工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)演講人：日期:CATALOGUE目錄02金屬材料及應(yīng)用01材料科學(xué)基礎(chǔ)03非金屬材料04鑄造技術(shù)05塑性成形工藝06連接成形技術(shù)01PART材料科學(xué)基礎(chǔ)材料分類(lèi)與特性金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主，具有高強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和延展性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑和航空航天領(lǐng)域。典型代表包括鋼、鋁、鈦及其合金，其性能可通過(guò)熱處理和合金化調(diào)控。01陶瓷材料以離子鍵或共價(jià)鍵為主，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特性，但脆性較大。常見(jiàn)應(yīng)用包括耐火材料、電子器件（如絕緣子）和生物醫(yī)學(xué)（如人工關(guān)節(jié)）。高分子材料由長(zhǎng)鏈分子通過(guò)共價(jià)鍵連接，分為熱塑性（如聚乙烯）和熱固性（如環(huán)氧樹(shù)脂），具有質(zhì)輕、易加工和絕緣性好的特點(diǎn)，廣泛用于包裝、汽車(chē)和醫(yī)療器械。復(fù)合材料由兩種及以上材料復(fù)合而成（如碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂），兼具各組分的優(yōu)勢(shì)，如高比強(qiáng)度、耐疲勞性，是航空、風(fēng)電等高端領(lǐng)域的核心材料。020304原子結(jié)構(gòu)與鍵合機(jī)制金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵范德華力與氫鍵由自由電子與陽(yáng)離子形成的非定向鍵合，賦予金屬高導(dǎo)電性和塑性變形能力，典型例子為銅和鐵的電子離域特性。通過(guò)正負(fù)離子靜電吸引形成（如NaCl），鍵能高但脆性顯著，常見(jiàn)于陶瓷和鹽類(lèi)晶體，其熔點(diǎn)與晶格能密切相關(guān)。原子間共享電子對(duì)（如金剛石中的C-C鍵），方向性強(qiáng)且硬度極高，但導(dǎo)電性差，半導(dǎo)體材料（如硅）即依賴(lài)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。次級(jí)鍵合機(jī)制，影響高分子材料的熔點(diǎn)和生物分子的空間構(gòu)型，如DNA雙螺旋的穩(wěn)定性部分依賴(lài)氫鍵作用。晶體缺陷與擴(kuò)散原理點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子和置換原子（如鋼中的碳間隙），直接影響材料的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，是合金強(qiáng)化的關(guān)鍵因素之一。線缺陷（位錯(cuò)）晶體中的原子錯(cuò)排線（刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)），位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)金屬塑性變形，可通過(guò)加工硬化抑制位錯(cuò)遷移以提高強(qiáng)度。面缺陷如晶界和相界，多晶材料的晶界能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，細(xì)晶強(qiáng)化（Hall-Petch效應(yīng)）即利用晶界密度提升材料強(qiáng)度。擴(kuò)散機(jī)制原子通過(guò)空位或間隙遷移（如滲碳工藝），擴(kuò)散系數(shù)受溫度（Arrhenius方程）和晶體結(jié)構(gòu)影響，是熱處理和表面改性的理論基礎(chǔ)。02PART金屬材料及應(yīng)用碳鋼與合金鋼分類(lèi)包括退火（消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削性）、正火（細(xì)化晶粒）、淬火（提高硬度）及回火（降低脆性），需精確控制加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速率以避免變形或開(kāi)裂。熱處理四階段工藝表面改性技術(shù)通過(guò)滲碳（增加表層碳濃度）、氮化（形成高硬度氮化物層）及激光淬火等工藝，顯著提升鋼鐵材料的表面硬度、疲勞壽命和耐腐蝕性。根據(jù)含碳量及合金元素差異，分為低碳鋼（C≤0.25%）、中碳鋼（0.25%<C≤0.6%）、高碳鋼（C>0.6%）及合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等，熱處理工藝需匹配材料成分以實(shí)現(xiàn)淬透性、耐磨性等目標(biāo)性能。鋼鐵材料與熱處理有色金屬及合金輕金屬合金應(yīng)用高溫合金開(kāi)發(fā)銅基合金功能特性鋁合金（如6061-T6）因其高比強(qiáng)度廣泛用于航空航天，鎂合金（如AZ91D）在減重需求場(chǎng)景中替代鋼鐵，需注意其耐蝕性差的特點(diǎn)并通過(guò)微弧氧化等技術(shù)強(qiáng)化。黃銅（Cu-Zn）兼具導(dǎo)電性與耐海水腐蝕性，用于船舶配件；青銅（Cu-Sn）耐磨性?xún)?yōu)異，適用于軸承、齒輪等滑動(dòng)部件，加工時(shí)需控制晶粒度以避免熱脆性。鎳基合金（如Inconel718）通過(guò)γ'相強(qiáng)化，在800℃以上仍保持高強(qiáng)度，是渦輪葉片的核心材料；鈦合金（如Ti-6Al-4V）的生物相容性使其成為骨科植入物的首選。金屬材料失效分析包括韌性斷裂（宏觀塑性變形、韌窩微觀形貌）、脆性斷裂（解理臺(tái)階、河流花樣）及疲勞斷裂（貝殼紋+輝紋），需結(jié)合斷口分析、金相檢驗(yàn)確定失效根源。斷裂失效模式判別腐蝕失效機(jī)理磨損失效量化分析電化學(xué)腐蝕（如不銹鋼晶間腐蝕）需通過(guò)極化曲線評(píng)估，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）需滿(mǎn)足特定介質(zhì)-材料-拉應(yīng)力組合，可采用緩蝕劑或陰極保護(hù)防控。通過(guò)SEM/EDS判定磨粒磨損（犁溝）、粘著磨損（材料轉(zhuǎn)移）或腐蝕磨損（協(xié)同作用），建議采用HVOF噴涂WC-Co涂層提升表面抗磨性。03PART非金屬材料高分子材料特性高彈性和可塑性高分子材料具有顯著的彈性變形能力，在外力作用下可發(fā)生較大形變且能恢復(fù)原狀，同時(shí)可通過(guò)加熱或溶劑處理實(shí)現(xiàn)塑性加工，適用于注塑、擠出等成型工藝。優(yōu)異的絕緣性能高分子材料的分子結(jié)構(gòu)中缺乏自由電子，使其具備極低的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于電纜絕緣層、電子器件封裝等領(lǐng)域。化學(xué)穩(wěn)定性與耐腐蝕性多數(shù)高分子材料對(duì)酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)表現(xiàn)出惰性，如聚四氟乙烯（PTFE）可耐受強(qiáng)腐蝕環(huán)境，適用于化工設(shè)備襯里。輕質(zhì)與比強(qiáng)度高高分子材料的密度通常為金屬的1/4-1/2，而某些增強(qiáng)塑料的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）超過(guò)鋼材，適合航空航天輕量化設(shè)計(jì)。陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能先進(jìn)陶瓷通過(guò)控制晶界相、氣孔率等顯微結(jié)構(gòu)參數(shù)，可調(diào)控性能，如氮化硅（Si?N?）陶瓷通過(guò)β-Si?N?柱狀晶交織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷裂韌性提升。多相復(fù)合顯微組織

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陶瓷的本征脆性導(dǎo)致其抗熱震性能差，需通過(guò)纖維增韌（如SiC纖維增強(qiáng)）或相變?cè)鲰g（ZrO?馬氏體相變）改善。脆性與可靠性挑戰(zhàn)陶瓷材料以離子鍵/共價(jià)鍵構(gòu)成的晶格為主，如氧化鋁（Al?O?）的六方密排結(jié)構(gòu)賦予其超高硬度（莫氏硬度9級(jí)）和耐高溫性（熔點(diǎn)2054℃）。晶體結(jié)構(gòu)決定性能壓電陶瓷（如PZT）具有機(jī)電耦合效應(yīng)，半導(dǎo)體陶瓷（如BaTiO?）呈現(xiàn)PTCR特性，生物陶瓷（如羥基磷灰石）具備骨整合能力。功能特性多樣性復(fù)合材料設(shè)計(jì)原則界面優(yōu)化準(zhǔn)則復(fù)合材料性能取決于增強(qiáng)體與基體界面結(jié)合狀態(tài)，需通過(guò)偶聯(lián)劑處理（如硅烷處理玻璃纖維）或原位反應(yīng)層（TiB?/Al體系）優(yōu)化應(yīng)力傳遞效率?；祀s效應(yīng)利用通過(guò)多種增強(qiáng)體協(xié)同作用（如碳纖維-芳綸纖維混雜）實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，典型應(yīng)用包括抗沖擊裝甲材料與多頻譜隱身結(jié)構(gòu)?？稍O(shè)計(jì)性導(dǎo)向依據(jù)服役條件進(jìn)行性能梯度設(shè)計(jì)，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件采用SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料的面內(nèi)各向異性導(dǎo)熱設(shè)計(jì)。工藝-結(jié)構(gòu)-性能一體化考慮成型工藝對(duì)纖維分布（如RTM工藝的纖維浸潤(rùn)性）和孔隙率的影響，建立制備參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能的定量關(guān)聯(lián)模型。04PART鑄造技術(shù)砂型鑄造主要采用石英砂、黏土、水玻璃等作為造型材料，需根據(jù)鑄件材質(zhì)（如鑄鐵、鑄鋼或有色金屬）調(diào)整砂粒粗細(xì)和黏結(jié)劑比例，以確保鑄型強(qiáng)度與透氣性。砂處理過(guò)程包括混砂、松砂和再生，需嚴(yán)格控制水分和添加劑含量。造型材料選擇與處理澆注溫度需根據(jù)合金類(lèi)型調(diào)整（如鑄鐵1200-1400℃），過(guò)高易導(dǎo)致氣孔，過(guò)低則流動(dòng)性差。冷卻階段需避免過(guò)快冷卻引發(fā)應(yīng)力裂紋，大型鑄件需采用緩冷措施。澆注與冷卻控制模具分為木模、金屬模和塑料模，需考慮鑄件收縮率、拔模斜度和加工余量。復(fù)雜鑄件需采用分型面設(shè)計(jì)，并設(shè)置澆注系統(tǒng)（澆口、冒口、橫澆道）以?xún)?yōu)化金屬液流動(dòng)路徑。模具設(shè)計(jì)與制造010302砂型鑄造工藝鑄件凝固后通過(guò)振動(dòng)落砂機(jī)脫模，隨后進(jìn)行拋丸、切割冒口、打磨等工序，去除表面粘砂和毛刺，確保尺寸精度和表面光潔度。落砂與清理04特種鑄造方法采用蠟?zāi)Ｖ谱骶荑T件，適用于復(fù)雜薄壁零件（如航空渦輪葉片）。工藝包括蠟?zāi)褐?、多層陶瓷型殼焙燒、金屬液澆注，尺寸精度可達(dá)CT4級(jí)，表面粗糙度Ra1.6μm。熔模鑄造（失蠟鑄造）通過(guò)高壓（10-200MPa）將熔融金屬注入金屬模具，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)鋁合金汽車(chē)部件。壓鑄件組織致密，但內(nèi)部易存氣孔，后續(xù)需熱處理改善性能。壓力鑄造（壓鑄）利用離心力成型筒狀或環(huán)狀鑄件（如管道、軸承套），金屬液在旋轉(zhuǎn)模具中均勻分布，晶粒細(xì)化，力學(xué)性能優(yōu)于普通砂型鑄件。分為立式和臥式離心鑄造，轉(zhuǎn)速需根據(jù)鑄件直徑精確計(jì)算。離心鑄造用于生產(chǎn)長(zhǎng)尺寸鑄坯（如鋼坯、銅桿），金屬液通過(guò)水冷結(jié)晶器連續(xù)凝固并拉出，組織均勻且無(wú)縮孔，可直接軋制成型，大幅減少加工工序。連續(xù)鑄造鑄造缺陷控制氣孔由熔煉脫氧不足或型砂水分過(guò)高導(dǎo)致，需采用真空熔煉或添加除氣劑；縮松可通過(guò)優(yōu)化冒口設(shè)計(jì)（如保溫冒口）或使用冷鐵局部激冷來(lái)改善補(bǔ)縮效果。氣孔與縮松防治熱裂源于凝固末期應(yīng)力集中，需控制合金成分（如降低硫、磷含量）；冷裂由殘余應(yīng)力引發(fā)，可通過(guò)退火處理或改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)（避免尖銳轉(zhuǎn)角）消除。熱裂與冷裂預(yù)防夾渣需加強(qiáng)熔煉過(guò)濾和澆注擋渣措施；粘砂可通過(guò)提高型砂耐火度（如鋯英砂）或噴涂防粘涂層解決。夾渣與粘砂控制采用三維掃描檢測(cè)鑄件尺寸，結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化工藝參數(shù)（如澆注速度、模具溫度），減少因收縮不均導(dǎo)致的變形問(wèn)題。尺寸偏差修正05PART塑性成形工藝鍛造原理與分類(lèi)自由鍛造工藝原理特種鍛造技術(shù)模鍛工藝分類(lèi)通過(guò)鍛錘或壓力機(jī)對(duì)金屬坯料施加沖擊力或靜壓力，使其在上下砧面間自由塑性變形，適用于形狀簡(jiǎn)單、批量小的零件生產(chǎn)。典型應(yīng)用包括軸類(lèi)、齒輪坯等鍛件，需控制鍛造比以保證晶粒細(xì)化效果。分為開(kāi)式模鍛（飛邊模鍛）和閉式模鍛（無(wú)飛邊模鍛）。開(kāi)式模鍛通過(guò)飛邊槽容納多余材料，適合復(fù)雜形狀鍛件；閉式模鍛精度高但模具成本昂貴，常用于鋁合金汽車(chē)輪轂等精密部件。包括等溫鍛造（保持恒溫降低變形抗力）、徑向鍛造（多錘頭同步徑向加壓）等，適用于鈦合金航空葉片等難變形材料，需配合計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化工藝參數(shù)。沖壓與鈑金技術(shù)沖裁與精密沖壓利用凸凹模間隙實(shí)現(xiàn)材料分離，普通沖裁斷面存在塌角帶和毛刺，而精沖采用V形壓邊圈與反頂裝置，可獲得全光亮帶斷面，廣泛應(yīng)用于鐘表齒輪和電子接插件。鈑金折彎成型通過(guò)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)配合多工位模具完成V形/U形折彎，需計(jì)算展開(kāi)尺寸并考慮回彈補(bǔ)償，折彎半徑需大于材料最小彎曲半徑以避免開(kāi)裂，典型應(yīng)用于機(jī)箱柜體制造。級(jí)進(jìn)模與拉伸工藝級(jí)進(jìn)模在一條沖壓線上完成沖孔、彎曲、拉伸等多工序，效率可達(dá)800次/分鐘；深拉伸需控制壓邊力防止起皺，如不銹鋼保溫杯的多次拉伸成型需中間退火處理。擠壓與拉拔工藝正擠壓與反擠壓技術(shù)正擠壓時(shí)金屬流動(dòng)方向與沖頭運(yùn)動(dòng)一致，適合實(shí)心件生產(chǎn)；反擠壓則金屬反向流動(dòng)形成空心件，如炮彈殼成型。兩者均需采用玻璃潤(rùn)滑劑降低摩擦，模具材料選用H13熱作模具鋼。等通道角擠壓（ECAE）通過(guò)特殊模具使材料純剪切變形，實(shí)現(xiàn)晶粒超細(xì)化至亞微米級(jí)，可使鋁合金強(qiáng)度提升300%以上，屬劇烈塑性變形（SPD）技術(shù)的前沿領(lǐng)域。冷拔工藝參數(shù)控制拉拔碳鋼線材時(shí)減面率通常為15%-25%，需經(jīng)過(guò)酸洗、磷化、皂化預(yù)處理以減少拉拔力。多道次拉拔間需進(jìn)行再結(jié)晶退火恢復(fù)塑性，最終可獲得φ0.1mm以下的超細(xì)絲。06PART連接成形技術(shù)焊接原理與方法釬焊與軟釬焊利用熔點(diǎn)低于母材的填充金屬（釬料）潤(rùn)濕接頭間隙，通過(guò)毛細(xì)作用形成連接，適用于異種材料或精密電子元件的低溫焊接，需嚴(yán)格控制加熱溫度和釬劑選擇。壓力焊技術(shù)在加熱或不加熱條件下施加壓力實(shí)現(xiàn)連接，如電阻焊（點(diǎn)焊、縫焊）和摩擦焊，常用于汽車(chē)制造和航空航天領(lǐng)域的高效批量生產(chǎn)。熔化焊原理通過(guò)局部加熱使材料達(dá)到熔化狀態(tài)，冷卻后形成永久連接，包括電弧焊（如手工電弧焊、氣體保護(hù)焊）、激光焊和電子束焊，適用于高精度或高強(qiáng)度的金屬連接。粘接與機(jī)械連接結(jié)構(gòu)膠粘劑應(yīng)用通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等膠粘劑實(shí)現(xiàn)材料接合，具有應(yīng)力分布均勻、減震降噪的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天復(fù)合材料和汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)。螺栓與鉚接技術(shù)機(jī)械連接中的可拆卸（螺栓）與不可拆卸（鉚釘）方式，需考慮預(yù)緊力、抗剪強(qiáng)度及防松措施，適用于橋梁、建筑鋼結(jié)構(gòu)和重型機(jī)械裝配?；旌线B接工藝結(jié)合粘接與機(jī)械連接（如膠鉚、膠焊），可提升接頭疲勞壽命和承載能