材料導論 第三章 材料的合成與加工(Ⅰ)

1、1 第三章 材料的合成與加工 3.1 緒緒 論論(性質(zhì)）性質(zhì)） 在材料科學與工程所涉及的在材料科學與工程所涉及的四個要素四個要素之間，材料的工藝之間，材料的工藝是一個至關(guān)重要的要素。材料本身的制造過程，以及使材料是一個至關(guān)重要的要素。材料本身的制造過程，以及使材料成為人類所能利用的產(chǎn)品的過程，都必須通過一定的成為人類所能利用的產(chǎn)品的過程，都必須通過一定的工藝工藝才才能實現(xiàn)。能實現(xiàn)。2 材料的合成與加工合成與加工過程實質(zhì)上是一個建立原子、分子的新排列，從原子尺度到宏觀尺度上對材料結(jié)構(gòu)進行控制的過程。合成合成通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材料時所采用

2、的物理和化學方法。料時所采用的物理和化學方法。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O 加工加工除了為生產(chǎn)有用材料而對原子、分子進行控制除了為生產(chǎn)有用材料而對原子、分子進行控制外，還包括材料形狀在較大尺度上的改變。外，還包括材料形狀在較大尺度上的改變。3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工3在材料科學與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模在材料科學與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊。糊。合成（制備）是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進的關(guān)鍵性要素。合成（制備）是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進的關(guān)鍵性要素?，F(xiàn)代材料制備技術(shù)是人造材料的唯一實現(xiàn)途徑?，F(xiàn)代材料制備技術(shù)是人造材料的唯一實現(xiàn)

3、途徑。需要說明的問題需要說明的問題 研究表明，材料的性質(zhì)和使用性能取決于材料的組成及結(jié)構(gòu)，后者又取決于合成與加工工藝。(性質(zhì)）性質(zhì)）3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工4材料的材料的合成（制備）與加工的主要內(nèi)容合成（制備）與加工的主要內(nèi)容：3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工材料制備（合成）材料制備（合成）材料加工材料加工表面工程表面工程材料復合材料復合53.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工1.61) 冶金過程冶金過程目的：目的： 從原料中提取出金屬內(nèi)容內(nèi)容: :3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工 冶金是基于礦產(chǎn)

4、資源的開發(fā)利用和金屬材料生產(chǎn)加工過冶金是基于礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用和金屬材料生產(chǎn)加工過程的工程技術(shù)。程的工程技術(shù)?；鸱ㄒ苯鸹鸱ㄒ苯饾穹ㄒ苯饾穹ㄒ苯痣娨苯痣娨苯鹩猩饘偃蹮捰猩饘偃蹮掍撹F冶煉鋼鐵冶煉金屬材料的制備金屬材料的制備72) 熔煉與凝固熔煉與凝固提拉法制取單晶硅提拉法制取單晶硅3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工8 粉末冶金一般工藝粉末冶金一般工藝（1）制粉）制粉（2）物料準備）物料準備（3）成形）成形（4）燒結(jié)）燒結(jié) 單元系燒結(jié)單元系燒結(jié) 多元系燒結(jié)多元系燒結(jié) 固相燒結(jié)固相燒結(jié) 液相燒結(jié)液相燒結(jié) 熱壓（熱等靜壓熱壓（熱等靜壓）（5）燒結(jié)后處理）燒結(jié)后處理3.1.1 3

5、.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工3) 粉末燒結(jié)粉末燒結(jié)制粉制粉壓型壓型燒結(jié)燒結(jié)粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù)94) 高分子聚合高分子聚合3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工103.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工2.11 三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：材料的（成形）成型3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工12材料的改性目的：通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)來改變材料的性能。材料的改性內(nèi)容: 1. 材料的“合金化” 2. 材料的熱處理材料的“合金化”：通

6、過改變材料的成分，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。材料的熱處理：通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。典型熱處理工藝：典型熱處理工藝：淬火、退火、回火、正火淬火、退火、回火、正火3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工13材料的聯(lián)接目的：實現(xiàn)材料間的整體結(jié)合。內(nèi)容：3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工143.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工3.15 從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改

7、性是從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在相同的，即：在表面實現(xiàn)材料的表面實現(xiàn)材料的成分成分、組織組織與與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的變的變化，達到改變材料表面性能的目的化，達到改變材料表面性能的目的。不同點就是采用了。不同點就是采用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。生在表面。3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工16表面改性表面改性-三束表面改性三束表面改性3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工17表面改性表面改性-化學表面改性化學表面改性改變材料表面的化學成分改變材料表面的化學成

8、分- - 化學滲入化學滲入3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工18表面改性表面改性-表面淬火表面淬火3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工193.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工20表面防護表面防護-腐蝕防護腐蝕防護3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工21表面防護表面防護-摩擦磨損防護摩擦磨損防護3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工 摩擦與磨損是材料失效的三種主要形式（磨損、腐蝕和斷裂）之一。 由于摩擦磨損是在相互接觸和相對運由于摩擦磨損是在相互接觸和相對運動的固體表面進行的，因此接觸體表面及動的

9、固體表面進行的，因此接觸體表面及其性能對摩擦磨損性能十分重要。大量研其性能對摩擦磨損性能十分重要。大量研究結(jié)果表面，摩擦副材料表面采用某種表究結(jié)果表面，摩擦副材料表面采用某種表面技術(shù)處理后，可使材料的摩擦磨損性能面技術(shù)處理后，可使材料的摩擦磨損性能有顯著的改善，可見表面工程與摩擦磨損有顯著的改善，可見表面工程與摩擦磨損之間的密切關(guān)系。之間的密切關(guān)系。摩擦過程中的主要影響因素：材料性質(zhì)、表面粗糙度、溫度、速度、表面膜。22 金屬基復合材料金屬基復合材料 陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料 高分子復合材料高分子復合材料 材料復合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)作用的原則，進行材料的設(shè)計與制

10、備。因此材料復合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。復合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制復合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備的基本原理。備的基本原理。目前材料科學的發(fā)展，復合的概念越來越重要，出現(xiàn)了目前材料科學的發(fā)展，復合的概念越來越重要，出現(xiàn)了許多新型的復合材料及制備方法。許多新型的復合材料及制備方法。3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工4.233.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工24 現(xiàn)代材料的制備與加工不僅涉及到微觀和宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)容，同時也涉及到更微細化，甚至達到了原子尺度范圍上的問題。 我國與工業(yè)發(fā)達國家材料加工

11、存在很大差距。因此提高材料合成與加工的技術(shù)水平是我們最重要的課題。3.1.1 3.1.1 材料的合成與加工材料的合成與加工25 材料的成形工藝材料的成形工藝: : 把把原料原料經(jīng)過經(jīng)過物理和化學變化物理和化學變化而而變成變成工程工程上有用的原材料上有用的原材料的工藝技術(shù)。的工藝技術(shù)。 材料成形工藝是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)。其生產(chǎn)材料成形工藝是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)。其生產(chǎn)能力及其工藝水平對國家的工、農(nóng)、國防和科學技術(shù)的發(fā)能力及其工藝水平對國家的工、農(nóng)、國防和科學技術(shù)的發(fā)展有重大影響。展有重大影響。材料成形工藝材料成形工藝由液態(tài)金屬的鑄造成形、固態(tài)金屬的塑性成形、金屬由液態(tài)金屬的鑄造成形、固

12、態(tài)金屬的塑性成形、金屬材料的焊接成形和高分子材料成形組成。材料的焊接成形和高分子材料成形組成。3.1.2 3.1.2 材料的成形工藝定義材料的成形工藝定義26戰(zhàn)國曾乙侯墓編鐘戰(zhàn)國曾乙侯墓編鐘3.1.3 3.1.3 我國材料成形工藝的發(fā)展概況我國材料成形工藝的發(fā)展概況27鑄鍛鑄鍛歷史悠久，但是長期處于手工歷史悠久，但是長期處于手工和作坊狀態(tài)！和作坊狀態(tài)！3.1.3 3.1.3 我國材料成形工藝的發(fā)展概況我國材料成形工藝的發(fā)展概況28 改革開放后，改革開放后，成形工藝發(fā)展迅成形工藝發(fā)展迅猛。猛。鑄鍛焊大國，但不是強國鑄鍛焊大國，但不是強國發(fā)展前途非常廣闊發(fā)展前途非常廣闊良好的發(fā)展機遇！良好的發(fā)展機

13、遇！3.1.3 3.1.3 我國材料成形工藝的發(fā)展概況我國材料成形工藝的發(fā)展概況29 它是實現(xiàn)這些行業(yè)中的它是實現(xiàn)這些行業(yè)中的鑄件鑄件、鍛件鍛件、鈑金件鈑金件、焊接焊接件件、塑料件塑料件和和橡膠件橡膠件等生產(chǎn)的等生產(chǎn)的主要方式和方法主要方式和方法。 材料成形工藝材料成形工藝在汽車、拖拉機與農(nóng)用機械、工程機械、動力機械、起重機械、石油化工機械、橋梁、冶金、機床、航空航天、兵器、儀器儀表、輕工和家用電器等制造業(yè)中，起著極為重要的作用。3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 30金屬材料無機非金屬高分子材料膜水立方膜水立方瓷磚瓷磚鎂合金散熱器鎂合金散熱器水泥水泥鋁合

14、金門窗鋁合金門窗鋼結(jié)構(gòu)鳥巢鋼結(jié)構(gòu)鳥巢建建 筑筑3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 31基基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)設(shè)施施各種交通工具各種交通工具交交 通通3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 32中國無人機中國無人機戰(zhàn)機與導彈戰(zhàn)機與導彈火箭火箭核潛艇核潛艇航空母艦航空母艦衛(wèi)星衛(wèi)星國國 防防3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 33機械計算機電子計算機晶體管計算機當代計算機電子管集成電路晶體管計算機的發(fā)展電話的演變歷史信息信息3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 34鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池燃料電池太陽能電池鉛酸電池鋰電池太陽能電池燃料電池能能 源源3.1.4 3.1.4 材料成形工藝的作用和地位材料成形工藝的作用和地位 35過濾材料多孔陶瓷過濾材料多孔陶瓷 隔音材料泡沫鋁隔音材料泡沫鋁空氣凈化材料空氣凈化材料環(huán)環(huán)保保材材料料材料與環(huán)境的交互作用材料與環(huán)境的交互作用原料開采原料開采生產(chǎn)與制造生產(chǎn)與制造使用使用廢棄廢棄運輸運輸再生循環(huán)再生循環(huán)材料的全生命周期示意圖材料的