材料加工技術的發展現狀與展望

【摘 要】新材料技術是科技革命發展的主要物質基礎之一，多種學科的科技進步和革命促進了材料加工技術的進步與發展。通過回顧五次材料加工技術革命的發展史，認為材料加工技術總體的發展趨勢是三種綜合，即：過程綜合、技術綜合和學科綜合。同時指出材料技術革命特征，并著重介紹在低碳經濟的新型環境下，材料加工技術在可持續發展下的現狀以及展望新材料加工技術發展方向。

【關鍵詞】新材料；材料加工；材料設計；科技革命；低碳經濟；可持續發展

1.材料加工技術的發展歷史與現狀

站在人類歷史發展的角度來看材料加工技術的發展，可以說至今為止已經發生了五次革命性的變化。

大約從公元前4000年開始，人類開始逐步掌握了銅的熔鑄技術，從石器時代逐步過渡到青銅器時代，這是人類第一次對新材料的加工，這使得人類在工具使用方面從石器步入金屬。那么，人類的生產和社會生活得到了質的提高。從公元前1350～1400年開始，青銅器時代被取代，鐵器時代到來。大規模煉鐵和鍛造技術的出現促成了人類歷史上第二次材料加工技術的產生。生產工具和武器質量進一步得到提升，生產力大幅提高，人類的生活品質得到新一輪的的飛躍。公元1500年左右，合金化材料的出現吹響了第三次材料加工技術革命的號角。在20世紀初期，合成材料技術的出現與發展引領了第四次材料加工技術革命，為近現代工業快速發展以及現代文明作出了巨大的貢獻。

臨近21世紀，伴隨著電子信息、航天航空等高精尖技術的迅猛發展，新材料的研究與開發呈現百花齊放的態勢。納米材料、精細陶瓷材料和高溫超導材料等新材料與新材料技術不斷涌現。

2.材料加工技術的發展趨勢與方向

2.1材料加工技術的發展趨勢

“過程綜合、技術綜合、學科綜合”是材料加工技術總體的發展趨勢。過程綜合含義主要分為兩點，第一點指的是材料設計、制備、成形和加工一體化，各個環節關聯度高；第二點指的是綜合多個過程，即短流程化，比如噴射成形技術，半固態加工技術和連續鑄扎技術等。技術綜合是指多種學科與多種應用技術科學相結合，更多體現在計算機技術與加工技術的綜合運用，以及信息技術的綜合。學科綜合則是指傳統的三級學科之間（鑄造、塑性加工、熱處理和連接）的綜合，與材料物理、化學和材料學等二級學科綜合，與信息工程、環境工程與工程學科以外的其他一級學科的綜合。其中，材料科學與工程的其他二級學科的綜合的最大特點是，各個二級學科之間的界線越來越不明顯，學科滲透和相互依賴性越發強烈。

2.2低碳經濟環境下材料加工技術的主要發展方向

在低碳經濟的新形勢下，材料加工需要憑借思想創新、制度創新和技術創新等多種手段來減少能源的消耗以及減少溫室氣體的排放，從而使得社會經濟可持續發展。

國人一談減排二字，想到的便是可再生能源和清潔能源的使用。但實際上，減排的隱性力量源泉在于研究與開發新型材料加工技術。其中節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以及汽車運輸等行業的負重，減少了高碳能源的損耗，從而達到減排的目的。當下，飛速發展的工業技術要求加工制造的產品精密化、輕量化、集成化，競爭日益激烈的市場要求產品性能高、成本低、周期短，而在低碳要求的新型環境下，材料加工被要求能耗低、污染少、走可持續發展道路。那么傳統型的材料加工制造技術已經無法滿足市場的需求，復合型、多功能且低碳型的材料成形加工技術正逐步取代單一的傳統型。材料成形加工技術逐步綜合化、多樣化、柔軟化、多學科化。

2.2.1現代材料成形加工技術

薄坯鑄軋技術。鑄造與軋制被連鑄連軋巧妙結合起來，就此一項重大的技術革新在軋鋼生產中產生，節能與生產連續化是其最大的優點。根據數據顯示，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]。連鑄連軋技術的采用，在取消了鋼錠與鋼坯加熱的同時，還因為去除了大直徑的初軋機從而使軋制力大幅下降，使變形更加均勻。通過改良結晶技術限制，大大減少了變形量的總數，生產線也得到了大幅度的簡化。

精密鍛造技術。經過精鍛技術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，接下來的勞動剝削量少，提高效率的同時，材料與能源的損耗也被降到最低，環境污染小，是一種清潔的材料生產加工技術。伴隨著精鍛工件精度要求的提高，單一的冷、溫、熱鍛的舊工藝已經無法滿足要求，需要研究和開發復合成形的新工藝。復合精密鍛造工藝綜合冷、溫、熱鍛工藝，對其進行組合從而共同完成一個工件的精密鍛造，取長補短，這是鍛造業實現節能減排的一種先進的制造技術。

德國蒂森克虜伯公司代表了世界的領先技術，他們采用的溫鍛/冷精整成形工藝。上海鐵福傳動軸公司大批量轎車等速萬向節外星輪的生產，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，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，進而提高應用范圍與加工能力。如：采取精密輥鍛與模鍛組合工藝生產大葉片，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%，設備投資是精鍛的5%～10%，而且綜合機械性能表現良好[3]。

2.2.2材料加工技術發展方向的展望

結構件輕量化成形。結構輕量化的實現主要有兩條方法：針對材料，采用鋁鎂合金、鈦合金和復合材料等輕質材料；針對結構，采用空心變截面、變厚度薄壁殼體等結構，不但可以節約材料，減輕質量還可以保持材料的強度與剛度適當。結構件輕量化成形不僅是為了減輕產品的質量，而且在運行過程中能有顯著的節能效果。

柔性化成形。制造業的總趨勢便是柔性化，這種制造方式適合產品的多變性。這是材料加工成形技術發展的大趨勢，也是市場競爭的需求，在不久的將來會越來越受到重視。

虛擬制造技術。實現了從產品的設計、造型到加工過程的動態模擬、成形分析，從而對企業的生產模式和運作方式賦予了全新的概念。虛擬制造技術將改變過去只依賴經驗而開展材料加工的落后狀況。這標示著材料加工設計定量分析將逐步取代經驗判斷，進而產品開發周期、成本將大大降低，同時產品質量也得到了保證。

3.結語

科學技術迅速發展促進了材料加工技術的不斷進步，促進了過程綜合、技術綜合、學科綜合的進程。低碳經濟下，可持續發展是大勢所趨，而材料加工技術的可持續發展是重要一環。復合型、多功能且低碳型將逐步占領市場，材料成形加工技術將逐步綜合化、多樣化、多學科化。伴隨著人們對環保的重視，環保材料加工技術前景光明且將不斷向前發展。

【參考文獻】

[1]王鑫，余心宏，葉奇.材料加工技術在低碳經濟中的應用及發展[J].宇航材料工藝，2011（06）.

[2]王忠蕾，趙國群.精密鍛造技術的研究現狀及發展趨勢[J].精密成形工程，2009（01）.

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