《材料工艺与设备》ch01概论2012秋

2020/4/30,1,3、课程内容及学时安排,概论（2学时）无机非金属材料工艺与设备（12学时）无机非金属材料热工基础及设备（10学时）金属材料工艺与设备（4学时+自学）有机材料工艺与设备（2学时+自学）复合材料工艺与设备（2学时）观看教学录像了解（4学时）复习、考试(4学时）（第十周）（共40学时）,第一章概论,2,前言材料工艺及其创新途径材料的传统工艺及新工艺、新技术,2,3,材料人类赖以生存的重要物质基础。材料人类社会生产力水平的标志。人类历史新材料推出与应用人类的文明与进步现代文明的三大支柱,石器时代铜器时代铁器时代,材料信息能源,1前言材料的使用情况与生产工艺技术和设备的发展密切相关。,4,材料工艺任务通过改变和控制材料的外部形态和内部结构把材料加工成人类社会所需的各种部件和成品。课程学习目的了解掌握传统/新材料生产、加工工艺中的主要工艺技术方法及设备，开阔视野，为以后的学习工作奠定基础。现代高新技术与新材料、新技术、新工艺关系高新技术的发展与进步都以新材料的问世、新材料制备工艺及设备的发展和突破为前提。,5,2、材料工艺及其创新途径,材料工艺概念（定义）材料工艺重要性材料工艺创新途径材料工艺的经济性和环境兼容性,6,2.1材料工艺,定义：材料的生产工艺就是把天然原料（包括人造原料）经过物理和化学变化而变成工程上有用的原材料的工艺技术。或者说就是通过一系列的过程完成材料由一种状态到另一种状态的变化，实际上是材料内部的组织结构与外部形状在外界条件的作用下（如温度、压力、气氛等）发生的变化过程。对于不同的材料而言，其生产工艺也有很大的差别。,简单：将任何一种材料从原料成品的整个过程称为材料工艺过程。它包括原料制备工艺、成型工艺、熔（溶）制（窑炉工艺），制品工艺等。,7,材料科学与工程的4个基本要素,材料科学与工程4要素,8,材料工艺的作用与地位,材料的合成制备和加工技术（即材料工艺）的研究和开发，是目前材料科学技术中最活跃的领域之一。材料先进的合成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，同时可有效改进和提高传统材料的使用性能；,8,9,材料加工技术的分类,按照三级学科分类：机加工；凝固加工；塑性加工；粉末冶金；焊接（连接）；热处理等。按照加工材料所处的相态分类：气态加工；液态加工；半固态加工；固态加工。,10,材料加工技术的总体发展趋势,材料加工技术的总体发展趋势三个综合：过程综合：（1）材料设计、制备、成形和加工的一体化，各个环节的关联越来越紧密；（2）是多个过程的综合化或称短流程化；技术综合：指材料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；学科综合：体现在传统三级学科之间的综合，与材料物理与化学、材料学二级学科的综合，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。,10,11,在今后较长一段时间内，材料制备、成形与加工技术的总体发展趋势具有两个特征：（1）性能设计与工艺设计的一体化；（2）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。,12,2.2材料工艺的重要性,材料工艺是材料4要素之一材料工艺是新材料、新产品产生的关键材料工艺的内容材料的加工性能材料工艺及设备国际环境影响,13,材料工艺是材料4要素之一,材料的工艺（也称技术）是一个至关重要的因素。材料本身的制造过程以及从材料成为人类所能利用的产品的过程都必须通过一定的工艺过程才能实现。,14,材料工艺是新材料、新产品产生的关键,材料只有通过各种加工最终形成产品，才能体现其功能和价格。材料工艺技术的突破往往成为新材料和新产品能否问世的关键。新材料、新工艺和新技术,14,15,材料工艺的内容,包括两方面：（1）材料的生产工艺（2）材料的加工工艺,16,材料的加工性能,材料的加工性能即材料被加工的能力。根据特定的制造方法要求，材料的加工性能包括可焊接性、可铸造性、可切削性和可变形性等，它是材料能否大量工业应用的一个重要因素，,17,材料工艺及设备,材料工艺往往与设备条件是密切联系我国现状：材料工艺方面的问题还非常突出，最主要的原因是相关生产工艺设备落后。,17,18,国际大环境（政治）的影响,国际大环境影响，世界上一些发达国家对我国技术封锁、限制。中国拥有高质量粘土，制造不出高等级陶瓷制品；钢材大国（6亿吨/年），许多特种钢仍需进口；稀土大国（80%含量），出口廉价的稀土原料。,19,2.3材料工艺的创新途径,改变外界条件，获得新工艺利用材料性能，获得新工艺采用新方法，获得新工艺将传统工艺互相结合，获得新工艺将传统工艺应用到新领域，获得新工艺,20,2.4材料工艺的经济性和环境兼容性,材料工艺的经济型材料工艺的稳定性材料工艺的环境兼容性绿色设计,21,材料工艺的经济型,在实际的工程应用中，为降低加工成本要选择最佳加工工艺，需要考虑以下几个方面：（1）工件的形状和大小（2）加工材料的工艺性能（3）要求的精度和表面质量（4）零件的数量和批量等诸多因素,22,绿色设计,环境保护,垃圾问题,资源利用,污染问题,材料及工艺的绿色设计,设计思考,绿色设计,23,绿色设计的基本思想：将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求产品对环境的影响最小。绿色设计的基本特征：拆卸性、回收性、维护性、重复利用性等功能目标；保证产品基本功能、使用寿命和经济性等；突出“生态意识”和“以环境保护为本位”,23,24,绿色设计的基本原则6R原则,Research研究Reserve保护Reduce减量化Recycling回收Reuse重复使用Regeneration再生,25,3、材料的传统工艺与新工艺新技术,材料生产制备工艺材料工艺性能的表征新工艺新技术,26,3.1材料生产制备工艺,材料的生产工艺就是把天然（人造）原料经过物理和化学变化而变成工程上有用的原材料的工艺技术。对于不同的材料而言，其生产工艺也有很大的差别。,26,工艺过程：原料制备工艺成型工艺熔制（窑炉工艺）制品工艺等即：原料各种方式的处理产品,材料：金属、无机非金属、高分子材料和复合材料。,27,3.1.1金属材料的生产制备工艺,金属材料的生产、制备加工工艺：,铸造塑性加工(压力加工)切削加工焊接粉末冶金,冶金（炼）,成型,绝大多数绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地壳之中。因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精练提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。,29,3.1.2无机非金属材料生产制备工艺,种类：陶瓷玻璃水泥耐火材料等生产制备工艺：原料准备成形烧结（或熔融）冷却,材料科学和工艺设备发展材料工艺设备,设备(窑炉)结构和热工基础（流体力学、燃烧学、传热学）,工艺过程和热工过程(陶瓷、水泥、玻璃),设计依据和设计原则,间歇与连续平焰与倒焰烟气与空气操作制度,炉设计的基本原则:结构先进合理烧成周期短为发展留有余地投资省生产成本低操作安全方便管理方便；窑炉的设计依据是：根据生产要求：能力大小、产量高低和资金情况等条件来进行设计建造。,无机非金属材料工艺过程,陶瓷：配料-成型-烧成烧成制品窑（基础）（手段）（关键）玻璃：配料-熔融、澄清、冷却-成型-退火熔融制品窑水泥：配料-生料磨-熟料煅烧-配料-水泥磨粒状制品窑,水泥磨是指在水泥熟料中添加石膏（调节水泥的硬化时间和硬化强度）、混合料（火山灰、粉煤灰等）后进行混合均匀的简单球磨过程。水泥熟料是水泥水化产物的主要来源、混合材料主要是在碱性环境下发生二次火山灰反应，最终产物与水泥相同、石膏的主要作用是与熟料中的铝酸三钙（C3A）发生反应，形成钙矾石，调节水泥硬化时间和最终强度。真正的火山灰基本上含可溶性SiO2外，还含相当数量的可溶性的Al2O3。以活性氧化硅(SiO2)、活性氧化铝(Al2O3)为主的矿物质材料,经磨成细粉后与石灰(CaO)加水混合，不但能在空气中硬化、而且能在水中继续硬化者,都称为火山灰质混合材料，具有玻璃相和微晶相的两重性质。,热工过程,陶瓷：预热-烧成-冷却,玻璃：熔融-澄清-冷却,水泥：干燥-预热-碳酸盐分解-固相反应-液相烧结-熟料凝结,热工：就是指关于热（加热、保温和降温制度）的工程技术。热工基础包含工程热力学和传热学两门课程的基础知识。,（工程）热力学主要研究能量转换与能量的有效利用(即热能与机械能/电能的转换）。传热学主要研究热量传递及其规律。因此热工基础主要研究热能利用的基本规律及热能利用过程及自然界所有热现象中热量传递的基本规律。在制备硅酸盐制品过程中,着重材料的表观现象及制备(工艺和热物理/化学）过程，并不过多强调微观的东西。,工艺过程：原料各种方式的处理产品；热工（物理）过程：原料高温条件处理产品。,热工过程的两个基本问题：热的产生；热的传递（热交换）玻璃的熔制过程包括：硅酸盐形成阶段;玻璃液形成阶段;玻璃液澄清阶段;玻璃液均化阶段;玻璃液冷却阶段;,热工过程,连续式窑炉,预热带,烧成带,冷却带,连续式陶瓷窑炉在不同的时间的操作制度恒定不变。隧道窑的热工制度主要包括温度制度、压力制度和气氛制度。这些制度相互影响，且与窑车砖垛码放及推车制度密切相关。,热工过程,间歇式窑炉,间歇式陶瓷窑炉在不同的时间有不同的操作制度。间隙式倒焰窑有圆窑与方窑（或矩形窑）之分，且多以容积大小进行分类，也可以最高烧成温度或焙烧品种来分类。间隙式倒焰窑的基本结构大致相同，如图为某间隙式圆窑的简单结构示意图。决定倒焰窑容积大小的是产量，同时相对单位制品的能耗也，但是容积过大，火焰达不到窑的中心位置，导致窑温不均，废品或欠烧品增加。,故根据生产规模、产品对温度均匀性的要求、劳动组织条件、投资大小来决定倒焰窑的体积。间歇式倒焰窑:1.窑室；2.燃烧室；3.档火墙；4.喷火口；5.吸火孔；6.支烟道；7.主烟道；8.窑门；9.窑孔顶；10.窑箍；11.看火孔.燃烧室：简称火箱。以液体燃料（重油）烧成的倒焰窑无需灰坑和炉篦；燃气倒焰窑可不设置燃烧室。以固体燃料（煤）燃烧必需皆有。挡火墙：它的作用是使得火焰具有一定的方向与流速，并防止部分煤灰污染制品。喷火口：是挡火墙与燃烧室上部窑墙之间的空间。合理的截面积是炉篦水平面积的1/41/5。窑门：一般12个，用于装卸制品。较大的窑门高:宽=1.8m:0.8m。,39,3.1.3高分子材料生产制备工艺,种类：塑料、橡胶和纤维生产制备工艺：单体制备（合成）聚合加工,40,3.1.4单晶材料,液相法：提拉法、下降法等气相法：直接从气体凝固或利用气相化学反应制备单晶体的方法。固相法：在固态条件下，使异常晶粒不断长大吞并其他小晶粒而得到单晶的方法。,41,3.1.5复合材料加工工艺,树脂基复合材料的成形方法：手糊、喷射、压制、缠绕、连接等金属基复合材料：粉末冶金、热压扩散等