机械制造基础与工程材料

机械制造基础与工程材料

随着时代的发展，科技的进步，机械制造的技术与材料也在随着时代而变化。从原始的石器，到后来的陶器，再到后来的青铜器，铁器, 我们人类走过了漫漫的长路。进入新世纪以来，世界机械工业进入了前所未有的高速发展阶段，对比其他行业，机械工业发展具有以下七大特征：

一、地位基础化

发达国家重视装备制造业的发展，不仅在本国工业中所占比重、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质基础，是现代化经济不可缺少的战略性产业，即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。

二、经济规模化

全球化的规模生产已经成为各大跨国公司发展的主流。在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，各大企业业纷纷加强对其主干业务的投资与研发，不断提高系统成套能力和个性化，多样化市场适应能力。

三、发展不平衡

以2003年为例，销售额名列世界前500位的企业几乎来自北美洲、亚洲、欧洲，所占比例高达99%，显示了三大洲在世界机械工业发展中的绝对统治地位。

四、结构调整深化

发达国家加大了产业转移的力度，机械产品中附加值低的产品被安排到市场潜在需求发展中国家生产。为适应市场需求的变化，各大生产商纷纷采取专业化生产，“单品种，大批量”已成为很多500强企业生产方式的新特色。同时，以生产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的定制生产方式转变。服务的个性化成为竞争成败的重要因素。

五、全球化方式发生新变化

传统的全球化方式有两种：一是以母国为生产基地，将产品销往其他国家；二是在海外投资建立生产制造基地，在国外制造产品，销售到东道国或其他国家。其特点是：自己拥有制造设施与技术，产品完全由自己制造；在资源的利用上，仅限于利用东道国的原材料、人员或资金等。

随着信息技术革命，管理思想与方法的根本性变化，企业组织形式也发生了变化，这些变化发生在跨国公司，并将成为新型全球化方式而发展下去。这种变化的主要特征是：广泛利用别国的生产设施与技术力量。在自己可以不拥有生产设施与制造技术所有权的情况，制造出最终产品，并进行全球销售。机械制造业公司在全球范围建立零部件的加工网络，自己负责产品的总装与营销。原材料调配、零部件采购全球化已成为世界机械制造工业的发展趋势。

六、跨国并购加剧

现代并购不再一味的强调对抗竞争，强强联合成立企业获得竞争优势的主要手段。这时机械制造业全球化过程中大公司谋求生存发展的一大特点。而且趋饱和的市场。日渐激烈的市场竞争。投资建厂的风险增大，也使得更多企业开始采用联合并购的手段。在建厂的前提下，优化企业产品结构，以达到提高生产能力、扩大市场份额，获取规模效益的目的。以高技术为内涵的行业来自技术创新的威胁，使跨国公司走上了联合之路，以形成强大的技术创新能力。机械制造业大企业间的战略并购，导致了机械工业资源的重新配置。使得世界机械工业的竞争格局出现了协作型的局面。

七、产品高技术化

以信息技术为代表的现代科学技术发展，对机械制造业提出了更高、更新要求的各国家

和地区，特别是发达国家更重视发展机械制造业，充分体现了机械制造业作为高新技术产业化在推动整个社会技术进步和产业升级中不可替代的基础作用。高新技术的迅猛发展起到了推动、提升和改造的作用。信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果开始广泛应用于机械工业，其高新技术含量已成为市场竞争取胜的关键。

一直到上世纪中叶，在材料工业中金属材料一直占绝对优势。近半个世纪以来，随着高分子材料(尤其是合成高分子材料)、无机金属材料(尤其是先进陶瓷材料)，以及各种先进复合材料的发展，金属材料的绝对主导地位才逐渐被其他材料所部分取代。但是，在可以预见的将来，金属材料仍将占据材料工业的主导地位，这种情况在中国等发展中国家尤其如此。这是因为会金属材料(例如钢铁)工业已经具有了一整套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力，并且质量稳定，供应方便，在性能价格比上也占有一定优势，在相当长时期内，金属材料的资源也是有保证的，当然最重要和根本的原因还在于金属材料具有为其他材料体系所不能完全取代的独特的性质和使用性能，例如：金属有比高分子材料高得多的模量，有比陶瓷高得多的韧性以及具有磁性和导电性等优异的物理性能。并且在陶瓷材料和高分子材料日新月异的发展过程中，金属材料同样也在不断地推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。例如，传统的钢铁材料正在不断提高质量、降低成本、扩大品种规格，在冶炼、浇铸、加工和热处理等工艺上不断革新，出现了如炉外精炼、连铸连轧、控制轧制等新工艺技术，微合金钢、低合金高强度钢、双相钢等新钢种不断涌现。在有色金属及合金方面则出现了高纯高韧铝合金、高强高模铝锂合金、高温铝合金，先进的高强、高韧和高温钛合金，先进的镍基、铁镍铬基高温合金，铜合金、难熔金属合金及稀贵金属合金等。除此之外还涌现了其他许多新型高性能金属材料，如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等。新型金属功能材料，如磁性材料中的钕铁硼稀土永磁合金及非晶态软磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、贮氢材料及活性生物医用材料等也正在向着高功能化和多功能化方向发展。

陶瓷材料是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料，旧石器时代的先民们只会采集天然石料加工成器皿和工件。经历了漫长的发展和演变过程，以粘土、石英、长石等矿物原料配制而成的瓷器才登上了历史的舞台。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展吏上的第一次重大飞跃。由于低熔点的长石和黏土等成分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好的液相．冷却后成为玻璃态，形成釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水。从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃，这一过程始于本世纪四五十年代，目前仍在不断发展。当然，传统陶瓷和先进陶瓷之间并无绝对的界线，但二者在原材料、制备工艺、产品显微结构等许多方面确有相当的差别。从先进陶瓷发展到纳米陶瓷将是陶瓷发展史上的第三次重大飞跃，陶瓷科学家还需在诸如纳米粉体的制备、成型、烧结等许多疗面进行艰苦的工作，预期陶瓷科学在这一方面将取得重大突破，有可能解决陶瓷的致使弱点——脆性问题。

先进陶瓷按共使用性能来看，大体上可以分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类。

(1)先进结构陶瓷

陶瓷材料的固有优点是强度、硬度和耐磨、耐热能力都非常好，在高温和强腐蚀介质的环境下工作性能稳定。从这方面来看，金属和高分子材料是很难和陶瓷竞争的。陶瓷的主要缺点是韧性不好，目前已找到许多使陶瓷增韧的方法，可使结构陶瓷的断裂韧性逐步提

高。先进结构陶瓷是按其化学组成分类的，先进结构陶瓷有莫来石(3A12O3·SiO2)、氧化铝（A12O3）、氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4等)、碳化硅(SiC)。硼化物(BN等)和复相陶瓷等。结构陶瓷由于其脆性问题没有得到彻底解决，加之成本较高，目前主要应用在刃具、模具等领域。

(2)先进功能陶瓷

功能陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷。先进功能陶瓷习惯上是按其使用功能和实用器件来进行分类的，其特点是品种繁多、丰富多彩。功能陶瓷与电子技术有很密切的关系，所谓的“功能”，在很多情况下都与电子技术有着某种联系。先进功能陶瓷大体上包括装置陶瓷、电容器陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷以及敏感陶瓷与陶瓷集成等。其中的陶瓷，如陶瓷基片与陶瓷封装、电容器陶瓷等已形成了很大的市场。有些陶瓷，如远红外陶瓷、快离子导电陶瓷、超导陶瓷等，目前虽然市场容量不大，或者市场正在形成之中，但其研究工作相当活跃，一旦在材料性能与制备技术方面有所突破，将有很大的发展。以陶瓷电容器为例，早期作为云母电容器代用品的陶瓷电容器，现在已经成为电子技术中使用数量最多的电容器，世界上每年生产的陶瓷电容器在500亿只以上，超过电容器总产量的一半；平均地球上每个人可以分到10只以上，并且目前还在以每年15％的速率增长，大约每五年产量增加一倍。

目前新材料的使用已经十分普及了，例如复合材料就是一种这样的材料。日常生活中必不可少的重要材料。金属、陶瓷和有机高分子材料各有其固有的优点和缺点，而复合材料则是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。复合材料的使用历史可以追溯到上万年前的原始人类时期，当时最原始的复合材料是在粘土泥浆中掺稻草制造的粘土砖。在古代的复合材料中最引人瞩目的是中国的漆器。漆器出现在距今4000多年前的夏代，它是以丝、麻等天然纤维作增强材料、用火漆作粘结剂而制成的复合材料。历经几千年的发展。由古代复合材料而发展到近代复合材料，包括软质复合材料(各种纤维增强的橡胶)以及硬质复合材料(即纤维增强树脂，如玻璃钢等)。60年代以来由于航空、航天工业的迅猛发展，需要高强度、高模量、耐高温和低密度的复合材料，于是先进的复合材料应运而生。所谓先进复合材料。一般是指具有比强度大于4×106厘米和比模量大于4×108。厘米的结构复合材料。先进复合材料的出产源于航空、航天工业的需要。反之，它又促进了航空、航天等高技术产业的发展，被公认为是当代科学技术中的重大关键技术。

复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料。功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。目前形成产业规模的主要是结构复合材料，功能复合材料正处于发展之中。功能复合材料的效能一般均优于单质复合材料，因此它的发展前景是不可估量的。结构复合材料是作为承力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体与能连结增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须和颗粒等，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增强体和不同的基体即可构成名目繁多的结构复合材料．如高聚物(树脂)基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料等。结构复合材料的特点是可以根据材料在使用中受力的要求进行选材设计及复合结构设计。复合村料的界面对复合材料的性能有决定性的影响，因此对复合材料界面形貌和结