近代材料加工原理.docx

1、近 代 材 料 加 工 原 理吴 德 海 任 家 烈 陈 森 灿 主 编清 华 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 简 介近 代 材 料 加 工 原 理 是 材 料 科 学 与 工 程 学 科 中 的 重 要 组 成 部 分 。 本 书 旨 在 阐 述 近 代 材 料 加 工 技 术 的 内 在 规 律 和 物 理 本 质 , 从 而 揭 示 材 料 在 各 种 加 工 过 程 中 所 出 现 的 共 性 现 象 。本 书 的 目 的 是 为 满 足 材 料 科 学 与 工 程 迅 猛 发 展 的 需 要 , 使 读 者 通 过 学 习 掌 握 近 代 材 料 加 工

2、的 基 本 原 理 和 最 新 发 展 , 从而 为 解 决 近 代 工 程 材 料 的 加工 、 选 用 以 及新 型 材 料 加 工 技 术 的 开 发 打下 基 础 。本 书 讨 论 的 内 容 , 是 当 今 材 料 加 工 所 采 用 的 主 要 工 艺 方 法 和 加 工 过 程 中 所 出 现 的 物 理 现 象 , 即 液 态 成 形 ( 铸 造 ) 、 塑性 成 形 ( 锻 压) 、 连 接 成 形 ( 焊 接 ) 、 切 削 成 形 ( 机 械 加 工 ) 、 粉 末 成 形 ( 粉 末 冶 金 ) 以 及 表 面 改 性 过 程 的 基 本 原 理 。本 书 叙 述 的

3、顺 序 是 : 由 液 态 至 固 态 成 形 ; 从 高 温 至 室 温 的 加 工 过 程 ; 从 材 料 整 体 加 工 到 材 料 表 面 的 改 性以 及 材 料 从 体 积 成 型 到 粉 末成 形 。 在 阐 述 原 理的 过 程 中 , 力求 与 工 程 实 践 联 系 。 各 章 附 有 若 干 习题 , 以 加 深 读 者 对 所 学 原 理 的 掌 握 。本 书 可 供 大 学 本 科 生 和 研 究 生 作 教 材 或 教 学 参 考 书 ; 也 可 供 相 关 专 业 的 工 程 技 术 人 员 参 考 。书 名 : 近 代 材 料 加 工 原 理作 者 : 吴 德

4、海 任 家 烈 陈 森 灿 主 编出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 校 内 , 邮 编 100084)印 刷 者 : 国 防 工 业 出 版 社 印 刷 厂 发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 科 技 发 行 所开 本 : 787 1092 1/ 16 印 张 : 23. 75 字 数 : 561 千 字版 次 : 1997 年 3 月 第 1 版 1997 年 3 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-02453-7/ T H 74印 数 : 00014000定 价 : 21.00 元前 言人 类 即 将 进 入 智 能 社

5、 会 , 作 为 智 能 社 会 重 要 支 柱 之 一 的 材 料 科 学 与 工 程 正 在 取 得 迅猛 的 发 展 。 为 适 应 这 样 的 发 展 , 使 读 者 在 此 领 域 掌 握 近 代 材 料 加 工 的 基 本 原 理 。 从 而 为 解决 近 代 工 程 材 料 的 加 工 以 及 新 型 材 料 的 开 发 打 下 基 础 , 特 编 写 近 代 材 料 加 工 原 理 一 书 , 它 既 可 以 作 为 机 械 工 程 系 本 科 生 的 必 修 技 术 基 础 课 教 材 ; 又 可 作 为 相 关 工 科 系 本 科 生 的选 修 技 术 基 础 课 教 材

6、; 也 可 作 为 从 事 此 领 域 的 工 程 技 术 人 员 的 参 考 书 。学 习 本 书 , 希 望 达 到 如 下 要 求 :( 1) 掌 握 书 中 所 阐 述 的 基 本 理 论 , 弄 清 物 理 现 象 的 实 质 , 在 此 基 础 上 , 弄 清 数 学 表 达式 及 其 适 用 条 件 ;( 2) 通 过 习 题 与 思 考 题 , 加 深 对 基 本 理 论 的 理 解 与 掌 握 , 并 力 求 联 系 实 际 。 本 书 所 讨 论 的 内 容 并 不 都 要 求 学 生 必 须 全 部 掌 握 , 其 中 部 分 内 容 是 供 学 生 阅 读 参 考的 ,

7、 但 其 中 主 要 内 容 则 是 根 据 教 学 大 纲 , 要 求 学 生 必 须 掌 握 的 。本 书 大 纲 及 其 教 学 大 纲 的 制 定 , 得 到 了 鹿 安 理 教 授 、 曾 大 本 教 授 和 姜 不 居 教 授 的 指导 ; 并 且 得 到 了 黄 惠 松 教 授 、 陈 伯 蠡 教 授 、 叶 庆 荣 教 授 和 郑 明 新 教 授 等 各 位 专 家 的 热 情 帮 助 。 他 们 在 讨 论 和 制 定 大 纲 过 程 中 提 出 了 宝 贵 意 见 。本 书 第 1、 2、 4 章 由 吴 德 海 教 授 编 写 ; 第 3、 8、 11 章 由 任 家 烈

8、 教 授 编 写 ; 第 6、 7、 9 章 由陈 森 灿 教 授 编 写 ; 第 5 章 由 魏 秉 庆 副 教 授 编 写 ; 第 10 章 由 梁 吉 副 教 授 编 写 。 在 编 写 此 书 的 过 程 中 , 编 者 参 阅 并 引 用 了 大 量 专 著 和 有 关 教 材 以 及 相 关 的 文 献 。 在 此 , 除 对 有 关 的 作 者 表 示 感 谢 外 , 并 把 引 用 的 资 料 一 并 列 举 在 参 考 文 献 中 。本 书 除 第 1 章 外 , 每 章 均 附 有 习 题 和 思 考 题 , 供 掌 握 基 本 理 论 与 复 习 之 用 。 由 于 本

9、书 编 者 的 水 平 有 限 , 时 间 紧 迫 , 书 中 尚 有 错 误 和 欠 妥 之 处 , 恳 请 各 位 专 家 与 读者 批 评 指 正 。编 者 1996 年 1 月 目 录第 1 章 绪 论 11.1 材 料 对 人 类 文 明 、 社 会 进 步 的 意 义 11.2 材 料 科 学 及 材 料 加 工 技 术 的 发 展 概 况 与 趋 势 51.3 近 代 材 料 加 工 原 理 的 任 务 与 内 容 11第 2 章 液 态 金 属 132.1 导 论 132.2 热 力 学 与 统 计 力 学 的 基 本 公 式 142.3 刚 球 模 型 与 PY 理 论 16

10、2.4 液 体 状 态 方 程 式 192.5 液 体 金 属 性 质 212.6 液 态 金 属 的 流 动 312.7 合 金 的 流 变 行 为 44第 3 章 液 态 金 属 熔 池 的 化 学 冶 金 493.1 概 述 493.2 金 属 加 工 过 程 中 的 杂 质 污 染 503.3 金 属 加 工 过 程 中 的 冶 金 处 理 和 保 护 60第 4 章 凝 固 过 程 的 温 度 场 764.1 Four ier 热 传 导 方 程 764.2 厚 度 为 l 的 无 限 大 平 板 的 温 度 场 784.3 在 x 0 的 半 空 间 的 温 度 场 814.4 器

11、 壁 中 的 温 度 分 布 824.5 凝 固 时 间 的 确 定 834.6 晶 前 移 动 凝 固 层 厚 度 的 确 定 864.7 铸 件 凝 固 温 度 场 874.8 焊 接 过 程 温 度 场 99第 5 章 液 态 金 属 的 凝 固 1095.1 凝 固 过 程 1095.2 形 核 1125.3 晶 体 长 大 117 目 录5.4 单 相 合 金 的 凝 固 1255.5 共 晶 合 金 的 凝 固 1365.6 快 速 凝 固 1395.7 微 重 力 ( 太 空 失 重 ) 下 的 凝 固 145第 6 章 塑 性 加 工 力 学 基 础 1506.1 应 力 状

12、态 与 应 变 状 态 分 析 1506.2 基 本 实 验 资 料 与 变 形 体 的 模 型 1606.3 屈 服 条 件 的 概 念 1666.4 两 种 常 用 的 屈 服 条 件 1706.5 T r es ca 及 M ises 屈 服 条 件 的 比 较 1726.6 形 变 理 论 1756.7 简 单 加 载 定 理 1816.8 卸 载 问 题 1836.9 圆 轴 扭 转 问 题 1846.10 L evy-M ises 理 论 1886.11 P r andt l-R eus s 理 论 191第 7 章 塑 性 理 论 的 应 用 1967.1 塑 性 平 面 应 变

13、 问 题 1967.2 滑 移 线 的 概 念 2037.3 Hencky 应 力 方 程 2047.4 滑 移 线 的 基 本 性 质 2077.5 应 力 的 边 界 条 件 2097.6 厚 壁 圆 筒 塑 性 变 形 时 所 需 内 压 力 的 确 定 2127.7 速 度 场 问 题 2157.8 应 力 间 断 线 和 速 度 间 断 线 2207.9 半 无 限 刚 塑 性 体 上 平 冲 头 压 入 2217.10 基 本 能 量 方 程 式 2297.11 下 限 定 理 2367.12 上 限 定 理 2377.13 平 冲 头 压 入 半 无 限 体 的 载 荷 上 限

14、2397.14 用 对 称 楔 形 模 进 行 板 料 挤 压 的 上 限 计 算 2427.15 主 应 力 法 及 其 应 用 2447.16 塑 性 加 工 中 的 成 形 规 律 248第 8 章 加 工 引 起 的 内 应 力 和 冶 金 质 量 问 题 2618.1 内 应 力 形 成 原 因 及 其 影 响 261 9.1 切 削 过 程 的 滑 移 线 场 2959.2 切 屑 的 形 态 3019.3 已 加 工 表 面 形 成 机 理 及 表 面 质 量 305第 10 章 粉 末 冶 金 原 理 31210.1 粉 末 冶 金 概 论 31210.2 粉 末 的 制 取

15、及 特 性 31610.3 粉 末 的 成 形 32210.4 烧 结 32810.5 粉 末 冶 金 新 技 术 333第 11 章 现 代 表 面 技 术 原 理 33811.1 气 相 沉 积 原 理 及 应 用 33811.2 电 沉 积 原 理 及 其 应 用 35011.3 热 喷 涂 原 理 及 其 应 用 35111.4 表 面 非 平 衡 冶 金 强 化 原 理 及 其 应 用 35811.5 表 面 合 金 化 原 理 及 其 应 用 3648.2 主 要 冶 金 缺 陷 2638.3 加 工 引 起 的 金 属 脆 化 291第 9 章 金 属 的 切 削 加 工 原 理

16、 295参 考 文 献 370 第 1 章 绪 论1.1 材 料 对 人 类 文 明 、 社 会 进 步 的 意 义1.1.1 材 料 的 发 展 是 人 类 文 明 史 的 里 程 碑材 料 是 人 类 社 会 所 能 接 受 、 经 济 地 制 造 有 用 器 件 的 物 质 。人 类 的 文 明 史 是 以 材 料 划 分 的 , 它 经 历 了 石 器 时 代 , 青 铜 器 时 代 ( 包 括 红 铜 和 青 铜 时代 ) 和 铁 器 时 代 , 现 在 进 入 了 人 工 合 成 材 料 的 新 时 代 。石 器 时 代 经 历 了 200 万 年 至 300 万 年 。 由 红

17、铜 时 代 到 青 铜 时 代 经 历 了 大 约 1600 年 ;由 青 铜 器 时 代 进 入 到 铁 器 时 代 又 经 历 了 1000 年 。 由 铁 器 时 代 开 始 , 至 今 已 经 历 了 约 5000 年 。 这 也 就 是 说 , 随 着 金 属 冶 炼 被 人 类 应 用 的 发 展 , 人 类 由 石 器 应 用 的 几 百 万 年 缩 短 至 金 属 材 料 ( 青 铜 器 与 铁 器 时 代 ) 应 用 的 几 千 年 。 由 此 , 可 以 预 料 , 在 近 代 材 料 的 发 展 中 , 各 种 合 成 材 料 将 以 更 高 的 速 度 发 展 , 它

18、们 在 人 类 文 明 社 会 中 将 起 怎 样 的 作 用 , 这 将 由 历 史 学 家 以 及 材 料 科 学 家 进 入 21 世 纪 以 后 评 价 。应 该 说 , 人 类 进 入 文 明 社 会 是 以 使 用 金 属 材 料 ( 铜 与 铁 ) 开 始 的 。 世 界 上 最 早 的 文 明 古 国 都 曾 先 后 进 入 了 青 铜 器 时 代 。 早 在 公 元 前 4000 年 , 古 埃 及 人 便 掌 握 了 炼 铜 技 术 。 我 国 用 矿 石 炼 铜 始 于 公 元 前 2000 年 ( 夏 代 早 期 ) 。 晚 商 和 西 周 是 我 国 青 铜 时 代

19、的 鼎 盛 时 期 , 重 达 875kg 的 “司 母 戊 ”大 方 鼎 , 迄 今 仍 珍 藏 在 我 国 的 博 物 馆 里 。铜 是 人 类 最 先 使 用 的 金 属 , 在 青 铜 器 时 代 , 铁 比 铜 要 宝 贵 , 这 是 因 为 当 时 炼 铜 比 炼 铁 更 容 易 ; 并 且 , 在 地 球 表 层 中 往 往 有 呈 自 然 金 属 状 态 存 在 的 自 然 铜 , 以 “露 头 ”形 式 存 在 , 因 而 容 易 被 发 现 与 开 采 。人 类 最 早 使 用 的 铁 是 陨 石 铁 ( 又 称 自 然 铁 , 也 叫 陨 铁 ) 。 古 埃 及 在 至

20、今 5000 年 以 前 的 前 王 朝 时 期 , 曾 用 含 镍 7.5% 的 陨 石 铁 做 成 铁 珠 。 陨 石 铁 的 主 要 成 分 是 铁 和 镍 , 一 般 含 量 在 98% 以 上 , 其 中 含 镍 量 为 4% 20% , 余 为 铁 , 其 它 杂 质 元 素 中 除 含 钴 0.3% 1.0% 以 外 , 磷 、 硫 和 碳 的 含 量 是 极 低 的 ( 含 P 0.1% 0.3% ; 含 S 0.2% 0.6% ; 含 C 0.01% 0.2% ) 。陨 石 铁 来 自 宇 宙 空 间 , 从 被 撞 击 的 陨 石 坑 数 来 看 , 地 球 至 少 经 受

21、 过 139 次 重 大 撞 击 , 每 年 新 发 现 的 陨 石 坑 有 56 个 。 1994 年 7 月 17 日 苏 梅 克 一 列 维 9 号 彗 星 按 照 科 学 家 一 年 前 的 精 确 计 算 ( 误 差 只 有 几 分 钟 ) , 准 确 地 与 木 星 相 撞 。 这 是 人 类 历 史 上 第 一 次 观 察 到 的 宇 宙 奇 观 。 这 个 彗 星 直 径 10km, 重 达 5000 亿 t , 它 的 碎 块 以 210000km / h 的 速 度 撞 击 木星 。 彗 星 总 加 起 来 的 撞 击 能 量 相 当 于 400000 亿 t T NT 爆

22、 炸 。 在 6500 万 年 以 前 , 地 球 曾 遭 受 到 彗 星 的 一 次 严 重 撞 击 , 由 此 可 能 导 致 了 恐 龙 的 灭 绝 。 科 学 家 们 预 测 , 公 元 2126 年 8 月14 日 , 斯 威 夫 特 塔 特 尔 彗 星 将 有 万 分 之 一 的 几 率 与 地 球 相 撞 , 届 时 又 将 有 大 的 陨 石 从天 而 降 。 另 外 , 1994 年 9 月 18 日 发 现 的 麦 克 霍 兹 2 号 彗 星 的 碎 块 现 正 朝 着 地 球 方 向 前进 。1从 美 索 不 达 米 亚 出 土 的 文 物 证 明 , 在 公 元 前 3

23、000 年 就 有 了 铁 器 ; 在 公 元 前 2000 年 就 知 道 了 铸 铁 技 艺 。 尽 管 古 希 腊 人 和 罗 马 人 在 很 有 限 的 范 围 知 道 铸 铁 的 技 艺 , 但 是 他 们 在 早 期 对 铸 铁 的 应 用 , 远 不 能 和 中 国 古 代 所 掌 握 的 铸 铁 技 术 和 发 展 应 用 相 比 拟 。 我 国 重 达 270kg 的 铸 铁 刑 鼎 是 公 元 前 513 年 铸 造 的 。 春 秋 晚 期 出 土 的 有 江 苏 六 合 程 桥 楚 墓 的 铁 丸 、 长 沙 楚 墓 的 铁 锸 和 铁 鼎 , 以 及 战 国 时 期 韧

24、 性 铸 铁 工 艺 和 铁 范 等 表 明 , 中 国 生 产 铸 铁 要 比 其 它 国 家 早 许 多 个 世 纪 。 中 国 在 战 国 、 秦 、 汉 时 期 就 将 铁 器 的 冶 炼 技 术 不 断 向 外 传 播 , 战 国 时 期 传 到 朝 鲜 , 汉 代 时 期 传 到 日 本 。 应 该 说 , 中 国 在 铁 器 时 代 对 人 类 做 出 了 贡 献 。铸 铁 的 历 史 经 历 了 5000 年 的 漫 长 岁 月 , 只 是 到 了 瓦 特 发 明 蒸 汽 机 以 后 , 由 于 在 铁 轨 、 铸 铁 管 制 造 中 的 大 量 应 用 , 才 走 上 了 工

25、 业 发 展 的 道 路 , 而 在 此 以 前 , 铸 铁 只 用 来 制 作 祭 器 、 艺 术 品 、 兵 器 和 农 具 。进 入 15 世 纪 以 后 , 欧 洲 的 社 会 生 产 力 有 了 长 足 的 发 展 。 15 世 纪 初 , 炼 铁 高 炉 首 先 在 欧 洲 迅 速 发 展 。 到 17 世 纪 , 已 有 高 达 9m、 日 产 铁 1t 的 高 炉 出 现 。 炼 钢 技 术 则 是 在 蒸 汽 机 出 现 ( 1755 年 ) 、 能 够 提 供 强 大 的 鼓 风 和 动 力 以 后 才 得 以 发 展 的 。 贝 塞 麦 ( H . Bes semer )

26、 于1856 年 发 明 了 酸 性 转 炉 炼 钢 ; 1879 年 托 马 斯 ( S. G . T homas ) 发 明 了 碱 性 转 炉 炼 钢 ; 1855 年 西 门 子 兄 弟 ( K . W . , F . Siemens ) 发 明 蓄 热 室 以 及 1864 年 马 丁 ( P .E .M ar t in) 利 用 这 种蓄 热 室 发 明 了 平 炉 炼 钢 ; 随 后 , 在 1899 年 赫 鲁 特 ( P. L . T . H er oult ) 发 明 了 电 弧 炉 炼 钢 。 由 此 , 奠 定 了 近 代 钢 铁 工 业 的 基 础 。钢 铁 工 业

27、只 是 到 了 19 世 纪 后 半 叶 才 得 到 了 发 展 , 这 一 方 面 是 由 于 当 时 欧 洲 社 会 生 产 力 和 科 学 技 术 的 进 步 , 从 而 对 钢 的 生 产 提 出 了 要 求 ; 另 一 方 面 是 由 于 各 种 炼 钢 方 法 的 发明 , 扩 大 了 钢 的 生 产 规 模 和 提 高 了 钢 材 质 量 。 特 别 是 进 入 20 世 纪 50 年 代 , 由 于 氧 气 顶 吹 法 ( L D 法 ) 炼 钢 技 术 的 出 现 , 钢 的 生 产 得 到 了 迅 速 发 展 。 从 50 年 代 初 至 70 年 代 末 这 一 段 时

28、间 , 全 世 界 钢 的 年 产 量 由 2.1 亿 t 增 加 到 7.5 亿 t 。 表 1-1 是 以 钢 为 主 的 全 世 界 金 属 产 量 的 变 化 。除 了 钢 铁 以 外 , 在 此 期 间 , 有 色 金 属 也 得 到 了 发 展 。 1866 年 哈 尔 ( C. M . Hall) 发 明 了电 解 铝 , 至 今 它 已 成 为 用 量 仅 次 于 钢 铁 的 金 属 。 1910 年 用 钠 还 原 得 到 了 纯 钛 , 从 而 满 足 了 航 空 工 业 的 需 求 。 核 工 业 的 需 要 促 进 了 铀 及 其 它 核 燃 料 的 发 展 , 而 电

29、 子 和 半 导 体 工 业 则 促 进 了 超 纯 材 料 ( 单 晶 硅 等 ) 的 发 展 。表 1-1 全 世 界 金 属 产 量 变 化 M t 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 年 代1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000铜 7.5 11.3 13.5 16.3 23.8 32.4 61.4 82.5* 136* 206*铝 0.181 0.937 1.88 3.9 12.7 31.1 70.9 133* 218* 356*铅 10.7 11.2 14.2

30、14.6 14.9 24 33 48* 50* 61*锌 7 8.8 11.1 13.3 17.1 27 42.3 58* 79* 102*钢 520 700 900 1200 1700 2700 4800 6900* 10200* 13800* 指 估 算2此 外 , 在 非 金 属 材 料 领 域 , 特 别 是 进 入 20 世 纪 , 也 取 得 了 重 大 进 展 。 人 工 合 成 高 分 子 材 料 从 本 世 纪 20 年 代 至 今 , 其 产 量 之 大 , 应 用 之 广 可 以 和 传 统 的 钢 铁 材 料 相 比 。 1984 年 全 世 界 合 成 高 分 子 聚

31、 合 物 产 量 已 达 1 亿 t, 其 中 包 括 塑 料 、 合 成 橡 胶 和 合 成 纤 维 。 要 指 出 的 是 , 早 在 1970 年 世 界 合 成 高 分 子 材 料 为 4000 万 t, 其 中 除 3000 万 t 是 塑 料 以 外 , 橡 胶 产量 为 500 余 万 t , 这 已 超 过 天 然 橡 胶 的 产 量 ; 该 年 的 合 成 纤 维 产 量 为 400 万 t , 这 和 当 年 的 天 然 纤 维 产 量 相 当 。 这 样 快 的 发 展 速 度 是 其 它 任 何 材 料 不 可 比 拟 的 。陶 瓷 是 人 类 文 明 的 象 征 。

32、50 万 年 以 前 , 人 类 学 会 用 火 以 后 , 就 开 始 烧 制 陶 器 , 这 是 经 过 热 处 理 改 变 材 料 性 质 的 开 始 。 在 新 石 器 时 代 , 世 界 先 后 在 不 同 地 区 制 出 了 原 始 陶 器 。 我国 出 现 原 始 陶 器 可 追 朔 距 今 10000 年 左 右 。 至 于 玻 璃 的 生 产 , 早 在 公 元 前 1600 年 的 古 埃 及 就 已 经 开 始 。在 古 希 腊 和 罗 马 , 已 有 石 灰 和 火 山 灰 混 合 成 的 胶 结 材 料 , 而 近 代 的 硅 酸 盐 水 泥 则 是1824 年 由

33、阿 斯 普 丁 发 明 的 。 混 凝 土 用 于 建 筑 材 料 已 有 数 百 年 历 史 , 但 在 现 代 结 构 工 程 中 所 使 用 的 混 凝 土 则 是 19 世 纪 的 事 , 一 次 偶 然 的 机 会 , 一 位 花 匠 把 水 泥 撒 在 花 盆 中 , 因 而 得 到 了 混 凝 土 。最 近 二 三 十 年 来 , 随 着 材 料 科 学 技 术 的 发 展 , 陶 瓷 材 料 在 冶 金 、 建 筑 、 机 械 、 化 工 以 及尖 端 技 术 领 域 , 已 成 为 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 和 各 种 功 能 材 料 的 主 要 来 源 : 例 如 耐 高

34、 温 、 耐 腐 蚀 的 氧 化 铝 ; 将 电 信 息 转 变 为 光 信 息 的 铌 酸 锂 ; 用 于 切 削 刀 具 的 氮 化 硅 ; 具 有 高 温 超 导 性 能的 氧 化 钇 等 。最 近 , 欧 洲 航 天 局 宣 布 : 40 年 内 将 向 月 球 移 民 。 那 时 的 登 月 飞 船 , 采 用 的 主 要 材 料 之 一 将 是 陶 瓷 。 因 此 , 陶 瓷 材 料 是 最 古 老 的 传 统 材 料 , 又 是 近 代 发 展 的 新 材 料 。 它 和 金 属 材 料 、 人 工 合 成 高 分 子 材 料 一 起 , 构 成 了 当 今 工 程 材 料 的

35、三 大 支 柱 。1.1.2 材 料 加 工 技 术 的 发 展从 地 球 上 最 早 出 现 原 始 人 起 , 材 料 的 利 用 与 加 工 就 在 人 类 的 生 活 中 占 据 着 重 要 位 置 。 在 原 始 时 代 , 人 类 部 落 附 近 的 天 然 材 料 就 逐 渐 地 被 利 用 起 来 , 如 岩 石 、 骨 骼 、 兽 皮 、 木 材 、 贝 壳 等 。 由 此 , 就 产 生 了 这 样 一 种 观 念 , 即 大 自 然 赋 予 的 材 料 可 以 加 工 , 为 人 类 的 生 存 服 务 。 这 也 就 是 说 , 早 在 石 器 时 代 , 人 类 通

36、过 材 料 具 有 的 使 用 性 , 得 知 它 们 的 性 能 、 加 工 工 艺 以 及 它 们 在 多 种 用 途 中 的 行 为 。 从 而 , 人 类 对 自 然 界 的 适 应 性 也 从 认 识 上 在 不 断 深 化 。长 期 以 来 , 人 类 用 材 料 做 工 具 , 并 发 展 了 材 料 的 使 用 性 及 其 在 美 学 上 的 吸 引 力 , 并 由 此 积 累 了 丰 富 的 知 识 , 这 些 知 识 包 括 材 料 性 能 、 加 工 工 艺 和 使 用 性 。 当 然 , 这 些 知 识 是 以 实 践 和 经 验 为 基 础 的 。 直 到 产 业 革

37、 命 以 前 , 上 述 相 互 间 的 关 系 可 以 由 图 1-1 中 看 出 , 在 此 漫 长 的 时 代 中 , 人 类 是 根 据 已 有 的 经 验 知 识 , 在 得 知 材 料 性 能 、 使 用 特 性 和 工 艺 过 程 之 间 的 关 系 以 后 , 来 满 足 社 会 需 要 的 。尽 管 图 1-1 中 列 举 的 材 料 知 识 是 经 验 性 的 , 但 在 陶 瓷 、 工 具 、 武 器 以 及 珠 宝 、 艺 术 和 建 筑 等 方 面 均 广 泛 地 显 示 出 这 些 经 验 的 实 用 性 。 虽 然 当 时 在 材 料 的 加 工 工 艺 方 面

38、已 取 得 了 显 著 的 成 就 , 但 在 学 术 界 却 没 有 对 材 料 知 识 的 深 化 做 出 过 任 何 贡 献 。 由 于 材 料 太 复 杂 , 它 们 的 性 能 很 难 预 测 , 致 使 当 时 的 学 者 难 以 应 付 。 而 此 时 , 传 统 的 工 匠 却 已 知 道 材 料 所 起 的 作 用 , 甚 至 通 过 加 工 工 艺 能 得 到 各 种 使 用 性 能 , 但 是 , 对 此 却 缺 乏 解 释 。 因 此 , 这 个 时 代 也3材 料 技 艺经 验 知 识 社 会 需 要性 能 使 用 特 性工 艺 过 程图 1-1 在 未 有 材 料

39、科 学 以 前 的 材 料 知 识可 以 称 做 “炼 金 术 ”时 代 。 在 此 时 期 , 有 的 封 建 皇 帝 曾 迄 求 “炼 丹 ”以 期 长 生 不 老 , 结 果 适 得 其 反 。 从 材 料 科 学 的 发 展 来 看 , 在 产 业 革 命 以 前 , 材 料 加 工 处 于 “技 艺 ”的 水 平 。产 业 革 命 以 后 , 材 料 的 利 用 与 加 工 走 上 了 科 学 发 展 的 道 路 , 从 而 形 成 了 “材 料 科 学 与工 程 ”学 科 。 根 据 美 国 材 料 科 学 与 工 程 调 查 委 员 会 的 定 义 “材 料 科 学 与 工 程

40、是 关 于 材 料 成 分 、 结 构 、 加 工 工 艺 和 它 们 的 性 能 与 用 途 之 间 有 关 的 知 识 的 开 发 和 应 用 的 科 学 ”。 为 此 , 可用 图 1-2 中 的 示 意 图 , 描 绘 材 料 科 学 与 工 程 的 内 容 以 及 相 关 的 联 系 。图 1-2 中 示 出 , 材 料 科 学 与 工 程 是 知 识 的 开 发 和 知 识 的 传 输 体 系 。 这 个 体 系 包 括 从 基 础 科 学 和 基 本 研 究 直 到 人 类 社 会 的 需 要 和 社 会 的 经 验 。 它 的 中 心 内 容 包 括 在 中 央 方 框 中 ,

41、 这 就 是 材 料 的 内 部 结 构 会 关 系 到 它 的 外 部 性 能 和 使 用 性 能 。 材 料 科 学 与 工 程 不 能 取 代 、 也 不 能 限 制 任 何 学 科 , 但 它 却 是 相 关 各 分 支 学 科 的 基 础 , 它 也 促 进 了 另 外 一 些 分 支 学 科 的 相 互 沟 通 与 发 展 。 材 料 科 学 与 工 程 通 过 与 材 料 有 关 的 基 础 知 识 , 使 其 得 到 开 发 的 机 会 , 同 时 , 它 也 把 基 础 科 学 提 供 给 实 践 经 验 和 社 会 需 要 。 因 此 , 把 科 学 知 识 和 经 验 知

42、 识 相 互 融 汇 贯通 , 这 是 材 料 科 学 与 工 程 的 重 要 特 点 。材 料 科 学 与 工 程基 础 科 学 和 基 本 研 究社 会 需 要 和 经 验结 构 性能 使 用 特 性加 工 技 术科 学 知 识 经 验 知 识图 1-2 材 料 科 学 与 工 程 的 内 容 及 其 与 科 学 知 识 和 经 验 知 识 的 对 应 关 系至 今 , 材 料 加 工 技 术 作 为 “材 料 科 学 与 工 程 ”的 重 要 组 成 部 分 , 是 建 立 在 科 学 理 论 和 近 代 材 料 检 测 技 术 的 基 础 上 , 并 得 到 了 迅 速 发 展 。 进

43、 入 20 世 纪 , 理 论 工 作 者 与 实 践 工 作 者 在 材 料 领 域 汇 合 在 一 起 , 从 而 把 材 料 外 部 性 能 和 材 料 内 部 结 构 的 研 究 联 系 了 起 来 。 他 们 发 现 了 材 料 包 含 着 多 层 结 构 的 内 在 复 杂 体 系 后 , 才 得 以 解 释 材 料 的 复 杂 性 。 采 用 光 学 显 微 镜 揭 示 了 材 料 的 组 织 与 性 能 存 在 着 联 系 ; 采 用 电 子 显 微 镜 揭 示 了 材 料 的 亚 结 构 ; 采 用 X 射 线 衍 射 仪 揭 示 了 晶 体 与 分 子 结 构 ; 俄 歇

44、谱 仪 提 供 了 材 料 表 层 , 特 别 是 断 口 和 晶 界 的 化 学 成分 , 以 及 扫 描 隧 道 电 子 显 微 镜 、 原 子 力 显 微 镜 等 各 种 先 进 仪 器 的 不 断 涌 现 , 因 而 在 更 深 的 层 次 揭 示 了 材 料 中 的 奥 秘 。 至 今 , 用 激 发 光 谱 可 显 示 原 子 结 构 ; 用 高 能 轰 击 可 观 察 核 结 构 。 因 此 , 用 新 揭 示 的 材 料 内 部 结 构 形 成 了 解 释 材 料 物 质 的 科 学 基 础 。 在 此 基 础 上 , 建 立 了 现 代 的 “材 料 科 学 与 工 程 ”。

45、这 门 学 科 的 目 标 是 : 按 照 所 需 的 性 能 , 设 计 材 料 的 原 子 或 分 子 组 成 , 制 定 相 应 的 加 工 技 术 以 达 到 理 想 的 组 织 , 并 力 求 应 用 已 知 的 科 学 规 律 , 大 幅 度 地 提 高 现 有 材 料 的 性 能 、 效 率 和 使 用 寿 命 。4在 今 后 的 岁 月 中 , 人 类 不 可 避 免 地 会 受 到 越 来 越 大 的 、 与 材 料 有 关 的 压 力 。 我 们 地 球 上 居 住 的 空 间 将 继 续 相 对 缩 小 , 由 于 不 断 增 长 的 在 住 房 、 食 物 、 材 料

46、、 能 源 和 知 识 方 面 的 激 烈 竞 争 , 人 们 必 然 将 其 知 识 重 新 编 组 , 分 别 列 入 新 的 学 科 与 分 支 ; 但 是 , 材 料 科 学 与 工 程 作 为 一 门 独 立 的 学 科 , 可 能 会 与 人 类 共 存 , 并 继 续 得 到 发 展 。 与 此 相 适 应 , 材 料 加 工 技 术 也 必 将 日 新 月 异 , 得 到 飞 速 的 发 展 。1.2 材 料 科 学 及 材 料 加 工 技 术 的 发 展 概 况 与 趋 势1.2.1 核 能 技 术 与 宇 航 技 术 标 志 着 材 料 工 程 的 最 新 成 就全 世 界

47、 的 能 源 消 耗 在 最 近 的 100 多 年 中 以 越 来 越 快 的 速 度 增 长 。 这 种 增 长 只 有 3 次 中 断 : 第 一 次 世 界 大 战 期 间 ; 1930 年 前 后 的 世 界 经 济 危 机 和 第 二 次 世 界 大 战 以 后 。 此 后 , 则 以 更 快 的 速 度 增 长 。 以 保 守 的 估 算 , 能 源 消 耗 是 以 每 年 3% 的 速 率 在 递 增 , 其 中 已 经 考 虑 了 现 已 采 取 的 节 能 措 施 。 因 此 , 生 存 在 地 球 上 的 人 们 都 要 节 约 能 源 。由 于 地 球 上 现 在 所

48、提 供 的 能 源 日 益 枯 竭 , 所 以 由 核 电 站 提 供 的 能 源 将 在 能 源 结 构 中占 有 越 来 越 大 的 比 例 。 据 预 测 , 到 2000 年 , 全 世 界 核 发 电 量 将 占 总 发 电 量 的 28% ; 而 在 工 业发 达 国 家 , 核 电 装 机 将 占 总 容 量 的 40% 以 上 , 而 法 国 的 核 电 装 机 将 占 总 容 量 的 78% 。 至 今 , 已 有 430 座 核 电 站 在 全 球 运 行 。核 电 站 的 关 键 部 件 和 结 构 件 的 制 作 在 很 大 程 度 上 取 决 于 材 料 加 工 技

49、术 所 能 达 到 的 水 平 。 以 德 国 不 来 梅 ( Br emen) 附 近 的 核 电 站 为 例 , 该 核 电 站 的 总 功 率 为 1300M W, 透 平 机 由 四 级 组 成 , 转 速 1500r / min。 发 电 机 为 三 相 水 冷 , 单 机 容 量 15 104 VA 。 输 配 电 站 由 两 个变 压 器 组 成 , 总 功 率 14 104 V A, , 电 压 3 104 V 。 其 主 要 部 件 均 由 热 加 工 方 法 制 造 , 如 透 平 机 轴 长 65m, 末 级 叶 片 长 达 1.356m , 这 都 是 铸 造 和 锻 造 加 工 的 产 品 。 反 应 堆 的 水 流 速 度 为 20m/ s , 进 口 温 度 290 , 蒸 汽 量 7160t / h。 反 应 堆 压 力 容 器 为 热 加 工 工 件 ,