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材料与材料加工技术.doc

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材料加工技术讲义徐 刚,韩高荣 编制浙江大学材料科学与工程学系二 0 一二年六月绪论材料是人类文明的物质基础,是社会进步和高新技术发展的先导。自上世纪 70 年代开始,人们把信息、能源和材料看作是现代社会的三大支柱。新材料和新材料技术的研究、开发和应用反映了一个国家的科学技术与工业化水平。以大规模集成电路为代表的微电子技术,以光纤通信为代表的现代通信技术,以及及现代科技与技术于一体的载人航天技术等,几乎所有的高新技术的发展与进步,都以新材料和新材料技术的发展为突破和前提。材料的制备与加工,和材料的成分与结构,材料的性能是决定材料使用性能的三大基本要素,构成材料科学与工程学四面体的底面,这充分反映了材料制备及加工技术的重要作用和地位。材料制备与加工技术的发展既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用,同时又可有效地改进和提高传统材料的使用性能,对传统材料产业的更新改造具有重要作用。因此,材料制备与加工技术的研究开发是目前材料科学与工程学最活跃的领域之一。材料种类很多,按材料的键合特点和组成分类,大致分为四大类:金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料;按材料的用途分类,既可分为结构材料和功能材料两大类,也可细分为建筑材料、信息材料、能源材料、生物材料、航空航天材料等等。相应地,为了适应不同种类材料的键合特点,和使用特点及功能要求,材料制备和加工技术也多种多样。本讲义是面向浙江大学材料科学与工程学专业学位硕士研究生培养而编写的“材料加工技术 ”。主要涉及金属材料加工和陶瓷粉体成型烧结先进制备技术,包括:金属材料快速凝固、定向凝固、半固态加工、连续铸轧、复合铸造技术,以及金属粉体、陶瓷粉体制备,和先进陶瓷成型、烧结等材料加工新技术新工艺。注重材料制备及加工技术案例分析,从技术个案的起源、开发、改进和完善的整个过程,对材料加工技术特点及其原理进行系统介绍,重点突出新技术创新的基本规律,培养学生自主创新和利用新技术开发新材料的能力。第一章 材料与材料加工技术1.1 材料与新材料材料是人类用以制作各种用于产品的物质,是人类赖以生存的物质基础,新材料主要是指最近发展起来的或正在发展中的具有特殊功能或效用的材料。现代社会,大规模集成电路、光纤通信、航空航天等几乎所有的影响现代社会发展的高新技术的出现和发展,都是以新材料和新材料制备加工技术的发展和突破为前提的。材料是人类社会文明发展的基础,整个人类文明通常是用当时的一种重要的材料来断代的(图 1-1) 。人类的各个历史时期有各自的新材料,每一种新材料的出现,都促进了人类文明的发展。陶器是人工制备的第一种材料,也是人类文明发展出现的第一种新材料。陶器的出现,使得人类生产获得的物品得以存储。青铜器、铁器的出现,促进了农业生产的发展。现代硅材料和光纤材料的应用,使人类社会进入了信息时代。图 1-1 人类历史按材料的断代按材料的组成和结合键的特点分类是一种比较科学的分类方法,也是一种最传统和常用的分类方法。按照这种方法,材料常分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。金属材料是以金属键结合的材料。工业上常把金属材料分为两类,即黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬及其合金,其中以铁基合金应用最广。有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。无机非金属材料主要是由离子键或共价键结合的金属氧化物或金属非氧化物组成的,主要包括陶瓷、玻璃和水泥。高分子材料是主要由分子量特别大的高分子化合物构成的有机合成材料,它的主要成分是碳和氢。高分子材料主要有三类,塑料、橡胶和合成纤维。复合材料是由两种或两种以上不同种类的材料复合而成的,它不仅保留了组成材料的各自优点,而且具有单一材料所不具备的优异性能。这四类材料在人类文明发展的不同历史阶段所具有相对重要性是不断变化的。图 1-2 描述了这四类材料在不同历史年代的相对重要性。图 1-2 各类材料在不同历史阶段的相对重要性按材料的用途分类,一般分为结构材料和功能材料两类。结构材料一般具有良好的力学性能,可以承受一定的载荷、冲击或磨损等,主要用于建筑土木工程、机械及工业设计等。这一类材料主要包括:金属材料、结构陶瓷、水泥混凝土构件,工程塑料等。功能材料是具有某些特殊的物理性能,如声、光、电、热、磁等,或功能的材料称为功能材料。功能材料又可细分为生物材料、智能材料、生态环境材料、信息功能材料等。功能材料的开发应用正在大量的影响着现代社会的进步和发展。1.2 材料加工技术1.2.1 材料科学与工程四面体材料科学与工程学形成和提出于上世纪 60 年代。X 射线衍射分析术和电子显微术的发明和应用,使得人们可以对材料的微观结构进行分析和研究。现代材料科学与工程由四个基本要素构成:即材料的组成与结构,材料的性质,材料的制备与加工,和材料的使用性能。这四个基本要素之间形成所谓的四面体关系(图 1-3) 。材料的组成与结构、材料的性质和材料的制备与加工等三要素构成四面体的基面,决定着材料的使用效能。同时构成基面的三要素之间,材料的性质决定于材料的组成、结构,而材料的组成与结构又受材料的制备和加工的影响,进而材料的制备和加工也影响着材料的性质。如金属材料塑性加工可以导致晶粒的细化,进而导致材料的塑性降低,强度、硬度提高。图 1-3 材料科学与工程四面体关于材料的制备、成型与加工技术的研究开发是目前材料科学与工程中最活跃的研究领域之一。材料先进制备、成型与加工技术的发展,既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用,同时可有效的改进和提高传统材料的使用性能,对传统材料产业的改造具有重要作用。材料加工技术的创新、应用已成为新材料研发的一条重要途径。1.2.2 材料加工技术的分类材料加工技术分类主要有两种方法,一是按照传统的三级学科来进行分类,二是按照叫概念股过程中被加工材料所处的相态来进行分类。按照传统的三级学科进行分类,材料加工方法分为,机床加工(包括:车、削、刨、磨等) 、铸造(凝固成形) 、粉末冶金、塑性加工、焊接、热处理等。按照被加工材料在加工过程中的所处的相态,材料加工技术分为:气态加工、液态加工、半固态加工和固态加工。图 1-3 列出了材料加工技术两种分类方法的分类框图。(a)按传统学科分类 (b)按材料相态分类图 1-3 材料加工技术分类1.2.3 材料加工技术的发展现状、趋势及主要发展方向材料先进制备预成型加工技术的研究开发是近三十年来材料科学与工程学领域最为活跃的方向之一。快速凝固、定向凝固、连续铸轧、复合铸造、精密铸造、半固态加工、粉末注射成形、陶瓷凝浇注模成形、热等静压成型等等,一大批先进技术和工艺不断发展和完善,并逐步获得实际应用,促进了传统材料的升级换代,加速了新材料的研发、生产和应用,解决了高技术领域发展对特种高性能材料的制备加工与组织性能精确控制的急需。当前,材料加工技术的总体发展趋势,可以概括为三个综合,即过程综合、技术综合和学科综合。过程综合主要包括两个方面的含义,一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化,二是指多个过程的综合化。如喷射成形技术、半固态加工技术、铸轧一体化等。技术综合是指除了加工工程越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学,尤其体现为制备、成形、加工技术等与计算机模拟设计、控制技术的综合。学科综合体现为材料工程学科内铸造、塑性加工、热处理、连接之间的综合,以及材料工程学科与材料物理化学、材料科学的综合,与计算机科学、信息工程、环境工程等学科的跨学科综合。由以上材料加工技术的总体发展趋势可以预见,在今后较长的一段时间内,材料制备、成形与加工技术的发展将具有以下两个主要特征:(一)性能设计与工艺设计的一体化;(二)在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。第一个特征是实现材料加工技术的第五次革命,进入新材料设计与植被加工工艺时代的重要标志。实现第二个特征则要求具有两个基本条件,一是计算机模拟与仿真技术的高度发展,二是材料数据库的高度完备化。以上材料加工技术的发展趋势和特征主要表现在以下几个主要发展方向:(1)材料制备与成形加工的短流程化和高效化。缩短工艺流程,简化工艺环节,实现最终形、短流程地连续化生产,提高生产效率,同时达到节能降耗,减轻环境负担的目的,是材料制备与成形加工的主要发展方向之一,也是实现传统材料产业升级换代的主要关键之一。薄板坯连铸连轧是。半固态成形、连续铸轧、连续铸挤等是钢铁生产中比较典型的、成功的短流程化工艺,是通过将凝固玉成形来能够个过程合二为一,形成以节能降耗,提高生产效率为主要特征的新技术和新工艺。(2)发展先进的成形加工技术,实现组织与性能的精确控制。发展非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成型技术等先进成形技术,通过控制冷却速度或附加外场的作用,改善材料的组织,实现对材料组织的精确控制,不仅可以提高传统材料的使用性能,而且有利于改善难加工材料与难成形材料的加工性能,提高产品的附加值。发展先进层状复合材料成形、先进超塑性成形等技术,有利于发展新材料,促进新材料的应用。(3)材料设计、制备及成形加工一体化。发展材料设计、制备及成型加工一体化技术,可以实现先进材料与零部件的高效、近终形、短流程成形。典型的材料设计、制备及成型加工一体化技术有喷射成形、粉末注射成形、激光快速成形等技术,是用于不锈钢、高温合金、钛合金、南融合金、陶瓷材料、复合材料、梯度功能材料零部件制备预成型加工的研究热点。材料设计、制备及成形加工一体化是实现真正意义上的全过程组织性能精确控制的前提和基础。(4)开发新型制备及成型加工技术。发展新材料和新产品。块体非晶合金制备与应用技术、连续定向凝固成型技术、电磁约束成型技术、双结晶器连铸及充芯连铸复合技术等是近年来开发的新型制备预成形加工技术。这些技术在特种材料、高性能材料的制备与成型加工方面具有各自的特色,受到国内外的广泛关注。(5)发展计算机数值模拟与过程仿真技术,构筑完善的材料数据库。(6)材料智能化制备与成型加工技术。
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