材料与材料加工技术

材料与材料加工技术（共8篇）

材料与材料加工技术 篇1

制造业是提高国家工业生产率、经济增长、国家安全及生活质量的基础，是国家综合实力的重要标志。现如今我国制造业面临巨大挑战，因而加强材料成形加工技术与科学基础研究，大力采用先进制造技术，对国民经济的发展具有重要意义。

材料成形加工技术与科学既是制造业的重要组成部分，又是材料科学与工程的四要素之一，对国民经济的发展及国防力量的增强均有重要作用。“新一代材料精确成形加工技术”与“多学科多尺度模拟仿真”是现代两个重要学科研究前沿领域。高新技术材料的出现，将加速发展以“精确成形”及“短流程”为代表的材料加工工艺，包括：全新的成形加工方法与工艺，及传统成形加工方法的改进与工序综合。“模拟仿真”是产品计算机集成制造、敏捷制造的主要内容，是实现制造业信息化的先进方法。并行工程已成为产品及相关制造过程集成设计的系统方法，以计算机模拟仿真与虚拟现实技术为手段的虚拟制造设计将是先进制造技术的重要支撑环境。网络化、智能化是现代产品与工艺过程设计的趋势，绿色制造是现代材料加工技术的进一步发展方向。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用先进的材料加工技术，才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业以高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用，可扩大材料及制造范围、提高生产率、降低产品成本、增强企业国际竞争能力。

制造业在过去的几年中发生了巨大变化，而现代高科技及新材料的出现将导致材料成形加工技术的进一步发展与变革，出现全新的成形加工方法与工艺，传统加工方法不断改进并走向工艺综合，材料成形加工技术则逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

第二章 现代材料成形加工技术与科学

2.1现代材料成形加工技术的作用与地位

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四位。材料成形加工行业则是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。目前，在汽车行业中汽车重量的65%以上仍由钢铁、铝及镁合金等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成形。材料成形加工技术与科学又是材料科学与工程的四要素之一，它不仅赋予零部件以形状，而且给予零部件以最终性能及使用特性。

制造业在过去的几年中发生了巨大的变化，这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求材料加工产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少；另外材料成形本身制造好、成品率高。为了生产高精度、高质量的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用新近的材料加工技术才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业已高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用。

2.2材料成形加工技术的发展趋势

美国在“新一代制造计划”中指出，未来的制造模式将是批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好；未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备及模拟与仿真三项关键技术。其中新一代工艺包括精确成形加工制造或称净终成形加工工艺。净终成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。

轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。近年来，随着汽车工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗 和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，轻质、高质量的绿色环保材料将成为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的最具有开发和应用发展前途的金属材料。

镁合金压铸件广泛应用于交通工业（汽车、摩托车及飞机零件等）、IT行业（手机、笔记本等）、小型家电行业（摄像机、照相机及其它电子产品外壳等）。汽车离合器和变速箱壳体采用镁合金压铸件比铝合金重量分别减轻2.6kg和2.5kg。同时，压铸镁铝合金产品在体育运动（自行车架与踏板、滑雪板等）、手工工具（链锯、岩钻等）、国防建设（轻型武器、步兵装备）等领域亦有十分广阔的应用前景。

2.3材料成形加工过程的建模与仿真

随着计算机技术的发展，技术材料科学已成为一门新兴的交叉学科，成为材料研究的重要手段，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与工程的前沿领域及研究热点，而高性能、高保真和高效率则是模拟仿真的努力目标。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入设备的利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%，增加分析问题广度和深度的能力3～3.5倍等。

2.4材料的快速成形与虚拟制造

我国制造业的主要问题之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏国际市场竞争能力。随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户要求，必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品。

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术，其关键是建立制造过程的计算模型，虚拟仿真制造过程。虚拟制造以并行方式进行产品设计、加工和装配，对各单元采用分布管理，而且不受时间、空间限制。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外观设备，生成与真实环境一致的三维虚拟环境，使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互。与智能制造、虚拟工厂、网络化制造集成，材料加工过程建模与仿真将成为制造业新产品过程设计的非常有效的工具。

第三章 新一代材料成形加工

3.1材料成形加工技术发展特征

材料成形加工技术在现代发展的过程中，形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”、“信息化”的特征。

1.材料成形加工技术的“精密”特征：成形精度向净成形的方向发展 材料成形加工技术的重要特征是精密化，以制造技术而论，从尺度上看，精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。材料成形加工技术也在朝着精密化的方向发展，表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形向净成形，即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。

2.材料成形加工技术的“优质”特征：成形质量向近无缺陷、“零”缺陷的方向发展

如果说净成形技术主要反映的是成形加工技术的尺寸与形状精密的特征，反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，那么，反映成形加工优质特征的则是近无缺陷、“零”缺陷成形加工技术。这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

3.材料成形加工技术的“快速”特征：成形过程向快速方向发展

为满足现代消费观念的变革以及市场的剧烈竞争化，“客户化、小批量、快速交货”的要求不断增加，需要材料成形加工技术的快速化。

成形加工技术的快速特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，星星铸造、锻造、焊接方法都从不同角度提高生产效率。

3.2新一代材料成形加工技术

制造技术可分为加工制造和成形制造（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组成。

3.2.1精确成形加工技术

近年来出现了很多新的精确成形加工制造技术。在轿车工业中还有很多材料精确成形新工艺，如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件，液压胀形技术，半固态成形及三维挤压发等。摩擦压力焊接技术近来也备受人们关注。

以挤压铸造及半固态铸造为代表的精确成形技术由于熔体在压力下充型、凝固，从而使零件具有好的表面及内部质量。半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成形、高品质铸件的材料半固态加工技术。半固态铸造铝合金零件在汽车上的应用其区别于压力铸造和锻压的主要特征是：材料处于半固态时在较高压力（约200MPa）下充型和凝固。材料在压力作用下凝固可形成细小的球状晶粒组织。

3.2.2快速原型制造技术

随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，制造技术必须具有较强的灵活性，能够以小批量甚至单批量生产迎合市场。快速原型制造技术以离散和堆积原理为基础和特征，将零件的电子模型按一定方式离散成为可加工离散面、离散线和离散点，然后采用多种手段将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。近年来快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造，这些技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。

3.3新一代产品制造设计的研究

未来智能制造公司需要一系列核心智能，以便在集成设计、制造和商业服务系统内进行智能商务运作。这一系列的智能核心即可预测性、可生产性和廉价性、污染防治、产品与工艺性能。

研究这些特点已使集成设计、制造和服务成为一个具有竞争力的系统学科。如果将这种集成工程系统理解成为一种科学，就可以将其归为已经成熟的分析方法，然后就可以确定基本参数及如何测量它们，从而可以预测期行为。下面是在材料加工和新一代产品制造设计中将建模与仿真用作智能核心的基本要点：

1.数字产品和工艺建模的可预测性

随着具有竞争力的缩减产品发展与实现周期的蓬勃发展，在产品与工艺合成中的所有决策需要精度的建模与仿真工艺，以使物理基础的或行为基础的设计属性生效。在动力学、热力学、理学、材料和行为系统中有效运用建模工具是未来数字制造的先决条件。这些模型和知识要在网络和协作环境下共享，最新的SGI（美国图形工作站生产厂商）工作站可以在数分钟至数小时内解决极为复杂的工程问题。制造商可以使用高度工程化的仿真模型来帮助供货商改变模型设计和运送近于零缺陷的铸件给消费者，这样会尽量减少返工和缺陷。2.材料的可生产性和廉价性

廉价的制造材料对制造业特别是航空业一直是一个挑战。随着对环境和性能的规范和限制越来越多，各公司正在寻找更好的超级合金高温材料和类似网状的工艺技术，以降低原材料和制造运作过程的成本。现在，研究机构中的多数研究工具和工艺模型对公司在制造过程中预测并验证材料属性是远远不够的。我们必须将着眼点从尺寸精确性扩展到材料性能，以便获得对工艺、机器和零件的品质的全面了解。这将引导我们开创集材料、制造、物理和计算学等交叉学科的研究工作，以推进我们对制造学的了解。

3.绿色生产和工艺的污染防治

我们需要新的规范使传感器和工艺控制这种技术更好的整合，以便更少的发展和安装成本提供更高的能源效率并降低污染。绿色制造系统应改进以使工厂监控工艺参数，并直接、精确和快速的获得真实的工艺信息。另外，需要可代替的化学基础的涂层技术来影响化学自由制造工艺，还需要新型的传感器通过化学手段监控和控制腐蚀环境。正在出现的技术，诸如微电子机械基础的工艺传感器和无线电通信，需要发展和工程化以满足这些挑战性的需求。

4.产品与工艺性能的先进维护技术

服务和维护对于保持产品和工艺的质量及客户的满意度是非常重要的。确定系统失效原因的难点归结为几种因素，包括系统复杂性、不确定性和缺乏足够的纠错工具。当前，许多组织工业正实行的服务和维护就是基于响应的方法。组织我们解决这些问题的基本原因是对制造机器和设备每天的情况了解不足。我们只是不知道如何定量预测零件和机器的性能退化。我们缺乏有效地预测模型和工具，它们可以告诉我们给定工艺参数的具体值时会有什么情况发生。我们要进行研究，以了解产品和机器故障生产的原因，开发智能和可重复配置这些目标，需要智能软件和网络设备来提供预先维护能力，诸如性能退化测量、故障修复、自维护和远程诊断。这些特点允许制造和加工工业能发展预先维护策略，以保证产品和工艺性能，并最终消除不必要的系统瘫痪。

第4章 绿色再制造与材料成形加工的可持

续发展

在当今全球经济发展的同时，对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。其中，机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染资源之一。通过研究再制造工程理论和技术，可以为废旧产品的科学利用提供依据，指导规范当前的再制造市场。

再制造工程是以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、环保为目标，以先进技术和产业化市场为手段，来恢复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。通过再制造的研究，可形成闭环的产品物质及信息流系统，实现由产品的开环处理和材料资源的闭环回收，发展到产品闭环使用的高级阶段，实现高级资源物质流的最优化循环。

4.1再制造过程的设计基础

针对失效的产品进行再制造，首先要对其进行再制造设计，再制造的设计基础包括产品的失效机理及寿命预测、再制造性的评价等内容。

4.1.1产品失效机理及寿命预测

产品服役的环境行为及失效机理研究是实施再制造工程重要的基础理论依据。从宏观和微观上研究零部件在复杂的环境中失效的机理和损伤的规律。主要研究复杂环境中多因素非线性耦合作用下的零部件失效机理，包括腐蚀介质与力学因素联合作用下的零件损伤机理，温度场与应力场耦合作用下的零部件损伤行为，多轴载荷作用下零部件的疲劳破坏行为，以及汽液固多相流环境中零部件的腐蚀、冲蚀、穴蚀交互损伤规律。

产品寿命预测与剩余寿命评估方法建立在零部件失效分析的基础上，应用力学理论建立失效行为的数学模型，并与加速试验结果相结合，以建立产品寿命的预测评估系统，评估新品、再制造产品的寿命及产品的剩余寿命。

4.1.2产品再制造性的评价

废旧产品的再制造性是决定其能否进行再制造的前提，是再制造基础理论研究中的首要问题。再制造性是指将技术、经济和环境等因素综合分析后，废旧产品所具有的通过维修或改造后恢复或超过原产品性能的能力。

4.2再制造材料成形加工关键技术

废旧产品经过再制造论证后，要实施再制造必须依赖于先进的材料成形加工技术。

4.2.1复合表面工程技术

零件的失效多起源于表面，因此表面工程技术是再制造过程中的核心技术。表面过程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，已获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化。复合表面工程是先进表面工程的重要基础内容。复合表面工程主要包括多种表面技术的复合和多种表面材料的复合两种形式。国外称之为第二代表面工程新技术。

1.多种表面技术的复合

多种表面技术的复合能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻的工况条件的要求。综合运用多种表面技术的复合可以通过最佳协同效应获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

多种表面技术的复合主要研究内容包括：

⑴ 研究可产生协同效应的多种技术之间的复合和设计；表面复合涂层在恶劣工况下表面或界面之间的协同效应机理。

⑵ 研究表征功能梯度材料（FGM）性能与组成的梯度变化，应用计算机逆向设计对FGM覆层的组成和结构进行优化；开发热喷涂、电刷镀、气相沉积等工艺制备FGM覆层的技术；研究金属、金属间化合物、陶瓷等FGM涂层性能。

⑶ 应用物理气相沉积、化学气相沉积和高能束辅助沉积在再制造毛坯上形成超硬膜。研究真空膜层成膜界面行为与膜层性能关系；形核及生长动力学；在晶格错配度较大条件基体强度与超硬膜结合强度的关系；复合膜组元之间的交互作用。

2.多种表面材料的复合

多种表面材料形成的复合涂层不但具有单一结构涂层所具有的性能，还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层，复合涂层的研究和应用日益增多。由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、梯度功能复合涂层等。

4.2.2纳米表面工程技术

纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米涂层及纳米表面自修复材料和技术是以纳米材料为基础，通过特定的工艺手段，对固体的表面进行强化、改性，或者赋予表面新功能，或者对损伤的表面进行自修复。例如：

⑴ 纳米颗粒复合电镀刷技术 ⑵ 纳米颗粒复合原位动态自修复技术 ⑶ 纳米材料热喷涂技术 ⑷ 金属表面纳米晶化技术

纳米表面工程的主要技术基础包括：

① 纳米涂层的制备技术的基础研究，特别是研究纳米材料在介质中的分散和稳定等关键工艺；纳米涂层的高强度、高韧性及其他特殊优异性能；纳米涂层对热疲劳及高温磨损等苛刻条件下的微裂纹萌生、扩展和损伤抑制机理；纳米涂层抗氧化性和热稳定性的机理等。

② 研究非晶复合纳米晶涂层形成的机理与影响因素，包括材料表面纳米结构和非晶纳米晶复合涂层结构和体相的物理化学现象；涂层显微组织的形成与演化规律、缺陷与热应力的形成机理、界面结合情况等。研究非平衡条件下低维材料的结构与行为以及宏观与微观的一体化，包括“尺度问题”和“表面、界面问题”，为开发纳米电刷镀技术、纳米热喷涂技术、纳米气相沉积等及其复合技术提供技术基础。

③ 纳米原位动态减摩自修复技术的基础研究。在不停机、不解体的状况下，应用摩擦化学理论，利用纳米颗粒的特性在摩擦微损伤表面原位动态形成自修复膜层的方法及材料。研究内容包括：纳米结构的润滑膜、自修复薄膜等的生长机理和服役特性；纳米润滑添加剂对摩擦表面的强化和对初期磨损表面的原位动态自修复等机制；纳米添加剂的组成、形态、结构、反映活性等与损伤动态自修复功能的关系规律，开发与摩擦表面结合良好、具有优良抗磨损和承载能力的纳米磨损动态自修复技术及摩擦表面原位强化技术。

4.2.3特殊环境下的应急再制造技术

我国有大量的设备服役在苛刻的环境条件下，如在野外环境下石油、天然气设备；水电、公路铁路施工设备等；在严重快速磨损的高原沙漠地区，在高温、高湿、高烟雾海洋环境下的严重腐蚀或磨损等。特殊环境下的装备应急再制造关键技术以恢复服役性能为重点，对再制造的时间、空间、标准、技术条件等有特殊要求，具有现场性、应急性、易噪性等特点。研究内容主要包括：

1.应急快速维修技术

高科技条件下的局部战争及生产线协同运行等作业方式缩短了损伤装备修理的时间和空间，因此应急快速维修的地位和作用也变得更为重要。采用先进技术快速修复损伤的装备，使其迅速恢复战斗力和生产力，是高科技条件下的作战与生产对应急维修技术的要求，也是装备再制造的重要研究方向。主要技术基础：

⑴ 研究军用装备的战伤特点及装备突发故障规律，建立应急维修技术专家系统。

⑵ 开发适应于高低温、高负荷、强辐射等苛刻条件下使用的耐磨、防腐化学粘涂材料（复合型胶粘剂、纳米胶粘剂、特种功能胶粘剂）；研究粘结粘涂层的衰变性能；研究快速固化机理和技术，如紫外线固化、微波固化技术等；重点开发适用于战伤及突发损伤的粘接、冷焊、扣合、堵漏等应急快速抢修技术。

⑶ 研究提高部队作战和野外施工作业应急机动保障能力的关键技术，开发通用化、小型化、标准化、智能化、数字化的靠前抢修配套工具和仪器，开发多种现场抢修车及方舱等。

2.再制造毛坯快速成形技术

再制造毛坯快速成形技术，是利用原有废旧的零件作为再制造零件毛坯原料，根据离散和堆积成形原理，利用CAD零件模型所确定的几何信息，采用积分原理和先进熔覆技术进行金属的熔融堆积，快速成形。主要技术基础：

⑴ 建立产品结构、零部件及表面涂层体系的再制造计算机辅助工程系统（RCAE），研究零件受损检测和几何特征定位，开发再制造毛坯表面三维几何参量测试及再制造建模系统。

⑵ 研究适宜快速成形的高熔点材料，解决金属直接快速成形的致密性、成形材料与基体的结合强度、成形材料间的内聚强度等问题。

结 论

本文指出我国制造业的基础共性技术领域材料成形加工技术与科学的发展方向，以推动该领域的发展和进步。

新一代制造工艺及装备、建模与仿真及快速产品与工艺开发系统是面向现代的三项关键先进制造技术。轻量化、精确化、高效化将是新一代成形加工技术的重要发展方向，材料成形加工向更轻、更薄、更精、更强、更韧、质量高、周期短及成本低的方向发展。

在新一代成形加工技术与材料成形加工的发展中不断面临的环保、资源、市场竞争等问题上，绿色再制造又成为了成形加工技术的进一步发展趋势。绿色再制造材料成形加工关键技术基础的研究目标和内容涉及材料学科和机械学科的前沿，符合废品资源化和我国可持续发展战略的原则和内容，其中许多技术基础的研究内容优又是根据我国废旧产品再制造的需求提出的，具有较强的学科创新性、前瞻性以及广阔的应用与发展前景。

参考文献

朱高峰主编.全球化时代的中国制造.北京：社会科学文献出版社，2003

柳百成，李敏贤，吴俊郊等.国家自然科学资金优先资助领域战略研究报告—

—先进制造技术基础.北京：高等教育出版社，1998，3456789

石力开.新材料的发展趋势及其在我国的发展状况，1996，师昌绪.高技术新材料的现状与展望.机械工程材料，1994，柳百成，荆涛等.铸造工程的模拟仿真及质量控制.北京：机械工业出版社2001，中国机械工程学会.“九五”机械工业科学技术重大进展，2001

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徐滨士，马世宁，刘世参等.21世纪的再制造工程.中国机械工程，2000

周尧和.21世纪需要绿色集约化铸造，1998

成都理工大学

材料成型与加工技术

姓名：陈康

学号：2015050207 专业：机械工程及其自动化

院系：核技术与自动化学院

材料与材料加工技术 篇2

材料性质直接反映着社会的文明水平, 从石器、陶器、铁器时代到科学技术进步正进入到人工合成材料、复合材料、记忆功能材料的新时代。人们对材料的观察和研究进入微观领域, X射线衍射技术、电子显微镜, 各种先进能谱仪, 将人类对材料微观世界的认识带入了更深的层次。形成了踌学科的材料科学。随着原子能航空航天、电子住处海洋开发等现代工业的以展, 对材料提出更好的严格的要求, 出现了一大批相对密度更小强度更加工性能更好, 并能满足特殊性能要求的新材料, 像航空母舰上舰载飞机起降甲板他需要高性能的镁板材料, 要求能具有极高的强度, 能承受在几千度的高温下的冲击载荷, 这就需要极好的综合性能。各种新型材料的研究和开发正在加速。新型材料的特点是高性能化、复合化, 有机材料、无机材料的界限在消失科学发展的进步象有机材料, 无机材料也均已出现异电性, 复合材料更是融多种材料性能于一体, 甚至出现一些与原来截然不同的性能。这些新型材料的出现扩大了各种不同层次的应用范围, 极大地推动了高新技术的日新月异的飞速以展, 特别是纳米材料的开发和应用, 引起了世界各国政府科学技术界军界的重视, 专家预测, 纳米材料科学技术将成为21世纪信息时代的核心。

要以时俱进, 紧跟前沿技术发展, 以培养学生具有综合素质为基础的全新教育。作为教机械专业类的教师深感责任所在, 从心里面真诚的希望所教的学生能从现在起踏踏认认真真, 一丝不苟地学习, 学好本专业的知识, 特别是《工程材料与加工基础》。他是为后继专业课程的学习提供材料方面的知道, 为正确选用材料提供理论依据, 增强妥善合理安排工艺方案的能力, 保证产品从原材料直至制成产品全过程的了解熟悉掌握并运用。从产品决策、选项、定型、设计制造整个过程都会牵涉到产品的材料问题, 材料的力学性能、工艺性能。热处理加工条件等其中工艺加工性能对机械类专业紧密相关。因不同的金属材料具有不同的力学性能, 即使同一种金属材料, 在不同的条件下他的性能也是不同的, 金属性能的这些差异, 从本质上来说是材料内部结构的不同所决定的。因此, 学生了解熟悉掌握金属及其对金属性能的影响对于选用和加工金属材料, 具有非常重要的意义。

难加工金属材料的切削加工技术 篇3

关键词：难加工金属材料 切削加工技术 刀具几向参数

中图分类号：TH142 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（b）-0031-02

基于这种情势背景之下，出现了新加工材料这一领域。经济的不断发展和生产力的不断提升，不同领域之间运用到难加工材料的次数越来越频繁，其加工技术也随着经济的发展而不断的完善和优化。如何对于这些材料进行高效率的加工和利用，成为如今应该重点思考的问题。如果能够对于这些材料进行科学合理的利用，那么对于重工业领域、航天领域以及其他相关领域进行健康可持续的发展有着极为重要的价值和意义。在对其进行探究的过程当中，要掌握问题的根源，对于难加工材料种类多样化以及多功能性这两大问题进行重点的研究和探讨，切实解决制造业发展的需要。

1 切削领域中的难加工金属材料

难加工金属材料其定义就是指在进行切削加工的过程当中难度系数较大的，所需要花费的人力资本较多的材料。相关的工作人员将加工材料的切削工序分为了不同的等级，等级越高进行加工时难度越大，5级以上的加工材料就可以被定义为难加工材料。这些材料往往具有高强度或者是高硬度的特性，大多数都是金属产品，在对其进行加工时所使用的道具寿命不长，卷屑也较为困难，加工过后的成品往往表面比较粗糙。之所以上述的金属材料进行加工的难度系数较大，笔者对其原因进行了详细的探析，分为以下几点：（1）金属材料主要由合金元素组成，其熔点相较于其他加工材料来说熔点较高，比如说铁、钛等在加工的过程当中可以相互进行交融，与其他合金要素发生化学反应，会形成硬度较高的颗粒物。这样刀具在进行材料的加工过程当中，由于磨损过大，其寿命就会大大的减少。（2）加工材料具有固定的本质属性，其自身就具有一定的硬度和韧性，而材料加工的环境往往都是需要高温的，而在高温的环境当中，材料会因为温度的增加使自身原始的表面形态发生一定的变化，就是会发生变形，切屑的硬度增加，进行切屑时所耗费的生产力也就更多。（3）加工材料当中往往具有一些化学特性，其中蕴含的分子元素活跃性较强，比如说钛合金当中的分子元素在与刀具进行接触的过程当中，化学的亲和性强，道具会因此与钛合金当中的化学元素发生反应，使得道具表面组织发生改变，从而加剧刀具的磨损。（4）在对于难加工材料进行分析之后，发现其具有共同的特性，那就是其热传导率较低，在进行加工的过程当中不能够将热量及时的散发出去，这样就会使得刀刃与刀柄之间温度的差异较大。其所带来最直接的后果就是刀具在高温环境之下，其粘连性会有所下降，造成粒子丢失，进一步的加剧刀具的磨损。同时在进行材料高温切削的过程当中，道具往往与难加工材料发生一定的化学反应，会出现成分丢失或者是增加的情况，这些情况都是造成刀具磨损的要素。

2 难加工金属材料的切削技术

如今在进行难加工材料的加工过程当中，仍旧使用的是传统的切削技术，其加工的质量和效率都不尽人意，为了使得这一情况有所改善，提出一些对策和建议使得切削技术能够有所提升：选择切削功能强、质量优良的刀具；对于切削用量和参数进行科学合理的制定；在上述的建议当中对于刀具的选择是最重要的，其不但要求质量优良，对于切削性也具有一定的要求。比如说陶瓷和金刚钻都能够在难加工材料切削的过程当中发挥巨大的价值。与此同时对于刀具与难加工材料当中的化学、物理属性也要进行详细的考虑，确保刀具在进行切削的过程当中，化学或者是物理反应不要过于激烈，这样才能够确保刀具的质量得到保障。

2.1 切削难加工金属材料的刀具材料选用

CBN的高温硬度相较于其他刀具材料来说具有一定的优势地位，其在进行硬度较大的材料加工时，由于其CBN 成分含量多，因此刀具的寿命也能够因此延长，切削的质量和效率也会有所提升。

新型涂层硬质合金其耐磨性较高，在进行难加工材料的切削时，大多数厂家都愿意选择其为切削的道具。究其主要原因就是其适用的难加工材料种类丰富，并且切削效果较好。但是其涂层具有性能单一的特性，这样在选用其进行难加工材料的切削时，就需要根据该材料的特性进行分析，在此基础之上进行涂层道具材料的选择运用。

金刚石烧结体刀具适用于硬度较大的金属，因为碳化学分子比较稳定，硬度较强，其所制成的刀具材料具有刀刃锋利的特性，并且其热度不会给在刀刃处滞留，不会导致刀刃刀柄的温差较大而加大化学物的滞留的情况发生，極大程度上减轻了刀具的磨损状况。

2.2 合理选择刀具几何参数

想要使得难加工材料在切削的过程当中减轻切削的压力，可以从刀具形状方面进行考虑。对于难加工材料的特性进行分析，对于道具几何形状进行适当的改变，这样不但使得切削的质量精准性有所提升，并且对于刀具的保养也有裨益，因此在对于难加工材料的切削技术处理时，刀具形状的选用是至关重要的。如今随着经济和科技的不断发展，在对于切削刀具形状进行选择时，思维理念也有了创新和发展，比如说增大钻尖角等等。

2.3 合理选择难加工材料的切削条件

在对于难加工材料进行切削条件的设定时，其要求的规格标准并不高。随着科技的不断完善，难加工材料的切削工艺已经日益完善并不断的得以优化，刀具的使用寿命也日益加长。如今对于道具切口的选择大多数都是使用那些比较轻巧方便的切削工具，不但能够使得难加工材料的切削质量有所提升，也能够减轻切削的压力，从而提高切削的效率。与此同时对于刀具形状以及刀具的材料构成要素也要进行重视，这样才能够使得切削效果达到最佳。

上述的建议对于大部分的难加工材料的切削工艺是有一定裨益和帮助的，但是存在采取上述方式仍旧不能够进行有效切削工作展开的情况。比如说，在对于那些硬度较大的切削金属材料进行加工的过程当中，切削的速率要加以降低，这样才能够取得良好的切削效果。有些刀具当中含有CBN成分或者是金刚石，其刀刃的硬度较大，但是其韧性较低，进行加工材料的选择时具有一定的局限性，尤其是金刚石其对于黑色金属加工材料不具有切削能力，这样其应用范围就被大大的缩小。如今对于切削方式技巧不断的得以完善，其思维理念也有所创新，发明了特种加工的方法，其加工的原理并不是使用传统机械的方式对其进行加工，而是使用声能、太阳能等方式，其对于材料没有限制性，适用于任何种类的加工材料。

虽然特种加工的方式适用范围十分广阔，但是其仍旧具有一定的局限性，在未来今后的发展过程当中，发展潜力并不大。

3 结语

难加工金属材料是时代的产物，其切削的技术和方式也在随着时代的进步和经济的发展在不断的完善和优化。如今应该对切削工艺进行重视，加快对于新型切削刀具的开发和创新，使得切削技术能够运用到更多的领域当中，切实促进我国经济发展。

参考文献

[1]郁鼎文，陈恳.现代制造技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]刘冠权，马修泉.精切代磨技术的发展与应用[J].辽宁工程技术大学学报，2003（3）：28-31.

[3]张树森.45淬硬钢的精切代磨加工[J].机械工程师，2006（3）：41-43.

材料纳米微米加工技术 篇4

Materials Micro and Nano Machining Technology 青岛大学材料科学与工程学院

闫菁云（高分子创新班

201341603091）

【摘要】微米／纳米技术是一个新兴的、高技术和基础研究紧密结合的高科技领域，汇集了电子、机械、材料、制造、检测，以及物理、化学和生物等不同学科新生长出来的微小和微观领域的科学技术群体，是科学技术创新思维的结果，被认为是面向21世纪的新兴科技，近年来在全世界范围内得到了飞速的发展，取得了惊人的成绩，正在并且即将对人类产生深远的影响，甚至改变人们的思维方式和生活方式，极富挑战性。这篇文章主要论述了微米纳米技术的内容及应用。

关键词：微米技术、纳米技术

一、微米技术

微米技术是指在微米级（0.1-100微米）的材料上设计、制造、测量、控制和应用的技术。目前，微米技术的研究与应用涉及以下几个方面：

1.微小尺度的设计应用

研究微型系统的设计需要形成一整套新的设计理论方法，例如：微动力学、微流体力学、微热力学、微机械学、激光学等。以便解决微型系统设计中的尺寸效应、表面效应、误差效应及材料性能的影响。

2.微细加工技术

微细加工技术包含超精机械加工、IC工艺、化学腐蚀、能量束加工等诸多方法。对于简单的面、线轮廓的加工，可以采用单点金刚石和CBN（立方氮化硼）刀具切削、磨削、抛光等技术来实现，如激光陀螺的平面反射镜和平面度误差要求小于30nm，表面粗糙度Ra值小于1hm等。而对于稍微复杂一点的结构，用机械加工的方法是不可能的，特别是制造复合结构，当今较为成熟的技术仍是IC工艺硅加工技术，如美国制造出直径仅为60~120um的硅微型静电电动机等。

主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合； 微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工

包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工 技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生 产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微 细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路 制造技术的基础上发展的，特门市大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微 电子时代，光电子时代的关键技术之一。

3.精密测量技术 精密测量技术是具有微米及亚微米测量精度的集合量与表面形貌测量技术。目前精密测试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能，如谐振频率、弹性模量、残余应力的测试和微结构的表面形貌及内部结构，如未提缺陷、微裂缝、微沉积的测试等。

二、纳米技术

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。

1.纳米电子技术

纳米电子技术是在纳米尺度（1~100nm）研究物质的电子运动规律、特性及其用的科学技术，并利用这些特征规律生成纳米电子材料、器件和系统纳米电子器件以其固有的超高速（10-12~10-13s）、超高频（大于 1000GHz）高集成度（大于1010元器件／cm2)、高效低功耗、极低阈值电流密度（亚毫安）和极高量子效率等特点在信息领域有着极其重要的应用前景，将可能触发新的技术革命，成为未来信息技术的核心和支柱。

纳米电子技术主要包括纳米电子学基础理论、纳米电子材料、纳米电子器件和纳米电子系统等主要技术方向，以及纳米加工与制备、纳米电子表征测量等支撑技术。

2.纳米机械技术

纳米机械技术包括的领域很广，其研究基础包括纳米加工过程的动力学模拟、纳米构件与表面分子工程、纳米摩擦学等，这里所指的纳米机械是能实现纳米尺寸上某种功能的机械，如纳米制造设备级纳米执行器，纳米执行器能实现纳米尺寸的移动与定位。

随着科学技术的发展，人们在不断追求机械装置的小型化、微型化，希望以尽可能小的能耗以及最少的物质消耗来满足生物、医学、航天航空、数字通信、传感技术、灵巧武器等领域日益增长的要求。微小型化始终是当代科技发展的方向。以制造毫米以下尺寸的机构和系统为目的的微/纳米技术，一方面利用物理、化学方法将分子和原子组装起来，形成有一定功能的微/纳米结构；另一方面利用精细加工手段加工出微/纳米结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘科学的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命，导致了微型机电系统的出现。

3.纳米材料技术

纳米技术的研究主要集中在纳米材料的制备、结构特征、表征、功能材料的开发应用等方面。利用纳米材料的独特结构及性质,可发展纳米电子技术及微系统技术,组装具有多种特殊功能应用于特定领域的微系统。纳米材料是纳米技术的重要组成部分。纳米材料具有常规材料所不具有的特殊性质,具有广阔的应用前景。

纳米材料可分为零位的纳米颗粒材料,也称为超微粒子,一般粒径在几纳米到几百纳米之间,由于表面能高,致使颗粒成球状,易聚集不容易分散;一维的纳米针状材料(纳米丝材料),是指针状材料的直径尺寸为纳米级,该针状体的细长比(长度与直径比)一般为5～10,细长比更大的材料为纳米丝材料;二维的纳米薄膜材料,是指厚度为1到几百纳米的材料,这种膜可以是致密的也可以是多孔的,此膜在光学及气体分离方面具有广泛的应用前景;三维的纳米晶体材料(纳米块状材料)[2],通常是由纳米颗粒加工制得,其主要特点是晶界密度高、性能优异,如纳米晶稀土永磁材料。

4.纳米加工技术

微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展,导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸.微纳米加工技术可以制作单电子晶体管,可以实现单个分子与原子操纵.微纳米加工技术可以建筑人类进入微观世界的桥梁,是人类了解和利用微观世界的工具.因此了解微纳米加工技术对于理解微纳米技术,以及由微纳米技术支撑的现代高科技产业是非常重要的.5.纳米测量技术

微观尺度的测量，早期是采用光学显微镜，从最原始的双透镜开始，显微镜技术经历了漫长的发展过程。如今，传统的镜头被细小的探针所代替，人类已经能够观测物质最细致的结构并能测量单个原子和分子的行为。这种强有力的测量工具，就是以纳米探针为敏感元件的扫描探测显微镜。它使人们能够对以前无法观测到的纳米尺度的物质表面结构及特性进行探测和成像，它的诞生促进了纳米技术的快速发展。

三．切削、磨削加工

对于微细切削、磨削加工,纳米级加工主要意味着加工精度和表面型貌。实现纳米级切削加工的关键是机床和刀具。超硬刀具材料、新型轴承、在线控制与补偿等新技术的出现和应用,使得金属切削加工技术得到很大发展。有研究报道,在采取一系列措施之后,尤其是精细地研磨刀具,可获得几纳米甚至1nm厚的切屑,这揭示了纳米级切削加工的可能性。目前超精加工的精度已可稳定地达到亚微米水平。在表面质量方面,采用金刚石刀具的切削加工、精密研磨抛光和在线电解修整砂轮镜面磨削技术都可获得纳米级的表面粗糙度。

参考文献

【1】 朱荻，纳米与微米加工技术，航空航天大学，2002（06）【2】 韩淑敏，微米/纳米技术在机械加工中的应用，科学技术

【3】 刘长利，沈雪石，张学骜，刘书雷，纳米电子技术的发展与展望，微纳电子技术第48卷第10期，2011（10）

浅析高分子材料成型加工技术 篇5

一、高分子材料成型加工技术发展概况

近50年来，高分子合成工业取得了很大的进展。例如，造粒用挤出机的结构有了很大的改进，产量有了极大的提高。20世纪60年代主要采用单螺杆挤出机造粒，产量约为3t/h;70年代至80年代中期，采用连续混炼机+单螺杆挤出机造粒，产量约为10t/h;80年代中期以来。采用双螺杆挤出机+齿轮泵造粒，产量可以达到40-45t/h，今后的发展方向是产量可高达60t/h。在l950年，全世界塑料的年产量为200万t。20世纪90年代。塑料产量的年均增长率为5.8%，增加至1.8亿t至，全世界塑料产量将达3亿t，此外。合成工业的新近避震使得易于璃确控制树脂的分子结构，加速采用大规模进行低成本的生产。随着汽车工业的发展，节能、高速、美观、环保、乘坐舒适及安全可靠等要求对汽车越来越重要.汽车规模的不断扩大和性能的提高带动了零部件及相关材料工业的发展。为降低整车成本及其自身增加汽车的有效载荷，提高塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。

据悉，目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料(如钢铁等)。因此，汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外，汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型，例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前，高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展;成型加工方面，从大规模向较短研发周期的多品种转变，并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。

二、现今高分子材料成型加工技术的创新研究

(一)聚合物动态反应加工技术及设备

聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的Berstart公司已开发出作为连续反应和混炼的十螺杆挤出机，可以解决其它挤出机(包括双螺杆和四螺杆挤出机)作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段，但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酯(PC)连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备，我国每年还有数以千万吨计的改性聚合物及其合金材料的生产。关键技术也是反应挤出技术及设备。

目前国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品，都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题.另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的`缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同，该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程，达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题，同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点，这些优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。该项新技术使我国聚合物反应加工技术直接切人世界技术前沿，并在该领域处于技术领先地位。

(二)以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术

1.信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题，将光盘级PC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体，结合动态连续反应成型技术，研究酯交换连续化生产技术，研制开发精密光盘注射成型装备，达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。

2.聚合物/无机物复合材料物理场强化制备新技术。此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表面特性及其功能设计(粒子设计)，在设计好的连续加工环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下，利用聚合物使无机粒子进行原位表面改性、原位包覆、强制分散，实现连续化制备聚合物/无机物复合材料。

3.热塑性弹性体动态全硫化制备技术。此技术将振动力场引入混炼挤出全过程，控制硫化反直进程，实现混炼过程中橡胶相动态全硫化.解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的热塑性弹性体动态硫化技术与设备，提高我国TPV技术水平。

三、高分子材料成型加工技术的发展趋势

近年来，各个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了国家级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划(攻关)等项目同时，非常注重科技成果转化与产业化，完成产业化工程配套项目20多项，创办了广州华新科机械有限公司和北京华新科塑料机械有限公司，使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列，近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台(套)。销售额超过1.5亿元，还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如PE电磁动态发泡片材生产线20和仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元，每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列，投入批量生产并推向市场;塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成，目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好，聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合，引入新的管理、市场等机制，争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国已加入WTO，各个行业都将面临严峻挑战。

综上所述，我国必须走具有中国特色的发展高分子材料成型加工技技术与装备的道路，打破国外的技术封锁，实现由跟踪向跨越的转变;把握技术前沿，培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合，加快成果转化为生产力的进程，加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。

工程材料与热加工 判断题 篇6

第一章 工程材料的力学性能

1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。

2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。

3.金属材料的机械性能可以理解为金属材料的失效抗力。

第二章 工程材料结构

（一）金属的晶体结构 1.非晶体具有各向异性。

2.每个体心立方晶胞中实际包含有2个原子。3.每个面心立方晶胞中实际包含有4个原子。4.晶体具有各向同性。

5.单晶体具有各向同性，多晶体具有各向异性。6.单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。7.不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式相同而排列紧密程度不同。

8.实际金属内部原子排列是规则的，无缺陷的。

（二）金属的结晶与相图

1.物质从液体状态转变为固体状态的过程称为结晶。

2.金属结晶后晶体结构不再发生变化。

3.在金属的结晶中，随着过冷度的增大，晶核的形核率N和长大率G都增大，在N/G增大的情况下晶粒细化。

4.液态金属结晶时的冷却速度越快，过冷度就越大，形核率和长大率都增大，故晶粒就粗大。5.物质从液体状态转变为固体状态的过程称为凝固。

6.液态金属冷却到结晶温度时，液态金属中立即就有固态金属结晶出来。

7.合金中各组成元素的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质称为固溶体。

8.合金元素在固态下彼此相互溶解或部分地溶解，而形成成分和性能均匀的固态合金称为金属化合物。

（三）铁碳合金相图

1.铁素体是碳溶解在α-Fe中所形成的置换固溶体。

2.铁素体是碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体。

3.GS线表示由奥氏体冷却时析出铁素体的开始线，通称Acm线。

4.PSK线叫共析线，通称Acm线。

5.奥氏体是碳溶解在γ-Fe中所形成的间隙固溶体。

6.ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通称Acm线。

7.在Fe-Fe3C相图中的ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通常称为A3线。

（四）高分子材料与陶瓷

1.高分子材料是良好的绝缘体。

2.热固性塑料比热塑性塑料的耐热性要低。3.高分子材料的耐酸性良好。

4.晶态高聚物比无定形高聚物的强度和硬度都要高。

5.陶瓷的一般生产过程是: 原料的制备─烧结─加工成型。

6.普通陶瓷的组织由晶相、玻璃相和气相组成 7.陶瓷的结合键主要是离子键和共价键。8.陶瓷的弹性模量一般低于金属材料。第三章 改变材料性能的主要途径

（一）金属的塑性变形与再结晶

1.在体心立方晶格中，滑移面为｛１１１｝×6，滑移方向为<110>×2，所以滑移系数为12。2.变形后的金属再结晶退火温度越高,退火后得到的晶粒越粗大。

3.钨的熔点为3380摄氏度，在1100摄氏度进行轧制属于热变形。

4.金属的晶粒越细，则其塑性愈差。5.加工硬化使金属强度降低。

6.变形后的金属进行加热发生再结晶，再结晶后的晶粒与再结晶前的晶粒晶型相同。

（二）钢的热处理

1.完全退火是将工件加热到Acm以上30～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。

2.合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。

3.渗氮处理是将活性氮原子渗入工件表层，然后再进行淬火和低温回火的一种热处理方法。4.马氏体转变温度区的位置主要与钢的化学成分有关，而与冷却速度无关。

5.去应力退火是将工件加热到Ac3线以上，保温后缓慢地冷却下来地热处理工艺。

6.减低硬度的球化退火主要适用于亚共析钢。7.在生产中，习惯把淬火和高温回火相结合的热处理方法称为预备热处理。

8.除钴之外，其它合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。9.马

氏体硬度主要取决于马氏体中的合金含量。10.晶粒度是用来表示晶粒可承受最高温度的一种尺度。

11.钢的热处理后的最终性能，主要取决于该钢的化学成分。

12.钢的热处理是通过加热，保温和冷却，以改变钢的形状，尺寸，从而改善钢的性能的一种工艺方法。

13.热处理的加热，其目的是使钢件获得表层和心部温度均匀一致。

14.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。15.淬火钢随着回火温度的升高，钢的硬度值显著降低，这种现象称为回火脆性。

16.调质钢经淬火和高温回火后的组织是回火马氏体。

17.马氏体转变的Ms和Mf温度线，随奥氏体含碳量增加而上升。第四章 常用金属材料

（一）碳钢与合金钢

1.合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用。2.1Cr18Ni9钢是一种马氏体不锈钢。3.5CrNiMo钢是合金结构钢。4.40Cr钢是合金渗碳钢。

5.20CrMnTi钢是合金调质钢。6.GCr15是专用的合金工具钢。7.1Cr13钢是奥氏体不锈钢。8.W18Cr4V钢是不锈钢。

（二）铸铁

1.灰口铸铁可通过热处理改变石墨的形态。2.可锻铸铁加热到高温可进行锻造加工。

3.球墨铸铁中的球状石墨是通过球化退火得到的。

4.灰口铸铁可通过表面淬火，提高其表面的硬度和耐磨性。

（三）有色金属及其合金

1.形变铝合金牌号中，字首用“LF”表示硬铝合金。

2.硬铝合金牌号（如LY12）中的数字“12”表示强度值。

3.铜合金牌号中，字首“H”表示青铜。

4.形变铝合金牌号中，字首“LD”表示超硬铝合金。

5.形变铝合金牌号中，字首“LC”表示锻铝合金。6.铜合金牌号中，字首“Q”表示黄铜。

7.形变铝合金牌号中，字首“LY”表示防锈铝合金。

8.普通黄铜是铜和铅组成的二元合金。9.青铜是Cu和Sn的合金。第五章 其他工程材料

1.ABS是一种综合性能良好的工程塑料，可制造泵叶轮、仪表壳等。

2.尼龙的耐磨性和自润滑性很好，强韧性好，可制造轴承、齿轮等。

3.锦纶是一种合成纤维。

4.高压聚乙烯的分子链支链较多，相对分子质量、结晶度较低，质地柔软，常用来制作塑料薄膜、软管和塑料瓶等。

5.Al2O3陶瓷具有高的高温强度和高的化学稳定性，可制造坩埚、炉膛、内燃机火花塞、高温模具等。

6.氧化铝的熔点高达2050℃，而且抗氧化性好，所以广泛用作耐火材料。

7.氧化铝陶瓷具有很低的电阻率和低的导热率，是很好的电绝缘材料和绝热材料。

8.碳化硅陶瓷通常用于加热元件、砂轮及磨料等。

第六章

铸造

1.铸件最后凝固的地方形成的是压应力。2.铸件的变形与开裂是由凝固收缩引起的。3.离心铸造便于制造双金属铸件。4.灰铸铁的强度与铸件壁厚大小无关。5.熔模铸造可获得无分型面的铸型。第七章

锻压

1.自由锻件的形状结构应尽量简单。2.大型曲轴可以采用模锻法制造。

3.锻造只能改变金属坯料的形状而不能改变金属的力学性能。

4.金属材料塑性和变形抗力只与金属的本质有关而与变形条件无关。第八章

焊接

1.在焊接接头热影响区中，性能最好的区域是熔合区。

2.在焊接接头热影响区中，性能最差的区域是正火区。

硬脆材料加工技术的应用 篇7

1.1 圆片锯切割

根据切割方式的差异, 圆片锯切割又可以分为外圆切割和内圆切割两种形式。外圆切割机主要根据切片外圆边缘的金刚石磨粒作为切割位点, 是使用最早的切割方法。外圆切割具有操作简单、速度快、加工质量好等优点, 但是其在工作期间噪音较大, 刀片刚性不足, 在切割时容易出现断裂问题。切割期间如果时间过长, 锯片就会产生晃动或者偏移, 导致被切割工件很容易出现平行度的偏差。20世纪初期, 我国信息产业部电子相关研究所开发出了全新的自动外圆切割仪器, 使硬脆材料全自动大件切割技术得以实现。内圆切割机主要是使用圆锯片内孔圆周上的金刚石磨料作为切割位点, 其他部分被固定在一个整体的框架上, 所以, 内圆切割片有着良好的刚性, 其厚度也相对较薄, 目前市场上销售最薄的可达0.1 mm。内圆切割的时候切缝非常薄, 使材料能够得到充分的利用, 并且仪器的操作机床容易调节, 对晶体的切割质量很高, 并且对产品损害较小。因为其所拥有的显著特点, 内圆切割在硬脆材料的切割领域备受欢迎, 并且得到了迅速的发展, 尤其是适合应用在硅晶体、玻璃及硬质合金等硬脆材料的切割中。当然, 内圆切割也存在一定的缺陷, 其只能进行直线切割, 对于曲面切割就无能为力。

1.2 带状工具切割

框架锯是一种古老的带状切割工具, 在很久之前, 人们就对框架锯切割原理进行了详细的研究和分析。现代框架锯的许多工作参数可以在一定范围内进行自动调节, 在长时间的工作中, 可以实现不停机自动补偿。目前全球范围内最大的框架锯在工作时可以安装180根锯条, 能够切割10 mm厚的硬脆材料, 锯条切割长度高达80 cm, 其工作是运用双连杆驱动原理, 充分保证了锯路的平衡性。框架锯是切割花岗岩、大理石板材使用最广泛的机械设备, 尤其适合应用在大尺寸板材的切割中。但是就目前状况而言, 金刚石框架锯对于较硬的花岗岩石材还无法进行切割。这是因为框架锯在工作时其锯条是往返运动, 使金刚石间断上的金刚石尾部无法形成“鱼尾”状支撑, 支撑力度有效, 很容易导致材料从机床上脱落。

2 硬脆材料的磨削加工技术

超声磨削的工作原理在于对旋转齿轮施加轴向的超声波振动, 让磨粒能够全方位的对工件进行冲击, 从而对脆性材料进行破坏, 实现磨削陶瓷材料的目的。将电解池原理的放电加工和电解加工结合在一起的磨削方法, 在国内已经能够用于实际生产, 它不单单能够适用于陶瓷材料加工, 并且在对烧结金刚石等超硬材料进行切割时也有不错的效果。因为复合磨削加工装置在生产时需要较高的生产成本, 对于一些中小型企业而言, 自身的实力是难以达到的, 所以目前在我国的适用范围还十分有限。我国一些相关研究人员还研发出了一种磨具不旋转的陶瓷磨削新技术, 可以对形状不规则的孔洞甚至盲孔进行磨削。这种结合超声振动装置的切割技术, 能够很好的运用在数控机床上, 对硬脆性材料进行磨削加工。

3 硬脆材料的切削加工技术

20世纪90年代, 东京大学的学者针对这一产业进行了深入的研究, 他们的研究结果证实了陶瓷切削中存在的一些问题, 他们提出运用乙炔火焰加热在达到一定温度后再进行切削, 对金刚石和氮化硅陶瓷进行加热切削实验, 通过实验计算其切削力, 表面粗糙度程度, 刀具磨损等参数, 发现在切削位置温度的提升下, 导致一些硬脆性材料从脆性转化成了塑性, 在达到一定的温度条件之后, 两种陶瓷都会出现金属切削的特点, 并且使材料表面粗糙度下降, 延长了刀具的使用寿命。最近几年, 日本相关专家发表了光学玻璃延性切割的相关论文, 提出, 在进行切削时, 将超声振动附加在金刚石刀具上, 在对钠钙玻璃端口进行切削时, 可获得与端口末端相对应的透明表面, 从而更好的实现延性域切削。另外, 通过切槽实验还表明, 在超声振动因素的影响, 临界切削可以对深度进行更大程度的延伸。在相同的时间, 新加玻理化研究所对单晶硅的金刚石纳米切削进行了实验研究, 使用0°~25°前角刃具对锥面进行不同程度的切削, 并运用SEM和AFT对实验结果进行检测, 实验表明单晶硅在进行延性域切削后, 可稳定的获得Ra=1nm的镜面, 说明临界切削可以对深度进行更大程度的延伸。

4 结语

在材料产业迅速发展的先进社会, 加工技术也呈现出多元化的发展趋势, 在发达国家中, 光学玻璃、高性能工程陶瓷等硬脆材料的研发已经取得了理想的成果。我国关于硬脆材料的研究相对较晚, 随着研究界对硬脆材料机理研究的深入, 硬脆材料的加工技术与设备也将不断成熟, 从而进一步推动我国相关产业的发展。

摘要：在科技与生产技术的发展下, 光电子、微电子、传感器材料产业也得到了蓬勃的发展, 各类新型硬脆材料相继出现, 在航空航天、光学、电子等工业中发挥着越来越显著的作用, 主要针对硬脆材料加工技术的应用进行分析。

关键词：硬脆材料,加工技术,应用

参考文献

[1]杨俊飞, 田欣利, 吴志远, 等.结构陶瓷材料加工技术的新进展[J].兵工学报, 2008 (10) .

[2]汪学方, 刘伟钦, 张鸿海, 等.陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述[J].工具技术, 2007 (7) .

材料与材料加工技术 篇8

关 键 词：材料 加工方法 教学方法

总论

今年的九月我进入清华大学，在清华的工业设计系访学，期间我听取了众多专家的学术讲座，参加清华大学组织的基础教学与教育论坛，其中涵盖了工业设计、建筑设计、平面设计、设计文化等众多方面的知识，也听了有关老师的设计材料及加工工艺课程，感悟到设计的一个名词“大设计”，其含义就是设计的扩大化，设计已经不分领域，不分专业，设计已经打破了原先的条条框框，趋于同质化。正如中国工业设计之父柳冠中教授所说：中国社会如今是一个混杂体，既有根深蒂固的农业文化的残余意识， 也有“拷贝”西方文化 “重温”封建帝王，而滋生追求感官刺激的“物欲横流”，同时还在玩味着个性信息文化的表象。当代设计的表现更成为一种“多元化”趋势，在“全球化”设计隆隆声中，不同国家、不同地域之间，同时代下的设计风正日趋模糊。[1]

好的设计一定是“问题”的良好协调统一体。好的设计一定是带有悖论的设计，并非完美无暇的。如：设计结果不符合用户需求；设计思路缺乏创新；造型语言无序；功能与形态过渡不当；工艺性与成型性矛盾；形态受力不合理；使用方式与结构原理不协调等等。韩国的KAIST大学著名教授白桑明先生讲述：设计不是在做一个好的外表，设计是发现问题，提出问题的一个过程，并将问题带给公众。基于此，我们的教学过程一定是将设计中的问题不断提出，并不断优化。每一个设计都是在某个阶段的适应品，等过几年，原有设计将被新的设计代替，因为有新的特点出现了。

关于设计材料与现代加工方法教学探讨：

在当今的教育体制下，由于入学教育不同，培养出来的人也不同，最出色的人莫过于那些能适应社会千变万化而自在游走的人。在最近的一段时间内：设计恐怕是要对理科、工科、文科、艺术的一种整合与创造，是取其共性，明其功用，对材料的设计来说：设计师对材料的掌握不是去发现新材料，也不是去计算材料的寿命与强度，也不用去深层了解材料的成分构成，而是以了解材料成型后的材性及应用性能，掌握其形态功能语义，分析并总结出形态成型的基本规律，了解并运用各种不同的形态成型为设计服务，也正是这些千姿百态的各种形态构成了人类生活环境的丰富多彩，所以对各种形态成型的研究以及各种成型形态的材性的掌握就成为设计的关键。

1、创新的本质在于试验。

中国的整个教育模式：严进宽出，考大学比较难，但是容易毕业，老师在教学过程中，不再注重学习的过程，没有去积极引导学生让他们在学习一种认识事物的方法。清华大学工业设计系其产品造型材料课程注重教学相长，老师讲课时间与学生的课程报告时间大体一致，两位老师同时上课，一位老师着重点放在理论讲述上，另一位老师注重实践教学，教育学生的自发性学习，上课过程中，通过分组讨论，由班级中的学生分组，一般四人一组，理论讲述完后，自己定一个要加工的物品，在课堂上展示ppt，说明每个个体的加工方法，整体归纳为“分体加工”对材料进行设计研究、构思方案、分析。体现一种创新型的教学思路，清华的这种教学思路：本质在于试验。

如图1、2所示：济南大学工业设计系师生共同创作的作品，是老师在上课过程中，根据学生的兴趣，让学生在充分了解产品的加工工艺的基础之上，进行的创新型设计。学生自由组织搭配，其中也包含机械专业的学生，充分的利用了课上学习，课下创新的机制对对产品进行研发，学生可以通过课下的成果来激发上课的积极性。其主要功能：对废纸的回收放入不高于10kg的废纸，进行称重，根据放入的重量和废纸价格，使操作者可刷卡获益。塑料瓶的回收：投入的各种饮料瓶在进行检测合格后，设备会有相应的语音提示，操作者可通过刷卡获得相应的收益。

2、现代设计的可持续价值观与思维的思辨性。

这一点，关于设计的创新与设计的价值观也是教学过程老生常谈的问题，让学生明白设计的持续性，“可持续发展问题是21世纪世界面对的最大的中心问题之一。它直接关系到人类文明的延续，并成为直接参与国家最高决策的不可或缺的基本要素。”发展是当代中国的第一要务，在经过20多年的改革开放之后，中国社会以高速的发展态势冲过了21世纪的门槛。然而，“21世纪，中国将不可避免地遭遇到环境与发展的巨大挑战：人口的压力、自然资源的超常利用、生态环境的日益恶化、工业化及现代化的急速推进、区域的不平衡加剧等。”（图3所示）

“稻田”，这件作品是由诗、风景影像和雕塑组成，从台上看，诗和雕塑看起来像是一幅画作品利用自然的坡地、田野，把具有农耕文化符号表征的“稻草人”、“稻田”引入其间，表达了传统乡村文化中人与自然的和谐、人与人之间的温暖，“河流往哪里跑了？这属于间接教学法，让同学在似乎听故事的过程中来领略事情的原委与真谛。

3、专业技能培养不能取代人才培养

教学中应勤于评价： “评价”不仅是建立在紧紧围绕在对“物”的“观察、 分析、”归纳“、”归纳“过程中，而且始终在研究 “物”的“外部因素”限制下对“物”本身的影响。 “师法造化”告诉我们“物竞天择”的道理。 教学过程，要遵循教学原理，从学生的兴趣、特点出发，去思考其规律，从而调动积极性，又要了解在当下这个信息社会的背景下的一种设计内涵，教师在上课过程中，很大程度上是一种引导，是一种启发，俗话说：上课的时间是有限的，但学习知识是无限的。在材料与设计的关系上，也应让学生有这种思想方法，引导他们广泛的参加社会实践，万物生存、繁衍都是因为它能“适应外部因素”或 “改变内因”——“进化”以“适应”外部因素的 “变化”。单纯的寻求技能教学，已经不是大学本科教育的主体，其主体是设计多知识融合，多技能层层推进，环环相扣。[1]

凯文·林奇认为：“设计是想象地创造某种可能的形式，野草不自美，因人、因设计而美。在不同的生境条件下，来满足人类的某种目的，包括社会的、经济的、审美的或技术的。”野草在城市景观呈现园艺化的今天很少能进入设计师的视野，因为它们被认为是普通的、低俗的，甚至是卑贱的。而在广东中山岐江公园的规划设计中，当地土生土长的野草得到了设计师的尊重和礼赞。野草成为了塑造景观的天然材料，成为了设计师表达设计理念和思想的重要媒介。

在中国这个复杂的教育体制中，人思想羽绒混杂，设计上具有多样性。在一些工科院校往往忽视了设计的外延性，只是就设计谈设计，可能在技术上下功夫大一些，没有考虑设计本身带给人的影响。

所以我们的老师在上课中，不断的给学生以启发性的设计思维，培养她们的观察能力，设计师们对设计场地做了全面深入的调研，根据场地历史、空间特征、甲方要求提出了鲜明的设计主张：尊重足下文化——平常普通人的文化，歌唱野草之美——那些被践踏和被忽视的美。白茅、象草、莎草等那些平常的乡土植物结合场地当中的机器、路轨、驳岸，营造出浓郁的场所精神。在设计师看来，野草不仅能够传达出新时代的价值观和审美观，而且能够唤起人们尊重自然环境、培育环境论。（图4）

4、要培养内、外因结合的创造性、创新型教学思路。

创造“人为事物”同样必须遵循这个原则，一件产品或一项发明之所以得以推广，也必须符合它当时当地存在的人们的需要， 既适合特定人群在特定空间、时间等条件下，既能制造、又能流通、也能使用，乃至少破坏生态平衡。

在清华大学，我感觉老师的上课积极性很高，有时由于上班高峰堵车了，给学生耽误了十几分钟，他们也会拖延十几分钟，来弥补丢掉的知识，所以上课时，学生积极性会很高，会在上课期间不断与老师互动，非被动的学习。美国人的创造性很强，同样，上课的积极性也强，在课堂上经常会出现学生自发创新与提问就占一半的时间，从侧面反映了学生内心愿意学习，老师也愿意教授。从老师布置的课题来说，也注重设计本质的研究。

在本课程教学过程中老师注重了对产品结构与材料组成的研究，不断提出将教与学结合，注重学生的自我创新。在教学中不断启发他们认识事物的内部构造，研究结构创新与加工方法（图5）。如图6所示，是我系为山东邦华能源公司设计的燃煤炉，打破原先的传统材料（砖、钢筋、角铁等），运用现代的复合材料与加工方法，使企业的经济效益迅速转亏为盈。

在课堂教学中要不断更新新的知识体系，适应信息时代下的教学模式，研究新材料的成型，研究信息材料的性能。比如纳米首饰，生物医学材料，Bioluminescence，新一代合成材料，智能材料等等，加工方法：比如模内装饰，水转化膜技术，都是在当今社会下需要给做设计的同学的一个介绍。该课程的教授需要的是一种讲授方法，传授给学生的是一种解决问题的通道。

随着将来社会进入一个信息化的时代，教学与科技、文化、艺术会紧紧的联系在一起，都将走向一个大数据时代，教授学生要以此为支点，因势利导，不断融合，不断创新。在课程基础教学的范围内，努力营造一个独立思考的学习环境和学术空间，了解世界先进的加工技术，懂得设计材料的新趋向，为我们今后的加快发展提供充分的实践基础和理论支撑，是我们在本课程教学研究面临的重大课题。

参考文献

[1] 柳冠中.象外集[M].北京：中国建筑工业出版社，2012-9.