1、材料的制备工艺材料的制备工艺 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义2Only when you seize today can you not lose tomorrow. 只有抓住今天，才能不丢失明天。只有抓住今天，才能不丢失明天。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义31.1.引言引言玉不琢玉不琢 不成器不成器 人不学人不学 不知礼不知礼材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义42.2.工艺的选择原则和
2、组织、工艺与性能之间的关系工艺的选择原则和组织、工艺与性能之间的关系选择最佳的制备工艺选择最佳的制备工艺 1 1 满足性能的要求与生产成本；满足性能的要求与生产成本； 2 2 考虑批量生产中产品质量的稳定。考虑批量生产中产品质量的稳定。材料的成型工艺：材料的成型工艺： 铸造、锻造、粉末工艺、机加工、连接工艺铸造、锻造、粉末工艺、机加工、连接工艺、表面涂层与处理、单晶与半导体工艺、纤维制、表面涂层与处理、单晶与半导体工艺、纤维制备、复合制备技术备、复合制备技术材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义53 3 铸造铸造1. 1. 金属铸造金属铸造: : 金属材料铸造成型获得优良铸件的能金属材料
3、铸造成型获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量四鸟扁足方鼎四鸟扁足方鼎 西周晚期西周晚期材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义6材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义7形核剂的作用：形核剂的作用：形核剂在整个熔融金属中起着非均匀形核地点的作形核剂在整个熔融金属中起着非均匀形核地点的作用。（整个铸件中晶粒能够均匀地形成于生长，得用。（整个铸件中晶粒能够均匀地形成于生长，得到等轴晶结构）到等轴晶结构）金属铸件中的缺陷金属铸件中的缺陷: :液态金属在凝固过程中，体积一般变小，导致发生液态金属在凝固过程中，体积一般变小，导致
4、发生疏松形式的收缩缺陷。疏松形式的收缩缺陷。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义8材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义9金属铸造技术金属铸造技术 砂型铸造砂型铸造 失蜡铸造失蜡铸造 消失模铸造消失模铸造 金属模铸造金属模铸造 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义102 2 陶瓷的铸造：陶瓷不同于金属和聚合物，由于熔陶瓷的铸造：陶瓷不同于金属和聚合物，由于熔点较高，所以用其熔体进行铸造的方法一般是不适点较高，所以用其熔体进行铸造的方法一般是不适用的。用的。 粉浆浇注粉浆浇注/ /空心铸浆空心铸浆材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义11应用：应用： 陶瓷铸造人造骨骼
5、陶瓷铸造人造骨骼它是通过计算机系统为患者专门定做的，因此它完它是通过计算机系统为患者专门定做的，因此它完全适合患者。此外，这种人造骨骼所用的材料与人全适合患者。此外，这种人造骨骼所用的材料与人体骨骼非常相似，它有助于患者更加活动自如。这体骨骼非常相似，它有助于患者更加活动自如。这项新技术是依靠项新技术是依靠X X光来确定骨骼尺寸和形状的，它的光来确定骨骼尺寸和形状的，它的精确度可达到精确度可达到0.10.1毫米。毫米。 牙科铸造陶瓷牙科铸造陶瓷 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义123. 3. 聚合物的造形聚合物的造形压模成形压模成形 热固性和热塑性热固性和热塑性注射成形注射成形吹塑
6、法（中空注模）吹塑法（中空注模）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义13压模成形压模成形材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义14材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义154 4 成形成形成形包括由机械加工及塑性变形改变固体的形状。成形包括由机械加工及塑性变形改变固体的形状。1.1.金属成形金属成形轧制是常见的聚合物与金属的成形工艺。轧制是常见的聚合物与金属的成形工艺。 冷轧：再结晶温度以下冷轧：再结晶温度以下 位错密度增加，强度增加，位错密度增加，强度增加， 延展性下降延展性下降 热轧：再结晶温度以上热轧：再结晶温度以上 控制金属显微组织的有效手段控制金属显微组织的有效手
7、段材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义16热轧过程中铸造晶粒组织或大晶粒金属压件的结构变化。热轧过程中铸造晶粒组织或大晶粒金属压件的结构变化。在轧制过程中，许多聚合物和一些像钛这样的金属的显在轧制过程中，许多聚合物和一些像钛这样的金属的显微组织会发生变化，其晶粒转动以使某晶体学方向沿轧微组织会发生变化，其晶粒转动以使某晶体学方向沿轧制方向排列。制方向排列。 织构织构 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义17锻造：用于制造珠宝、马蹄铁、打猎武器、硬币，以及其锻造：用于制造珠宝、马蹄铁、打猎武器、硬币，以及其他许多物品，已有数百年的历史。现在的应用：包括气体他许多物品，已有数百年的
8、历史。现在的应用：包括气体和蒸汽涡轮机的盘与叶片、机轴以及用于汽车发动机的阀和蒸汽涡轮机的盘与叶片、机轴以及用于汽车发动机的阀门等门等 冷锻：再结晶温度以下冷锻：再结晶温度以下 热锻（温锻）：再结晶温度以上热锻（温锻）：再结晶温度以上 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义18材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义19深冲与薄板金属成形深冲与薄板金属成形材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义20挤压与拔丝挤压与拔丝 挤压：把棒状的材料推入并经过一个具有一定形状的挤压：把棒状的材料推入并经过一个具有一定形状的模而被挤出，得到所希望的截面的工艺。模而被挤出，得到所希望的截面的工艺
9、。 拔丝：一种制备细丝的工艺，用于包括钢丝绳、钢带拔丝：一种制备细丝的工艺，用于包括钢丝绳、钢带轮胎、电缆等在内的一些领域。轮胎、电缆等在内的一些领域。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义21材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义22金属成形工艺的动力学金属成形工艺的动力学 再结晶完成的时间可以写为再结晶完成的时间可以写为 10lnrCtCT例题：考虑一碳钢拔丝工艺，要求细丝缠绕于卷带轴之前例题：考虑一碳钢拔丝工艺，要求细丝缠绕于卷带轴之前必须完成再结晶。如果对于该钢必须完成再结晶。如果对于该钢Co=-15.3Co=-15.3， C1=17300KC1=17300K，如果卷带轴与
10、模之间的距离为如果卷带轴与模之间的距离为100m100m，拔丝速率为，拔丝速率为0.1m/s,0.1m/s,计计算拔丝温度。将卷带轴与模之间的距离改为算拔丝温度。将卷带轴与模之间的距离改为0.5m,0.5m,重复上述重复上述计算计算材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义232 2 聚合物的成形聚合物的成形 热塑性聚合物在加热时软化，使其能够通过像挤压、热塑性聚合物在加热时软化，使其能够通过像挤压、真空成形、吹塑成形等工艺成形。真空成形、吹塑成形等工艺成形。 对于热固性聚合物，必须采用压铸成形或反应注射成对于热固性聚合物，必须采用压铸成形或反应注射成形等工艺，使成形与固化同时进行。形等工艺
11、，使成形与固化同时进行。 聚合物挤压聚合物挤压 真空与吹气成形真空与吹气成形材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义243 3 陶瓷与玻璃的成形陶瓷与玻璃的成形材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义255. 5. 粉末工艺粉末工艺主要针对金属或陶瓷零件主要针对金属或陶瓷零件实例：实例： 白炽灯泡的钨丝白炽灯泡的钨丝 生产齿轮、汽车的气门导管生产齿轮、汽车的气门导管 粉末冶金工艺粉末冶金工艺材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义26实例：实例： 用粉末冶金的方法制备高精度的钢链轮。由于钢链轮用粉末冶金的方法制备高精度的钢链轮。由于钢链轮在工作中需要传递转动扭矩，所以除了要求具有良
12、好的尺寸在工作中需要传递转动扭矩，所以除了要求具有良好的尺寸精度之外，必须尽量减少孔隙率，因为孔隙能由金属的疲劳精度之外，必须尽量减少孔隙率，因为孔隙能由金属的疲劳而引起机械破坏。请指出可以不依靠延长烧结时间来降低孔而引起机械破坏。请指出可以不依靠延长烧结时间来降低孔隙率的工艺以及粉末尺寸分布。隙率的工艺以及粉末尺寸分布。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义276. 6. 机加工机加工机加工：利用塑性剪切来去除多余材料的工艺机加工：利用塑性剪切来去除多余材料的工艺材料能够被机加工的难易程度称为切削加工性。材料能够被机加工的难易程度称为切削加工性。陶瓷陶瓷聚合物聚合物金属金属材料科学与工
13、程导论材料科学与工程导论讲义讲义287. 7. 连接工艺连接工艺焊接、钎焊与锡焊焊接、钎焊与锡焊焊接焊接 热影响区；焊接后热处理；减少单位焊接面积热输入热影响区；焊接后热处理；减少单位焊接面积热输入钎焊钎焊 熔点高于熔点高于4504500 0C C的金属焊料，工作温度低于工件的熔点的金属焊料，工作温度低于工件的熔点锡焊锡焊 与钎焊类似，也使用助熔剂，焊料的熔点与钎焊类似，也使用助熔剂，焊料的熔点4504500 0C C典型工艺典型工艺 将应用将应用SiSi片连接到由陶瓷或金属制成的芯片载体上片连接到由陶瓷或金属制成的芯片载体上材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义29粘结剂结合粘结剂结合
14、用于连接由聚合物与聚合物基复合材料形成的构件。用于连接由聚合物与聚合物基复合材料形成的构件。扩散结合扩散结合扩散焊接；活泼性金属扩散焊接；活泼性金属TiTi，BeBe，难熔金属合金，以及复合材，难熔金属合金，以及复合材料与陶瓷材料。料与陶瓷材料。机械连接机械连接材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义308.8.表面涂层与处理表面涂层与处理涂层与涂料涂层与涂料静电上漆；静电上漆；PVDPVD；CVDCVD，热浸镀；电镀；阳极氧化，热浸镀；电镀；阳极氧化表面处理表面处理表面硬化；离子注入；喷丸处理；爆炸硬化表面硬化；离子注入；喷丸处理；爆炸硬化材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义31
15、9.9.单晶与半导体工艺（了解）单晶与半导体工艺（了解）在一些材料应用的领域，需要使用单晶。在一些材料应用的领域，需要使用单晶。 使用单晶的镍基合金可以改善其抗氧化性与耐蠕变的能使用单晶的镍基合金可以改善其抗氧化性与耐蠕变的能力，从而提高涡轮叶片的耐高温性能。力，从而提高涡轮叶片的耐高温性能。 半导体工业中需要单晶的原因是因为缺陷会大大降低这半导体工业中需要单晶的原因是因为缺陷会大大降低这些材料的电学性质。些材料的电学性质。单晶的成长与工艺单晶的成长与工艺氧化氧化光刻与浸蚀光刻与浸蚀扩散与离子注入扩散与离子注入互连、装配与封装互连、装配与封装材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义3210.10.纤维的制备（了解）纤维的制备（了解）熔融纺丝熔融纺丝溶液纺丝溶液纺丝控制热解控制热解气相工艺气相工艺烧结烧结化学反应化学反应材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义3311. 11. 复合材料制备工艺（了解）复合材料制备工艺（了解）聚合物基复合材料聚合物基复合材料 手工铺叠手工铺叠 纤维缠绕纤维缠绕 挤压挤压金属基复合材料金属基复合材料 无压熔融金属渗浸工艺无压熔融金属渗浸工艺 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 首先将纤维嵌入未固结的基体中，其次是基体固结。首先将纤维嵌入未固结的基体中，其次是基体固结。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义34
