材料加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

【摘 要】新材料技術(shù)是科技革命發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，多種學(xué)科的科技進(jìn)步和革命促進(jìn)了材料加工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。通過(guò)回顧五次材料加工技術(shù)革命的發(fā)展史，認(rèn)為材料加工技術(shù)總體的發(fā)展趨勢(shì)是三種綜合，即：過(guò)程綜合、技術(shù)綜合和學(xué)科綜合。同時(shí)指出材料技術(shù)革命特征，并著重介紹在低碳經(jīng)濟(jì)的新型環(huán)境下，材料加工技術(shù)在可持續(xù)發(fā)展下的現(xiàn)狀以及展望新材料加工技術(shù)發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】新材料；材料加工；材料設(shè)計(jì)；科技革命；低碳經(jīng)濟(jì)；可持續(xù)發(fā)展

1.材料加工技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

站在人類(lèi)歷史發(fā)展的角度來(lái)看材料加工技術(shù)的發(fā)展，可以說(shuō)至今為止已經(jīng)發(fā)生了五次革命性的變化。

大約從公元前4000年開(kāi)始，人類(lèi)開(kāi)始逐步掌握了銅的熔鑄技術(shù)，從石器時(shí)代逐步過(guò)渡到青銅器時(shí)代，這是人類(lèi)第一次對(duì)新材料的加工，這使得人類(lèi)在工具使用方面從石器步入金屬。那么，人類(lèi)的生產(chǎn)和社會(huì)生活得到了質(zhì)的提高。從公元前1350～1400年開(kāi)始，青銅器時(shí)代被取代，鐵器時(shí)代到來(lái)。大規(guī)模煉鐵和鍛造技術(shù)的出現(xiàn)促成了人類(lèi)歷史上第二次材料加工技術(shù)的產(chǎn)生。生產(chǎn)工具和武器質(zhì)量進(jìn)一步得到提升，生產(chǎn)力大幅提高，人類(lèi)的生活品質(zhì)得到新一輪的的飛躍。公元1500年左右，合金化材料的出現(xiàn)吹響了第三次材料加工技術(shù)革命的號(hào)角。在20世紀(jì)初期，合成材料技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展引領(lǐng)了第四次材料加工技術(shù)革命，為近現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展以及現(xiàn)代文明作出了巨大的貢獻(xiàn)。

臨近21世紀(jì)，伴隨著電子信息、航天航空等高精尖技術(shù)的迅猛發(fā)展，新材料的研究與開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)。納米材料、精細(xì)陶瓷材料和高溫超導(dǎo)材料等新材料與新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

2.材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與方向

2.1材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

“過(guò)程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合”是材料加工技術(shù)總體的發(fā)展趨勢(shì)。過(guò)程綜合含義主要分為兩點(diǎn)，第一點(diǎn)指的是材料設(shè)計(jì)、制備、成形和加工一體化，各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)度高；第二點(diǎn)指的是綜合多個(gè)過(guò)程，即短流程化，比如噴射成形技術(shù)，半固態(tài)加工技術(shù)和連續(xù)鑄扎技術(shù)等。技術(shù)綜合是指多種學(xué)科與多種應(yīng)用技術(shù)科學(xué)相結(jié)合，更多體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)與加工技術(shù)的綜合運(yùn)用，以及信息技術(shù)的綜合。學(xué)科綜合則是指?jìng)鹘y(tǒng)的三級(jí)學(xué)科之間（鑄造、塑性加工、熱處理和連接）的綜合，與材料物理、化學(xué)和材料學(xué)等二級(jí)學(xué)科綜合，與信息工程、環(huán)境工程與工程學(xué)科以外的其他一級(jí)學(xué)科的綜合。其中，材料科學(xué)與工程的其他二級(jí)學(xué)科的綜合的最大特點(diǎn)是，各個(gè)二級(jí)學(xué)科之間的界線(xiàn)越來(lái)越不明顯，學(xué)科滲透和相互依賴(lài)性越發(fā)強(qiáng)烈。

2.2低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境下材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向

在低碳經(jīng)濟(jì)的新形勢(shì)下，材料加工需要憑借思想創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新等多種手段來(lái)減少能源的消耗以及減少溫室氣體的排放，從而使得社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)人一談減排二字，想到的便是可再生能源和清潔能源的使用。但實(shí)際上，減排的隱性力量源泉在于研究與開(kāi)發(fā)新型材料加工技術(shù)。其中節(jié)能的建筑材料減少能耗，減少了碳排放；納米材料減少了航空航運(yùn)以及汽車(chē)運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的負(fù)重，減少了高碳能源的損耗，從而達(dá)到減排的目的。當(dāng)下，飛速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)要求加工制造的產(chǎn)品精密化、輕量化、集成化，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)要求產(chǎn)品性能高、成本低、周期短，而在低碳要求的新型環(huán)境下，材料加工被要求能耗低、污染少、走可持續(xù)發(fā)展道路。那么傳統(tǒng)型的材料加工制造技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，復(fù)合型、多功能且低碳型的材料成形加工技術(shù)正逐步取代單一的傳統(tǒng)型。材料成形加工技術(shù)逐步綜合化、多樣化、柔軟化、多學(xué)科化。

2.2.1現(xiàn)代材料成形加工技術(shù)

薄坯鑄軋技術(shù)。鑄造與軋制被連鑄連軋巧妙結(jié)合起來(lái)，就此一項(xiàng)重大的技術(shù)革新在軋鋼生產(chǎn)中產(chǎn)生，節(jié)能與生產(chǎn)連續(xù)化是其最大的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，熔化每噸鋼需要消耗約2～3MW·h 的電能，鋼錠與鋼坯的加熱能量相當(dāng)于每噸消耗電能400～700kW·h，軋制每噸耗電約120～140kW·h[1]。連鑄連軋技術(shù)的采用，在取消了鋼錠與鋼坯加熱的同時(shí)，還因?yàn)槿コ舜笾睆降某踯垯C(jī)從而使軋制力大幅下降，使變形更加均勻。通過(guò)改良結(jié)晶技術(shù)限制，大大減少了變形量的總數(shù)，生產(chǎn)線(xiàn)也得到了大幅度的簡(jiǎn)化。

精密鍛造技術(shù)。經(jīng)過(guò)精鍛技術(shù)的工件毛坯接近成品零件的最終形狀，不需要大量加工或者不用加工即為成品，接下來(lái)的勞動(dòng)剝削量少，提高效率的同時(shí)，材料與能源的損耗也被降到最低，環(huán)境污染小，是一種清潔的材料生產(chǎn)加工技術(shù)。伴隨著精鍛工件精度要求的提高，單一的冷、溫、熱鍛的舊工藝已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，需要研究和開(kāi)發(fā)復(fù)合成形的新工藝。復(fù)合精密鍛造工藝綜合冷、溫、熱鍛工藝，對(duì)其進(jìn)行組合從而共同完成一個(gè)工件的精密鍛造，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這是鍛造業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種先進(jìn)的制造技術(shù)。

德國(guó)蒂森克虜伯公司代表了世界的領(lǐng)先技術(shù)，他們采用的溫鍛/冷精整成形工藝。上海鐵福傳動(dòng)軸公司大批量轎車(chē)等速萬(wàn)向節(jié)外星輪的生產(chǎn)，便是采用溫鍛/冷整形工藝，江蘇太平洋精鍛公司大批量齒輪等精鍛件的生產(chǎn)，也是采用相同的方法[2]。另外，可以組合精鍛和其他精密成形的工藝如精密鑄造、焊接等工藝，進(jìn)而提高應(yīng)用范圍與加工能力。如：采取精密輥鍛與模鍛組合工藝生產(chǎn)大葉片，鍛件單邊拋磨余量控制在0.3mm，所需鍛造壓力是精鍛的10%～20%，設(shè)備投資是精鍛的5%～10%，而且綜合機(jī)械性能表現(xiàn)良好[3]。

2.2.2材料加工技術(shù)發(fā)展方向的展望

結(jié)構(gòu)件輕量化成形。結(jié)構(gòu)輕量化的實(shí)現(xiàn)主要有兩條方法：針對(duì)材料，采用鋁鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；針對(duì)結(jié)構(gòu)，采用空心變截面、變厚度薄壁殼體等結(jié)構(gòu)，不但可以節(jié)約材料，減輕質(zhì)量還可以保持材料的強(qiáng)度與剛度適當(dāng)。結(jié)構(gòu)件輕量化成形不僅是為了減輕產(chǎn)品的質(zhì)量，而且在運(yùn)行過(guò)程中能有顯著的節(jié)能效果。

柔性化成形。制造業(yè)的總趨勢(shì)便是柔性化，這種制造方式適合產(chǎn)品的多變性。這是材料加工成形技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)，也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，在不久的將來(lái)會(huì)越來(lái)越受到重視。

虛擬制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、造型到加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、成形分析，從而對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)模式和運(yùn)作方式賦予了全新的概念。虛擬制造技術(shù)將改變過(guò)去只依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)而開(kāi)展材料加工的落后狀況。這標(biāo)示著材料加工設(shè)計(jì)定量分析將逐步取代經(jīng)驗(yàn)判斷，進(jìn)而產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、成本將大大降低，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量也得到了保證。

3.結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展促進(jìn)了材料加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了過(guò)程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合的進(jìn)程。低碳經(jīng)濟(jì)下，可持續(xù)發(fā)展是大勢(shì)所趨，而材料加工技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展是重要一環(huán)。復(fù)合型、多功能且低碳型將逐步占領(lǐng)市場(chǎng)，材料成形加工技術(shù)將逐步綜合化、多樣化、多學(xué)科化。伴隨著人們對(duì)環(huán)保的重視，環(huán)保材料加工技術(shù)前景光明且將不斷向前發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王鑫，余心宏，葉奇.材料加工技術(shù)在低碳經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用及發(fā)展[J].宇航材料工藝，2011（06）.

[2]王忠蕾，趙國(guó)群.精密鍛造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].精密成形工程，2009（01）.

[3]胡亞民，付傳鋒，趙軍.精密成形技術(shù)60年的發(fā)展與進(jìn)步[J].金屬加工（熱加工），2010（05）.