時間：2023-12-15 10:13:45
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇粉末冶金的概念范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
關鍵詞：粉末冶金；汽車零件；金屬粉末；高性能
粉末冶金材料是指用若干種金屬粉末或是金屬粉末與非金屬粉末作原料， 通過按比例配料、壓制成形、燒結等工藝過程而制成的材料。這種生產工藝過程也就是粉末冶金法， 它屬于一種不同于熔煉和鑄造的方法。由于其生產工藝過程與陶瓷制品工藝極為相似， 所以粉末冶金法又被稱為金屬陶瓷法。粉末冶金法不僅是制造某些具有特殊性能材料的方法， 同時也是一種無切屑或少切屑的加工方法。它具有生產效率高、材料利用率高、節省機床和生產占地面積等特點。但其也存在一定的缺陷，如金屬粉末和模具費用高， 制品大小和形狀受到一定限制， 制品的韌性也較差。粉末冶金法常被用于制作硬質合金材料、結構材料、減磨材料、難熔金屬材料、摩擦材料、過濾材料、無偏析高速工具鋼、金屬陶瓷、耐熱材料、磁性材料等。
一、粉末冶金技術的含義及其特點
粉末冶金技術附屬于材料制備和成形的加工技術，而作為粉末冶金的雛形就是塊煉鐵技術，塊煉鐵技術也是人類最初制取鐵器的唯一手段，其對人類社會進步作出了巨大貢獻。
1、 粉末冶金技術的含義
粉末冶金的方法其實誕生已久。人類早期通過機械粉碎法來制取金、銀、銅和青銅的粉末，用來當作陶器等的裝飾涂料。早在200年前，一些歐洲國家，如俄、英等國就曾大規模的制取海綿鉑粒，并經過熱壓、鍛和模壓、燒結等加工工藝來制造錢幣和一些貴重器物。1890 年，美國的庫利吉發明用粉末冶金方法制造燈泡用鎢絲，從而奠定了現代粉末冶金技術的基礎。直到1910年左右，人們已經開始用粉末冶金法來大量制造了鎢鉬合金制品、青銅含油軸承、硬質合金、集電刷、多孔過濾器等，并逐步形成了一整套粉末冶金相關技術。上世紀30年代，旋渦研磨鐵粉和碳還原鐵粉技術問世后，從而為粉末冶金法制造鐵基機械零件較快的發展機遇。從第二次世界大戰后，粉末冶金技術得到了較快的發展，新型的生產工藝和技術裝備、新的材料和制品不斷出現，開拓出一些能制造特殊材料的領域，成為現代工業中的重要組成部分。
2、 粉末冶金技術的主要作用
由于粉末冶金技術的具有特殊優點，使其已成為解決新材料問題的有效途徑，而且在新材料的發展中歷程中發揮著舉足輕重的作用。
粉末冶金技術由于其可以在最大限度地來減少合金成分發生偏聚，消除粗大且不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土儲氫材料、高溫超導材料、稀土催化劑、新型金屬材料上具有獨特的作用。同時還可以制備非晶、納米晶、準晶、微晶以及超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料由于具有優異的電學、光學、磁學和力學性能。因此可以較容易地實現多種功能類型的復合，充分發揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產高性能金屬基和陶瓷復合材料的工藝技術。可以生產普通熔煉法無法生產的具有特殊結構和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結構陶瓷和功能陶瓷材料等。可以實現凈近形成形和自動化批量生產，從而，可以有效地降低生產的資源和能源消耗。可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術。
二、粉末冶金技術的發展趨勢
隨著汽車和飛機零件以及切削和成形工具發展的需要，粉末冶金制造零部件的強度和質量都得到了較好的改善和提高。汽車制造業作為粉末冶金零件的最大用戶，1996 年汽車行業占有美國粉末治金零件的市場份額的69%，成為美國粉末冶金零件的最大市場。發展粉末冶金需要制取新技術、新工藝及其過程理論。
1 、向全致密化發展
粉末冶金的重點是超細粉末和納米粉末的相關制備技術，機械合金化技術，快速冷凝制備非晶、微晶和準晶粉末制備技術，粉末粒度、結構、形貌、成分控制技術，自蔓延高溫合成技術。粉末冶金技術發展的總趨勢是向超細、超純、粉末特性可控方向發展，從而建立以“凈近形成形”技術為中心的各種新型固結技術及其過程模過程理論，如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。建立以“全致密化”為主要目標的新型固結技術及其過程模擬技術。
2 、向高性能化、集成化和低成本等方向發展
粉末冶金制造零部件相關的新的成形技術層出不窮，如：粉末注射成形、溫壓成形、流動溫壓成形、噴射成形、高速壓制成形等新技術不斷涌現。目前， 粉末冶金技術正向著高致密化、高性能化、集成化和低成本等方向發展。有代表性的鐵基合金，將向大體積的精密制品，高質量的結構零部件發展；制造具有均勻顯微組織結構的、加工困難而完全致密的高性能合金；用增強致密化過程來制造一般含有混合相組成的特殊合金；制造非均勻材料、非晶態、微晶或者亞穩合金；加工獨特的和非一般形態或成分的復合零部件。
3 、粉末冶金產業化發展
由于相鄰學科和相關技術的相互滲透和結合.更賦予了粉末冶金新的發展活力。粉末冶金新工藝層出不窮。粉末冶金產業化是指這些技術已比較成熟。甚至在一些國家已有生產規模，但主流還處于研究成果向產業化轉化的過程之中。其工藝、設備、市場等已為產業化準備了條件，可以產業化，取得社會效益和經濟效益。主要是指該技術實現產業化、集群化、模塊化發展。其主要應用領域有汽車用粉末冶金零部件，汽車制造業仍是粉末冶金（PM）發展的牽引力；粉末注射成（PowderInjection Molding（PIM））溫壓成形技術（Warm Compaction）在眾多為提高PM 件密度的生產方法中。溫壓成形技術被認為是最為經濟的一種新工藝。本文將重點介紹以下產業化技術：
① 溫壓技術
溫壓技術在上世紀90 年代被譽為粉末冶金技術上重大突破，并于1990年取得了第一項采用一次壓制燒結工藝制備高密度鐵基（P / M）零件的美國專利。該技術可以使燒結鋼中的孔隙度降低到6 %左右，而傳統技術的孔隙度為10%以上，產品的密度能達到7.3g/cm3或以上，因此較大程度的拓寬了高密度、高強度燒結鋼零件在工業上廣泛應用的可能性。
② 模壁
模壁和溫壓是兩個平行的提高鐵基結構零件密度的方法。近年來，發展最迅速的是干模壁技術，即采用靜電的方法，從而將干劑粉末吸附到模壁上進行，從而很好的避免了濕模壁在制備過程中壓坯表面易于粘粉的缺點。
③注射成形
金屬注射成形（MIM）是一種將塑料注射成形與粉末冶金技術結合而成的近凈成形技術，此技術也是國內外公認的21 世紀粉末冶金的主流技術，被稱為“第五代加工技術”。而且該技術也最適于用來大批量生產一些三維復雜形狀的零件，同時還可以實現自動化連續作業，從而大大提高生產效率。目前，在一些發達國家，MIM技術已經成為一項最具競爭力的金屬成形技術，而且開始大量用于不銹鋼粉末冶金生產。
三、粉末冶金機械零件的制造現狀與挑戰
我國粉末冶金技術起步較晚，自1958年誕生以來，一直是處在蹣跚學步的狀態中，而且一直不被人們重視，被當做是一個沒有前景的小行業來對待。然而從世界粉末冶金行業發展狀況來看，粉末冶金行業卻是一個最具市場活力，發展速度極快，同時應用范圍也是最廣的冶金技術，尤其是日本在粉末冶金技術方面發展飛快，每年生產燒結含油軸承十幾億只。直到上世紀80年年代初，在我國體制改革的大潮中，粉末冶金零件行業正式劃歸當時的“基礎件工業局”進行管理，并結束了粉末冶金零件行業自身自滅的狀態，從而得到相應的發展機遇。我國自上世紀90年代至今約20多年間，粉末冶金零件得到迅猛發展，同時也經受住了金融危機的不利影響。
表1是我國自2007-2011年間粉末冶金分會53家會員企業的數據進行統計的結果，雖然我國粉末冶金行業目前顯示出盎然生機，但也面臨著各方面的挑戰。現筆者將自己的針對其中的一些問題以及看法和相應的意見提供給大家參考：
四、粉末冶金機械零件制造技術在汽車行業的應用現狀與前景
近年來，由于人們生活觀念的改變，同時人們的環保意識也不斷提高，因而輕量化的汽車也越來越受人們的親睞，從而汽車工業也開始大量使用輕質合金材料，如鋁合金、鎂合金來生產汽車零部件。也正是由于粉末冶金能夠很好的避免成分偏析，又可以滿足具有各種特定性能的零部件一次性成型的要求。
目前粉末冶金汽車零件主要有兩個市場，一個為汽車生產商市場，另一個為汽車維修服務點，即維修配件市場。而汽車生產商市場則是粉末冶金零件的主要市場，通常情況下，汽車生產商會與粉末冶金零件制造企業進行定向合作，從而導致其他零件制造企業難以插足獲利。而維修配件市場相對來說則要開放的多，而且需求量也較大，但大多都是存在某些質量問題的貨物。從表2可知，我國在汽車制造行業中對粉末冶金技術制造的零件的使用量只有日本的2/3左右，但我國的粉末冶金制造的零件的總量卻要比日本的多，可見粉末冶金汽車零件的市場潛力是巨大的。
我國目前汽車行業正處于蓬勃發展期，因此也給我國粉末冶金零件制造企業帶來了難得市場機遇。同時根據美國一家信息分析中心預測，2020年我國汽車銷量將達到2000萬輛，屆時中國將超過美國成為全球汽車銷量第一的國家。而我國粉末冶金汽車零件的主要制造企業有三十多家，且其主要生產的零部件為汽車所使用的一些軸承或者是小配件，總體呈現出還是處于相對來說較為低端的位置，而關于發動機或調速箱等關鍵部位的零部件則基本上是整體通過國外進口，同時隨著全球經濟一體化趨勢的不斷加速，我國粉末冶金企業畢竟面對國際化市場，這對我們來說既是機遇也是挑戰。因此就需要我國粉末冶金企業把握機遇，迎難而上，主動積極的溶于國際化市場當中。
參考文獻
[1]韓鳳麟.粉末冶金零件與汽車工業[J].新材料產業，2007（11）：31-38.
[2]楊伏良，甘衛平，陳招科.粉末粒度對高硅鋁合金材料組織及性能的影響[J].材料科學與工藝，2006，14（3）：268-271.
[3]印紅羽，張華誠.粉末冶金模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.
[4]李祖德，李松林，趙慕岳.20世紀中、后期的粉末冶金新技術和新材料（1）――新工藝開發的回顧[J].粉末冶金材料科學與工程，2006，11（5）：315-322.
[5]劉文海.鋁合金新材料的發展動向[J].機械工業雜志，2007，291：160-162.
[6]黃培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業出版社，1997.
1高速壓制成形技術最新研究進展
1．1成形裝備
成形設備是實現粉末冶金高速壓制成形的硬件基礎，是發揮高速壓制成形技術優勢的前提條件，因此成形設備的研究進展也是高速壓制技術研究人員關注的重點。為使沖擊錘頭獲得高速度和高能量脈沖，目前可以采用的技術包括壓縮空氣、燃燒汽油－空氣混合氣、爆炸、電容器放電、疊并磁場、磁力驅動和機械彈簧等［2］。目前，基于液壓驅動、重力勢能驅動、機械彈簧蓄能驅動的高速壓制成形設備進展較快。Hydropulsor公司以專利技術液壓動力單位控制油路系統實現錘頭的高速下降和提升，可實現高速的沖擊壓制和在極短時間間隔內多次高速壓制，該公司已經成功開發出第四代HVC壓機，可供應2 000t、900t、350t、100t等不同規格的機型，并銷往多個國家和地區，對高速壓制成形技術的研究起到積極的推動作用。但該類HVC成形設備成本較高、售價高昂，且壓制速度通常在10m／s以下，無加熱等輔助裝置，在一定程度上限制了它的普及。重力勢能驅動的HVC成形裝置具有成本低廉，壓制速度調節范圍大等優勢引起了研究人員的高度重視，華南理工大學肖志瑜教授等人［3］自行設計制造了一種重錘式溫粉末高速壓制成形試驗裝置。該裝置采用獨特的沖擊結構，直接利用重力勢能獲得壓制能量，通過調節重錘下落高度獲得不同的沖擊速度，最大理論速度可達18．78m／s，與Ku－mar［4］等人采用的重錘式試驗裝置沖擊速度只能達到10m／s相比，具有明顯的優勢。該裝置通過加熱圈直接對模具進行加熱，替代了熱油加熱，簡化了加熱元件的安裝，加熱溫度可以精確控制，通過測溫儀可以讀出模具溫度。同時，拿掉加熱圈，就可以進行傳統的高速壓制，從而進行高速壓制和溫高速壓制的對比實驗，為研究提供了極大的方便。華南理工大學邵明教授等人［5］，自行設計和制造了一種基于機械彈簧蓄能的粉末冶金高速壓制壓力機，并用于基礎探索研究。該設備可以將氣動、液壓或其他動力機構能量儲蓄在機械彈簧中，通過一個錘柄鎖緊釋放機構將壓縮彈簧的機械勢能瞬間釋放，驅動沖擊錘頭達到10m／s以上的高速度，使壓制瞬間的重錘沖擊速度達到HVC技術的要求，并將沖擊波通過上模沖傳遞給金屬粉末顆粒，使其在極短時間內致密成形。
1．2模具結構優化
模具的穩定性和壽命影響著高速壓制技術的工業化應用，而改善高速壓制模具壽命的手段不外乎于合理選材和優化模具結構設計。在高速壓制過程中，上模沖要承受劇烈的沖擊，因此宜選用韌性好的材料；而模具結構優化方面，一般認為沖錘與模沖直徑相等且均為等截面桿時，對模沖壽命和撞擊效率來說 都 是 最 佳 選 擇，但 這 勢 必 會 縮 小 高 速 壓 制（HVC）技術的應用范圍，因此需要對模具進行進一步的結構優化，目前利用高速壓制技術除已成功制備了圓柱體、環形、棒體和凸輪等單層零件外，還可以成功制備軸承蓋、牙齒冒等復雜多級產品。如Hinzmann［6］等人即成功設計出可用于多級零部件高速壓制成形的模具，他指出模具設計時采用單個上模沖和每級一個下模沖的結構更有利于模具壽命和沖擊能量的傳遞；Le［7］等人用高速壓制的方法將WC－Fe等材質成功壓制成多級試樣，并對界面的凝聚力和界面幾何尺寸進行了分析；法國機械工程技術中心（CETIM）采用HVC技術成功制備了多階零件和有內齒或沿高度方向有外齒的復雜形狀部件［8］；Eriksson等人［9］采用HVC和彈性模相結合的方法，使沖擊能量通過彈性模以準等靜壓方式轉移至零件的不同部位進行壓制，成功制備了形狀復雜的3D齒帽零件。
1．3成形過程數值模擬
數值模擬能大幅度降低設計成本、縮短設計周期，因此對高速壓制致密化過程的數值模擬也是近幾年的研究熱點。對于粉末壓制成形的數值模擬，目前主要是基于金屬塑性力學和廣義塑性力學兩種方法，但在低密度情況下，其假設條件與實際情況有出入，因此在實際應用中，粉末壓制模型是以完全致密化材料的基本模型為基礎，加上給定的一系列引起塑性流動的條件而建立的。Haggblad［10，11］等利用Hopkinson實驗裝置對硅膠和鈦粉進行高速壓制，根據所得數據分別建立了相應的數學模型，用有限元法模擬了硅膠模中壓制鈦粉的情況得出密度分布和最佳尺寸設計，其結果與實驗結果一致。中南大學的鄭洲順教授［12］等對高速壓制成形過程中應力波的傳播特征和粉末流動過程進行了數學建模和數值模擬，其研究結果表明，高速壓制過程中，應力波的傳播會使粉末應力突躍到峰值，每層的應力峰值隨時間以指數衰減，從上層到下層應力峰值呈指數下降；應力波作用后，鐵粉壓坯垂直方向的線密度值從上層到底層遞減，中間各層的線密度均勻；壓制過程開始后，密度最先變化的是底層的單元，它們之間的空隙迅速縮小（對應顆粒重排），頂層的單元繼續往下運動（對應顆粒塑性變形），頂層顆粒受壓繼續往下運動而底層顆粒運動基本達到平衡，粉末的密度分布開始趨于均勻，這一過程與高速壓制成形的試驗結果相符［13］。Jerier等［14］建立了一種高密度粉體接觸模型，并在YADE開源軟件系統上進行了離散元（DEM）數值模擬，其結果與多粒子有限元數值模擬及試驗結果吻合程度均較高，在一定程度上克服了離散元法（DEM）數值模擬不能正確推演高密度粉末壓制過程應力演變的缺點，為金屬粉末高密度壓制的數值模擬拓展了新理論和新方法。秦宣云［15］等通過等效熱阻法建立了粉末散體空間導熱的并聯模型，并考慮了熱輻射的貢獻，推導的有效導熱率的計算公式表達了分形維數、溫度對有效導熱率的影響。
1．4致密化機理
高速壓制技術已經成功用于生產實際，但高速壓制的致密化機理目前尚無定論，HVC致密化機理的分 析 也 一 直 是 研 究 熱 點 之 一。果 世 駒 教 授 等人［16］提出了“熱軟化剪切致密化機制”，據此給出了相應的壓制方程，該方程可合理地定性與定量解釋高速壓制下粉末壓坯的致密化行為與特性；Sethi等人［2］認為HVC過程中并無沖擊波產生，粉末體受沖擊時，應力波形是一種逐漸上升的波形，在沖擊速度不是非常高的情況下，很難在粉末內產生真正的沖擊波；北京科技大學曲選輝教授等人［17］對鐵粉、銅粉、鈦粉等多種粉末進行的壓制中證明了HVC過程中溫升現象的存在，但并未發現絕熱剪切現象；易明軍等［18］初步研究了HVC過程中應力波波形的基本特征和對壓坯質量的影響，結果表明，應力波為鋸齒波形，每一個加載波形上都有數個極值點，其持續時間受加載速率的影響，且應力波在自由端面反射后會造成拉應力，從而導致壓坯表面分層和剝落。陳進［19］對高速壓制致密化機理進行了初步探討，他認為粉末劇烈的塑性變形和顆粒間的摩擦產生較大溫升，對粉末致密化起到主導作用。此外在成形過程中，氣體絕熱壓縮對致密化也起到了重要的作用，即在高速壓制時，瞬間內氣體難以逸出而產生絕熱壓縮，使溫度升高，從而使孔隙中氣體分子的熱運動加速，使粉末散體的傳熱增強，能量沉積在顆粒界面而使其軟化，有利于進一步致密化。此外，高速壓制的壓坯密度不僅取決于沖擊能量，還與壓坯質量有很大關系，因此應該采用既能體現沖擊能量又能反映壓坯質量的質量能量密度的概念，即單位質量的壓坯在壓制過程中所受到的沖擊能量，單位為J／g。閆志巧等［20］通過鈦粉高速壓制試驗得知，對外徑60mm內徑30mm圓環形壓坯，質量能量密度為40．1J／g時相對密度達到76．2％；而對直徑20mm的圓柱形壓坯，質量能量密度為121．7J／g時相對密度達到96．0％；不同壓坯形狀的致密化機理有所不同，圓環形壓坯主要以顆粒滑動和顆粒重排為主，而圓柱形壓坯主要以塑性變形為主。目前HVC研究的壓制速度一般在10m／s左右，其機理無法套用爆炸成形的致密化機理，需要進一步進行研究與探索，尤其是重點研究粉末顆粒的微觀行為，如粉末塑性變形、粉末碎裂等，以及粉末顆粒界面的顯微組織形成與演變，粉末顆粒邊界的擴散、焊合過程，孔隙形狀的演變等現象。
1．5 HVC的成分體系適應性
近幾年，國內外研究人員已經對鐵粉、銅粉、鈦粉、合金鋼粉末、軟磁材料以及聚合物等成分體系的高速壓制致密化行為進行了初步探索，如Bos［21］等人所在的SKF公司用HVC技術大規模制備高密度、高強度的鐵基和316L不銹鋼零件，所生產的鐵基齒輪件密度可達7．7g／cm3；王建忠［22，23］等人對鐵粉和銅粉的高速壓制試驗表明：單次壓制鐵粉時，當沖擊能量增加到6 510J時生坯密度達到7．336g／cm3，相對密度約為97％；單次壓制銅粉時，當沖擊能量為6 076J時，試樣的生坯密度達到最大，為8．42g／cm3，相對密度約為95％；Eriksson［24］等人采用HVC技術制備了致密度為98．5％的鈦／羥基磷灰石復合壓坯，在500℃的低溫即可實現材料的燒結；閆志巧［25］等人的研究表明，高速壓制可制備高密度的鈦粉壓坯，當沖擊能量為1 217J時，直徑為20 mm圓柱試 樣的壓坯密度 最 大，達 到4．38g／cm3，相對密度為97．4％；中南大學的王志法［26，27］教授等人在950℃高速壓制獲得了相對密度大于80．65％的W骨 架，從 而 為 高 溫 熔 滲 制 備90W－10Cu復合材料奠定了基礎；Andersson［28］等人指出，由于高速壓制（HVC）技術能顯著提高磁粉的壓制密度，從而能大幅提高其磁性能，使軟磁材料具有更強的競爭力和更廣泛的應用范圍；Poitou［29］等人對聚四氟乙烯進行高速壓制，發現其密度、晶體質量分數、抗磨損性能等物理和力學性能相對常規壓制有所提高；Jauffres［30，31］等人采用高速壓制技術對超大分子量聚乙烯進行成形，研究發現其楊氏模量、延伸率、屈服強度、蠕變強度和耐磨性等各項性能指標均優于傳統壓制成形方法。在上述研究的基礎上，應進一步拓展合金鋼粉末、復合材料粉末、銅合金粉末、鎢合金粉末、鋁合金粉末、磁性材料及非晶合金材料等成分體系的高速壓制技術，從而為制備高密度高性能粉末冶金制品提供新途徑。
2高速壓制成形技術的發展方向
高速壓制是在傳統模壓中輸入高速度機械能產生的新型壓制技術，作為近十年才發展起來的一種新技術，其相關基礎研究還不夠系統和深入。此外，為了進行技術創新，可以考慮將高速壓制技術與溫壓、模壁、復壓復燒等工藝有機地結合起來，更深入、更全面地進行探索。尤其要深化以下幾個方面的研究：
2．1溫高速壓制
華南理工大學肖志瑜教授等人［3］提出了一種高速壓制和溫壓相結合的溫高速壓制（warm high ve－locity compaction，簡稱WHVC）技術的思路，并設計制造出了實驗裝備，開展了相關基礎研究，并取得一系列研究成果。其實驗結果表明，溫高速壓制能否獲得更高的壓坯密度，取決于粉末的種類和特性。對于316L不銹鋼粉末、混合鐵粉、電解銅粉等粉末來說，溫高速壓制壓坯密度高于傳統高速壓制，這是因為：（1）在溫度場條件下，粉末中潮氣得到充分揮發，同時粉末中氣體也得到較好地排出；（2）在一定的加熱溫度下能夠降低粉末的屈服強度，延緩其加工硬化程度并提高其塑性變形能力，塑性變形能力的改善為顆粒重排過程提供協調性變形，克服粉末顆粒之間的相互牽制，從而降低顆粒重排阻力，有利于顆粒重排的充分進行。而對于鋁粉來說，溫高速壓制和傳統高速壓制致密化程度相差不大，這是因為鋁是面心立方結構的金屬，且具有12個滑移系，發生滑移的臨界分切應力很小，塑性變形能力非常高，傳統高速壓制已經能夠達到理想的壓坯密度。在實驗基礎上，還對溫高速壓制的致密化機理和應力波特點進行了分析，認為在致密化過程中溫升效應起了很大作用，致密化過程主要以劇烈塑性變形和顆粒冷焊為主。截止目前，溫粉末高速壓制成形技術的研究只有華南理工大學開展，其研究具有前瞻性和新穎性，有望在高密度成形中獲得新的突破。
2．2條件對HVC結果的影響
由于高速壓制自身的特點，HVC成形粉末時可在少量劑甚至無劑的條件下成形［32］，減少了脫脂和間隙元素引起的污染。如何在劑最少的前提下獲得最理想的致密化程度是一個重要的研究目標。對于鐵基、銅基等成形性較好的粉末通常采用模壁（即外），如鄧三才等［33］研究了模壁對Fe－2Cu－1C粉末高速壓制成形效果的影響，研究結果表明，模壁能有效降低粉末與模壁之間的摩擦，減少粉末顆粒與模壁冷焊的機會，相對提高有效壓制壓力，從而獲得較高的生坯密度和生坯強度，以及較弱的彈性后效；此外，在相同壓制速度時，有模壁時的最大沖擊力要高于無模壁時的最大沖擊力，且脫模力要小5～20kN。對于鈦粉、鉬粉等高硬化速率粉末的高速壓制，通常采用內部添加劑的方式（即內），如閆志巧等人［34］研究了劑含量對鈦粉高速壓制性能的影響，結果表明，加入適量的劑，可以提高鈦粉成形時的質量能量密度，從而獲得更高密度的壓坯。當劑加入量為0．3％（質量分數）時，鈦粉成形的最大質量能 量 密 度 為0．192kJ／g，壓 坯 密 度 為4．38g／cm3，相對密度為97．4％。此外，適量的劑能提高鈦粉壓制過程中的最大沖擊力降低脫模力，但卻會顯著降低壓坯的強度，密度較低的純鈦壓坯的強度顯著高于致密度較高的含劑壓坯。對于不同劑含量的壓坯，當密度接近時，其強度相差不大。在更廣泛的成分體系內，研究方式、劑種類、劑添加量對高速壓制成形效果的影響，開發適合高速壓制條件下的新型劑，如高分子極性劑、大分子極性劑、無機層間化合物劑等都是今后較有價值的研究方向。
2．3復壓復燒對HVC效果的影響
一般認為，與傳統壓制壓坯密度只取決于壓制壓力而不隨壓制次數的增加而顯著提高不同，高速壓制的能量是可以累加的，即可以通過多次小沖擊能量的壓制得到與一次大沖擊能量壓制相同的效果，但王建忠等［35］對鐵粉進行高速壓制時發現，在總沖擊能量相同的情況下，分兩次壓制制備的壓坯密度最大，分三次壓制的最小，一次壓制的居中。Metec粉末冶金公司采用高速復壓技術（HVR）制造出密度為7．7g／cm3的鐵基粉末冶金制品，此外還通過高速壓制316L不銹鋼金屬粉和1 385℃燒結工藝生產出高密度不銹鋼零件，此類不銹鋼制品在抗拉強度、沖擊韌性和延展性等方面性能均較為突出。陳進等［36］在多次壓制的基礎上對鐵粉進行了復壓試驗，即在兩次高速壓制之間引入預燒結工序，其研究結果表明，在沖擊能量相同的條件下，復壓比二次高速壓制得到的生坯的密度更高，且隨著復壓沖擊能量的增加生坯密度逐漸增大，在相同復壓沖擊能量下，預燒結溫度為780℃時生坯密度最高，徑向彈性后效最小。復壓能大幅度提高生坯密度，主要是因為壓坯經過預燒結階段的回復與再結晶，粉末顆粒的強度和硬度下降，彈性儲能得到一定的釋放，再進行復壓后，劑的去除促進更多的粉末顆粒發生塑性變形、微觀焊接和熔合，顆粒界面得以消失，這有利于致密度的提高。此外，復壓能量更多用于預壓坯的塑性變形，彈性能量釋放的少，一定程度上減輕了壓坯尺寸的彈性膨脹，使得壓坯與模具模壁的摩擦減小，從而導致復壓時的脫模力較單次高速壓制時顯著降低。Fe－C粉末復壓壓坯經過復燒之后，密度高，孔隙少，珠光體較多且分布均勻，裂紋可能在晶粒內部沿著珠光體相或顆粒“燒結”界面展開，誘發了沿晶斷裂，使得抗彎強度明顯增強。復壓復燒工藝是進一步發揮高速壓制優越性的重要方向之一，需要進行更廣泛、更細致、更深入的研究。
“皮鞋和草鞋的決戰”
中等身材，精精瘦瘦，不修邊幅，一笑，眼角和臉上就會“堆積”出幾條皺紋，有點像加工后炭／炭復合材料上碳原子的有序走向。走在大學校園里，黃伯云更像是一位教授，而不是一校之長。
在外人看來，1988年43歲從美國留學回國后的他，在17年間完成了人生的幾次飛躍：兩年后當上了教授和粉末冶金所所長，5年后當了副校長，10年后當了大學校長，11年后當了院士，17年后率隊“問鼎”國家發明獎一等獎。
一帆風順的背后，是常人看不見的艱辛和求索。“別人是十年磨一劍，我們是二十年磨一劍。”對于他來說，在粉末冶金和材料領域二十多年的不懈求索，終于開出了今天的花朵。雖然查閱了世界上最強大的中文搜索網站，但是他的“前半生”似乎都是空白。這位湖南南縣農村里走出來的科學家，對有報道說他從小就“想當科學家”的說法，雖未直接否定，但意思已經表達得很清楚：“就是想好一點讀，讀好一點，那是皮鞋――考上大學，就成了國家干部，穿上了皮鞋和草鞋的決戰。”
20世紀80年代初，他以全校總分第一的成績考取為數甚少的出國名額。留學期間，他就小有成績，在研究上屢有斬獲。在國外直接讀完了碩士、博士、博士后，回國時，他成為改革開放后第一個在國外完成“全序列即碩士、博士、博士后”教育后的歸國留學生。
“留在那里當然是沒有問題。我又不是沒有學位，什么都有。”黃伯云對自己的“反常行為”看得很清楚：“改革開放以后，沒有多少人出去的時候我出去，別人都出去的時候我回來。”回憶起最初的困難，黃伯云面帶微笑，顯得達觀和幽默：“我在美國時是兩部汽車，回來后兩部單車，還跑丟了。單車前面掛一個鉤，后面掛一個勺，要買鍋買盆。”
“1988年黃伯云回來時戶口都沒有，糧食也沒有。因為糧店買米要戶口，因出國時間長，家里戶口也被吊銷了。當時糧票還起作用，好在他還有一點糧票，就和人家換米吃。雖然吃飯問題后來解決了，但那時部里很多人都不知道博士后的概念。你是博士后啊，我們很多博士都沒有經費，你是博士后，那就排在博士后面吧。”
“現在我們是唱大戲了”
又黑又圓的中空剎車片，像挖空的完整的冬瓜片。手一摸，手指頭就染上了黑色。真不愧是炭黑――石墨的同位素“兄弟”。仔細觀察，工人在加工時都帶著白手套，只是手心、手指頭部分都已經變黑了。
以前只知道炭纖維能夠用于航天，是一種高端材料，我國大部分依賴進口。至于炭纖維究竟高級到什么程度？卻沒有感性認識。
一張小小的標識牌，記錄著這些貌不驚人的剎車片的價值：薄薄的9片剎車片，正好“武裝”飛機一個輪子的剎車，按照每片2萬元計算，高不過20厘米、重不到32公斤的剎車片，“制造”了近20萬元的市場價值，約等于每克6元錢。2004年，僅依靠這一個項目，黃伯云領導的課題組成立的學科性公司就“收獲”了數千萬元定單。然而，在起步之初，人們更多的是觀望和懷疑，甚至質疑。炭纖維是近幾十年興起、至今仍是世界高科技產品，由于它的特殊性能，航天飛行器、民航客機上都有它的身影。而炭／炭復合材料作成的剎車盤，更是長期被美、英、法三國壟斷。即使是俄羅斯這樣的航空航天強國，也久攻不下。前車可鑒，中國人能做出這么高難度的材料和產品嗎？
“這是技術發展趨勢，我們不做，誰去做？”黃伯云不為質疑所困惑，他認準了就不回頭：“這是飛機剎車材料的更新換代，我們不跟上，哪行？何況國家有急切的需求，我們大量飛機的剎車片不能總靠進口吧？”中南大學粉末冶金研究院實驗室內的兩臺小型爐子和展示柜內簡單的實驗樣品，見證了研究人員最初的艱辛。1998年，課題組在實驗室獲得了炭／炭復合材料的毛坯，圓圓的毛坯里是無數根“納米”級、比頭發絲細很多的炭纖維。檢測表明，其摩擦性能達到了國內外相關標準。同年，炭／炭復合剎車材料經國家發改委批準立項，作為高技術示范工程加以支持。1．5億的資金投入，讓黃伯云真切地感受到了什么叫事業高峰的沉重壓力。
“只有山窮水盡，才能看到山后面的風景”
2000年的失敗，是黃伯云最痛苦的時刻。實驗室成功了，剎車片上慣性試驗臺檢驗性能。那是一個模擬實戰條件的檢測平臺，甚至比實戰要求還要高。
可2000年，連續兩次試驗都失敗了。2000年9月，第一次做慣性臺試驗，試驗項目非常多，要模擬飛機的各種著陸狀態，在做“終止起飛”――飛機起飛達到最大速度時突然要求停下來的實驗時，剎車片溫度急劇升高，摩擦系數下降得很厲害。“花了一個月的時間做實驗，最后失敗了。” 黃伯云說：“實驗室里明明好好的，誰也沒有想到慣性臺上會過不去。”當時整個隊伍都遭受了巨大打擊，“都到了崩潰的邊緣，眼看著就要垮下來。”時隔5年后，回想起那段時光，黃伯云仍然心有余悸：“錢輸光了，招數也用完了，很痛苦啊。”
“這時候，是黃老師力挽狂瀾。”黃伯云的學生、現任粉末冶金研究院副院長的熊翔說。黃伯云一班人痛定思痛，推倒重來，從頭開始做起，一項項檢查，一點點琢磨。改進工藝、添加新的材料……時隔1年多，成功終于降臨。在后來的“實戰”試驗中，飛機場內幾百人觀看，消防車一字排開，飛機上除了駕駛員，就是課題組的成員。
“我們要記錄數據，也有信心和飛機同上藍天。心里還是捏了一把汗。”當飛機穩穩地剎住，黃伯云和課題組的人才不由松了一口氣：成功了。中國飛機能上天卻要依賴進口剎車片才能“落地”的歷史結束了。
2003年，課題組實現了小批量生產。2004年，課題組成立的公司獲得了民航總局頒發的炭/炭剎車盤制造人許可證，年產1500多盤，包括其他剎車材料在內的年總產值達5000萬。作為過來人，黃伯云頗有感觸地說，“大風險的背后就是大收獲。”
采用這種自行研制的剎車副，替代傳統的金屬剎車副，使飛機減輕重量數百公斤，并且使用壽命是傳統制動材料的4倍，極大地提高了航空飛行器的功能和效益。“對機來說，哪怕減輕一克重量，都是勝利。”
利用這一技術平臺，他們還研制生產了耐高溫的復合材料，成功應用于航天發動機的特殊和關鍵部件，顯著提升了航天火箭的推進系統水平和綜合性能，獲得了航天產品工藝定型書。正是這些原子“乖乖”的排列，造就了高性能的制動材料，造就了今天的國家技術發明一等獎。在此基礎上，科研人員還創立了實驗室材料性能測試和評價方法，建立我國第一個炭／炭剎車材料地面試驗裝置，規范并制定了我國第一個適航標準。
課題組“微氣氛”：博士“10年讀”
課題組“副帥”熊翔1995年就當了教授，可博士學位去年才拿到。“他這個博士讀了10年。”博士讀10年？黃伯云解釋說，那是因為這些年熊翔一直是他的主要助手，也有人稱為“副帥”，復合材料的研究和攻關離不開他，不允許他一心二用。所以就耽誤下來了。
對于課題組的參與者來說，這種參與是帶有挑戰性的。課題組目前在炭／炭復合材料獲得了9項發明專利，但是專利和論文并不等同。為此，黃伯云曾經數次呼吁，應該將專利尤其是發明專利列入科研考核體系。如今，發明一等獎的獲得，使這個團隊終于有所收獲。在黃伯云的學生兼助手熊翔看來，黃伯云最大的特點，就是執著，“湖南話叫倔。”正是一股子倔勁和胸有溝壑的胸懷，使黃伯云團隊在10多年的時間里奮力前行，一步步走向輝煌。
碳原子和炭纖維界面的結合弱，一直是道高難度的技術難題。“我們開始都沒有當回事。也許是做工程的不太愿意做很深的基礎性研究，認為生產剎車片就像炒菜似的，放進（爐子）去，拿出來，不行，再放進去。”熊翔說，“但是黃老師要求我們要高度重視這個問題。”
課題組通過首創的炭表面原子結構處理技術，解決了“界面結合”難題，彎曲強度、壓縮強度、剪切強度等力學性能均提高了30%以上，耐磨性提高了20%以上。為了攻克剎車材料的這座“高峰”，該項目集中了60多人成立了攻關隊伍。“一個課題組三個教授都難免有摩擦，何況這么多人？”易茂中教授說， “有時候我們爭論得很厲害，各有各的看法。沒有黃校長的組織和協調，沒有他運籌帷幄，發揮領頭人和舵手的作用，事情的結果真的很難說。”
雖然已是副院長，但是熊翔說起“黃老師”仍有點“發怵”。讓學生們逐漸習慣的一件事情是：黃伯云有時候晚上12點以后想起問題來，就給學生們打電話，趕緊布置。“第一次，心里說，誰這么晚了，還打電話？不是有病嗎？可后來就習慣了。”黃伯云自己認為，這個團隊的存在是成功的必要條件。雖然20年來，有進有出，但是基本隊伍還在。熊翔、易茂中等就是其中的中堅力量。
為何敢于申報一等獎？
國家技術發明一等獎空缺了6年，今年自然科學一等獎又空缺，那是不是有關部門故意要“提拔”出一個一等獎呢？“我們多年前就曾經拿過國家發明二等獎和科技進步二等獎了。”針對這一疑問，熊翔說，獲得發明二等獎的是高性能粉末冶金飛機制動材料，成功滿足了某型號飛機苛刻的剎車要求。
［關鍵詞］粉末冶金;市場營銷;產品結構調整
1針對市場需求，調整產品結構
首先，做好深入細致的市場調研，針對市場需求，目標市場，準確市場定位。新產品開發要深入到用戶，鋼鐵粉末企業的市場銷售人員要廣泛聽取用戶的意見，充分考慮到用戶在使用過程中出現的實際問題，不能只做銷售人員，要做用戶的建議者、指導者、問題解決者，要接觸和了解將來可能成為競爭對手的產品及它們的銷售渠道，匯總同類產品的銷售量和客戶的反映，并把收集市場反饋和調查的信息公正、客觀、準確地上報企業以便正確決策。目前國內鋼鐵粉末企業由于實力問題，研發能力都不是很強，在技術研發方面的投資比較小，由于近幾年國內鋼鐵粉末市場變化快，而企業所能掌握的市場信息總是有限的，這就要求鋼鐵粉末企業進行市場調查時，對企業實力與市場需求之間進行協同性研究。根據自身實際情況，研發產品，擴大規模，才能規避不必要的風險，持續健康發展。其次，針對競爭日益激烈的鋼鐵粉末市場，唯有及時調整產品結構，增加產品的深度、寬度、相關性，提高產品的核心競爭力，才能突出重圍，在競爭中立于不敗之地。具體方式如下。
1.1調整產品組合的深度:即增加或降低產品組合的深度
增加產品組合深度，具體形式有:一是向下延伸。即鋼鐵粉末企業由高檔次產品向下延伸，增加低檔次產品。比如開發低松比高強度還原鐵粉，發揮海綿鐵粉顆粒形狀復雜、成形性好，同等密度下強度、機械性能高等優勢，在低密度異形件、含油軸承、銅包鐵粉等領域得到更多應用。二是向上延伸。即鋼鐵粉末企業由低檔次產品向上延伸，增加高檔次產品。如霧化粉生產企業加大新產品開發力度，重點由低利潤水平的純鐵粉向高壓縮性鐵粉、擴散粉、預合金粉和預混合鋼粉等產品轉移。三是雙向延伸。即由中檔產品同時向上、向下延伸，即同時增加高檔次和低檔次產品。如由80.25鐵粉延伸出的80.22、80.23及80.27鐵粉。四是增加不同于現有產品的新產品，比如開發出化工用鐵粉等。降低產品組合的深度，就是根據情況減少現有產品。當某些產品銷售量較差市場前景暗淡，就必須淘汰。如萊鋼粉末最初研發的LRP150鐵粉等。
1.2調整產品組合寬度，拓寬產品應用范圍
鋼鐵粉末企業擴展產品組合的寬度，開發和經營市場潛力大的新的產品，擴大生產經營范圍以至實行跨行業的多樣化經營，有利于發揮企業的資源潛力，開拓新的市場，減少經營的風險性，增強競爭能力。如由于還原鐵粉和霧化鐵粉價格倒掛造成100目還原鐵粉銷售量急劇減少，從而迫使還原鐵粉廠家改變產品結構，進一步開拓焊材、化工、冶金、火焰切割等新領域、新用途的應用。鋼鐵粉末企業縮小產品組合的寬度，剔除發展前景暗淡、利潤空間小、無法規模化生產的產品，可以集中資源經營那些發展前景好、利潤可觀、利于規模化生產的產品，提高規模化生產效率，有利于提高整體市場競爭能力。
1.3調整產品組合的相關性
鋼鐵粉末產品相關性的調整過程中，有些鋼鐵粉末企業增加現有產品的相關性，提高專業化程度，增強鋼鐵粉末企業在相關行業的知名度，鞏固與提高企業的市場地位。但是，由于客觀需要，鋼鐵粉末企業在經營資源的開展上有時實際是走上了減少產品組合相關度的道路，即增加與現有產品、業務和市場無關的產品業務，實行多樣化經營。如有些鋼鐵粉末生產企業因為看到房地產行業利潤可觀盲目進入。發展無關聯多種經營必須量力而行。對于鋼鐵粉末企業來說，其多元化經營程度越高，企業管理難度就越大，其人才、技術等需求就越大，因此必須量力而行，積極、穩妥、循序漸進地開發，確保成功率，企業才能不斷壯大。
2提高企業的市場競爭地位
2.1采取聚焦策略、專注鋼鐵粉末企業最擅長領域
鋼鐵粉末企業要“因地制宜”，根據各自企業自身的特點，把自身所掌握的有限資源優化組合起來，專注鋼鐵粉末領域，力爭在鋼鐵粉末領域做得最好、做得最優，企業的鋼鐵粉末產品要能做到“人無我有，人有我精”。鋼鐵粉末企業要樹立一個理念:和任何一個同行業強企相比，即使企業有很多個方面不如強企，但只要有一項、兩項比它好，并著力培養這兩個方面，就能夠吸引有這方面需求的客戶。
2.2增強企業技術創新意識，避免產品在低端競爭
鋼鐵粉末企業要加大科技研究開發的投入，重視技術研發人員的培養、教育和激勵，加強對知識產權的開發和保護，增強技術創新意識，提高產品的科技含量，形成企業獨特的核心技術與核心產品，避免和同行業企業同擠一座獨木橋，同樣的辦法生產同樣的廉價產品，擁擠在低端產品競爭，企業間相互自相殘殺。同時，增強鋼鐵粉末的技術創新能力，鋼鐵粉末企業在引進技術的同時，還要加強對引進技術的消化、吸收和創新，從而提高企業自身的技術研發能力。
2.3確立整體營銷觀念，創新營銷模式
要確立整體營銷觀念，突破以最終顧客市場營銷為中心的傳統市場營銷理論的概念，從長遠利益出發，將公司的市場營銷活動涵蓋內外部環境的所有重要行為者，促使企業對原有的競爭模式進行思考，進而結合自身實際不斷創新。在競爭日趨激烈的市場環境下，鋼鐵粉末企業的營銷活動為實現目標任務必須追求共同利益。企業不但要重視供應鏈上關聯企業的市場營銷，也要對競爭對手開展市場營銷研究分析。加強與競爭對手之間的溝通和了解，企業能夠針對競爭對手的狀態影響其行為方式，進而使競爭態勢朝對本企業有利的方面發展，合理避免惡性競爭，有利于鋼鐵粉末行業間共同構建有序的市場競爭環境。國內大多鋼鐵粉末企業尤為欠缺的是產品(Product)、價格(Price)、促銷(Promotion)、渠道(Place)四大策略的相互配合與協調。其中，產品品質是實施價格策略的基礎，渠道策略也要與價格策略、產品策略同步，促銷策略更要與價格策略、產品策略和渠道協調一致。如價格策略不要在客戶試用期間就立即開展。很多其他行業的大企業為了協調一致往往在營銷部門內同時設立產品經理和市場經理。產品經理負責產品事宜，為產品推出市場奠定基礎;市場經理則負責協調和規劃企業在一個地區或一個目標客戶群所需的所有產品及服務。這種方式值得國內鋼鐵粉末企業借鑒。總之，國內鋼鐵粉末企業必須確立整體營銷觀念，創新營銷模式，制定切實有效的措施和方法，協調企業各個部門，為企業贏得忠實和穩定的客戶資源。
關鍵詞:梯度功能材料,復合材料,研究進展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料,特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力,直接體現國家的科學技術水平和經濟實力,也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此,新材料的開發與研究是材料科學發展的先導,是21世紀高科技領域的基石。
近年來,材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因,一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2,其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差,傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料,如金屬基陶瓷涂層材料,由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大,很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面,消除物理性能的突變,使熱應力降至最小[3],如圖1所示。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分類
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2,因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料,可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層,既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
圖2
2.2FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM研究的不斷深入,人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化,可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM,并可望應用于許多領域。FGM的應用[8]見圖3。
圖3FGM的應用
功能
應用領域材料組合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材陶瓷金屬
陶瓷金屬
塑料金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石金屬
碳纖維金屬塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料輕元素高強度材料
耐熱材料遮避材料
耐熱材料遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學磷灰石氧化鋁
磷灰石金屬
磷灰石塑料
異種塑料
硅芯片塑料
電磁功能
電磁功能陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板壓電陶瓷塑料
壓電陶瓷塑料
硅化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬鐵磁體
金屬鐵磁體
金屬陶瓷
金屬超導陶瓷
塑料導電性材料
陶瓷陶瓷
光學功能防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素玻璃
能源轉化功能
MHD發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池陶瓷高熔點金屬
金屬陶瓷
金屬硅化物
陶瓷固體電解質
金屬陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。FGM的研究開發體系如圖4所示[8]。
設計設計
圖4FGM研究開發體系
4.1FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件,然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構,以及制備和評價方法,最后基于上述結構和材料組合選擇,根據假定的組成成份分布函數,計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數,就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布,此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀,熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法,包括有限元方法計算FGM的應力分布,采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合,借助于計算機輔助設計系統,得出最優的設計方案。
4.2FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段,實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布,從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高溫合成法(SHS);涂層法:如等離子噴涂法,激光熔覆法,電沉積法,氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD)和化學相沉積(CVD);形變與馬氏體相變[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形,然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性,可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高,適用于制造形狀比較簡單的FGM部件,但工藝比較復雜,制備的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點,但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis簡稱SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前蘇聯科學家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃燒反應時,發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應,此后化學反應在自身放熱的支持下,自動持續地蔓延下去,利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
圖6SHS反應過程示意圖
SHS法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系,金屬與陶瓷的發熱量差異大,燒結程度不同,較難控制,因而影響材料的致密度,孔隙率較大,機械強度較低。目前利用SHS法己制備出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝,適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常,將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內,并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上,其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等離子噴涂法(PS)
PS法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物,形成等離子體,其溫度高達1500K,同時處于高度壓縮狀態,所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流,速度可高達1.5km/s。原料粉末送至等離子射流中,粉末顆粒被加熱熔化,有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應,隨后被霧化成細小的熔滴,噴射在基底上,快速冷卻固結,形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例,調節等離子射流的溫度及流速,即可調整成分與組織,獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成,沉積效率高,無需燒結,不受基體面積大小的限制,比較容易得到大面積的塊材[10],但梯度涂層與基體間的結合強度不高,并存在涂層組織不均勻,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
圖7PS方法制備FGM涂層示意圖[17]（a）單槍噴涂（b）雙槍噴涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便會產生用B合金化的A薄涂層,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比,在上述覆層熔覆的同時注入,在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程,就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度,以及熔區的深度來獲得,熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能,但由于激光溫度過高,涂層表面有時會出現裂紋或孔洞,并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
圖8同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[18]
4.2.3.3熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化,并噴涂到基底上凝固,因此,建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中,這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固態,混入金屬液滴而被涂覆在基底,形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中,通過連續地改變增強顆粒的饋送速率,熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理,將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中,通過注入另一相的懸浮液使之混合,并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度,在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃,涂層的主要材料為TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層,以改變固體材料的表面特性,提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能,該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低,精度易控制,生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度,在厚度方向上實現組分的梯度化,適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制備出大厚度的梯度膜,與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合,在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度,精確地控制材料的組成、結構和形態,并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化,可得到按設計要求的FGM。另外,該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM,因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質,使其蒸發為氣相,然后沉積于基材上,形成約100μm厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD法的特點是沉積溫度低,對基體熱影響小,但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化,馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此,在合適的溫度范圍內,可以通過施加應變(或等價應力)梯度,在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18-8不銹鋼(Fe-18%,Cr-8%Ni)試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍,但能提供一個簡單的方法,可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料,這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4.3FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計,為成分設計數據庫提供實驗數據,目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前,對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前,日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5FGM的研究發展方向
5.1存在的問題
作為一種新型功能材料,梯度功能材料范圍廣泛,性能特殊,用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決,主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單,還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6結束語
FGM的出現標志著現代材料的設計思想進入了高性能新型材料的開發階段[8]。FGM的研究和開發應用已成為當前材料科學的前沿課題。目前正在向多學科交叉,多產業結合,國際化合作的方向發展。
參考文獻：
[1]楊瑞成，丁旭，陳奎等.材料科學與材料世界[M].北京：化學工業出版社，2006.
[2]李永,宋健,張志民等.梯度功能力學[M].北京:清華大學出版社.2003.
[3]王豫,姚凱倫.功能梯度材料研究的現狀與將來發展[J].物理,2000,29(4):206-211.
[4]曾黎明.功能復合材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2007.
[5]高曉霞，姜曉紅，田東艷等。功能梯度材料研究的進展綜述[J].山西建筑,2006,32(5):143-144.
[6]Erdogan,F.Fracturemechanicsoffunctionallygradedmaterials[J].Compos.Engng,1995(5):753-770.
[7]李智慧,何小鳳,李運剛等.功能梯度材料的研究現狀[J].河北理工學院學報,2007,29(1):45-50.
[8]李楊,雷發茂,姚敏,李慶文等.梯度功能材料的研究進展[J].菏澤學院學報,2007,29(5):51-55.
[9]林峰.梯度功能材料的研究與應用[J].廣東技術師范學院學報,2006,6:1-4.
[10]龐建超,高福寶,曹曉明.功能梯度材料的發展與制備方法的研究[J].金屬制品,2005,31(4):4-9.
[11]戈曉嵐,趙茂程.工程材料[M].南京:東南大學出版社，2004.
[12]唐小真.材料化學導論[M].北京：高等教育出版社,2007.
[13]李進,田興華.功能梯度材料的研究現狀及應用[J].寧夏工程技術,2007,6(1):80-83.
[14]戴起勛,趙玉濤.材料科學研究方法[M].北京：國防工業出版社,2005.
[15]邵立勤.新材料領域未來發展方向[J].新材料產業,2004,1:25-30.
[16]自蔓延高溫合成法.材料工藝及應用/jxzy/jlkj/data/clkxygcgl/clgy/clgy16.htm
[17]遠立賢.金屬／陶瓷功能梯度涂層工藝的應用現狀./articleview/2006-6-6/article_view_405.htm.
[18]工程材料./zskj/3021/gccl/CH2/2.6.4.htm.
關鍵詞:梯度功能材料，復合材料，研究進展
Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.
Key words :FGM；composite；the Advance
0 引言
信息、能源、材料是現代科學技術和社會發展的三大支柱。現代高科技的競爭在很大程度上依賴于材料科學的發展。對材料，特別是對高性能材料的認識水平、掌握和應用能力，直接體現國家的科學技術水平和經濟實力，也是一個國家綜合國力和社會文明進步速度的標志。因此，新材料的開發與研究是材料科學發展的先導，是21世紀高科技領域的基石。
近年來，材料科學獲得了突飛猛進的發展[1]。究其原因，一方面是各個學科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實驗技術;另一方面是實際應用的迫切需要對材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實際生產應用問題而產生的一種新型復合材料，這種材料對新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領域，所以它是近年來在材料科學中涌現出的研究熱點之一。
1 FGM概念的提出
當代航天飛機等高新技術的發展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如：當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數，其表面溫度高達2000℃。而其燃燒室內燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達5MW/m2.對于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強制冷卻的冷卻劑，此時燃燒室內外要承受高達1000K以上的溫差，傳統的單相均勻材料已無能為力[1]。若采用多相復合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數和熱應力的差別較大，很容易在相界處出現涂層剝落[3]或龜裂[1]現象，其關鍵在于基底和涂層間存在有一個物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規耐熱材料的不足，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續變化的組分梯度來代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應力降至最小[3]。
隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計算機輔助材料設計為基礎，采用先進復合技術，使構成材料的要素（組成、結構）沿厚度方向有一側向另一側成連續變化，從而使材料的性質和功能呈梯度變化的新型材料[4]。
2 FGM的特性和分類
2.1 FGM的特殊性能
由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續變化的特點如圖2，因此它能有效地克服傳統復合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統復合材料相比FGM有如下優勢:
1)將FGM用作界面層來連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結強度;
2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應力和熱應力;
3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點以及應力自由端點的應力奇異性;
4)用FGM代替傳統的均勻材料涂層，既可以增強連接強度也可以減小裂紋驅動力。
2.2 FGM的分類
根據不同的分類標準FGM有多種分類方式。根據材料的組合方式，FGM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側到另一側呈梯度漸變的結構材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據不同的梯度性質變化分為密度FGM，成分FGM，光學FGM，精細FGM等[4]；根據不同的應用領域有可分為耐熱FGM，生物、化學工程FGM，電子工程FGM等[7]。
3 FGM的應用
FGM最初是從航天領域發展起來的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發現利用組分、結構、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應用于許多領域。
功 能
應 用 領 域 材 料 組 合
緩和熱應
力功能及
結合功能
航天飛機的超耐熱材料
陶瓷引擎
耐磨耗損性機械部件
耐熱性機械部件
耐蝕性機械部件
加工工具
運動用具:建材 陶瓷 金屬
陶瓷 金屬
塑料 金屬
異種金屬
異種陶瓷
金剛石 金屬
碳纖維 金屬 塑料
核功能
原子爐構造材料
核融合爐內壁材料
放射性遮避材料 輕元素 高強度材料
耐熱材料 遮避材料
耐熱材料 遮避材料
生物相溶性
及醫學功能
人工牙齒牙根
人工骨
人工關節
人工內臟器官:人工血管
補助感覺器官
生命科學 磷灰石 氧化鋁
磷灰石 金屬
磷灰石 塑料
異種塑料
硅芯片 塑料
電磁功能
電磁功能 陶瓷過濾器
超聲波振動子
IC
磁盤
磁頭
電磁鐵
長壽命加熱器
超導材料
電磁屏避材料
高密度封裝基板 壓電陶瓷 塑料
壓電陶瓷 塑料
硅 化合物半導體
多層磁性薄膜
金屬 鐵磁體
金屬 鐵磁體
金屬 陶瓷
金屬 超導陶瓷
塑料 導電性材料
陶瓷 陶瓷
光學功能 防反射膜
光纖;透鏡;波選擇器
多色發光元件
玻璃激光 透明材料 玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半導體
稀土類元素 玻璃
能源轉化功能
MHD 發電
電極;池內壁
熱電變換發電
燃料電池
地熱發電
太陽電池 陶瓷 高熔點金屬
金屬 陶瓷
金屬 硅化物
陶瓷 固體電解質
金屬 陶瓷
電池硅、鍺及其化合物
4 FGM的研究
FGM研究內容包括材料設計、材料制備和材料性能評價。
轉貼于 4. 1 FGM設計
FGM設計是一個逆向設計過程[7]。
首先確定材料的最終結構和應用條件，然后從FGM設計數據庫中選擇滿足使用條件的材料組合、過渡組份的性能及微觀結構，以及制備和評價方法，最后基于上述結構和材料組合選擇，根據假定的組成成份分布函數，計算出體系的溫度分布和熱應力分布。如果調整假定的組成成份分布函數，就有可能計算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應力分布，此時的組成分布函數即最佳設計參數。
FGM設計主要構成要素有三:
1)確定結構形狀，熱—力學邊界條件和成分分布函數;
2)確定各種物性數據和復合材料熱物性參數模型;
3)采用適當的數學—力學計算方法，包括有限元方法計算FGM的應力分布，采用通用的和自行開發的軟件進行計算機輔助設計。
FGM設計的特點是與材料的制備工藝緊密結合，借助于計算機輔助設計系統，得出最優的設計方案。
4. 2 FGM的制備
FGM制備研究的主要目標是通過合適的手段，實現FGM組成成份、微觀結構能夠按設計分布，從而實現FGM的設計性能。可分為粉末致密法:如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。
4. 2. 1 粉末冶金法(PM)
PM法是先將原料粉末按設計的梯度成分成形，然后燒結。通過控制和調節原料粉末的粒度分布和燒結收縮的均勻性，可獲得熱應力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡單的FGM部件，但工藝比較復雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結法有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結及反應燒結等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設備簡單、易于操作和成本低等優點，但要對保溫溫度、保溫時間和冷卻速度進行嚴格控制。國內外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。
4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡稱SHS或Combustion Synthesis)
SHS 法是前蘇聯科學家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應時，發現的一種合成材料的新技術。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學反應，此后化學反應在自身放熱的支持下，自動持續地蔓延下去， 利用反應熱將粉末燒結成材，最后合成新的化合物。其反應示意圖如圖6所示[16]：
SHS 法具有產物純度高、效率高、成本低、工藝相對簡單的特點。并且適合制造大尺寸和形狀復雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應的材料體系，金屬與陶瓷的發熱量差異大，燒結程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機械強度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4. 2. 3 噴涂法
噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過不同的管道輸送到等離子噴槍內，并在熔化的狀態下將它噴鍍在基體的表面上形成梯度功能材料涂層。可以通過計算機程序控制粉料的輸送速度和流量來得到設計所要求的梯度分布函數。這種工藝已經被廣泛地用來制備耐熱合金發動機葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)
PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達1 500 K，同時處于高度壓縮狀態，所具有的能量極大。等離子體通過噴嘴時急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時還會與等離子體發生復雜的冶金化學反應，隨后被霧化成細小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結，形成沉積層。噴涂過程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調節等離子射流的溫度及流速，即可調整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優點是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無需燒結，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結合強度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
4.2.3.2 激光熔覆法
激光熔覆法是將預先設計好組分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便會產生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復以上過程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強劑熔覆金屬獲得了梯度多層結構。梯度的變化可以通過控制初始涂層A的數量和厚度，以及熔區的深度來獲得，熔區的深度本身由激光的功率和移動速度來控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過高，涂層表面有時會出現裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發生化學反應[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。
4.2.3.3 熱噴射沉積[10]
與等離子噴涂有些相關的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過將增強粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復合材料中。陶瓷增強顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復合材料。在噴涂沉積過程中，通過連續地改變增強顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產生梯度6061鋁合金/SiC復合材料。可以使用熱等靜壓工序以消除梯度復合材料中的孔隙。
4.2.3.4 電沉積法
電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場中，通過注入另一相的懸浮液使之混合，并通過控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為TiO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學功能、熱物理性能，該工藝由于對鍍層材料的物理力學性能破壞小、設備簡單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產成本低廉等顯著優點而備受材料研究者的關注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5 氣相沉積法
氣相沉積是利用具有活性的氣態物質在基體表面成膜的技術。通過控制彌散相濃度，在厚度方向上實現組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結合強度低、設備比較復雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學氣相沉積(CVD) 兩類。
化學氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質源輸送到反應器中進行均勻混合，在熱基板上發生化學反應并使反映產物沉積在基板上。通過控制反應氣體的壓力、組成及反應溫度，精確地控制材料的組成、結構和形態，并能使其組成、結構和形態從一種組分到另一種組分連續變化，可得到按設計要求的FGM。另外，該法無須燒結即可制備出致密而性能優異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過程包括：氣相反應物的形成；氣相反應物傳輸到沉積區域；固體產物從氣相中沉積與襯底[12]。
物理氣相沉積法(PVD)是通過加熱固相源物質，使其蒸發為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點是沉積溫度低，對基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]
4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]
通過伴隨的應變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個附加的被稱作“相變塑性”的變形機制。借助這種機制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內，可以通過施加應變(或等價應力) 梯度，在這種材料中產生應力誘發馬氏體體積分數梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內部獲得了鐵磁馬氏體α體積分數的連續變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個簡單的方法，可以一步生產含有飽和磁化強度連續變化的材料，這種材料對于位置測量裝置的制造有潛在的應用前景。
4. 3 FGM的特性評價
功能梯度材料的特征評價是為了進一步優化成分設計，為成分設計數據庫提供實驗數據，目前已開發出局部熱應力試驗評價、熱屏蔽性能評價和熱性能測定、機械強度測定等四個方面。這些評價技術還停留在功能梯度材料物性值試驗測定等基礎性的工作上[7]。目前，對熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機械性能進行評價[8]。目前，日本、美國正致力于建立統一的標準特征評價體系[7~8]。
5 FGM的研究發展方向
5.1 存在的問題
作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問題需要進一步的研究和解決，主要表現在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料設計的數據庫（包括材料體系、物性參數、材料制備和性能評價等）還需要補充、收集、歸納、整理和完善；
2）尚需要進一步研究和探索統一的、準確的材料物理性質模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結構以及制備條件的定量關系，為準確、可靠地預測梯度材料物理性能奠定基礎；
3）隨著梯度材料除熱應力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設計體系，為梯度材料在多方面研究和應用開辟道路；
4）尚需完善連續介質理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結構模型，并借助計算機模擬對材料性能進行理論預測，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結構簡單，還不具有較多的實用價值;
6)成本高。
5.2 FGM制備技術總的研究趨勢[13、15、19-20]
1）開發的低成本、自動化程度高、操作簡便的制備技術；
2）開發大尺寸和復雜形狀的FGM制備技術；
3）開發更精確控制梯度組成的制備技術（高性能材料復合技術）；
4）深入研究各種先進的制備工藝機理，特別是其中的光、電、磁特性。
5.3 對FGM的性能評價進行研究[2、13]
有必要從以下5個方面進行研究：
1）熱穩定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時間變化關系問題；
2）熱絕緣性能；
3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；
4）抗極端環境變化能力；
5）其他性能評價，如熱電性能、壓電性能、光學性能和磁學性能等
6 結束語
關鍵詞 工程材料 教學改革 材料加工 技術人才
中圖分類號：G712 文獻標識碼：A
1 工程材料加工課程教學改革應該遵循的原則
1.1 理論知識與技能實踐共同發展
工程材料加工是一門涵蓋多種材料工藝的學科，該學科實踐性很強，實驗課程和課堂教學都必須與生產實際相聯系。課程不僅涵蓋化學、力學、冶金等方面的知識，還對相關的工藝流程和相關原理做出闡釋，豐富學生理論知識層面的認知。在國外高職院校相關專業的教學課程設置中，通常將實驗課程以系列的形式搭配主干理論知識，根據教學需要進行選擇。因此本課程的實踐環節應該在保障焊接、鑄造、金屬塑性加工等工藝實驗的基礎上，添加激光加工、超聲加工等新型加工工藝，培養學生的認知能力和動手能力。
1.2 適應材料專業人才培養的需要
工程材料加工是我國高職院校機械設計及自動化、材料加工工程等專業的必修課程，在很大程度上體現了高職院校培養人才的相關需求。在傳授學科領域范圍內主要加工制造方法的同時，又引進新型材料加工工藝，這種教學安排既體現了相關行業對人才的專業需求，也是由高職院校人才培養發展方向決定的。
2 工程材料加工教學理論知識的發展方向
2.1 優化專業課程內容
材料加工工藝既包括鍛造、鑄造和焊接等傳統工藝，又涵蓋微電子封裝、真空鍍膜等現代加工工藝，在專業課程教學過程中，必須對這些教學內容進行有效的優化整合，適時引入專業領域的前沿科研成果和發展成就，打造一個適宜人才培養計劃的專業知識架構。舉例來說，工藝教材內容設置應該在單一的傳統工藝中加入粉末冶金等先進工藝，金屬液態成型教學重點應該向熱門的砂型鑄造傾斜等等。在具體的教學活動中，教師應該突出教學的核心和重點內容，輔助學生拓展知識領域，為培養創造性思維和動手能力奠定基礎。
2.2 擴大專業知識面
隨著時代的發展，材料相關專業涉及的領域也逐漸得到拓寬，在解決實際問題的過程中產生了許多分支型的工藝和原理，這就要求高職院校的專業建設要做出改變，進一步拓寬基礎知識面、擴充知識體系。教師應該在課堂教學中以一至兩個典型工藝為講解范例，對其它工藝進行概述或將其作為課外閱讀，既引導學生“舉一反三”，又達到廣泛涉獵的教學目的。
2.3 專業教材建設
教材是開展教學活動的專業指導性資料，在材料相關專業的教材設置方面，各級院校應該組織教師對教材進行認真研讀，并且形成書面性的參考意見，輔助教育部門對專業教材進行修訂，將以鍛造、焊接、表面工程等為代表的傳統工藝，以及以快速原型制造、粉末冶金為代表的新型工藝相結合，彌補專業教材內容設置上的缺口，避免教材內容與時代脫節。
3 工程材料加工教學實踐內容的改革思路
教學實踐直接作用于學生，教學活動的開展是對學生思維能力、理解能力、創造能力和動手能力的多方面培養。為了順應我國教育體制改革的需要，高職院校材料加工相關專業應該對傳統的教學方法和手段進行改革，理論和實驗并重的同時，將教學重點向實踐運用方面傾斜。
3.1 運用多種教學手段 （下轉第162頁）（上接第160頁）
工程材料加工具有工科專業的普遍特點，即概念和原理抽象化、理解難度較大。針對這一特點，教師應該充分運用多種模型道具或者直觀的教學手段，將抽象的工藝流程或者技術原理具體化，便于學生理解。比如，在講解鍛造壓、鑄造等成型工藝的教學中，可以運用計算機輔助教學，將工藝操作流程以多媒體動畫形式呈現出來，便于教師講解，也易于學生理解。
3.2 加強互動式的課堂教學
傳統“填鴨式”教學已經被時代拋棄，現代教學更加注重師生之間的有效互動。在材料加工課堂教學中，教師可通過適度的話題切入，引導學生展開自由討論，通過互相交流溝通對所學知識進行鞏固。以材料“加工硬化”和“二次硬化”的教學為例，在課堂討論的過程中，學生可通過互相之間提問對不同工藝特點加以辨別，著重關注易于混淆的部分。
3.3 改革實驗教學
實驗教學是培養學生動手能力的重要環節，為了改變傳統的驗證性實驗模式，教師應該根據教材設定有針對性的實驗項目，轉化實驗教學思路，由點到面、層層推進實驗教學，大幅度提高綜合性實驗的比例。以材料加工生產工藝的演示過程為例，教師選題范圍應該以貼近畢業設計為重要指導方向，將其作為教學科研的重要部分來開展，在這一綜合實驗過程中，通過對工藝全過程的演示，啟發學生發揮主觀能動性，發現問題并對其進行分析，積極地參與到實驗中，將創造性思維能力作用于實踐。
3.4 加強校企合作
校企合作是近年來興起的一種新型辦學模式，學校充分根據企業對專業人才的供需狀況和技術需求進行定向人才培養，企業為這些后備人才創造足夠的實踐空間。校企合作辦學通過設立教學指導機構、定期邀請企業工程技術人員對教學開展指導等方式，實現了材料加工理論知識和生產實踐的有機結合，順應市場對相關人才的具體需要進行安排教學內容和實際訓練課程，為高等職業院校相關專業學生順利走上工作崗位奠定了基礎。
4 結束語
經濟的發展對高職教育提出了新的要求，面向市場需求進行人才培養已經成為教學實踐發展的主要趨勢。我國高職院校材料加工相關專業的教學實踐要將培養實用型技術人才作為教學目標，實現教學管理水平的新突破。提高材料加工教學質量，為社會經濟發展提供急需的技術應用型人才，是一項需要各部門協同合作的長期性工作，不僅需要學校對教學方法進行改革，還需要相關企業和政府部門的實踐合作和政策扶持。
參考文獻
[1] 張鈞,姚婷珍.材料加工工程課程的教學改革探討[J].科技信息,2010(15):132.
[2] 黃天佑.研究型大學中“材料加工”課程建設中的幾點體會[C].2006年全國機械類課程報告論壇論文匯編,2006:21-25.
[3] 張諍,涂文斌.材料加工專業教學改革的一些思路[J].中國科教創新導刊,2010(11):199.
關鍵詞：冶金企業 成本效益觀 成本控制 問題 對策
中圖分類號：F275.2 文獻標識碼：A
文章編號：1004-4914（2017）01-274-02
一、相關概念界定
（一）冶金企業的成本效益觀
在市場經濟環境下，經濟效益始終是冶金企業管理追求的首要目標，冶金企業成本控制工作中也應該樹立成本效益觀念，實現由傳統的“節約、節省”觀念向現代效益觀念轉變，特別是在我國市場經濟體制逐步完善的今天，冶金企業管理應以市場需求為導向，通過向市場提供質量盡可能高、功能盡可能完善的產品和服務，力求使冶金企業獲取盡可能多的利潤。與冶金企業管理的這一基本要求相適應，冶金企業成本控制也就應與冶金企業的整體經濟效益直接聯系起來，以一種新的認識觀――成本效益觀念，來看待成本及其控制問題。冶金企業的一切成本控制活動應以成本效益觀念作為支配思想，從“投入”與“產出”的對比分析來看待“投入”（成本）的必要性、合理性，即努力以盡可能少的成本付出，創造盡可能多的使用價值，為冶金企業獲取更多的經濟效益。
（二）成本控制的主要內容
成本控制是現代企業管理的重要內容之一，是以成本預測、成本決策、價值分析、成本控制、成本核算、成本分析、成本考核等為內容的科學管理體系。傳統成本管理理論包括目標成本管理理論、標準成本管理理論、責任成本管理理論和質量成本管理理論等；現代成本管理模式，包括作業成本管理理論、戰略成本管理理論、價值鏈成本管理理論等。在新環境下，分別對傳統成本管理和現代成本管理在企業管理中的地位和作用進行研究和探討，可以使企業管理層更重視成本管理，為企業尋求新競爭環境下的持續成本降低提供了一個有效的思路。
（三）冶金企業加強成本控制的重要意義
成本控制的重要意義可以從理論分析和現實需要兩個角度進行闡述。其理論上的重要意義主要基于下面這個會計等式，即：企業利潤=收入-成本-費用
企業是一個追求利益最大化的組織，而從上面等式可以看出，要想擴大利潤，無非是從增加收入、減少成本、降低費用三方面著手。另外，廣義的成本即包括了上述公式中的“成本”、“費用”，因此，有效控制成本對于企業就顯得尤為重要。
而從現實需要角度出發，成本控制的重要意義主要表現為以下三個方面：
1.成本控制是保證冶金企業落實成本目標、實現成本計劃的重要手段。成本的形成過程就是成本計劃的落實、實施過程。為了實現成本計劃，冶金企業必須將成本計劃規定的成本目標和實現成本目標的措施分解落實到各責任單位，并以此作為各責任單位控制成本的依據。實施中如發現出現較大的偏差，應分析原因并及時反饋給有關責任單位，造成差異如是成本計劃本身的問題，應對計劃進行修訂，以保證計劃的指導作用。通過有效的成本控制、才能充分挖掘冶金企業內部降低成本的潛力，才能確保成本計劃的實現。
2.成本控制是推動冶金企業提高管理水平的動力。實行有效的成本控制，必須建立一套完整的成本控制制度和責任制度，使得冶金企業內部各級責任單位和全體員工都能明確各自的成本目標和經濟責任。如為加強直接材料費用控制，必須為各種產品、零部件制定材料消耗定額及限額領料和配比發料制度，建立材料驗收保管制度，并要求供應部門和各生產車間、班組嚴格執行材料管理與核算制度，不斷提高材料管理水平和效率，滿足冶金企業對材料費用控制的要求，提高冶金企業各項管理工作水平。
3.成本控制是增強冶金企業競爭力的有力保證。市場經濟使冶金企業時刻面臨著來自各方面的競爭壓力。競爭的法則就是優勝劣汰，要使冶金企業在激烈的市場競爭中建立起競爭優勢，主要基于優良的產品品質、優質的產品服務和優惠的產品價格之上要做到質優價廉，除了要做好產品的開發、創新和提高質量等工作之外，關鍵是要加強成本控制，不斷降低產品成本，進一步增強冶金企業競爭能力。
二、我國冶金行業目前存在的成本控制問題
（一）成本控制意識薄弱
成本控制意識薄弱、觀念落后、管理方法舊，沒有充分認識到提高冶金企業經濟效益必須加強成本控制的重要意義，沒有充分認識到在社會主義市場經濟條件下，冶金企業之間競爭的實質是冶金企業成本的較量。這主要表現在成本控制的范圍、目的及手段等方面的認識存在偏差，使得成本控制松弛、成本控制約束弱化、損失浪費嚴重。
（二）成本控制不合理
1.成本核算不合理。表現在：其一，間接費用分攤標準與觀念性不夠，導致分攤不準確。其二，作為企業成本的管理費用等期間費用核算較粗，只按會計準則要求進行財務處理，未形成責任成本考核制度。其三，企業定額管理制度不完善。
2.成本控制方法陳舊。傳統的成本控制方法局限于為降低成本而降低成本，忽視企業的經濟效益；只注重生產過程的成本控制，忽視產品生命周期其他階段的控制，僅以產品、財務信息作為控制對象，不能為管理人員提供所需要的非財務方面的信息。
3.企業成本項目不全。多數企業只考慮了會計學中的成本項目，只按會計準則的要求把可以計入成本的費用開支來作為企業成本加以控制。按照準則規定，營業外支出與生產經營活動無關，不能計入產品成本。但從企業角度出發，它作為一項耗費，企業仍需對其進行支付。此外，成本管理的內涵僅局限于物質產品成本，并未涉及如環境成本、質量成本、人力資源成本等非物質產品成本。
（三）技術創新不足
創新是企業保持競爭優勢的關鍵，企業通過技術創新，可以有效的降低成本。公司生產技術水平較低，在技術、工藝上缺乏創新力度，不能有效提高材料利用率、降低材料的損耗量、提高成品率，從而降低成本。
（四）成本控制制度不完善，成本考核流于形式
公司雖然制定了一些成本控制制度，但貫徹執行不力。對制度的執行缺乏全面的監督與考核，未建立核算獎罰掛鉤制度，沒有將考核指標落實到相關部門的個人，無法調動職工參與成本控制的積極性，成本核算部門形同虛設。
三、冶金企業加強成本控制的具體對策
（一）強化成本意識，樹立成本效益思想
現代成本控制意識是指企業的管理人員對于成本控制和成本管理要有足夠的重視，改變成本控制就是降低產品成本的傳統看法，改變成本控制到一定程度就無法再降低的錯誤觀念，充分認識到成本降低的潛力是無限的。對比成本與效益并從中取得最大的收益是現代成本控制的最終目標，要做到有效地控制成本，首先是管理人員要足夠重視，其次對企業全體職工進行成本意識方面的宣傳教育，把成本控制意識灌輸給每位員工，使全員都參與成本控制，讓他們知道企業的利益就是自己的利益。
企業的成本控制應與企業整體的經濟效益直接聯系，應以科學的成本效益觀念看待成本控制問題。企業所有的成本控制活動應從成本效益原則出發，從投入與產出的比率分析來看待投入成本的必要性，在保證產品和服務質量的前提下，盡可能以最小的成本，攝取盡可能多的經濟利潤。花錢是為了最大限度的省錢，這是成本效益觀的集中體現。
（二）加強成本控制
冶金企業的生產特點通常是大量消耗原材料和能源，對原材料進行生產和加工，并且生產經營活動、產品品種復雜，生產工藝繁復多變。這種特點決定了冶金企業適合采用作業成本法。標準成本控制體系可以通過引入ERP管理系統來進行完善。標準成本體系與ERP的結合不僅克服了標準成本控制模式的一些缺點，而且還將ERP系統提高到了高層次管理的水平，加強了企業成本管理能力。
冶金行業也有中小企業，這些企業一般較落后。中小企業要充分認識到科技對成本的重要影響。在設計階段，利用先進科技在研發產品時既保證質量又降低成本。在生產階段，依靠科技進步來降低生產成本，通過對各個工序進行成本分析，找出生產成本的制約點，在此基礎上確定科技攻關的重點。開展節能降耗科技創新，改變原燃料的消耗方式，加強循環利用，以降低生產成本。
（三）改進現有技術，采用新工藝，節能降耗
當市場進入衰退時，大多數企業都會通過削減成本、簡化運營程序等方式來加以應對，直至情況趨于好轉。嚴峻的經濟形勢將不可避免地給企業套上桎梏，但同時也創造出一片孕育創新的沃土。如果通過技術等創新來達到節約成本的效果，企業就將會從危機中脫穎而出，并且會變得比以往更加強大。針對公司為降低成本偷工減料致產品批量退貨的現象，可以通過技術創新，改進現有技術，降低材料用量或尋找新的、價值便宜的材料替代原有的老的、價格較高的材料；采用新工藝，對現有材料的加工工藝積極加以改進，提高材料利用率、降低材料的損耗、提高成品率，達到降低成本的目的。
（四）健全成本考核制度，完善成本控制制度
考核是實現成本控制的重要手段和措施，沒有嚴格規范的考核制度，其它制度也就形同虛設，因此，應該建立健全成本控制考核體系。首先制定成本考核指標體系，考核指標包括目標成本、目標成本節約率等指標。其次，根據相關數據計算成本考核指標，采用合理的評價方法，對各方面的成本控制工作進行評價。通過設置成本費用考核指標體系，對各項成本指標進行分析，定期對各成本責任部門和個人進行考核和評價，建立相應的獎勵和懲罰機制，將考核結果同職工的工資掛鉤，做到獎罰分明。
四、結語
成本控制是一個永恒的主題，冶金企業成本費用的節約與降低直接就等于增加收入、利潤、凈利潤，效益不言而喻，一個規范科學全面的成本核算與管理不僅能給冶金企業帶來直接經濟效益，而且還能夠促使整個公司管理的規范。因此，加強冶金企業成本控制具有極為重要的意義，值得大力探討。
參考文獻：
[1] 張月紅.淺析企業成本控制的問題與對策――基于開元冶金的案例分析[J].現代商業，2012（34）124-125
[2] 趙春娣.冶金行業加強成本管理與控制研究[J].企業研究，2013，02：158
1．課程體系構建。按照冶金工程卓越人才應具備的知識、能力、素質要求，按照理論與實踐有機結合、課內與課外有機結合、校企聯合授課與校內單獨授課相結合、知識傳授與能力培養相結合、學習習慣與創新思維培養有機結合“五結合”原則，堅持“面向工程、寬基礎、強能力、重應用，校企深度合作”的基本思想，對課程體系進行一體化設計。(1)公共基礎課及素質拓展教育課。政治理論課14．0學分、大學外語16．0學分、高等數學11．0學分、大學物理8．0學分、物理實驗4．0學分、大學計算機基礎2．0學分、體育8．0學分、工程導論2．0學分、形勢與政策1．0學分、軍事理論1．0學分、就業與創業指導1．0學分。(2)專業基礎課。C語言程序設計3．0學分、線性代數3．0學分、概率論與數理統計3．0學分、工程力學6．0學分、畫法幾何與機械制圖3．0學分、機械設計基礎3．0學分、電路與電子技術4．0學分、電路與電子技術實驗2．0學分、普通化學3．0學分、普通化學實驗1．0學分、物理化學6．0學分、物理化學實驗2．0學分、材料科學基礎4．0學分、冶金傳輸原理6．0學分、工程應用法律實務2．0學分、工業工程與管理2．0學分。(3)專業必修課。冶金物理化學(雙語)5．0學分、冶金學Ⅰ(雙語)5．0學分、冶金學Ⅱ(雙語)5．0學分、有色金屬冶金學(雙語)2．0學分、冶金工程實驗技術2．0學分、冶金流程工程學2．0學分、現代冶金工程設計原理2．0學分、專業英語閱讀與寫作2．0學分、鋼鐵冶金環境保護與綜合治理2．0學分、技術經濟分析2．0學分、綜合實驗4．0學分。(4)專業選修課。冶金反應工程分析基礎、冶金過程數值模擬、純凈鋼生產技術(雙語)、冶金工程新技術(雙語)、冶金過程檢測與自動控制、軋材質量性能控制、礦物材料加工技術、鐵礦球團還原技術(雙語)、冶金輔助原料技術、金屬壓力加工(雙語)、粉末冶金概論、復合材料概論、冶金機械、能源工程、冶金企業生產安全、工程數學。專業選修課程每門2學分，選修10學分以上。2．校內實踐教學。冶金工程專業的校內實踐是以一級項目(現代冶金工程設計)為主線，以二級項目(軟件綜合設計項目、工程素養訓練項目、綜合工程素質訓練項目、創新設計項目、專業拓展訓練項目)為支撐，三級項目以核心課程為基礎，如冶金傳輸原理、冶金物理化學、冶金學等。將主干核心課程和整個課程體系統一起來，結合學生的自我學習能力、人際交往和團隊協作能力，以及掌握、運行和調控能力進行全面培養。對于學生來說，設計項目的具體性可以深化理論知識的理解，設計項目的探索性能夠激發學生主動學習的興趣，增強社會、歷史、道德和文化的認知力、批判力和傳承力，使學生不僅在專業修養上，而且在創新能力、團隊精神，適應與調控能力，以及企業文化感知等多方面同時得到培養和提高。3．企業實踐教學。企業實踐教學累計時間為40周，40學分。企業培養階段主要包含工程實踐(I－V)、崗位實踐、現代冶金工程設計和畢業設計(論文)等四個部分。(1)工程實踐。工程實踐共計18周，18學分。
工程實踐I設在第二學期，時間為3周。培養學生掌握金屬加工的工藝與過程，包括切削加工、壓力加工、焊接、鉗工、數控與特種加工等;掌握簡單零件加工方法選擇和工藝分析;熟悉相關設備的安全使用及操作;培養學生看圖、識圖及了解技術條件的能力;培養學生良好的工作習慣、團隊協作精神及理論聯系實際的嚴謹作風。工程實踐II設在第三學期，時間為2周。培養學生了解企業文化、企業發展規劃目標、運營及管理模式、營銷策略等。在采礦與選礦現場，參觀鐵礦石生產，使學生了解鐵礦石的品位、性質及相關生產指標等。工程實踐III設在第四學期，時間為2周。使學生了解焦炭、耐火材料的評價指標和生產指標。了解煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、軋鋼等生產環節的工藝特點、評價指標以及生產中容易出現的質量問題等。使學生初步了解鋼鐵冶金企業的系統構成、各系統之間的作用、聯系和特點，建立鋼鐵冶金生產流程整體概念，了解鋼鐵冶金行業文化沿革，培養學生的工程意識。工程實踐IV設在第五學期，時間為1周。參觀燒結、球團等生產現場，使學生掌握燒結礦和球團的生產工藝及評價指標。工程實踐V設在第六學期，時間為2周。使學生掌握軋鋼生產工藝及設備，了解冶金工程的能源動力及冶金機械制造過程，了解現代冶金產品和工藝的研發態勢及流程。工程實踐I－V主要以現場參觀和企業教師講解為主。最后由企業教師、專業技術人員和校內教師共同組成考核組，對學生實習紀律、實習報告、實習內容的掌握，以及創新思維的展現等進行綜合考核評價，確定企業實踐成績。(2)崗位實踐。崗位實踐設在第七學期，時間為6周。使學生熟悉煉鐵、鐵水預處理、煉鋼、爐外精煉和連鑄等鋼鐵生產工藝，掌握生產工藝和產品質量控制的技術要點，了解設備的運行和管理維護方法等，能夠進行生產操作。學生通過教師現場授課、生產操作、技術報告、專題調研、流程參觀和工程問題討論等環節完成崗位實踐，最后由考核組對學生的工程實踐能力，特別是操作能力和創新精神進行綜合考核評價，確定崗位實踐成績。(3)現代冶金工程設計。現代冶金工程設計設在第七學期，時間為6周。在工程實踐的基礎上開展，要求學生充分了解現代鋼鐵生產流程特點和功能，綜合運用工程基礎和工程專業知識，完成來源于實際的鋼鐵廠煉鐵或煉鋼的工程計算與設計，讓學生在一定程度上掌握工程設計的理念和方法，拓展學生知識面，加強工程概念，培養團隊合作意識。在集中講授的基礎上，學生分組，合作完成實際設計任務，聘請企業或設計院技術人員共同指導，最后由考核組對學生的設計方案、設計內容、繪圖能力、團隊配合、表達能力、技術運用能力，特別是創新能力進行綜合考核評價，確定現代冶金工程設計成績。(4)畢業設計。畢業設計(論文)階段是卓越工程師培養的重要環節，是加強學生實踐創新能力的有效途徑。畢業設計設在第八學期，時間為18周。內容要能夠體現冶金行業發展前沿趨勢，反映冶金產品研發態勢和特點，符合區域產業和經濟社會發展需求，并充分展現學生對冶金文化的領悟和創新思維特質。在畢業設計過程中，學生要在充分了解國內外冶金行業現狀的基礎上，根據項目目標要求，撰寫開題報告，充分闡述項目的可行性和項目進度分析，成果效益預測分析等。每周向指導教師至少匯報一次工作情況。企業和學校的指導教師共同負責學生的畢業設計工作，有責任就畢業設計情況進行指導、督促和檢查，每位指導教師每周要與學生交流一次設計進展情況。畢業設計完成后，學生提交答辯申請，經校、企指導教師共同確認同意后，由教務部門組織學生答辯。畢業設計考核成績由三部分組成:企業高級技術人員評價占30%，學校教師評價占30%，答辯小組評價占40%。在答辯小組中，企業高級技術人員比例不能低于40%。在評審未通過時，學生可申請延長該階段時間，指導教師重新認定后，再申請答辯。學生在對評審結果有異議時，可向學校學術委員會提出申請復議，由學校重新組織答辯。
建立長期跟蹤追加培養機制
