材料科學/材料加工

為了從特定材料生產出適用於任何應用的產品，可能需要進行幾個步驟。第一步通常是從我們的環境中獲取原材料。這可能涉及發現這些原材料的位置（通常透過地質學知識實現）並開發從這些位置提取它們的工藝（例如，開採礦石，鑽探石油等）。或者，也可以找到適合回收或再加工的材料來源。一旦獲得了這些原材料，可能需要進行一些初步加工，使它們成為可用的形式。這可能是某種形式的提取冶金、化學合成或其他化學過程。可能還需要混合不同的原材料以達到某種特定的成分（例如，金屬中的合金化），該成分適合或針對某項應用進行了最佳化。該應用通常需要材料具有特定的形狀，因此必須採用合適的成形工藝或工藝組合來實現。通常，可以使用多種不同的成形工藝中的任何一種來生產材料的形狀。但是，通常有一種特定的工藝，要麼在材料或生產的產品的效能方面帶來特定優勢，要麼滿足其他重要標準 - 例如低成本 - 因此它優於其他選擇。最後，在成形後，可能需要或有利於進一步加工產品，以最佳化材料的效能。

首先，本章將介紹從我們環境中的原材料生產合適的材料可能需要的各種化學過程。然後將介紹這些材料的不同成形方法。最後，將討論用於最佳化材料效能的工藝。

成形工藝

物理加工

擠壓

擠壓工藝用於將聚合物材料與新增劑熔融混合，以形成均質混合物。擠壓也可用於成形材料。

粉末工藝

粉末工藝用於生產金屬和陶瓷零件。使用金屬粉末通常稱為粉末冶金（P/M）。

用粉末生產產品有四個主要階段，它們分別是：粉末混合、壓制、燒結和最終精加工。

製備金屬或陶瓷粉末，然後將其壓制成所需的形狀。然後將此部件在爐中加熱，使粉末焊接在一起，形成固體部件。然後透過最終成形、輕微平滑或鑽孔對部件進行最終加工。

當您需要大量簡單的部件並且需要具有成本效益時，使用粉末生產部件是可行的。雖然鑄造也可以做到這一點，但 P/M 提供近淨形狀產品。這意味著從工藝中出來的部件幾乎不需要或根本不需要進行任何精加工。

陶瓷非常適合粉末加工，因為它們非常堅硬且易碎，因此近淨形狀非常有益。

混合

混合主要是為了新增用於壓制的蠟、用於暫時增強壓坯的粘合劑，有時是為了獲得正確的化學成分。

由於大多數供應商建議使用潤滑劑以達到理想的壓制效果，因此混合是一個非常重要的過程，因此需要均質混合物。在湍流混合和低離心力下，可以實現最佳混合效果。

除了確保混合均勻外，混合過程還會提供一些粉末研磨。眾所周知，您可以將更多的網球放在一個區域，而不是將更多的沙灘球放在同一個區域，從而增加球的表面積。粉末也是如此，表面積越大，最終產品越好。

壓制

壓制是將粉末用足夠的力擠壓成所需的形狀，使其保持形狀的過程。這稱為生坯，因為它仍然含有水分，需要進行燒結。與陶瓷的基本概念相同，在燒製之前，盤子或杯子被稱為“生坯”。

壓制分為兩類：等靜壓和軸向壓。

燒結

燒結是一種將壓縮粉末物體（也稱為生坯）在爐中加熱以形成固體部件的過程。粉末可以是金屬或陶瓷。它們可以是元素形式、合金形式或兩者的混合物。大多數燒結過程在保護性氣氛中進行，例如氮氣或氫氣混合氣體，以避免生坯降解，並且在低於熔點的溫度下進行，大約為主要元素熔點的 60% 到 90%。具體氣氛和溫度取決於所處理的材料。

如果被燒結的材料是合金，則一種或多種成分的熔點可能低於燒結溫度，從而導致少量液體形成。這被稱為液相燒結。在選擇溫度時需要注意，因為過多的液體會導致部件變形。這被稱為塌陷。

燒結的機制是原子在壓縮粉末的顆粒邊界之間擴散。當原子擴散時，所有空隙都被填充，材料形成一個固體部件。由於顆粒之間的空隙不再存在，部件密度增加，並經歷收縮。然而，由於該過程的性質，只能達到 93% 到 98% 的理論密度，因此需要進一步的機械加工才能獲得 100% 密度的材料。

所得的微觀結構類似於起始生坯。起始的顆粒邊界最終轉變為最終的晶界。

當燒結過程中粉末顆粒之間的空隙被填充時，氣體需要從壓坯中排出。這些氣體包括：粉末之間捕獲的空氣和混合或壓實過程中新增的新增劑產生的氣體。這些氣體透過顆粒邊界形成的毛細管排出。如果壓坯加熱過快，這些毛細管可能會被“夾斷”，如果這些氣體沒有排出，部件將出現翹曲、孔隙甚至孔洞等缺陷。

典型的工業燒結過程是在具有兩階段加熱的移動式爐排爐中進行的。生坯放置在傳送帶上，傳送帶進入爐內，爐內有正壓保護性氣氛吹向傳送帶。部件進入第一個溫度區以蒸發和脫蠟以及脫氣。第二個溫度區用於對材料進行實際燒結。在適當的燒結時間後，部件透過冷卻區，使部件能夠被處理，或鎖住效能以便繼續加工。脫氣和燒結時間因材料而異。

焊接

焊接是使用熱能連線兩種材料的過程。這提供了一種永久的連線方式。存在各種型別的焊接。

材料最佳化

熱處理：它被定義為對特定材料進行加熱和冷卻迴圈的組合，以獲得所需的效能。