陜西理工學院 材料學院,現代材料加工方法 （Advanced Materials Processing ）,1. 教 材 材料加工新技術與新工藝（材料加工工程研究生教材） 謝建新 等編著 冶金工業出版社 2004.03,2. 參考書 材料先進制備與成形加工技術 謝建新 等編著 科學出版社 2007.01,第1章 緒論,1. 材料與材料技術,2. 材料加工技術,3課程內容及性質、目的和任務,1. 材料與材料技術 1.1 材料與新材料 材料 定義：是人類用以制造用于生活和生產的物品、器件、構件、機器以及其他產品的物質。 自然界能夠用來制作有用器件的物質。 能為人類經濟地制造有用器件的物質。 人類的生存、生活離不開材料，甚至人類歷史也是以當時主要使用的材料來進行劃分： 石器時代 (取火術的發明，金屬冶煉技術)青銅時代鐵器時代 (煉金術、化學、人工制備、 合成材料) 現代復合材料時代（金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料）。,可見，材料的品種與數量是隨著科學技術和生產力的發展而發展的。這是衡量一個國家科學技術和經濟發展的重要標志。材料是人類進步的里程碑，是人類文明的標志。 材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，也是社會現代化的物質基礎與先導。 自20 世紀70年代，人們就把信息、能源和材料譽為人類文明的三大支柱，把材料的重要性提高到了一個前所未有的高度。 20世紀80年代又把新材料技術與信息技術、生物技術一起列為高新技術革命的重要標志。 事實上，新材料的研究、開發與應用反映著一個國家的科學技術與工業化水平。, 新材料 定義： 是指那些新出現或正在發展之中的，具有優異性能或特定功能的材料。 例如：以大規模集成電路為代表的微電子技術、 以光纖通信為代表的通信技術、 以核磁共振成像系統與磁懸浮技術等應用為典型代表的超導技術、 以載人飛船或航天飛機為代表的航空航天技術等等。 幾乎所有的高新技術的發展與進步，都以新材料和新材料技術的發展和突破為前提。, 材料的分類： 按化學結構或組成分類： 一般認為材料可以分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料三大類。 此外，將兩種或兩種以上的材料復合而成的復合材料，具有許多單一材料所不具有的優點，被廣泛地應用于國民經濟和國防領域。 復合材料的各組元，既可以是上述三大類材料中的同一類，也可以是不同大類中的材料。對于后一種情形的復合材料，一般難以將其歸于上述三大類材料中的哪一類材料。因此，往往將復合材料也算作一大類材料，即認為材料是由金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料四大類組成。, 按用途分類： 根據材料的用途，還可以將其分為兩類，即結構材料與功能材料。 結構材料以力學性能為主要要求指標，用以制造以受力為主的構件。根據用途不同，對結構材料同時也要求物理或化學性能，如熱導率、耐腐蝕、耐高溫等性能。 功能材料則是利用材料特有的物理或化學性能，以實現能量轉換、儲存、輸送或完成特定動作功能的一類材料。同樣，根據使用場合不同，對功能材料同時也要求一定的力學性能，如強度、耐磨性等。, 應用領域分類： 根據材料的具體應用領域，將其細分為： 電子信息材料、 能源材料、 生態環境材料、 生物醫用材料、 化工材料、 航天航空材料、 機械工程材料、 建筑材料等。 顯然，這種分類方法有一定的任意性。,（a）按化學結構或組成分類,(b)按用途分類, 材料的分類：,1.2 材料技術,迄今為止，尚沒有一個關于材料技術的確切、權威的定義。 技術是一種本領，是技能、技巧與技藝的總稱。 因此，材料技術可以理解為是關于材料的制備、成形與加工、表征與評價，以及材料的使用和保護的知識、經驗和訣竅。 從學科的觀點來考慮，也可以將材料技術定義為：將材料科學和其他相關學科(如計算機、機械、自動控制)的知識應用于材料(制備)生產和使用的實際，以獲得所需的材料產品、提高材料的使用效能的技藝。,一般而言，按照大的分類，材料技術主要包括以下幾類技術： (1) 制備技術，如高分子材料合成技術、粉體制備、人工晶體、材料復合技術等； (2) 成形與加工技術，如凝固成形、塑性加工、連接、注射成形技術等： (3) 改質改性技術，如各種熱處理技術、材料三束改性技術等： (4) 防護技術，如涂層處理、鋼板鍍鋅等； (5) 評價表征技術，如力學性能試驗、成形性試驗、無損探傷、顯微結構分析等； (6) 模擬仿真技術，如組織性能預報、過程仿真技術等； (7) 檢測與監控技術，如在線檢測技術、實時監控技術等。,以上所列各項技術還可以進行細分，例如塑性加工技術又可分為軋制技術、擠壓技術、鍛造技術、板成形技術等。 實際上，上述所列七類技術并不是相互獨立、互不關聯的。例如，材料科學技術的發展，促進了制備與成形加工技術的一體化(如噴射成形、半固態流變成形、連續鑄軋與連續鑄擠、粉末冶金技術等)，評價與模擬仿真技術的一體化，成形加工與改質改性技術的一體化(如控軋控冷)，等等。,同樣，在不同的情況下，上述各類技術的界限也不是惟一的，有時甚至是不明顯的。例如，對于高分子、陶瓷材料，制備與成形加工具有較為明顯的界限，而對于金屬材料，尤其是冶金與材料生產領域，材料制備與成形加工的界限是很難確定的。 材料技術的發展與進步不但是傳統材料生產、改性、提高生產效率、降低成本、延長服役壽命的基本保證，而且也對促進新材料的研究開發、應用和產業化具有決定性的作用。,快速凝固技術(冷卻速度大于103l04Ks)的出現和應用，為金屬材料的發展開辟了一條新的途徑：首先是開發了具有許多優異性能的新型金屬材料金屬非晶材料(也稱金屬玻璃)；其次是可以獲得超細晶材料，顯著提高傳統金屬材料的性能；再其次通過快速凝固技術發現了準晶相的存在，改變了晶體學中的傳統觀念。 納米技術的應用，不僅對改善傳統材料(例如納米改性技術)具有重要作用，而且可以開發具有優異性能的新材料，如納米陶瓷粉末、納米復合材料等。 材料改質改性技術的應用，可以在不增加資源消耗、減輕環境負擔的條件下，大幅度地提高材料使用性能和服役壽命，創造出重大的經濟與社會效益。,1.3 材料技術的發展與現狀 材料是人類社會進步的里程碑。從石器時代到青銅器時代，再到鐵器時代，人類社會每一次飛躍性的進步，都與材料和材料技術的發展密切相關，而材料技術在其中發揮了前導性甚至是決定性的作用。 材料加工（materials processing），通常所說的鑄造成形、塑性加工、焊接、熱處理等的材料加工概念。 從整個人類歷史發展的觀點來看待材料加工技術的發展，可以認為迄今為止材料加工技術發生了5次革命性的變化。,大約從公元前4000年開始，人類從漫長的石器時代進入青銅器時代，所使用的工具由石器進化到金屬。以銅的熔煉技術和鑄造技術的出現為契機，人類開始掌握對自然資源進行加工的技術，產生了革命性的變化。因此，可以認為從石器時代進人青銅器時代，人類歷史上產生了第一次材料技術革命。正是由于第一次材料技術革命，使人類得以從漫長的石器時代進化到青銅器時代，人類的生產和社會活動產生了一次質的飛躍。,從公元前13501400年前后開始，由于鐵的大規模冶煉技術和鍛造技術的發展，導致了人類從青銅器時代進入鐵器時代，首先是工具與武器得到飛躍發展，生產率水平大幅度地提高?？梢哉J為，以大規模煉鐵技術和鍛造技術為代表的材料加工技術的出現和發展，促成了人類歷史上的第二次材料技術革命。,公元1500年前后合金化技術的出現與發展(第三次材料技術革命)，以及20世紀初期合成材料技術的步展(第四次材料技術革命)，推動了近代和現代工業的快速發展，尤其是材料合成技術和復合技術的出現和發展，為人類現代文明做出了巨大的貢獻。 20世紀后期以來，由于電子信息、航空航天等尖端技術的迅速發展，對新材料的研究與開發起到了很強的促進作用，涌現出以高溫超導材料、精細陶瓷材料、納米材料為代表的新材料與新材料技術。,新材料的研制與其制備加工工藝的開發往往是非同步的。 高溫超導材料、先進金屬-陶瓷梯度功能材料等，作為先進材料的優越性與實用價值非常明顯，但尚缺少高效、低成本的制備加工技術。 例如，高溫超導線材的長尺寸化制備加工技術，實用金屬-陶瓷連續梯度功能材料的成形方法等，材料技術的開發明顯落后于材料設計、材料性能的研究進展，從而制約了這些高性能先進材料的實際應用。,在進入2l世紀后的可以預見的較長一段時期內，材料科學的主要發展目標是，按照使用要求來設計材料的性能，并同時設計出可以獲得其性能的可行(即高效、低成本、環境友好)的制備加工工藝，以實現材料設計-制備加工工藝-組織性能精確控制技術的有機結合與統一。 材料設計包括材料的成分與結構、性能與使用效能、制備與加工工藝的設計。 這一發展目標可以認為是材料技術的第五次革命。實際上，這一革命已于20世紀90年代開始，較有代表性的是人工點陣和復合材料，其中以人工多層膜和層狀復合材料最能夠體現這一技術革命的特征。,2 材料加工技術(方法) 2.1 材料加工技術的作用與地位 材料加工技術， 材料加工方法， 材料加工工藝。 加工：改變原材料，毛坯或半成品的形狀、性質或表面狀態，使之達到規定要求的各種工作的統稱。 技術：就是運用知識、工具和技能解決實際問題，擴展人的 能力。 方法：現指為達到某種目的而采取的途徑、步驟、手段等。 工藝：是指將材料或半成品經過藝術加工制作為成品的工作、方法、技藝等 。,現代材料科學與工程由四個基本要素組成： 成分與結構、 性質、 制備與加工工藝(技術)、 使用性能。 它們之間形成所謂的四面體關系，如圖1-2所示。,材料的制備與加工，與材料的成分和結構、材料的性質一起，構成決定材料使用性能的最基本的三大要素，也充分反映了材料制備與加工技術的重要作用和地位。 在圖1-2所示的四面體結構中，不但清楚地示出了材料的使用性能與其他三個因素之間的關系，而且也體現了其他三個因素之間的相互影響關系。 例如，材料的性質與結構均受到制備加工工藝的影響。 非晶態金屬材料的性質和結構均與相同組成(成分)的晶態材料相差很遠，其主要原因就是由于制備加工工藝與參數所致。,關于材料的制備、成形與加工技術的研究和開發，是目前材料科學技術中最活躍的領域之一。 材料先進制備、成形與加工技術的發展，既對新材料的研究開發、應用和產業化具有決定性的作用，同時可有效地改進和提高傳統材料的使用性能，對傳統材料產業的更新改造具有重要作用。 發展材料先進制備、成形與加工技術，對于提高綜合國力，保障國家安全，改善人民生活質量，促進材料科學技術自身的進步與發展具有重要作用，也是國民經濟和社會可持續發展的重大需求。,2.2 材料加工技術的分類,圖1-3材料加工技術的分類 (a)按傳統三級學科分類； (b)按被加工材料所處相態分類,按照傳統的三級學科（機械類冷加工、熱加工（鑄、鍛、焊、熱處理）進行分類，材料加工技術(方法)包括機加工(車銑刨磨鉆等)、凝固加工(鑄造)、塑性加工(壓力加工)、焊接(連接)、熱處理、粉末冶金（冶金專業）等。 按照被加工材料在加工時所處的相態不同進行分類，材料加工技術包括氣態加工、液態加工（凝固成形）、半固態加工、固態加工。,2.3 材料加工技術的發展趨勢與方向 材料加工技術的總體發展趨勢 材料加工技術的總體發展趨勢，可以概括為三個綜合，即過程綜合、技術綜合、學科綜合。 過程綜合 主要包括兩個方面的含義，其一是指材料設計、制備、成形與加工的一體化，各個環節的關聯越來越緊密；其二是指多個過程(如凝固與成形)的綜合化，或稱短流程化，如噴射成形技術、半固態加工技術、鑄軋一體化技術等。, 技術綜合 是指材料加工工程越來越發展成為一門多種技術相結合的應用技術科學，尤其體現為制備、成形、加工技術與計算機技術(計算機模擬與過程仿真)、信息技術的綜合，與各種先進控制技術的綜合等。 學科綜合 則體現為傳統三級學科(鑄造、塑性加工、熱處理、連接)之間的綜合，與材料物理與化學、材料學等二級學科的綜合，與計算機科學、信息工程、環境工程等材料科學與工程學科以外的其他一級學科的綜合。其中，與材料科學與工程的其他二級學科的綜合的最大特點是，各二級學科之間的界限越來越不明顯，學科滲透與相互依賴性越來越強。,從一定意義上來講，學科綜合的發展趨勢起因于現代科學技術的發展要求“按照使用要求來設計材料的性能”的特點。 例如，要研制(生產)一種新材料，或加工一種新產品，需要綜合研究和解決材料設計、材料的組成與結構、材料制備與加工工藝、材料服役行為(包括與環境的交互作用)、材料的保護與再利用等一系列問題，既包括材料科學與工程的所有二級、三級學科問題，也包括計算機科學技術、控制工程等其他一級學科問題。,材料制備、成形與加工技術的發展將具有以下兩個主要特征： (1) 性能設計與工藝設計的一體化； (2) 在材料設計、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。 第一個特征是實現材料技術的第五次革命、進人新材料設計與制備加工工藝時代的重要標志。 第二個特征則要求具備兩個基本條件： 一是計算機模擬與仿真技術的高度發展； 二是材料數據庫的高度完備化。, 金屬材料加工技術的主要發展方向 基于上述材料加工技術的總體發展趨勢和特征，金屬材料加工技術的主要發展方向包括以下幾個方面。 A 常規材料加工工藝的短流程化和高效化 打破傳統的材料成形與加工模式，縮短生產工藝流程，簡化工藝環節，實現近終形、短流程的連續化生產，提高生產效率。 例如，半固態流變成形、連續鑄軋、連續鑄擠等是將凝固與成形兩個過程合二為一，實行精確控制，形成以節能、降耗，提高生產效率為主要特征的新技術和新工藝。,目前，國外鋁合金和鎂合金半固態加工技術已經進入較大規模工業應用階段。 鋁合金半固態成形方法主要有流變壓鑄、觸變壓鑄、觸變鍛造等； 鎂合金半固態成形的成熟技術目前只有半固態觸變注射成形(thixomolding)技術。 半固態加工技術的一個重要發展方向是在高熔點的鋼鐵材料和鈦合金中的應用。鈦合金用途廣泛，但成形加工困難，開發鈦合金半固態加工技術具有重要的實際意義。 連續鑄軋是一種將金屬熔體直接軋制成薄帶坯或成品帶材的工藝。,B 發展先進的成形加工技術，實現組織與性能的精確控制 發展先進的成形加工技術，實現組織與性能的精確控制?？梢蕴岣邆鹘y材料的使用性能，改善難加工材料的加工性能，開發高附加值材料。 例如，發展非平衡凝固技術、電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術，可在材料的制備過程中通過冷卻速度的控制或附加外場的作用。改善材料的組織，大幅度地提高材料的性能。 應用等溫成形技術、低溫強加工技術，可通過對成形加工過程和工藝參數(溫度、變形程度等)的精確控制，精確控制材料的組織與性能，或發展難加工材料與難成形零部件的成形加工技術，提高材料(零部件)的附加價值。,發展先進層狀復合材料成形、先進超塑性成形等技術，有利于發展新材料，促進新材料的應用。 激光焊接、電子束焊接、擴散焊接、摩擦焊接等先進連接技術的發展，解決了高性能先進材料的連接技術難題，其應用范圍將不斷擴大。20世紀90年代初出現的攪拌摩擦焊接技術在熔融焊接困難(如金屬基復合材料)或焊縫質量要求特別嚴格(如宇航與軍事領域)的材料連接等方面，具有潛在的應用前景。,C 材料設計(包括成分設計、性能設計與工藝設計)，制備與成形加工一體化 發展材料設計、制備與成形加工一體化技術，可以實現先進材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。 典型的技術有噴射成形、粉末注射成形、激光快速成形等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷、復合材料、梯度功能材料零部件制備技術的研究熱點。,D 開發新型制備與成形加工技術，發展新材料和新制品 大塊非晶合金制備與應用技術、連續定向凝固成形技術、電磁約束成形技術、雙結晶器連鑄與充芯連鑄復合技術、多坯料擠壓技術、微成形加工技術等，是近年來開發的新型制備與成形加工技術。這些技術在特種高性能材料或制品(零部件)的制備與加工方面具有各自的特色，受到國內外的廣泛關注。 采用金屬氣體共晶定向凝固方法(也稱Gasar法)制備的規則多孔金屬材料，與傳統的燒結或發泡劑法制備的多孔材料相比，具有孔隙內表面光滑，呈圓柱狀，沿凝固方向規則排列的特點，使其力學性能、導熱性能、過濾能力等大幅度提高，應用前景良好。,先進包覆材料的用途越來越廣，但現有各種制備方法具有工藝復雜，界面質量控制困難，生產成本較高等缺點。為克服這些缺點而開發的充芯連鑄法具有包覆層厚度與界面質量可控性強的特點，適合于包覆層金屬熔點高于芯材金屬熔點的特種高性能復合材料(如銅包鋁)的直接成形。 與規?；?、專業化連續成形與加工技術適合于批量生產相反，為了滿足現代科學技術對材料或部件需求的多樣性，一種適合于多品種、小批量的新型成形加工技術增分成形(incremental forming，或稱逐步成形)技術得到迅速發展，以板成形為代表的增分成形技術已經達到實用化水平。,E 發展計算機數值模擬與過程仿真技術，構筑完善的材料數據庫 計算機數值模擬、過程仿真技術的迅速發展，對材料加工技術的研究和發展起到了重要的促進作用。 發展計算機數值模擬、過程仿真技術的最終目的是為了優化成形加工方法和工藝，實現對制備、成形與加工全過程的精確設計與精確控制。 為了提高數值模擬與過程仿真技術的廣泛適用性、結果可靠性，構筑系統、全面、通用性強的材料數據庫是必不可少的。有些