、也是對環(huán)境污染較大的行業(yè)之一，改善操作環(huán)境，實現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)應(yīng)是21世紀材料加工成形行業(yè)的奮斗目標。除塵設(shè)備、降噪設(shè)備的使用，使得工人的操作環(huán)境及勞動條件大為改善；生產(chǎn)廢料（廢渣、廢氣、廢水等）再生回用（或無害處理），大大減少了生產(chǎn)資源浪費和對環(huán)境的污染，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的時代要求。采用綠色材料與綠色成形工藝，可優(yōu)化工廠環(huán)境、實現(xiàn)無工業(yè)污染物排放。機器人焊接……激光焊接流水線1.5材料加工技術(shù)發(fā)展趨勢快速成形技術(shù)機器零