概论-材料加工工程

材料加工工程第1章概述第2章金属材料液态成型第3章金属材料塑性成型第4章金属材料连接成型第5章金属材料切削加工第6章无机非金属材料加工第7章高分子材料加工第8章复合材料制备与加工第1章概述1.1材料加工工程1.2材料的性能1.3材料的分类1.4材料加工工艺及分类1.5材料加工新趋势1.1材料加工工程1.1.1材料的概念材料是用来制作各种有用器件或物品的物质。材料到器件或物品时存在一个加工过程。材料的性能由物质的性质决定，由其组成、组织结构及存在状态决定。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艺为研究对象的一门综合性技术课程。重点是理解材料的性能、组织结构、成分、加工工艺之间的关系；掌握工艺方法、工艺原理、工艺过程。目标是能根据需要进行材料的选择、加工工艺路线和方法的选用和设计。1.2材料的性能1.2.1材料性能的含义材料性能是指材料在一定条件下，实现预定目的或者规定用途的能力。材料性能包括使用性能和工艺性能（加工性能）。材料的使用性能可分为两类：一种是特征性能。一种是功能物性。

1.2材料的性能特征性能，属于材料本身固有的性质。热学性能：热容、热导率、熔化热、热膨胀、熔沸点等。力学性能：弹性模量、拉伸强度、抗冲强度、屈服强度、耐疲劳强度、硬度等。电学性能：电导率、电阻率、介电性能、击穿电压等。磁学性能：顺磁性、反磁性、铁磁性1.2材料的性能特征性能，属于材料本身固有的性质。光学性能：光的反射、折射、吸收、透射以及发光、荧光等性质。化学性能即材料参与化学反应的活泼性和能力：耐腐蚀性、催化性能、离子交换性能等。1.2材料的性能功能物性，指在一定条件和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转化为另一形式功能的性质。包括：热-电转换性能（热敏电阻、红外探测等）、光-热转换性能（如将太阳光转变为热的平板型集热器）、光-电转换性能（太阳能电池）、力-电转换性能、磁-光转换性能、电-光转换性能、声-光转换性能等。1.2材料的性能1.2.2材料工艺（加工）性能

是指材料适应加工工艺要求的能力，也就是材料被加工的能力。它是材料能否大量工业应用的一个重要因素。材料工艺性能往往是由材料的物理性能、化学性能、力学性能综合决定的。1.2材料的性能工艺性能包括五大方面：铸造性能：浇注时，液体能充满铸型并得到优质铸件的能力。衡量指标主要有：流动性、收缩性、偏析。

锻造性能：材料进行压力加工的性能，取决于材料的塑性和变形抗力。

焊接性能：材料进行焊接及保证焊缝质量的能力。

1.2材料的性能切削性能：进行机械加工的能力。成型性能：拉、压、拔、冲等另包括：可锻性，冲切性，顶锻性，冷弯性，热处理工艺性。1.3材料的分类不同组成和结构的材料性能不同按组成、结构特点分金属材料MetallicMaterials无机非金属材料InorganicMaterials高分子材料Polymers复合材料Composites1.3材料的分类根据化学组成和显微结构特点分类如图1.3材料的分类不同使用性能的材料用途不一样按使用性能分结构材料（StructuralMaterials）——主要利用材料的力学性能功能材料（FunctionalMaterials）——主要利用材料的物理和化学性能1.3材料的分类1.3.1金属材料金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。其特征是存在大量的离域电子。金属氧化物是否属于金属材料？1.3材料的分类绝大多数金属元素（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。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。1.3材料的分类金属材料的特性具有金属光泽良好的导电导热性抛光表面的反光性延展性塑性等金属材料由于具有良好的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能，获得广泛的应用。1.3材料的分类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属又称钢铁材料。包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等，有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。1.3材料的分类1.3.2无机非金属材料（InorganicMaterials）无机化合物材料：陶瓷、玻璃、水泥等。单质材料：单晶硅、金刚石、石墨等。以陶瓷为主。可用作结构材料、光学材料、电子材料等。半导体材料：单晶硅、砷化镓、磷化铟、磷化镓等。用于制造集成电路、固态激光器、发光二极管、晶体管等。1.3材料的分类1.3.3高分子材料（Polymers）高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。天然高分子材料：木材、天然橡胶、棉花、动物皮毛等。合成高分子材料：塑料、合成橡胶和合成纤维。功能高分子材料：工程塑料、导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、高分子信息材料、生物医用高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂及高分子试剂等。1.3材料的分类1.3.4复合材料（Composites）复合材料：由两种或多种不同材料组合而成的材料。既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。金属材料、无机非金属材料和高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成复合材料。自然界的复合材料：例如树木和竹子为纤维素和木质素的复合体；动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。古老的复合材料：稻草增强粘土以及漆器（麻纤维和土漆复合而成）。传统的复合材料：钢筋混凝土，玻璃钢。1.4材料工艺及分类材料工艺包括材料生产工艺和材料加工工艺。材料生产工艺就是把天然原料或人造原料经过物理和化学变化而变成有用材料的工艺技术。材料加工工艺就是把材料制备成具有一定形状尺寸和性能的制品的工艺技术。主要指材料的成形加工、内部组织结构的控制以及表面处理等。材料加工工艺的本质是利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、相变等各种物理、化学变化使工件成形，以达到预定的设计要求。1.4.材料工艺及分类有些材料的生产和加工是合二为一的，如陶瓷。材料的性能取决于材料的组织和成分，而材料的使用性能最终取决于材料的制备与成形加工过程。材料只有通过各种加工，如制取、改性和成形等，最终形成产品，才能体现其功能和价值。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。1.4材料工艺及分类材料加工四要素关系示意图1.4料工艺及分类材料的成形加工工艺过程是制造高质量、低成本产品的中心环节，是材料科学与工程四要素中极为关键的一个要素，是促进新材料研究、开发、应用和产业化的决定因素。通常我们常提到的“材料科学与工程”的概念，工程部分往往指的就是材料的工艺和技术，故人们常常把新材料、新工艺、新技术相提并论。好的产品不仅需要好的设计，还需要好的加工工艺来保证和实现。1.4材料工艺及分类材料生产工艺主要在材料制备技术类课程中学习。材料加工工艺的分类材料的组成和结构不同，则材料加工工艺也不同。

金属材料加工工艺无机非金属材料加工工艺高分子材料加工工艺复合材料加工工艺1.4材料工艺及分类金属材料加工工艺主要有：金属液态成形工艺金属塑性成形工艺金属连接成形工艺金属切削加工工艺金属粉末冶金工艺金属热处理工艺金属材料的加工工艺

1.4材料工艺及分类1.5材料加工技术发展趋势先进加工技术的主要发展领域：（1）常规制造技术的优化（2）新型（非常规）加工方法的发展（3）专业学科间的建设逐渐淡化、消失（4）工艺设计由经验走向定量分析（5）信息技术、管理技术与工艺技术紧

密结合1.5材料加工技术发展趋势1.5.1精密成型总趋势由近形向净形发展，即向精密成形方向发展。如轿车其铸、锻件生产工艺的发展趋势为以轻代重、以薄代厚、少无切削精密化、成线成套、高效自动化。

以精密成型为代表的新一代材料加工技术包括：精密铸造成形、精密塑性成形、精密连接成形、激光精密加工、特种精密加工等。1.5材料加工技术发展趋势1.5.2材料制备与成形一体化是指各个环节的关联越来越紧密、多个工序综合化（或短程化），如半固态成形技术、创形创质制造技术、喷射成形技术、激光快速成形、连续铸轧技术等。

它可实现先进材料与零部件的高效、近净形、短流程成形，也是不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及化合物、陶瓷、复合材料、梯度功能材料等零部件制备成形的好方法。1.5材料加工技术发展趋势1.5.3复合成形

复合成形工艺有铸锻复合、铸焊复合、锻焊复合和不同塑性成形方法的复合等。

如：液态模锻、连续铸轧、冲压件的焊接成形等。1.5材料加工技术发展趋势1.5.4数字化成形材料的数字化成形：加工前形成过程的模拟仿真和组织预测，加工过程中材料成形的数字化控制，加工后产品质量的自动检测（X光检查、磁粉探伤等）等。最终目标：优化成形加工方法和工艺，实现对制备、成形与加工全过程的精确设计与精确控制，对制品零件的内在质量实施自动检测。1.5材料加工技术发展趋势1.5.5材料成形自动化

自动化是一种把复杂的机械、电子和以计算机为基础的系统应用于生产操作和控制中，使生产在较少人工操作与干预下自动进行的技术。

实现材料成形加工过程的自动化，可以大大提高劳动生产率、降低工人的劳动强度，避免人力生产中的人为因素（如疲劳、情绪景况影响等），保障产品的质量与精度，大大降低原材料的消耗。

因此，自动化是高质量、快速生产的前提，也是人类现代化的主要标志。1.5材料加工技术发展趋势1.5.6绿色清洁生产

材料成形加工行业一直是劳动环境较恶劣的行业、也是对环境污染较大的行业之一，改善操作环境，实现绿色清洁生产应是21世纪材料加工成形行业的奋斗目标。除尘设备、降噪设备的使用，使得工人的操作环境及劳动条件大为改善；生产废料（废渣、废气、废水等）再生回用（或无害处理），大大减少了生产资源浪费和对环境的污染，符合绿色可持续发展的时代要求。采用绿色材料与绿色成形工艺，可优化工厂环境、实现无工业污染物排放。机器人焊接……激光焊接流水线1.5材料加工技术发展趋势快速成形技术机器零