材料制备与加工工程.ppt

1、材料制备与加工工程,1.1 材料制备与加工工程学科范畴与战略地位 1.2 学科发展回顾、现状与趋势 1.3 战略目标与优先发展方向 1.4 发展对策与建议,材料制备与加工工程,1.1 材料制备与加工工程学科范畴与战略地位 1.1.1 学科定义与研究对象 1.凝固学科的定义与研究对象 凝固过程与控制是根据热力学、物理冶金学、流体力学及传热传质原理，采用科学实验及计算机模拟技术等方法，研究金属材料制备、铸造成形、熔焊，以及新型金属、半导体与其他无机非金属材料液相法制备过程中的液固相变原理与过程控制技术，实现材料组织性能控制与优化的技术科学领域。,1.1.1 学科定义与研究对象,凝固学科主要研究对象

2、涉及以下几个方面： (1) 金属材料制备； (2) 金属材料的成形加工； (3) 无机非金属材料的合成与晶体生长； (4) 非平衡新材料的研制； (5) 凝固过程的多尺度、多学科建模与仿真。,1.1.1 学科定义与研究对象,2.塑性成形与加工学科的定义与研究对象 塑料成形与加工（plastic deformation and processing）是利用材料的塑性，根据物理、力学、冶金和材料科学原理，对金属材料、非金属材料及复合材料进行成形加工，从而获得所需要的尺寸、形状与性能的技术科学。其研究对象包括： （1）塑性成形与加工理论； （2）塑性成形工艺； （3）成形过程中组织与性能控制； （4

3、）成形设备与模具； （5）塑性成形与加工的计算机辅助工程及模拟； （6）心材料制备与加工。,1.1.1 学科定义与研究对象,3.焊接冶金学科的定义与研究对象 焊接冶金科学与工程（material joining science and technology）是根据材料科学、冶金科学、材料物理化学、物理学、电工电子学等基础理论，研究焊接冶金中的冶金及界面反应、热源特性、焊接结构及可靠性评价等基础理论，探讨各类能源的加热、传热、传质过程，研究开发各类焊接新方法、新设备及新工艺，使金属、无机非金属、同类及异类材料在热、力、化学能能能量的作用下，实现可靠的连接。,1.1.1 学科定义与研究对象,焊接研

4、究主要研究对象： （1）各类材料的连接； （2）各类热源及加热方法； （3）各类结构件及功能件的连接； （4）焊接及连接结构的可靠性。,1.1.2 学科方向、基础与相邻学科的关系,1.凝固学科方向、基础及其与相邻学科的关系 熔化和凝固过程均是由热力学原理和动力学条件决定的相变过程，涉及凝聚态物理学、界面与表面科学、传热传质学、流体力学、流变学、弹塑性力学、化学、数学及其数值计算方法等。 近年来，由于多种物理场在凝固过程控制中的应用，使得电磁场理论、真空技术、激光技术、等离子体技术、电子书技术、空间技术、控制理论、计算机模拟等也成为凝固原理研究与过程控制的基础。,1.1.2 学科方向、基础与相邻

5、学科的关系,凝固学科领域已形成的主要研究方向包括： （1）液体的成分与状态控制； （2）液固相过程的行核动力学； （3）界面行为与生长动力学； （4）凝固过程的传热传质与流体流动； （5）远平衡凝固的相变原理与控制方法； （6）多物理场在凝固控制中的应用； （7）凝固于相态的相互作用； （8）非均匀多相材料的熔化过程。,1.1.2 学科方向、基础与相邻学科的关系,2.塑性成形与加工学科方向、基础及其与相邻学科的关系 塑性成形与加工由于成形加工方式及过程的复杂性和加工材料对象的多样性，其过程涉及物理学、力学、摩擦学、表面科学、材料科学与工程、机械工程与控制、检测技术、计算机与信息科学技术以及环境

6、科学等多学科领域，体现不同的学科基础并形成不同的学科方向。,1.1.2 学科方向、基础与相邻学科的关系,塑性成形与加工学科方向： （1）轧制成形； （2）锻压成形； （3）特种成形； （4）半固态加工； （5）近终成形； （6）材料成形计算机辅助设计工程与模拟仿真； （7）材料的只能制备与成形加工技术； （8）成形设备与模具。,1.1.2 学科方向、基础与相邻学科的关系,3.焊接冶金学科方向、基础及其与相邻学科的关系 焊接冶金的连接、切割、表面改性加工使用于所有种类的材料、各类超大型结构件、IC制造中的微小结构、无损检验等内容，涉及多学科领域，需要多学科交叉，体现不公的学科基础。,1.1.2

7、学科方向、基础与相邻学科的关系,焊接冶金学科方向： （1）焊接过程只能控制； （2）材料焊接冶金； （3）焊接结构与可靠性； （4）微连接； （5）新材料及异种材料焊接冶金； （6）特殊环境下的焊接冶金。,1.1.3 学科的战略地位,1)凝固学科的战略地位 2)塑性成形与加工学科的战略地位 3)焊接冶金学科的战略地位,1.1.4 材料制备与加工工程学科国内外学术研究机构,焊接冶金学科国内外学术研究机构 国内有焊接（焊接冶金）专业方向、实验室与研究所的院校,1.1.4 材料制备与加工工程学科国内外学术研究机构,国外主要的焊接学术研究机构,1.2.1 学科的形成,1). 凝固学科的形成 2). 塑

8、性成形与加工学科的形成 3). 焊接冶金学科的形成的形成,1.2.2 学科发展的现状与趋势,1.凝固学科发展的现状与趋势 随着科学技术的进步和相邻学科研究的进展，当前凝固过程控制技术的重点发展方向如下： (1) 从节能、环保、节约材料和加工工时的角度出发，发展直接获得近终形产品(铸件、型材等)的凝固技术； (2) 利用凝固技术制备具有复杂组织和相变过程的新材料； (3) 对液态金属结构的进一步揭示，可能通过新的物理或化学方法对合金液进行预处理，达到控制凝固组织的目的； (4) 利用多种物理场耦合，进行凝固组织与过程控制。,1.2.2 学科发展的现状与趋势,(5) 采用新的加热和制冷方法对凝固过

9、程的热平衡条件进行更有效的控制。 (6) 远平衡条件下亚稳相的凝固，化合物晶体材料凝固界面过程，凝固过程晶体结构缺陷的形成与演变等深层次的过程和现象。 (7) 多尺度、多学科的凝固过程建模与仿真及其控制。 (8) 通过对熔化过程基本原理的研究，发展新的新材料制备、加工、合成及组织控制新技术。,1.2.2 学科发展的现状与趋势,2.塑性成形与加工学科发展的现状与状况 近年来，随着现代材料科学、冶金学、计算机与信息技术、物理检测与控制、表面科学与工程、过程模拟与仿真、晶体塑性学以及介观损伤力学等的不断发展及其与塑性成形加工的有益结合，促进了学科的进步，使材料塑性成形与加工的基础理论研究、新技术、新

10、工艺开发以及在先进工业制造中的应用迅速发展，使学科研究领域出现了一些崭新的变化。,塑性成形与加工学科发展的现状与状况,塑性成形与加工学科发展方向： （1）轧制成性； （2）锻压成形； （3）特种成形； （4）半固体成形； （5）短流程与近终成形； （6）塑性加工摩擦、润滑与表面技术； （7）塑性成形模拟及CAD/CAE/CAM/KBE技术； （8）塑性成形检测与智能控制。,1.2.2 学科发展的现状与趋势,焊接冶金学科发展现状与趋势 随着材料科学、物理学、电子学及控制理论的发展，巨大的社会需求加速了焊接科学与工程学科的发展。到目前为止，该学科已经形成了六个分支，并取得了很大发展。,焊接冶金学科

11、发展现状与趋势,焊接冶金六大分支： （1）焊接过程智能控制 (含焊接过程传感与控制、各类设备、自动化与高效焊接)； （2）焊接冶金； （3）焊接结构与寿命评估； （4）微连接； （5）新材料及异种焊接冶金； （6）特种环境下的连接。,1.3 材料加工工程学科战略目标与优先发展方向,1.3.1 学科发展面临的挑战 1.凝固学科发展面临的挑战 凝固技术是以凝固理论为基础进行凝固过程控制的工程技术，是对各种凝固过程控制手段的综合应用。面对国外凝固理论发展的现状，我们面临发展凝固理论与技术的挑战与机遇，为此我们应加强凝固过程理论研究，研制凝固过程控制的新技术，促进金属材料生产业和机械制造业的技术进步。

12、,塑性成形与加工学科领域面临的挑战,2.塑性成形与加工学科领域面临的挑战 连铸连轧、近终形连续铸轧，精密锻压成形中的先进模具设计制造、精密成形、连续挤压与连续铸挤，特种成形中的超塑成形、复合成形和微成形、半固态加工、近终成形，塑性成形模拟及CADCAECAM技术，塑性成形检测与智能控制等，并取得了令人瞩目的成果。国内一些研究者在相关领域也做了不少研究和探索工作，但离实际应用和工程化推广应用还有一定距离。,焊接冶金学科领域面临的挑战,3.焊接冶金学科领域面临的挑战 在过去的50年里，量大、面广的钢结构焊接需求推动了高效、低成本焊接技术(焊接材料、方法和设备)的发展，在今后的50年问，以IT产业、

13、高新科技产品和现代运输工具为代表的前沿工程科技，需要在特种焊接研究领域有新的突破；需要研究新材料的连接、超常规环境下(太空、深水和核辐射等)的焊接方法、焊接基础理论和开发新的焊接手段；需要利用数字化、信息化技术，实现新材料、新结构的焊接制造。,1.3.2 学科发展战略目标,1.凝固学科发展战略目标 (1) 进一步揭示凝固过程的深层次的自然规律； (2) 发展凝固过程的控制技术，促进金属材料制备过程的技术进步； (3) 发展成形控制与组织控制一体化新技术，提升制造业的水平； (4) 发展非平衡凝固的理论与方法，促进新材料的研制； (5) 加强学科的交叉，推动凝固技术在功能材料研制中的应用； (6

14、) 加强与信息学科的交叉，进一步推动科学计算及模拟技术在凝固过程与控制中的应用。,1.3.2 学科发展战略目标,2.塑性成形与加工学科发展战略目标 (1) 通过加强传统金属结构材料和新一代钢铁材料的先进成形加工工艺控制技术的共性基础研究，结合模拟仿真及CADCAECAMKBE技术、成形过程在线检测与控制技术等先进技术； (2) 从长远发展考虑，对短流程、近终形金属塑性成形技术的研究给予高度重视； (3) 塑性加工与计算机科学、信息科学、现代物理学、表面科学与工程、系统工程、智能技术及环境工程等的学科交叉，是学科发展的新的增长点； (4) 对光电材料、生物材料、梯度材料、先进陶瓷材料和纳米材料等

15、新型功能材料及复合材料的先进制备与加工成形一体化技术基础研究给予足够的重视。,1.3.2 学科发展战略目标,3.焊接冶金学科发展战略目标 (1) 在应用基础理论上开展研究创新，鼓励学科交叉，在部分领域形成具有自主知识产权的焊接冶金新理论，总体上与国际先进研究水平保持同步发展。 (2) 围绕高效、环保、节能开展应用基础及技术研究，在理论上获得突破后，尽快实现焊接技术的更新换代，实现材料的高效焊接加工与环境协调发展。,焊接冶金学科发展战略目标,(3) 开展新焊接冶金、太空焊接与地面模拟领域的应用基础研究，形成新材料、特种环境下焊接理论体系，为航天器在轨焊接维修、新材料的连接提供理论指导及关键技术。

16、 (4) 通过基础理论和技术基础研究，形成微连接研究的完整体系；结合工业实际，获得自主知识产权的成果，为微电子、光电子连接封装制造领域提供工艺、方法和设备的理论基础，促进我国集成电路产业、光电子产业发展。,1.3.3 重点发展方向,1.凝固学科重点发展方向 (1) 多组元合金的微合金化，熔体微结构控制新原理与新方法，发展通过熔体结构控制实现凝固组织控制新技术。 (2) 电场、磁场等多物理场控制成形与控制凝固。 (3) 激光、等离子束、电子束等高能束流快速熔凝原理及凝固控制新技术。 (4) 大型复杂构件精确成形与组织性能控制的新技术。 (5) 微型构件的凝固成形技术。,凝固学科重点发展方向,(6

17、) 层状复合材料先进凝固成形技术。 (7) 焊接构件的凝固组织形成原理与控制技术。 (8) 非平衡凝固原理与非平衡材料制备技术。 (9) 化合物半导体、铁电材料、非线性光学晶体等新材料的原料提纯、合成、单晶生长新技术。 (10) 非均匀材料熔化过程的热力学及动力学研究。 (11) 凝固过程的多尺度、多学科、多功能、高保真、高精度的建模与算法。,1.3.3 重点发展方向,2.塑性成形与加工学科重点发展方向 (1) 新一代高强金属结构材料的先进成形加工基础研究。 (2) 短流程与近终成形基础研究。 (3) 精密成形、微细成形与快速成形基础研究。 (4) 塑性加工中的节约资源、能源及环境保护基础研究

18、。 (5) 新材料成形加工的基础研究。 (6) 塑性成形加工新技术新工艺研究。 (7) 塑性加工过程的模拟、预报、检测及智能控制基础理论与技术研究。,1.3.3 重点发展方向,3.焊接冶金学科重点发展方向 （1）高效、柔性焊接基础研究； （2）定量焊接冶金基础研究； （3）微细连接基础研究； （4）固相连接结构寿命评价基础研究； （5）新材料的太空焊接基础研究。,1.3.4 优先支持的前沿课题,1.凝固学科优先发展的前沿课题 (1) 多元合金的熔体结构及其对凝固行为的影响； (2) 多元多相合金凝固组织形成原理与控制方法； (3) 电磁场等物理场在成形与凝固控制中的应用； (4) 化合物材料的

19、晶体生长原理与微结构控制； (5) 非平衡凝固及其在新材料制备中的应用； (6) 材料熔化过程研究及其在新材料制备与加工技术中的应用； (7) 计算机模拟技术在凝固过程与控制中的应用。,1.3.4 优先支持的前沿课题,2塑性成形与加工学科优先支持的前沿课题 (1) 新一代高强金属结构材料的先进成形加工基础研究，在此基础上建立新的成形控制模型及方法； (2) 短流程与近终成形基础研究，为开发成形加工新工艺与新方法奠定理论基础； (3) 精密成形、微细成形与快速成形基础研究； (4) 塑性加工中的节约资源、能源及环境保护基础研究； (5) 光电子材料、生物医用材料、纳米材料、先进陶瓷材料和先进复合

20、材料等新材料制备、成形加工的基础研究； (6) 塑性加工过程的预报、检测及智能控制基础理论与技术研究。,1.3.4 优先支持的前沿课题,3焊接冶金学科优先支持的前沿课题 (1) 高效、柔性焊接控制应用基础理论研究； (2) 轻质高强材料(陶瓷、金属间化合物、超细晶钢、单晶)的连接性及其相关理论； (3) 纳米精度无源对准新概念互连原理及方法； (4) 太空焊接及结构寿命评价。,1.4 材料制备与加工工程学科发展对策与建议,1.4.1 凝固学科发展对策与建议 围绕前沿领域，设立重大与重点课题，组织国内主要科研机构合作研究；加强与金属材料、无机非金属材料、工程热物理、机械学科，乃至凝聚态物理、化学

21、工程、自动控制、计算机技术等学科的交流与合作，设立跨学科的重点研究项目。 在重大重点课题的研究中，适当吸收重要企业的工程技术人员参与课题组的研究，增强科学研究与工程应用的结合，充实理论研究的实验依据，加速科研成果的产业化转化。 以科研项目为纽带，推动国内相同领域科研人员的沟通与交流，以及国际合作与交流，提高科学研究的整体水平，保持科研项目的前沿性和创新性。,1.4 材料制备与加工工程学科发展对策与建议,1.4.2 塑性成形与加工科学发展对策与建议 材料塑性成形与加工学科是冶金、材料、应用三者之间的技术纽带和桥梁，因此它的发展直接影响到相关学科的进步与发展。建议国家自然科学基金委重点关注该学科的

22、发展，设立跨学科的重点学科群和重大基金，以促进应用基础理论的深入发展，形成具有自主知识产权的新工艺、新技术，并加速科研成果的转化。,焊接冶金学科发展对策与建议,1.4.3 焊接冶金学科发展对策与建议 为促进本学科分支的发展，为航天科技的发展，建议在材料焊接加工新工艺、新技术领域设立重点及重大基金研究课题。,谢谢！,1.1.3 学科的战略地位,1. 凝固学科的战略地位 受控凝固是冶金、机械制造、先进金属材料、无机功能晶体材料制备的关键环节。凝固研究的重要性表现在： （1）凝固是金属材料生产过程中材料冶金质量控制的关键环节； （2）凝固过程与控制是制造业的基本方法和关键技术之一； （3）凝固是新材料研制的重要手段； （4）控制熔化是新材料合成及材料加工的重要手段 back,1.1.3 学科的战略地位,2. 塑性成形与加工学科的战略地位 金属材料的塑性成形加工涉及冶金、机械制造、交通运输、航空航天、国防、基础设施建设、石油化工、电子通讯、家用电器及家庭生活用品等领域，并与资源、能源、环境和社会可持续发展密切相关，具有重要的战略地位。 3. 焊接冶金学科的战略地位 焊接与连接技术是先进制造技术的重要组成部分，是制造技术的重要的方法之一。焊接及连接加工对国民经济建