第三章 材料的合成与加工 3.1 绪 论 (性质） 在材料科学与工程所涉及的四个要素之间，材料的工艺 是一个至关重要的要素。材料本身的制造过程，以及使材料 成为人类所能利用的产品的过程，都必须通过一定的工艺才 能实现。 1 材料的合成与加工过程实质上是一个 建立原子、分子的新排列，从原子尺度 到宏观尺度上对材料结构进行控制的过 程。 合成通常是 指把原子和分子组合在一起来制造 新材料时所采用的物理和化学方法 。 Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O 加工除了为生产有用材料而对原子、分子进行控制 外，还包括材料形状在较大尺度上的改变。 3.1.1 材料的合成与加工 2 在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模 糊。 合成（制备）是新技术开发和现有技术改进的关键性要素。 现代材料制备技术是人造材料的唯一实现途径。 需要说明的问题 研究表明，材料的性 质和使用性能取决于材料 的组成及结构，后者又取 决于合成与加工工艺。 (性质） 3.1.1 材料的合成与加工 3 材料的合成（制备）与加工的主要内容： 3.1.1 材料的合成与加工 材料制备（合成） 材料加工 表面工程 材料复合 4 3.1.1 材料的合成与加工 1. 5 1) 冶金过程 目的： 从原料中提取出金属 内容: 3.1.1 材料的合成与加工 冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过 程的工程技术。 火法冶金 湿法冶金 电冶金 有色金属熔炼钢铁冶炼 金属材料的制备 6 2) 熔炼与凝固 提拉法制取单晶硅 3.1.1 材料的合成与加工 7 粉末冶金一般工艺 （1）制粉 （2）物料准备 （3）成形 （4）烧结 单元系烧结 多元系烧结 固相烧结 液相烧结 热压（热等静压 ） （5）烧结后处理 3.1.1 材料的合成与加工 3) 粉末烧结 制粉压型烧结 粉末冶金技术 8 4) 高分子聚合 3.1.1 材料的合成与加工 9 3.1.1 材料的合成与加工 2. 10 三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富 的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型 方法可分为三种： 材料的（成形）成型 3.1.1 材料的合成与加工 11 材料的改性 目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。 材料的改性内容: 1. 材料的“合金化” 2. 材料的热处理 材料的“合金化”：通过改变材料的成分，达到改变材料性能 的方法。这种方法在金属材料和现代高 分子材料的改性方面有广泛的应用。 材料的热处理：通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来 改变材料的相组成情况，达到改变材料性能 的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材 料的改性方面有广泛的应用。 典型热处理工艺：淬火、退火、回火、正火 3.1.1 材料的合成与加工 12 材料的联接 目的：实现材料间的整体结合。 内容： 3.1.1 材料的合成与加工 13 3.1.1 材料的合成与加工 3. 14 从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是 相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变 化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了 特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发 生在表面。 3.1.1 材料的合成与加工 15 表面改性-三束表面改性 3.1.1 材料的合成与加工 16 表面改性-化学表面改性 改变材料表面的化学成分- 化学渗入 3.1.1 材料的合成与加工 17 表面改性-表面淬火 3.1.1 材料的合成与加工 18 3.1.1 材料的合成与加工 19 表面防护-腐蚀防护 3.1.1 材料的合成与加工 20 表面防护-摩擦磨损防护 3.1.1 材料的合成与加工 摩擦与磨损是材料失效的三种主要形 式（磨损、腐蚀和断裂）之一。 由于摩擦磨损是在相互接触和相对运 动的固体表面进行的，因此接触体表面及 其性能对摩擦磨损性能十分重要。大量研 究结果表面，摩擦副材料表面采用某种表 面技术处理后，可使材料的摩擦磨损性能 有显著的改善，可见表面工程与摩擦磨损 之间的密切关系。 摩擦过程中的主要影响因素：材料性质、 表面粗糙度、温度、速度、表面膜。 21 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料 材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互 补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料 复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。 复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制 备的基本原理。 目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了 许多新型的复合材料及制备方法。 3.1.1 材料的合成与加工 4. 22 3.1.1 材料的合成与加工 23 现代材料的制备与加工不仅涉及到微观和宏观范围内 的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范 围上的问题。 我国与工业发达国家材料加工存在很大差距。因此提 高材料合成与加工的技术水平是我们最重要的课题。 3.1.1 材料的合成与加工 24 材料的成形工艺: 把原料经过物理和化学 变化而变成工程上有用的原材料的工艺 技术。 材料成形工艺是现代化工业生产的技术基础。其生产 能力及其工艺水平对国家的工、农、国防和科学技术的发 展有重大影响。 材料成形工艺 由液态金属的铸造成形、固态金属的塑性成形、金属 材料的焊接成形和高分子材料成形组成。 3.1.2 材料的成形工艺定义 25 战国曾乙侯墓编钟 3.1.3 我国材料成形工艺的发展概况 26 铸锻历史悠久，但是长期处于手工 和作坊状态！ 3.1.3 我国材料成形工艺的发展概况 27 改革开放后 ，成形工艺发展 迅猛。 铸锻焊大国，但不是强国 发展前途非常广阔 良好的发展机遇！ 3.1.3 我国材料成形工艺的发展概况 28 它是实现这些行业中的铸件、锻件、钣金件、焊接 件、塑料件和橡胶件等生产的主要方式和方法。 材料成形工艺在汽车、拖拉机与农用机械、工程机械 、动力机械、起重机械、石油化工机械、桥梁、冶金、机 床、航空航天、兵器、仪器仪表、轻工和家用电器等制造 业中，起着极为重要的作用。 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 29 金 属 材 料 无 机 非 金 属 高 分 子 材 料 膜水立方瓷砖 镁合金散热器 水泥 铝合金门窗钢结构鸟巢 建 筑 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 30 基 础 设 施 各种交通工具 交 通 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 31 中国无人机战机与导弹 火箭 核潜艇 航空母舰 卫星 国 防 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 32 机械计算机电子计算机晶体管计算机当代计算机 电子管 集成电路 晶体管 计算机的发展 电话的演变历史 信息 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 33 镍镉电池镍氢电池 锂离子电池 燃料电池 太阳能电池 铅酸电池 锂 电 池 太阳能电池 燃料电池 能 源 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 34 过滤材料多孔陶瓷 隔音材料泡沫铝 空气净化材料 环 保 材 料 材料与环境的交互作用 原料开采生产与制造使用废弃运输再生循环 材料的全生命周期示意图 环 境 3.1.4 材料成形工艺的作用和地位 35 3.1.5 材料成形工艺的特点 材料一般在热态（液态或固态）下模压成型。 材料利用率高。 产品性能好。 产品尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电与家电 产品更能获得价廉物美的效果。 劳动生产率高 对于成形工艺，普遍可采用机械化、动 化流水作业实现大批大量乃至大规模生产 。 一般制件尺寸精度比切削加工的低而表面精糙度比切削 加工的高 。 36