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1、现代材料加工方法现代材料加工方法1.1.教教 材材材料加工新技术与新工艺材料加工新技术与新工艺（材料加工工程（材料加工工程研究生教材）研究生教材）谢建新谢建新 等编著等编著 冶金工业出版社冶金工业出版社 2004.03 2004.032.2.参考书参考书材料先进制备与成形加工技术材料先进制备与成形加工技术谢建新谢建新 等编著等编著 科学出版社科学出版社 2007.01 2007.01第第1 1章章 绪论绪论1.1.材料与材料技术材料与材料技术2.2.材料加工技术材料加工技术3 3课程内容及性质、目的和任务课程内容及性质、目的和任务1.材料与材料技术材料与材料技术1.1 材料与新材料材料与新材料
2、 材料材料 定义：是人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器以及其他产品的物质。自然界能够用来制作有用器件的物质。能为人类经济地制造有用器件的物质。人类的生存、生活离不开材料，甚至人类历史也是以当时主要使用的材料来进行划分：石器时代石器时代(取火术的发明，金属冶炼技术)青铜时代青铜时代铁器时代铁器时代(炼金术、化学、人工制备、合成材料)现代现代复合材料时代复合材料时代（金属材料、无机非金属材料、高分子材料）。可见，材料的品种与数量是随着科学技术和生产力的发展而发展的。这是衡量一个国家科学技术和经济发展的重要标志。材料是人类进步的里程碑，是人类文明的标志。材料是人类赖以生存和发展的物质
3、基础，也是社会现代化的物质基础与先导。自20 世纪70年代，人们就把信息信息、能源能源和材料材料誉为人类文明的三大支柱，把材料的重要性提高到了一个前所未有的高度。20世纪80年代又把新材料技术新材料技术与信息技术信息技术、生物技术生物技术一起列为高新技术革命的重要标志。事实上，新材料新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业化水平。新材料新材料 定义：是指那些新出现或正在发展之中的，具有优异性能优异性能或特特定功能定功能的材料。例如：以大规模集成电路为代表的微电子技术微电子技术、以光纤通信为代表的通信技术通信技术、以核磁共振成像系统与磁悬浮技术等应用为典型代表的超导技术超导技术、以
4、载人飞船或航天飞机为代表的航空航天技术航空航天技术等等。几乎所有的高新技术高新技术的发展与进步，都以新材料新材料和新材新材料技术料技术的发展和突破发展和突破为前提。材料的分类：材料的分类：按化学结构或组成分类按化学结构或组成分类：一般认为材料可以分为金属材料金属材料、无机非金属材料无机非金属材料、高高分子材料分子材料三大类。此外，将两种或两种以上的材料复合而成的复合材料复合材料，具有许多单一材料所不具有的优点，被广泛地应用于国民经济和国防领域。复合材料复合材料的各组元，既可以是上述三大类材料中的同一类，也可以是不同大类中的材料。对于后一种情形的复合材料，一般难以将其归于上述三大类材料中的哪一类
5、材料。因此，往往将复合材料也算作一大类材料，即认为材料材料是由金金属材料属材料、无机非金属材料无机非金属材料、高分子材料高分子材料、复合材料复合材料四大类组成。按用途分类：按用途分类：根据材料的用途，还可以将其分为两类，即结构材料结构材料与功能材料功能材料。结构材料结构材料以力学性能力学性能为主要要求指标，用以制造以受受力力为主的构件。根据用途不同，对结构材料同时也要求物理或化学性能，如热导率、耐腐蚀、耐高温等性能。功能材料功能材料则是利用材料特有的物理或化学性能特有的物理或化学性能，以实现能量转换、储存、输送或完成特定动作功能的一类材料。同样，根据使用场合不同，对功能材料同时也要求一定的力学
6、性能，如强度、耐磨性等。应用领域分类：应用领域分类：根据材料的具体应用领域，将其细分为：电子信息材料电子信息材料、能源材料能源材料、生态环境材料生态环境材料、生物医用材料生物医用材料、化工材料化工材料、航天航空材料航天航空材料、机械工程材料机械工程材料、建筑材料建筑材料等。显然，这种分类方法有一定的任意性。材料材料金属材料无机非金属材料高分子材料 复合材料材料材料结构材料功能材料航天航空材料化工材料机械工程材料建筑材料电子信息材料能源材料生态环境材料生物医用材料（a）按化学结构或组成分类 (b)按用途分类 材料的分类：材料的分类：1.2 材料技术材料技术 迄今为止，尚没有一个关于材料技术材料技
7、术的确切、权威的定义。技术技术是一种本领，是技能、技巧与技艺的总称。因此，材料技术材料技术可以理解为是关于材料的制备制备、成形成形与加工加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍。从学科的观点来考虑，也可以将材料技术材料技术定义定义为：将材料科学和其他相关学科(如计算机、机械、自动控制)的知识应用于材料(制备)生产和使用的实际，以获得所需的材料产品、提高材料的使用效能的技艺。一般而言，按照大的分类，材料技术材料技术主要包括以下几类技术：(1)制备技术制备技术，如高分子材料合成技术、粉体制备、人工晶体、材料复合技术等；(2)成形与加工技术成形与加工技术，如凝固成形、塑性加工、连接、
8、注射成形技术等：(3)改质改性技术改质改性技术，如各种热处理技术、材料三束改性技术等：(4)防护技术防护技术，如涂层处理、钢板镀锌等；(5)评价表征技术评价表征技术，如力学性能试验、成形性试验、无损探伤、显微结构分析等；(6)模拟仿真技术模拟仿真技术，如组织性能预报、过程仿真技术等；(7)检测与监控技术检测与监控技术，如在线检测技术、实时监控技术等。以上所列各项技术还可以进行细分，例如塑性加工技塑性加工技术术又可分为轧制技术、挤压技术、锻造技术、板成形技术等。实际上，上述所列七类技术并不是相互独立、互不关联的。例如，材料科学技术的发展，促进了制备与成形加制备与成形加工技术工技术的一体化(如喷射
9、成形喷射成形、半固态半固态流变成形、连续铸连续铸轧轧与连续铸挤连续铸挤、粉末冶金粉末冶金技术等)，评价与模拟仿真技术的一体化，成形加工与改质改性技术的一体化(如控轧控冷)，等等。同样，在不同的情况下，上述各类技术的界限也不是惟一的，有时甚至是不明显的。例如，对于高分子、陶瓷材料，制备与成形加工具有较为明显的界限，而对于金属材料，尤其是冶金与材料生产领域，材料制备与成形加工的界限是很难确定的。材料技术的发展与进步不但是传统材料生产、改性、提高生产效率、降低成本、延长服役寿命的基本保证，而且也对促进新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用。快速凝固技术快速凝固技术(冷却速度大于103l04K
10、s)的出现和应用，为金属材料的发展开辟了一条新的途径：首先是开发了具有许多优异性能的新型金属材料金属金属非晶非晶材料材料(也称金属玻璃金属玻璃)；其次是可以获得超细晶超细晶材料，显著提高传统金属材料的性能；再其次通过快速凝固技术发现了准准晶相晶相的存在，改变了晶体学中的传统观念。纳米技术纳米技术的应用，不仅对改善传统材料(例如纳米改性技术)具有重要作用，而且可以开发具有优异性能的新材料，如纳米陶瓷粉末、纳米复合材料等。材料改质改性技术材料改质改性技术的应用，可以在不增加资源消耗、减轻环境负担的条件下，大幅度地提高材料使用性能和服役寿命，创造出重大的经济与社会效益。1.3 材料技术的发展与现状材
11、料技术的发展与现状 材料是人类社会进步的里程碑。从石器时代到青铜器时代，再到铁器时代，人类社会每一次飞跃性的进步，都与材料和材料技术的发展密切相关，而材料技术在其中发挥了前导性前导性甚至是决定性决定性的作用。材料加工材料加工（materials processing），通常所说的铸造成形铸造成形、塑性加工塑性加工、焊接焊接、热处理热处理等的材料加工概念。从整个人类历史发展的观点来看待材料加工技术的发展，可以认为迄今为止材料加工技术发生了5次革命性的变化。大约从公元前4000年开始，人类从漫长的石器时代石器时代进入青铜器时代青铜器时代，所使用的工具工具由石器石器进化到金属金属。以铜铜的熔炼技术和
12、铸造技术熔炼技术和铸造技术的出现为契机，人类开始掌握对自然资源进行加工的技术，产生了革命性的变化。因此，可以认为从石器时代进人青铜器时代，人类历史上产生了第石器时代进人青铜器时代，人类历史上产生了第一次材料技术革命一次材料技术革命。正是由于第一次材料技术革命，使人类得以从漫长的石器时代进化到青铜器时代，人类的生产和社会活动产生了一次质的飞跃。从公元前13501400年前后开始，由于铁铁的大规模大规模冶炼技术和锻造技术冶炼技术和锻造技术的发展，导致了人类从青铜器时代进入铁器时代，首先是工具工具与武器武器得到飞跃发展，生产率水平大幅度地提高。可以认为，以大规模炼铁技术和锻造技术为代表的材料加工技术
13、的出现和发展，促成了人类历史上的第二次材料技术革命。公元1500年前后合金化技术合金化技术的出现与发展(第三次材料技术革命)，以及20世纪初期合成材料技术合成材料技术的步展(第四次材料技术革命)，推动了近代和现代工业的快速发展，尤其是材料合成技术和复合技术的出现和发展，为人类现代文明做出了巨大的贡献。20世纪后期以来，由于电子信息、航空航天等尖端技术的迅速发展，对新材料的研究与开发起到了很强的促进作用，涌现出以高温超导材料高温超导材料、精细陶瓷材料精细陶瓷材料、纳米材料纳米材料为代表的新材料与新材料技术。新材料新材料的研制研制与其制备加工工艺制备加工工艺的开发往往是非同步的。高温超导材料、先进
14、金属-陶瓷梯度功能材料等，作为先进材料的优越性与实用价值非常明显，但尚缺少高效、低成本的制备加工技术制备加工技术。例如，高温超导线材的长尺寸化制备加工技术，实用金属-陶瓷连续梯度功能材料的成形方法等，材料技术的开发明显落后于材料设计、材料性能的研究进展，从而制约了这些高性能先进材料的实际应用。在进入2l世纪后的可以预见的较长一段时期内，材料材料科学科学的主要发展目标发展目标是，按照使用要求来设计材料的性能使用要求来设计材料的性能，并同时设计出可以获得其性能的可行并同时设计出可以获得其性能的可行(即高效、低成本、环境友好)的制备加工工艺的制备加工工艺，以实现材料设计材料设计-制备加工工制备加工工
15、艺艺-组织性能精确控制技术组织性能精确控制技术的有机结合与统一。材料设计材料设计包括材料的成分与结构、性能与使用效能、制备与加工工艺的设计。这一发展目标可以认为是材料技术的第五次革命。实际上，这一革命已于20世纪90年代开始，较有代表性的是人工点阵和复合材料，其中以人工多层膜和层状复合材料最能够体现这一技术革命的特征。2 2 材料加工技术材料加工技术(方法方法)2.1 2.1 材料加工技术的作用与地位材料加工技术的作用与地位 材料加工技术，材料加工方法，材料加工工艺。加工：加工：改变原材料，毛坯或半成品的形状、性质或表面状态，使之达到规定要求的各种工作的统称。技术技术：就是运用知识、工具和技能
16、解决实际问题，扩展人的 能力。方法方法：现指为达到某种目的而采取的途径、步骤、手段等。工艺工艺：是指将材料或半成品经过艺术加工制作为成品的工作、方法、技艺等。现代材料科学与工程由四个基本要素组成：成分与结构成分与结构、性质性质、制备与加工工艺制备与加工工艺(技术技术)、使用性能使用性能。它们之间形成所谓的四面体关系，如图1-2所示。材料的制备与加工材料的制备与加工，与材料的成分和结构、材料的性材料的成分和结构、材料的性质质一起，构成决定材料使用性能材料使用性能的最基本的三大要素，也充分反映了材料制备与加工技术材料制备与加工技术的重要作用和地位的重要作用和地位。在图1-2所示的四面体结构中，不但
17、清楚地示出了材料的使用性能使用性能与其他三个因素之间的关系，而且也体现了其他三个因素之间的相互影响关系。例如，材料的性质性质与结构结构均受到制备加工工艺制备加工工艺的影响。非晶态金属材料非晶态金属材料的性质和结构均与相同组成(成分)的晶态材料晶态材料相差很远，其主要原因就是由于制备加工工艺与参数所致。关于材料的制备、成形与加工技术材料的制备、成形与加工技术的研究和开发，是目前材料科学技术中最活跃的领域之一。材料先进制备、成形与加工技术的发展，既对新材料新材料的研究开发的研究开发、应用应用和产业化产业化具有决定性的作用，同时可有效地改进和提高传统材料的使用性能改进和提高传统材料的使用性能，对传统
18、材料产业的更新改造具有重要作用。发展材料先进制备、成形与加工技术，对于提高综合国力，保障国家安全，改善人民生活质量，促进材料科学技术自身的进步与发展具有重要作用，也是国民经济和社会可持续发展的重大需求。2.2 材料加工技术的分类材料加工技术的分类材料加工技术气态加工材料加工技术机加工凝固加工塑性加工粉末冶金焊接(连结)热处理液态加工半固态加工固态加工（a）（b）图1-3材料加工技术的分类(a)按传统三级学科分类；(b)按被加工材料所处相态相态分类 按照传统的三级学科（机械类机械类冷加工、热加工（铸、锻、焊、热处理）进行分类，材料加工技术(方法)包括机加工(车铣刨磨钻等)、凝固加工(铸造)、塑性
19、加工(压力加工)、焊接(连接)、热处理、粉末冶金（冶金专业）等。按照被加工材料在加工时所处的相态相态不同进行分类，材料加工技术包括气态加工气态加工、液态加工（凝固成形）、半液态加工（凝固成形）、半固态加工、固态加工固态加工、固态加工。2.3 材料加工技术的发展趋势与方向材料加工技术的发展趋势与方向 材料加工技术的材料加工技术的总体发展趋势总体发展趋势 材料加工技术的总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合过程综合、技术综合技术综合、学科综合学科综合。过程综合过程综合 主要包括两个方面的含义，其一是指材料设计材料设计、制备制备、成形与加工成形与加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；其二是指
20、多个过程(如凝固与成形)的综合化综合化，或称短流程短流程化，如喷射成形技术、半固态加工技术、铸轧一体化技术等。技术综合技术综合 是指材料加工工程越来越发展成为一门多种技术多种技术相结合的应用技术科学相结合的应用技术科学，尤其体现为制备、成形、加工技术与计算机技术(计算机模拟与过程仿真)、信息技术的综合，与各种先进控制技术的综合等。学科综合学科综合 则体现为传统三级学科(铸造、塑性加工、热处理、连接)之间的综合，与材料物理与化学、材料学等二级学科的综合，与计算机科学、信息工程、环境工程等材料科学与工程学科以外的其他一级学科的综合。其中，与材料科学与工程的其他二级学科的综合的最大特点是，各二级学科
21、之间的界限越来越不明显，学科渗透与相互依赖性越来越强。从一定意义上来讲，学科综合学科综合的发展趋势起因于现代科学技术的发展要求“按照使用要求来设计材料的性能按照使用要求来设计材料的性能”的特点。例如，要研制(生产)一种新材料，或加工一种新产品，需要综合研究和解决材料设计、材料的组成与结构、材料制备与加工工艺、材料服役行为(包括与环境的交互作用)、材料的保护与再利用等一系列问题，既包括材料科学与工程的所有二级、三级学科问题，也包括计算机科学技术、控制工程等其他一级学科问题。材料制备、成形与加工技术的发展将具有以下两个主要两个主要特征特征：(1)性能设计与工艺设计的一体化；(2)在材料设计、制备、
22、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技术的第五次革命、进人新材料设计与制备加工工艺时代的重要标志。第二个特征则要求具备两个基本条件：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。金属材料加工技术的金属材料加工技术的主要发展方向主要发展方向 基于上述材料加工技术的总体发展趋势和特征，金属材料加工技术的主要发展方向包括以下几个方面。A 常规材料常规材料加工工艺的短流程化短流程化和高效化高效化 打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺流程，简化工艺环节，实现近终形近终形、短流程短流程的连续化生产，提高生产效率。例如，半固态流变成形、
23、连续铸轧、连续铸挤等是将凝固凝固与成形成形两个过程合二为一，实行精确控制，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。目前，国外铝合金铝合金和镁合金镁合金半固态加工技术半固态加工技术已经进入较大规模工业应用阶段。铝合金铝合金半固态成形方法半固态成形方法主要有流变压铸流变压铸、触变压铸触变压铸、触变锻造触变锻造等；镁合金镁合金半固态成形半固态成形的成熟技术目前只有半固态触变注射成形(thixomolding)技术。半固态加工技术的一个重要发展方向是在高熔点的钢高熔点的钢铁材料铁材料和钛合金钛合金中的应用。钛合金用途广泛，但成形加工困难，开发钛合金半固态加工技术具有重要的实际意义。连
24、续铸轧连续铸轧是一种将金属熔体直接轧制成薄带坯或成品带材的工艺。B 发展先进的成形加工技术先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制组织与性能的精确控制 发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制。可以提高传统材料的使用性能，改善难加工材料的加工性能，开发高附加值材料。例如，发展非平衡凝固技术非平衡凝固技术、电磁铸轧技术电磁铸轧技术、电磁连电磁连铸技术铸技术，可在材料的制备过程中通过冷却速度的控制或附加外场的作用。改善材料的组织，大幅度地提高材料的性能。应用等温成形技术等温成形技术、低温强加工技术低温强加工技术，可通过对成形加工过程和工艺参数(温度、变形程度等)的精确控制，精确控制材料
25、的组织与性能，或发展难加工材料与难成形零部件的成形加工技术，提高材料(零部件)的附加价值。发展先进层状复合材料成形层状复合材料成形、先进超塑性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。激光焊接激光焊接、电子束焊接电子束焊接、扩散焊接扩散焊接、摩擦焊接摩擦焊接等先进连接技术的发展，解决了高性能先进材料的连接技术难题，其应用范围将不断扩大。20世纪90年代初出现的搅拌摩擦焊接技术在熔融焊接困难(如金属基复合材料)或焊缝质量要求特别严格(如宇航与军事领域)的材料连接等方面，具有潜在的应用前景。C 材料设计材料设计(包括成分设计、性能设计与工艺设计)，制制备备与与成形加工成形加工一
26、体化一体化 发展材料设计、制备与成形加工一体化技术，可以实现先进材料与零部件的高效、近终形、短流程成形。典型的技术有喷射成形喷射成形、粉末注射成形粉末注射成形、激光快速成激光快速成形形等，是不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及金属间化合物、陶瓷、复合材料、梯度功能材料零部件制备技术的研究热点。D 开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品 大块非晶合金大块非晶合金制备与应用技术、连续定向凝固连续定向凝固成形技术、电磁约束电磁约束成形技术、双结晶器双结晶器连铸与充芯连铸充芯连铸复合技术、多坯料多坯料挤压技术、微成形微成形加工技术等，是近年来开发的
27、新型制备与成形加工技术。这些技术在特种高性能材料或制品(零部件)的制备与加工方面具有各自的特色，受到国内外的广泛关注。采用金属气体共晶定向凝固方法定向凝固方法(也称Gasar法)制备的规则多孔金属材料多孔金属材料，与传统的烧结烧结或发泡剂法发泡剂法制备的多孔材料多孔材料相比，具有孔隙内表面光滑，呈圆柱状，沿凝固方向规则排列的特点，使其力学性能、导热性能、过滤能力等大幅度提高，应用前景良好。先进包覆材料先进包覆材料的用途越来越广，但现有各种制备方法具有工艺复杂，界面质量控制困难，生产成本较高等缺点。为克服这些缺点而开发的充芯连铸法充芯连铸法具有包覆层厚度与界面质量可控性强的特点，适合于包覆层金属
28、熔点高于芯材金属熔点的特种高性能复合材料(如铜包铝)的直接成形。与规模化、专业化连续成形与加工技术适合于批量生产相反，为了满足现代科学技术对材料或部件需求的多样多样性性，一种适合于多品种、小批量的新型成形加工技术增分成形增分成形(incremental forming，或称逐步成形逐步成形)技术得到迅速发展，以板成形为代表的增分成形技术已经达到实用化水平。E 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材料数据库 计算机数值模拟计算机数值模拟、过程仿真技术过程仿真技术的迅速发展，对材料加工技术的研究和发展起到了重要的促进作用。发展计算机数值模拟、过程仿真技术的最终目的是为了优化优化成
29、形加工方法和工艺，实现实现对制备、成形与加工全过程的精确设计精确设计与精确控制精确控制。为了提高数值模拟与过程仿真技术的广泛适用性、结果可靠性，构筑系统、全面、通用性强的材料数据库材料数据库是必不可少的。有些国家大约从20世纪80年代起就已经有计划、有步骤地开始了这方面的工作，而国内相关的工作落后较多，尚未引起足够的重视。F 材料的智能制备与成形加工智能制备与成形加工技术 综合利用计算机技术计算机技术、数据库技术数据库技术和先进控制技术先进控制技术，开发将材料组织性能设计组织性能设计、零部件设计零部件设计、材料制备与成形材料制备与成形加工过程的实时在线监测和反馈控制加工过程的实时在线监测和反馈
30、控制融为一体的材料智能智能制备加工技术制备加工技术，是20世纪90年代初开始出现的研究课题。发展材料智能制备与加工技术智能制备与加工技术，可大大提高材料制备的可靠性和稳定性，提高生产效率，有效减少原材料的消耗及废弃物的排放。因此，这一方向被认为是21世纪前期材料制备与加工新技术中最富潜力的前沿研究方向。总而言之，科学技术科学技术的迅速发展，促进了材料加工技材料加工技术术的不断进步和发展，也促进了新材料设计与制备加工工艺时代的到来。而另一方面，以资源、能源、环境等为代表的可持续发展问题，是人类进入21世纪后社会发展面临的最大挑战。因此，不仅对于传统材料加工技术的发展，还是对于新技术新工艺的开发与
31、应用，节能、降耗、高技、优质，是至关重要的核心关键问题。3 3课程内容及性质、目的和任务课程内容及性质、目的和任务现代材料加工方法现代材料加工方法：机加工机加工：超声波加工、电化学加工、电火花加工、激光加工、电子束离子束加工、快速原型加工、化学加工、等离子体加工、磁性磨料加工和磨料流加工等。热加工热加工：薄膜材料的制备、复合材料的制备、纳米材料与制备技等。本课程主要讲授具有量大面广或具有广泛应用前景等特点的金属材料金属材料、金属基复合材料金属基复合材料和层状复合材料层状复合材料制备与成形加工的先进技术。内容包括：快速凝固快速凝固 定向凝固定向凝固 金属半固态加工金属半固态加工 连续铸轧连续铸轧 连续挤压与连续铸挤连续挤压与连续铸挤 复合铸造复合铸造 塑性加工复合塑性加工复合 金属等温成形金属等温成形 先进连接技术先进连接技术 粉末冶金粉末冶金 本课程属材料加工工程专业硕士研究生学位课的选修课。目的目的是通过讲授现代材料加工方法，扩充对材料加工更深层次的认识与了解，拓展知识面。任务任务是介绍现代加工方法的基本原理、设备、工艺规律、主要特点和应用。