材料科學(xué)與工程課件：Chapter-13 材料的制備工藝

1、材料的制備工藝材料的制備工藝材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義2Only when you seize today can you not lose tomorrow. 只有抓住今天，才能不丟失明天。只有抓住今天，才能不丟失明天。 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義31.1.引言引言玉不琢玉不琢 不成器不成器 人不學(xué)人不學(xué) 不知禮不知禮材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義42.2.工藝的選擇原則和組織、工藝與性能之間的關(guān)系工藝的選擇原則和組織、工藝與性能之間的關(guān)系選擇最佳的制備工藝選擇最佳的制備工藝 1 1 滿足性能的要求與生產(chǎn)成本；滿足性能的要求與生產(chǎn)成本； 2

2、2 考慮批量生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定?？紤]批量生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。材料的成型工藝：材料的成型工藝： 鑄造、鍛造、粉末工藝、機(jī)加工、連接工藝鑄造、鍛造、粉末工藝、機(jī)加工、連接工藝、表面涂層與處理、單晶與半導(dǎo)體工藝、纖維制、表面涂層與處理、單晶與半導(dǎo)體工藝、纖維制備、復(fù)合制備技術(shù)備、復(fù)合制備技術(shù)材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義53 3 鑄造鑄造1. 1. 金屬鑄造金屬鑄造: : 金屬材料鑄造成型獲得優(yōu)良鑄件的能金屬材料鑄造成型獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析來(lái)衡量力稱為鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析來(lái)衡量四鳥(niǎo)扁足方鼎四鳥(niǎo)扁足方鼎 西周晚期西周晚期材料科學(xué)與工程導(dǎo)論

3、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義6材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義7形核劑的作用：形核劑的作用：形核劑在整個(gè)熔融金屬中起著非均勻形核地點(diǎn)的作形核劑在整個(gè)熔融金屬中起著非均勻形核地點(diǎn)的作用。（整個(gè)鑄件中晶粒能夠均勻地形成于生長(zhǎng)，得用。（整個(gè)鑄件中晶粒能夠均勻地形成于生長(zhǎng)，得到等軸晶結(jié)構(gòu)）到等軸晶結(jié)構(gòu)）金屬鑄件中的缺陷金屬鑄件中的缺陷: :液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中，體積一般變小，導(dǎo)致發(fā)生液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中，體積一般變小，導(dǎo)致發(fā)生疏松形式的收縮缺陷。疏松形式的收縮缺陷。材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義8材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義9金屬鑄造技術(shù)金屬鑄造技術(shù) 砂型鑄造砂

4、型鑄造 失蠟鑄造失蠟鑄造 消失模鑄造消失模鑄造 金屬模鑄造金屬模鑄造 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義102 2 陶瓷的鑄造：陶瓷不同于金屬和聚合物，由于熔陶瓷的鑄造：陶瓷不同于金屬和聚合物，由于熔點(diǎn)較高，所以用其熔體進(jìn)行鑄造的方法一般是不適點(diǎn)較高，所以用其熔體進(jìn)行鑄造的方法一般是不適用的。用的。 粉漿澆注粉漿澆注/ /空心鑄漿空心鑄漿材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義11應(yīng)用：應(yīng)用： 陶瓷鑄造人造骨骼陶瓷鑄造人造骨骼它是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為患者專門(mén)定做的，因此它完它是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為患者專門(mén)定做的，因此它完全適合患者。此外，這種人造骨骼所用的材料與人全適合患者。此外，這種人

5、造骨骼所用的材料與人體骨骼非常相似，它有助于患者更加活動(dòng)自如。這體骨骼非常相似，它有助于患者更加活動(dòng)自如。這項(xiàng)新技術(shù)是依靠項(xiàng)新技術(shù)是依靠X X光來(lái)確定骨骼尺寸和形狀的，它的光來(lái)確定骨骼尺寸和形狀的，它的精確度可達(dá)到精確度可達(dá)到0.10.1毫米。毫米。 牙科鑄造陶瓷牙科鑄造陶瓷 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義123. 3. 聚合物的造形聚合物的造形壓模成形壓模成形 熱固性和熱塑性熱固性和熱塑性注射成形注射成形吹塑法（中空注模）吹塑法（中空注模）材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義13壓模成形壓模成形材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義14材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與

6、工程導(dǎo)論講義講義154 4 成形成形成形包括由機(jī)械加工及塑性變形改變固體的形狀。成形包括由機(jī)械加工及塑性變形改變固體的形狀。1.1.金屬成形金屬成形軋制是常見(jiàn)的聚合物與金屬的成形工藝。軋制是常見(jiàn)的聚合物與金屬的成形工藝。 冷軋：再結(jié)晶溫度以下冷軋：再結(jié)晶溫度以下 位錯(cuò)密度增加，強(qiáng)度增加，位錯(cuò)密度增加，強(qiáng)度增加， 延展性下降延展性下降 熱軋：再結(jié)晶溫度以上熱軋：再結(jié)晶溫度以上 控制金屬顯微組織的有效手段控制金屬顯微組織的有效手段材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義16熱軋過(guò)程中鑄造晶粒組織或大晶粒金屬壓件的結(jié)構(gòu)變化。熱軋過(guò)程中鑄造晶粒組織或大晶粒金屬壓件的結(jié)構(gòu)變化。在軋制過(guò)程中，許多聚合

7、物和一些像鈦這樣的金屬的顯在軋制過(guò)程中，許多聚合物和一些像鈦這樣的金屬的顯微組織會(huì)發(fā)生變化，其晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)以使某晶體學(xué)方向沿軋微組織會(huì)發(fā)生變化，其晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)以使某晶體學(xué)方向沿軋制方向排列。制方向排列。 織構(gòu)織構(gòu) 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義17鍛造：用于制造珠寶、馬蹄鐵、打獵武器、硬幣，以及其鍛造：用于制造珠寶、馬蹄鐵、打獵武器、硬幣，以及其他許多物品，已有數(shù)百年的歷史?，F(xiàn)在的應(yīng)用：包括氣體他許多物品，已有數(shù)百年的歷史?，F(xiàn)在的應(yīng)用：包括氣體和蒸汽渦輪機(jī)的盤(pán)與葉片、機(jī)軸以及用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的閥和蒸汽渦輪機(jī)的盤(pán)與葉片、機(jī)軸以及用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門(mén)等門(mén)等 冷鍛：再結(jié)晶溫度以下冷鍛：再結(jié)晶溫度

8、以下 熱鍛（溫鍛）：再結(jié)晶溫度以上熱鍛（溫鍛）：再結(jié)晶溫度以上 材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義18材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義19深沖與薄板金屬成形深沖與薄板金屬成形材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義20擠壓與拔絲擠壓與拔絲 擠壓：把棒狀的材料推入并經(jīng)過(guò)一個(gè)具有一定形狀的擠壓：把棒狀的材料推入并經(jīng)過(guò)一個(gè)具有一定形狀的模而被擠出，得到所希望的截面的工藝。模而被擠出，得到所希望的截面的工藝。 拔絲：一種制備細(xì)絲的工藝，用于包括鋼絲繩、鋼帶拔絲：一種制備細(xì)絲的工藝，用于包括鋼絲繩、鋼帶輪胎、電纜等在內(nèi)的一些領(lǐng)域。輪胎、電纜等在內(nèi)的一些領(lǐng)域。材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材

9、料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義21材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義22金屬成形工藝的動(dòng)力學(xué)金屬成形工藝的動(dòng)力學(xué) 再結(jié)晶完成的時(shí)間可以寫(xiě)為再結(jié)晶完成的時(shí)間可以寫(xiě)為 10lnrCtCT例題：考慮一碳鋼拔絲工藝，要求細(xì)絲纏繞于卷帶軸之前例題：考慮一碳鋼拔絲工藝，要求細(xì)絲纏繞于卷帶軸之前必須完成再結(jié)晶。如果對(duì)于該鋼必須完成再結(jié)晶。如果對(duì)于該鋼Co=-15.3Co=-15.3， C1=17300KC1=17300K，如果卷帶軸與模之間的距離為如果卷帶軸與模之間的距離為100m100m，拔絲速率為，拔絲速率為0.1m/s,0.1m/s,計(jì)計(jì)算拔絲溫度。將卷帶軸與模之間的距離改為算拔絲溫度。將卷帶軸與

10、模之間的距離改為0.5m,0.5m,重復(fù)上述重復(fù)上述計(jì)算計(jì)算材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義232 2 聚合物的成形聚合物的成形 熱塑性聚合物在加熱時(shí)軟化，使其能夠通過(guò)像擠壓、熱塑性聚合物在加熱時(shí)軟化，使其能夠通過(guò)像擠壓、真空成形、吹塑成形等工藝成形。真空成形、吹塑成形等工藝成形。 對(duì)于熱固性聚合物，必須采用壓鑄成形或反應(yīng)注射成對(duì)于熱固性聚合物，必須采用壓鑄成形或反應(yīng)注射成形等工藝，使成形與固化同時(shí)進(jìn)行。形等工藝，使成形與固化同時(shí)進(jìn)行。 聚合物擠壓聚合物擠壓 真空與吹氣成形真空與吹氣成形材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義243 3 陶瓷與玻璃的成形陶瓷與玻璃的成形材料科學(xué)

11、與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義255. 5. 粉末工藝粉末工藝主要針對(duì)金屬或陶瓷零件主要針對(duì)金屬或陶瓷零件實(shí)例：實(shí)例： 白熾燈泡的鎢絲白熾燈泡的鎢絲 生產(chǎn)齒輪、汽車的氣門(mén)導(dǎo)管生產(chǎn)齒輪、汽車的氣門(mén)導(dǎo)管 粉末冶金工藝粉末冶金工藝材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義26實(shí)例：實(shí)例： 用粉末冶金的方法制備高精度的鋼鏈輪。由于鋼鏈輪用粉末冶金的方法制備高精度的鋼鏈輪。由于鋼鏈輪在工作中需要傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，所以除了要求具有良好的尺寸在工作中需要傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，所以除了要求具有良好的尺寸精度之外，必須盡量減少孔隙率，因?yàn)榭紫赌苡山饘俚钠诰戎猓仨毐M量減少孔隙率，因?yàn)榭紫赌苡山饘俚钠诙饳C(jī)

12、械破壞。請(qǐng)指出可以不依靠延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)降低孔而引起機(jī)械破壞。請(qǐng)指出可以不依靠延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間來(lái)降低孔隙率的工藝以及粉末尺寸分布。隙率的工藝以及粉末尺寸分布。材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義276. 6. 機(jī)加工機(jī)加工機(jī)加工：利用塑性剪切來(lái)去除多余材料的工藝機(jī)加工：利用塑性剪切來(lái)去除多余材料的工藝材料能夠被機(jī)加工的難易程度稱為切削加工性。材料能夠被機(jī)加工的難易程度稱為切削加工性。陶瓷陶瓷聚合物聚合物金屬金屬材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義287. 7. 連接工藝連接工藝焊接、釬焊與錫焊焊接、釬焊與錫焊焊接焊接 熱影響區(qū)；焊接后熱處理；減少單位焊接面積熱輸入熱影響區(qū)；焊接后熱處

13、理；減少單位焊接面積熱輸入釬焊釬焊 熔點(diǎn)高于熔點(diǎn)高于4504500 0C C的金屬焊料，工作溫度低于工件的熔點(diǎn)的金屬焊料，工作溫度低于工件的熔點(diǎn)錫焊錫焊 與釬焊類似，也使用助熔劑，焊料的熔點(diǎn)與釬焊類似，也使用助熔劑，焊料的熔點(diǎn)4504500 0C C典型工藝典型工藝 將應(yīng)用將應(yīng)用SiSi片連接到由陶瓷或金屬制成的芯片載體上片連接到由陶瓷或金屬制成的芯片載體上材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義29粘結(jié)劑結(jié)合粘結(jié)劑結(jié)合用于連接由聚合物與聚合物基復(fù)合材料形成的構(gòu)件。用于連接由聚合物與聚合物基復(fù)合材料形成的構(gòu)件。擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散焊接；活潑性金屬擴(kuò)散焊接；活潑性金屬TiTi，BeBe，難熔

14、金屬合金，以及復(fù)合材，難熔金屬合金，以及復(fù)合材料與陶瓷材料。料與陶瓷材料。機(jī)械連接機(jī)械連接材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義308.8.表面涂層與處理表面涂層與處理涂層與涂料涂層與涂料靜電上漆；靜電上漆；PVDPVD；CVDCVD，熱浸鍍；電鍍；陽(yáng)極氧化，熱浸鍍；電鍍；陽(yáng)極氧化表面處理表面處理表面硬化；離子注入；噴丸處理；爆炸硬化表面硬化；離子注入；噴丸處理；爆炸硬化材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義319.9.單晶與半導(dǎo)體工藝（了解）單晶與半導(dǎo)體工藝（了解）在一些材料應(yīng)用的領(lǐng)域，需要使用單晶。在一些材料應(yīng)用的領(lǐng)域，需要使用單晶。 使用單晶的鎳基合金可以改善其抗氧化性與耐蠕變的能使用單晶的鎳基合金可以改善其抗氧化性與耐蠕變的能力，從而提高渦輪葉片的耐高溫性能。力，從而提高渦輪葉片的耐高溫性能。 半導(dǎo)體工業(yè)中需要單晶的原因是因?yàn)槿毕輹?huì)大大降低這半導(dǎo)體工業(yè)中需要單晶的原因是因?yàn)槿毕輹?huì)大大降低這些材料的電學(xué)性質(zhì)。些材料的電學(xué)性質(zhì)。單晶的成長(zhǎng)與工藝單晶的成長(zhǎng)與工藝氧化氧化光刻與浸蝕光刻與浸蝕擴(kuò)散與離子注入擴(kuò)散與離子注入互連、裝配與封裝互連、裝配與封裝材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論講義講義3210.10.纖維的制備（了解）纖維的制備（了解）熔融紡絲熔融紡絲溶液紡絲溶液紡絲控制熱解控制熱解氣相