材料科学/材料加工

为了从特定材料生产出适用于任何应用的产品，可能需要进行几个步骤。第一步通常是从我们的环境中获取原材料。这可能涉及发现这些原材料的位置（通常通过地质学知识实现）并开发从这些位置提取它们的工艺（例如，开采矿石，钻探石油等）。或者，也可以找到适合回收或再加工的材料来源。一旦获得了这些原材料，可能需要进行一些初步加工，使它们成为可用的形式。这可能是某种形式的提取冶金、化学合成或其他化学过程。可能还需要混合不同的原材料以达到某种特定的成分（例如，金属中的合金化），该成分适合或针对某项应用进行了优化。该应用通常需要材料具有特定的形状，因此必须采用合适的成形工艺或工艺组合来实现。通常，可以使用多种不同的成形工艺中的任何一种来生产材料的形状。但是，通常有一种特定的工艺，要么在材料或生产的产品的性能方面带来特定优势，要么满足其他重要标准 - 例如低成本 - 因此它优于其他选择。最后，在成形后，可能需要或有利于进一步加工产品，以优化材料的性能。

首先，本章将介绍从我们环境中的原材料生产合适的材料可能需要的各种化学过程。然后将介绍这些材料的不同成形方法。最后，将讨论用于优化材料性能的工艺。

成形工艺

物理加工

挤压

挤压工艺用于将聚合物材料与添加剂熔融混合，以形成均质混合物。挤压也可用于成形材料。

粉末工艺

粉末工艺用于生产金属和陶瓷零件。使用金属粉末通常称为粉末冶金（P/M）。

用粉末生产产品有四个主要阶段，它们分别是：粉末混合、压制、烧结和最终精加工。

制备金属或陶瓷粉末，然后将其压制成所需的形状。然后将此部件在炉中加热，使粉末焊接在一起，形成固体部件。然后通过最终成形、轻微平滑或钻孔对部件进行最终加工。

当您需要大量简单的部件并且需要具有成本效益时，使用粉末生产部件是可行的。虽然铸造也可以做到这一点，但 P/M 提供近净形状产品。这意味着从工艺中出来的部件几乎不需要或根本不需要进行任何精加工。

陶瓷非常适合粉末加工，因为它们非常坚硬且易碎，因此近净形状非常有益。

混合

混合主要是为了添加用于压制的蜡、用于暂时增强压坯的粘合剂，有时是为了获得正确的化学成分。

由于大多数供应商建议使用润滑剂以达到理想的压制效果，因此混合是一个非常重要的过程，因此需要均质混合物。在湍流混合和低离心力下，可以实现最佳混合效果。

除了确保混合均匀外，混合过程还会提供一些粉末研磨。众所周知，您可以将更多的网球放在一个区域，而不是将更多的沙滩球放在同一个区域，从而增加球的表面积。粉末也是如此，表面积越大，最终产品越好。

压制

压制是将粉末用足够的力挤压成所需的形状，使其保持形状的过程。这称为生坯，因为它仍然含有水分，需要进行烧结。与陶瓷的基本概念相同，在烧制之前，盘子或杯子被称为“生坯”。

压制分为两类：等静压和轴向压。

烧结

烧结是一种将压缩粉末物体（也称为生坯）在炉中加热以形成固体部件的过程。粉末可以是金属或陶瓷。它们可以是元素形式、合金形式或两者的混合物。大多数烧结过程在保护性气氛中进行，例如氮气或氢气混合气体，以避免生坯降解，并且在低于熔点的温度下进行，大约为主要元素熔点的 60% 到 90%。具体气氛和温度取决于所处理的材料。

如果被烧结的材料是合金，则一种或多种成分的熔点可能低于烧结温度，从而导致少量液体形成。这被称为液相烧结。在选择温度时需要注意，因为过多的液体会导致部件变形。这被称为塌陷。

烧结的机制是原子在压缩粉末的颗粒边界之间扩散。当原子扩散时，所有空隙都被填充，材料形成一个固体部件。由于颗粒之间的空隙不再存在，部件密度增加，并经历收缩。然而，由于该过程的性质，只能达到 93% 到 98% 的理论密度，因此需要进一步的机械加工才能获得 100% 密度的材料。

所得的微观结构类似于起始生坯。起始的颗粒边界最终转变为最终的晶界。

当烧结过程中粉末颗粒之间的空隙被填充时，气体需要从压坯中排出。这些气体包括：粉末之间捕获的空气和混合或压实过程中添加的添加剂产生的气体。这些气体通过颗粒边界形成的毛细管排出。如果压坯加热过快，这些毛细管可能会被“夹断”，如果这些气体没有排出，部件将出现翘曲、孔隙甚至孔洞等缺陷。

典型的工业烧结过程是在具有两阶段加热的移动式炉排炉中进行的。生坯放置在传送带上，传送带进入炉内，炉内有正压保护性气氛吹向传送带。部件进入第一个温度区以蒸发和脱蜡以及脱气。第二个温度区用于对材料进行实际烧结。在适当的烧结时间后，部件通过冷却区，使部件能够被处理，或锁住性能以便继续加工。脱气和烧结时间因材料而异。

焊接

焊接是使用热能连接两种材料的过程。这提供了一种永久的连接方式。存在各种类型的焊接。

材料优化

热处理：它被定义为对特定材料进行加热和冷却循环的组合，以获得所需的性能。