材料与材料加工技术

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