形状性能兼备承载制造梦想——材料成型及控制工程专业

供稿：陈树海，王永金，杨耀华，宋仁伯

单位：北京科技大学材料科学与工程学院

内容导读

在我们生活中时时刻刻都在与材料打交道，然而任何一种材料都必须拥有一定的形状才能够具备使用功能，把各式各样的材料加工成不同的形状使其具备一定的使用功能就是材料成型及控制工程专业的研究领域。本文将让你了解什么是材料成型及控制工程专业？材料成型及控制工程专业能够干什么的？在材料成型及控制工程专业学习能够掌握哪些绝技？最后还要告诉你北京科技大学材料成型及控制工程专业的专业特色与强大的教学与科研水平。让我们一起领略材料加工的魅力，让材料加工使我们的生活变得更美好！

在日常生活中，我们会接触到各种各样的金属材料，小到用来写字的笔尖、喝水的不锈钢保温杯，大到在马路上飞驰的汽车、在海上航行的万吨巨轮，甚至在太空中飞行的航天器都是由金属材料制成的。金属材料已经渗透到我们生活的每个角落，无时无刻不在改变着我们的生活，可以说金属材料无处不在。

我们所看到和使用的金属材料形态多样、功能迥异，那么，你们知道这些形状是怎样被制造出来的么？这就要靠我们的专业——材料成型及控制工程来实现。

不管是工业用品还是艺术品，无论你想将金属变成何种形状，我们都可以通过专业的技术把他制造出来。准确地讲，材料成型及控制工程是研究如何将材料加工成可用产品和零部件的基础理论与工程技术专业。材料成型及控制工程专业领域面向国民经济的主战场，是制造业的支柱。引领中国“速度”的高铁、代表中国“高度”的航天飞船、承载中国“梦想”的大飞机，一项项大国重器已成为中国走向世界的名片。而在这些彰显大国力量的重器背后，我们材料成型及控制工程专业从未缺席！

01

专业内涵解析

如何将看似普通的金属材料百锻成型、铸炼大器呢？这就需要用到材料成型及控制工程专业的三大绝技，既固态成形技术、液态成形技术和连接成形技术。有了这三大绝技，我们可以轻易地将金属材料加工成可用产品和零部件。随着社会经济的不断发展，工业对金属制品的品质和形态要求日益提高，这三种材料成形技术几经融合发展、推陈出新，出现了很多新的材料成形技术，如3D打印技术、半固态成形技术和搅拌摩擦加工技术。下面，我们将进一步探究这三大绝技。

1.1

百变成材的固态成形技术

你知道高速铁路百米重轨、高速轮毂是如何制造的吗？你知道C飞机起落架、涡轮叶片是如何制成的吗？你知道长征火箭整流罩、铝锂型材是如何成形的吗？这些大国重器关键零部件的制造均离不开固态成形技术。

固态成形技术，又称为金属压力加工技术，是指利用金属材料在外力作用下的塑性变形能力，来获得一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法，所以说固态成形是一种百变成材的技术。固态成形的目的主要有两个：一是改变材料的形状，使其能够符合使用要求。另一个是改善其性能，使其更加坚固耐用。从小到几克重的精密医疗器件大到几百吨的巨型锻件，从薄如蝉翼的手撕钢到能够抵御炮弹袭击的装甲钢，无处不体现着固态成形技术的强大功效。

当然，除了国之重器的生产加工外，固态成形技术在我们日常生活中也有着广泛的应用，比如不锈钢灶具、各种建筑型材，甚至日常生活中的螺钉和螺母也离不开固态成形技术（图1）。

(a)冲压成形家用器皿

(b)锻造成形涡轮叶片

(c)挤压成形异形工具

(d)轧制成形高铁重轨

图1固态成形技术典型产品

1.2

无孔不入的液态成形技术

你知道航空发动机高性能叶片是如何制造的么？你知道汽车发动机是如何制造的么？你知道芯片里面的基础材料单晶硅是如何制造的么？你知道国家博物馆的古代青铜器是如何制造的么？这些国之重器或者国宝的制造都离不开液态成形技术。

液态成形技术也称为铸造，是通过重力或者外力作用，把液态材料充填至型腔中，凝固冷却获得所需尺寸形状的制品，所以说液态成形是一种无孔不入的技术。液态成形技术可生产各种复杂形状制品，且生产工艺简单、成本低、效率高。从古至今，液态成形技术在人类社会发展史中都扮演着重要的角色。

在古代中国，古人相继发明冶铜、冶铁和独特的液态成形技术，铸造礼器、农具、工具、兵器等大批器物,促进生产力的发展,为华夏文明的发展奠定了物质基础。中国古代铸造精品后母戊鼎、四羊方尊等青铜器就集中体现了古人在液态成形技术应用上的高超技艺，其在生产生活中的重要作用一直延续至今。时至今日，传统的液态成形技术仍然支撑着国家制造业的发展，我们利用传统砂型铸造技术制备的多缸体汽车发动机具有复杂的形状和内部结构，这项技术为汽车提供强劲动力（图2）。同时，随着社会发展对高性能材料的需求，液态成形技术不断发展、革新，已开发出多种液态成形新技术并得到广泛应用，液态成形技术已成为国家装备制造业和国民经济的基础。我们利用定向凝固技术制备的具有柱状晶或单晶组织的高温合金叶片展现出优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能，使航空飞行器飞得更高、飞得更快、综合性能更强。

(a)后母戊鼎

(b)四羊方尊

(c)汽车发动机缸体

(d)航空发动机叶片

图2液态成形技术的典型应用

1.3

化零为整的材料焊接与连接技术

你知道“天宫二号”为什么能在太空运行而不发生泄露？你知道“蛟龙”为什么潜入几千米的深海而不发生爆裂？你知道我第一艘航空母舰“山东号”的舰体为什么能够长达数百米？你知道被誉为电脑心脏的芯片是如何与外界电路进行电气互联的么？这些国之重器的建造或器件的微观互联都离不开材料焊接与连接技术。

材料焊接与连接技术是通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或分子间的结合力而连接在一起，所以说材料焊接与连接技术是把彼此分离的金属连接起来，形成理想的构件，是一种化零为整的技术。材料焊接与连接不同于铆接、螺纹连接、咬合等机械连接技术，材料焊接与连接本质上是原子或分子层面上的冶金连接，具有强度高、密封性好并且不可拆卸的特征。材料焊接与连接技术是一项古老而又年轻的连接技术。说它古老是因为最早的钎焊技术可以追溯到几千年前；说它年轻是因为上世纪初电弧焊才被发明，而直到两次世界大战后，这项技术才正式走向工业应用领域并日臻成熟。

从理论上讲，只要可以实现原子或分子层面的冶金连接均属材料焊接与连接技术范畴，而我们日常所熟知的电弧焊仅仅是材料焊接与连接技术中的一种。实际上，近年来新的焊接与连接技术层出不穷，从精细的激光焊、玄妙的搅拌摩擦焊到各种电子元器件的封装互联技术均推动着现代工业的发展。今天，备受国内外

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