材料成型方法绪 论“材料成型方法”是材料成型及控制工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Mller（1987）发现了30K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64106cm，是钢的比强度（0.64106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15减至11；而铝合金由4增至9；高分子材料由6增至9。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67。而工作温度每提高83，就可使推力提高20。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50100，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650。推重比达1520的叶片材料要能承受19302220的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m ，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，19531992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比78，在研机910，预研机1520，我国相应为5.5、6.57.5、810。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”和“信息化”的特色。1. 精密的材料成形特征 随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。2. 优质的成形技术特征 反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此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；加强工艺过程控制及无损检测，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。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。3. 快速的成形技术特征 表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计 (RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。4. 复合的材料成形特征 激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。5. 绿色的材料成形特征 成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： 高效利用原材料，对环境清洁；以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； 符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。6. 信息化特征 成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化 、信息化特征。综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器