工程材料与制造技术简论

第一章工程材料与制造技术简论第一章工程材料与制造技术简论本章将重点介绍工程材料和制造技术的历史、现状和发展，以及制造类企业的组织结构和产品生产过程，希望读者能在进入现代材料成型与制造工艺基础的学习之前，对工程材料和制造技术的背景有一个比较完整的了解，以利于本课程和后续相关知识的学习。第一节工程材料发展简述第一节工程材料发展简述材料是人类用以制作有用物件的物质，而新材料主要是指最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料。人类历史证明，材料是人类社会进步的物质基础和先导。按照传统的分类方法可以分为金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、有机高分子材料和复合材料四大类。图1-1中对上述四类材料在不同历史年代的相对重要性进行了描述。一、金属材料的发展简述金属材料具有其它材料体系不可能完全取代的独特的性质和使用性能，这是由于金属材料主要通过金属键结合而成，这种键合特点使得金属有比高分子材料高得多的模量、有比陶瓷高得多的韧性、可加工性、磁性和导电性。（一）金属材料的发展史公元前5000年为青铜器时代，公元前1500－1200年为铁器时代。18世纪以后，钢铁工业开始迅猛发展，成为产业革命的主要潮流和物质基础，其它金属材料也得到相应的快速发展。第一节工程材料发展简述（二）金属材料的发展现状主要围绕以下几个方面向纵深发展。（1）高纯材料（2）高强度及超高强度金属材料（3）超易切削钢和超高易切削钢（4）硬质合金与金属陶瓷（5）高温合金与难熔合金（6）纤维增强金属基复合材料（7）共晶合金定向凝固材料（8）快速冷凝金属非晶及微晶材料典型非晶和微晶金属材料：1）金属玻璃2）金属微晶材料（9）有序金属间化合物（10）纳米金属材料（11）形状记忆合金（12）贮氢合金第一节工程材料发展简述二、无机非金属材料（陶瓷）的发展简述先进陶瓷的化学键是由共价键和离子键组成,具有优良的耐高温、耐磨、耐腐蚀的特点。（一）陶瓷的发展史中国是陶瓷的发源地，最早人类利用粘土的可塑性将其加工成所需形状，然后用火烧制成型，这就是陶器。陶瓷的第一次重大飞跃是人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，进而利用粘土、石英、长石等矿物制成了瓷器。陶瓷发展过程中的第二次重大飞跃是从传统陶瓷到先进陶瓷。（二）先进陶瓷的主要研究领域与研究现状先进陶瓷的研究领域包括：粉体、结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及喷涂、陶瓷工艺等。目前正围绕陶瓷材料的弱点方面转入更细致的基础研究和应用研究。第一节工程材料发展简述（三）结构陶瓷的研究发展趋势1.结构陶瓷的脆性研究（1）相变增韧陶瓷（2）高精细陶瓷（3）高韧性/高硬度α—Sialon陶瓷（4）可塑性变形陶瓷（5）金属间化合物与陶瓷复合材料（6）纤维及晶须增强陶瓷基复合材料（7）叠层结构陶瓷基复合材料（8）纳米陶瓷及其复合材料综上所述，陶瓷材料发展的过程也是陶瓷增韧的发展过程，设计思想经历了“限制和减少缺陷—容忍缺陷—利用缺陷”的变化过程。2．有关结构陶瓷粉体制备的研究3．有关陶瓷材料的制备与加工技术4．有关陶瓷材料的可靠性检测与评价技术第一节工程材料发展简述（四）结构陶瓷的研究展望预期结构陶瓷在以下领域具有重要的研究发展前景：①新型层状碳化物和氮化物陶瓷的研究②高性能复相陶瓷和陶瓷基复合材料，包括金属陶瓷，纳米复相陶瓷，多层次复合与融合复相陶瓷；③金属间化合物与陶瓷复合材料以及陶瓷纤维补强的陶瓷基复合材料的研究；④高性能、批量化、低成本先进陶瓷的制备和加工技术研究⑤先进结构陶瓷的可靠性及性能评价技术研究；⑥结构陶瓷材料物理力学性能检测方法与标准及评价技术研究；⑦结构陶瓷材料可靠性的声学快速评价技术研究；⑧高性能、低成本、高可靠性陶瓷材料的制备技术研究等。第一节工程材料发展简述三、工程塑料的发展简述工程塑料是一个特定的名称，其广义上是泛指具有高性能又可能代替金属材料的塑料，狭义上是指比通用塑料的强度与耐热性优异，可作为工业用的结构材料并具有功能作用的高性能塑料。（一）工程塑料发展史20世纪30年代，高分子结构与性能关系研究的兴起及理论的创立，推动了新型高分子的合成。20世纪50年代初期开始了塑料制品的研究。工程塑料主要品种工业化年度及首家商品化的企业列入表1-1，工程塑料的快速发展源于80年代以后。第一节工程材料发展简述（二）工程塑料的特点1．与金属材料相比其优点是：(1)比重小；仅为1.0-2.0，约为铁的六分之一；(2)加工性好，生产效率高；(3)耐水及各种化学药品腐蚀；(4)自润滑性好，摩擦系数小；(5)可以自由着色；(6)容易与玻璃纤维及各种填料复合；(7)优异的电绝缘性；(8)隔热性优良，导热系数约为铁的百分之一；(9)可降低成本、节约资源和能源。2．与金属材料相比其缺点是：(1)耐热性能差，软化点低；(2)机械强度低，抗张强度一般约为钢的十分之一；(3)尺寸稳定性差，线膨胀系数约为钢的5倍；(4)耐久性差，长期受重力作用易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。第一节工程材料发展简述四、复合材料的发展简述复合材料是指由不同材料组合而成，在新制成的材料中，原来各材料的特性得到了充分的应用，而且复合后，可望获得单一材料得不到的新功能材料。（一）复合材料的发展历史复合材料的发展经历了古代—近代—先进复合材料的过程，最原始的复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成很好的土砖。近代复合材料主要包括软质复合材料和硬质复合材料。第一节工程材料发展简述（二）先进复合材料的研究现状典型复合材料的研究现状如下：1.金属基复合材料（MetalMatrixComposites—MMC）MMC所用基体除Al,Mg外还包括Ti,Cu,Zn,Pb,Be超合金及金属间化合物。2.陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites—CMC）3.其它复合材料除MMC和CMC复合材料外，目前处于大量研究、开发应用的复合材料还包括：（1）树脂基（高聚物）复合材料，（2）原位复合材料（InSituComposite），（3）功能精细复合材料（FunctionalFineComposites（4）梯度功能材料（FunctionallyGradientMaterials）,（5）碳—碳复合材料（Carbon-CarbonComposites）。第一节工程材料发展简述（三）复合材料的发展趋势（1）进一步了解复合材料所特有的复合效应。（2）与复合材料有关的物理现象，包括结晶体、稳定态、亚稳态和非稳态或暂稳态、各向同性物和各向异性物、热力学体系与非热力学体系等这些相互对立的物理现象的产生、转化都是复合材料设计和研究的焦点。第一节工程材料发展简述五、其它先进材料简介（一）智能材料图1-2为其动作流程。（二）生物材料表1-2列出了近年来生物陶瓷复合材料的发展情况。（三）生态环境材料表1-3列出了生态环境材料的一些相关种类及其产品。（四）纳米材料第一节工程材料发展简述第二节制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势制造业的构成见表1-4。一、制造技术的发展历史制造技术的发展大约经历了以下六个阶段：1.从18世纪后半叶开始，蒸汽机与工具机的发明导致近代产业革命，揭开了近代工业的历史，促成了制造企业的雏形，其特征是工场式生产的出现。2.19世纪电气技术得到快速发展，导致电气技术与制造技术的融合，开创了电气化新时代，促进了制造业的飞速发展，使制造技术实现了批量化生产和工业化生产的新局面。3.20世纪初，内燃机这项重大发明引发了制造业的一场革命。使流水生产线和泰勒式工作制得到了广泛应用，特别是受二次大战的影响，使以降低成本为中心的刚性、大批大量制造技术和科学管理方式得到空前发展。第二节制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势4.制造技术发展的第四个阶段出现在二战以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的快速发展，制造技术开始向高质量生产和柔性化生产发展。5.20世纪80年代以来制造技术的发展则是由于市场牵动造成的。柔性制造单元（FMC）、引发了制造工程中组织结构和运行模式的革命性飞跃。6.进入90年代，制造技术的重要特征是与信息技术、人工智能技术融为一体，随着人工智能、人工神经网络、模糊逻辑等计算机智能的应用，制造知识的获取、表示、存储和推理已成为可能。第二节制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势二、制造技术的现状机械制造工艺的流程图与具体过程见图1-3和表1-5.以机械制造业为例,在2000年前后，我国规模化企业有4万多个（指产值大于500万的企业）；资产超过2.5万亿人民币；职工达到1200万；年产值近2万亿；利润约为650亿；税收约为800亿；占工业总产值的1/4-1/5。第二节制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势三、制造业及先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势今后将具有以下明显特征：1.信息技术正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。2.设计技术在不断现代化的同时，设计过程也由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济、和社会因素。3.成型及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展。4.加工制造技术则向着超精密加工技术、超高速切削以及发展新一代制造装备的方向发展。5.工艺将由技艺发展为工程科学。6.冷热加工之间、加工、检测、物流、装配过程之间、设计、材料应用、加工制造之间，其界限将逐渐淡化，并逐渐走向一体化。第二节制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势第三节制造类企业的组织结构与运行模式一、近代企业的组织结构与运行模式福特生产模式的特点包括以下几个方面：（1）标准化产品的大批量生产（2）互换性原理的应用（3）流水作业与精密加工（4）刚性生产（5）专业化分化和顺序决策（6）集中领导与分级管理第三节制造类企业的组织结构与运行模式二、现代企业的组织结构与运行模式（一）精益生产(1)即时生产传统生产模式与即时生产模式的示意图分别见图1-4(a)和图1-4(b)。(2)成组技术成组车间布局如图1-5所示。(3)全面质量管理（二）集成制造福特模式与现代模式的在信息交流和组织结构之间的差异可用示意图1-6表示。第三节制造类企业的组织结构与运行模式（三）敏捷制造敏捷制造的突出特点主要表现在以下几个方面：(1)制造资源能快速重组，能敏捷的跟上市场的变化，具有快速的市场响应能力。(2)能跨企业、跨地区甚至跨国界实现资源共享，使制造资源得到最充分的利用。(3)在共同利益驱动下，能实现局部利益与整体利益的高度一致，而无需行政命令。(4)能在保证整体利益的协调一致性的前提下，最大限度的发挥个体的积极性。第三节制造类企业的组织结构与运行模式第四节产品制造的过程简介现代产品的制造过程包括：产品设计，材料选择、材料成型、加工与表面处理、检验与装配等。一、产品与零部件设计现代产品设计是一个动态的过程。它不仅要考虑产品的出世，还要考虑产品从生到死整个生命周期和服役过程，这种设计思想的变迁是基于制造业要对环境保护负责，企业要在市场激烈竞争中提高生产效率、降低产品的制造成本等要求中逐渐演化而成的。图1-7是串行设计与并行设计的示意图。第四节产品制造的过程简介二、产品或零件的选材与制造产品或零件设计完成以后，通常要根据产品的各种要求进行选材。选材时不仅对材料的性能有要求，对材料的成本和可加工性能等诸多方面也有要求。产品制造工艺技术很多，概括起来主要有以下几大类：（1）成型工艺；（2）切削与磨削工艺；（3）特种工艺；（4）塑料成型工艺；（5）生长成形工艺（快速成型工艺）。第四节产品制造的过程简介1.课程性质传统的工程材料及机械制造基础课程是研究机器零件常用材料和加工方法，即从选择材料、制造毛坯、直到加工出零件的综合性课程。随着科学技术的快速发展，知识更新的加快，学科大幅度的调整，本课程性质也在逐渐发生变化，为充分体现各学科的交叉、融合，全面拓宽课程知识体系，使理论、实践和创新结合在一起，本课程的内容已不仅局限于机械制造，而是更充分的体现了先进制造技术、材料科学与工程、材料及制造技术发展史、现代信息技术、现代管理科学等跨学科之间的密切交叉与融合。可以说该课程是一门以各种制造方法为载体，涉