材料概论.docx

材料的定义 材料是能为人类社会经济地制造有用器材(或物品) 的物质石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代第二章 材料的四要素 使用性能 合成和加工 结构与成分 性质与现象n 组元：组成材料最基本、独立的物质。n 相：材料中具有同一化学成分并且结构 相同的均匀部分叫做相。n 组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。n 固溶体：溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。材料的分类 ：金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料n 金属键：金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用于整个晶体，这种自由电子构成金属键。无方向性、无饱和性、金属原子倾向紧密堆积n 离子键：由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同能接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力所形成的一种键合。离子键无饱和性，无方向性离子键的本质是正负电荷间的静电作用力n 共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。共价键有饱和性，有方向性n 范德华建 广泛存在于分子之间的弱相互作用。无方向性和饱和性n 氢键 氢原子在分子中与一个a原子键合时，还能形成与另一个b原子的附加键，是一类结合力比较弱的键，但比范德华键要强，有方向性。n 晶体：晶体内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。 n 非晶体(non-crystal): 内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体。不具有长程有序n 点阵结构是将原子/原子团，分子/分子团，离子/离子团抽象为点而构成的阵列，以便于研究及表述n 结构基元：晶体学中，把阵点所代表的内容称为平移结构基元，简称为结构基元。n 晶体结构 = 点阵+ 平移结构基元n 晶胞：晶体结构中最小的周期性重复的单元。两方面描述晶胞结构，周期性重复的方式，重复的内容。n 七大晶系：p24n 金属晶体四种结构及其特点 n 简单立方晶格 (Simple Cubic Lattice，SC)：Pon 体心立方晶格(Body-Centered Cubic Lattice，BCC)：Cr、Mo、W、V、a -Fe、 b -Fen 面心立方晶格(Face-Centered Cubic Lattice，FCC)：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Ptn 六方密堆积晶格(Hexagonal Close Packed Lattice，HCP): Mg、Be、Zn、 a -Ti、Cdnn 离子晶体五种结构n 晶体缺陷及其分类 n 点缺陷（晶格空位、置换原子、间隙原子），将导致晶格畸变n 线缺陷：呈线状分布的缺陷-位错(刃型、螺型)n 面缺陷：p26n 金属的热膨胀性 金属受热体积增大，冷却时则收缩的能力，用线膨胀系数表示。n L2 - L1n n L2Tn ：线膨胀系数， L1：膨胀前的长度， n L2：膨胀后的长度，T：膨胀前后的温度差n 导电性 是金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能n 导热性是金属在加热或冷却时能够传导热能的性能，用热导率表示。n 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。n 塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。用延伸率和断面收缩率来衡量。n 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标 常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。n 第三章n 矿物：由天然产出且具有特定的化学成分和内部结构构造的均匀固体。是组成岩石和矿石的基本单元。n 矿石是矿物的集合体。n 脉石：与矿石矿物伴生的无用矿物统存为脉石。广泛用于金属和无机非金属材料的生产。n 矿物的五大分类 n 自然元素矿物 金（Au）、金刚石（C）、硫（S）、石墨（C）n 卤化物矿物 萤石（CaF2）、石盐（NaCl）、钾盐（KCl）n 硫化物矿物 黄铁矿（FeS2）、黄铜矿（CuFeS2）、方铅矿（PbS2）n 氧化物和氢氧化物矿物 赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、软锰矿（MnO2）、铝土矿（Al2O3nH2O）褐铁矿（ Fe2O3 nH2O）n 含氧酸盐矿物 硫酸盐矿物：石膏、芒硝、重晶石碳酸盐矿物: 方解石（CaCO3）、白云石aMg(CO3)2、菱锰矿(MnCO3)n 三大选矿法及其特点 将有用矿物和脉石矿物分离。n 选矿的步骤： 1)破碎、粉磨使矿物单体解离；2)分离、富集有用矿物； 3)脱水、干燥（对于湿法选矿）。n 选矿的理论基础： 根据矿石物理化学性质的不同，采用不同的方法。如：密度、磁性、溶解度、润湿性、粘度、形状等。n 重力选矿法（简称重选法）：是在运动介质（水）中，按粒度比重和粒度的差异进行分选的分法。根据矿物密度不同，在空气、水或其他悬浮液介质中，具有不同的沉降速度，进行分选的方法。特点：设备简单，成本低。具体工艺：水力、风力分级，洗矿。有重介质、跳汰、摇床、溜槽等方法选矿。应用：a.金、钨、锡矿石。b.钛、锆、铌、钽、稀有金属矿物的矿砂。非金属石矿，如：石棉、高岭土n 浮选法 根据不同矿物表面具有不同的润湿性（疏水、亲水）使粉矿有选择地附着于矿浆中的泡沫中，将其分离的方法。正浮选：有用的矿物浮入泡沫中（与泡沫有良好的润湿性），脉石石物留在矿浆里（与液体有良好的润湿性）。反之为反浮选。特点：效果好，但成本稍高，排出废水。特别适用于低品位矿物成分复杂的矿。应用：a)有色金属矿中的90以上用此法。 b )石墨、萤石、重晶石、磷灰石等非金属矿。 n 磁选法n 根据矿物磁性的大小的不同将其分离的方法。磁选矿物分成三类：a)强磁性矿物如：磁铁矿、钛磁铁矿、磁黄铁矿等。b)弱磁性矿物如：赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、水锰矿、 硬锰矿。c)非磁性矿物如：方解石、石英、长石、黄铜矿无机非金属材料制备用 天然无机原料 粘土、石英、长石、碳酸盐类典型矿物的组成石油化工路线一次加工n 石油一次加工n 方法包括常压蒸馏和减压蒸馏。 蒸馏是一种利用液体混合物中各组分沸点不同进行分离的方法。 原理：根据沸点不同加热、蒸发、冷却。 目的：获得汽油、煤油、柴油、重油等产品。n 常压蒸馏：又称为直接蒸馏，是在常压和300400条件下进行的蒸馏。n 减压蒸馏：负压、380400条件下进行的蒸馏。n 二次加工n 通过对石油蒸馏产品的再次深度加工可以获得大量有机化工原料。n 催化裂化n 加氢裂化n 催化重整n 热裂解n 煤的加工路线n 以煤为原料，经过化学加工转化为气体、液体和固体燃料及化学品n 煤的干馏n 煤的气化n 煤的液化n 材料制备工艺 气相法 液相法 固相法n 气相法 分为不发生化学反应的物理气相沉积法和 通过气相化学反应的化学气相沉积法n 在真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。n 化学气相沉积是指利用原料在气相中通过化学反应形成基本粒子并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、粒子、晶须或晶体等固体材料的工艺过程。n 液相法 熔融法 溶液法 界面法 液相沉淀法 溶胶凝胶法 水热法 喷雾法n 固相法：高温烧结 自蔓延高温合成（SHS）n 高温烧结：一种或多种固体（金属、氧化物、氮化物、黏土）粉末经过成型，在加热到一定温n 度后开始收缩，在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体，这种过程称为烧结。n 应用领域：陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等n 粉末冶金 主要工序：n 制粉混粉成形烧结（整形） （机加工） （热处理）清洗包装n 第四章n 自由流动成型n 指将呈流动状态的物料，成型时无外力作用下，倒入模型型腔或使其附在模型表面，经改变温度（降温或升温），或反应，或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，而形成具有模型形状的产品。n 最终的产品可以是成品，也可以是半成品（或毛坯）。n 自由流动成型中典型代表是：金属砂型铸造、陶瓷注浆成型、塑料与橡胶浸渍成型。n 受力流动成型n 成型时在受力作用条件下，将呈流动状态的物料，注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化（降温或升温），或反应，或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品。n 典型代表是：金属压力铸造、玻璃吹制成型、塑料注塑成型。受力塑性成型的特点和区别n 受力塑性成型是指在受力条件下，在高温，或常温，或塑化剂存在下，固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及机械性能的成型方法。与前两种成型方法（自由流动成型、受力流动成型）相比，受力塑性成型过程中，物料不发生流动，而产生塑性变形。n 受力塑性成型主要有金属锻压成型、陶瓷可塑成型、橡胶塑性成型。n 金属砂型铸造n 是以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，将金属熔化成液体，浇注到具有与零件形状相近似的铸型空腔内，待其冷却、凝固后获得铸件的工艺方法。n 80%以上的铸件用此法制备。n 常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等n 金属压力铸造n 压铸是将液态或半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在运动的压射冲头作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。n 金属锻压成型n 锻压：对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。n 主要方法：n 锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工。n 冲压:将坯料在常温下进行加工。n 经典方法：自由锻造、模型锻造、板料冲压n 粉末冶金制粉混粉成形烧结（整形） （机加工） （热处理）清洗包装nn 第五章n 三大高温合金n 铁基高温合金 镍基高温合金 钴基高温合金n 主要以铁为基体、含一定量铬和镍的奥氏体合金。n 适用于低于800的条件n 镍形成稳定奥氏体的主要元素，并在时效处理过程中形成Ni3(Ti、Al)沉淀强化相。n 铬提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性n 钼和钨强化固溶体的晶界n 铝、钛、铌沉淀硬化作用n 曾长期为我国高温合金的主要品种n 镍基高温合金n 氧化铝 氧化铝（Al2O3）为主体的陶瓷材料，Al2O3含量为75%99.9%。硬度大（仅次于金刚石）、耐磨性能极好（266倍于锰钢）、重量轻（仅为钢铁一半）。广泛用于磨料、模具、刀具、化工材料和电子材料。n 氧化锆 以氧化锆（ZrO2）为主体的陶瓷材料。n 密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好，抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。n 广泛用于磨料、模具、刀具、化工、生物医用材料、发动机部件。n 碳化硅、以碳化硅（SiC）为主要成分的陶瓷，具有已知陶瓷材料中最佳的高温力学性能(强度、抗蠕变性等)。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。缺点是断裂韧性较低，脆性较大。n 以氮化硅（Si3N4）为主要成分的陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。n 塑料包装及其特点n 碳素钢 是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。含碳量小于2%，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。(1) 低碳钢：又称软钢，含碳量小于0.25%。低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削，常用于制造链条，铆钉，螺栓，轴等。(2) 中碳钢：碳0.25%0.60%的碳素钢。有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，大量用于制造各种机械零件。(3) 高碳钢：常称工具钢，含碳量大于0.60%，可以淬硬和回火。锤，撬棍等由含碳量0.75%的钢制造； 切削工具如钻头，丝攻，铰刀等由含碳量0.90% 至1.00% 的钢制造。n 合金钢 现代工业要求钢材具有更高的强度，还要有耐温（高、低）、耐高压、耐腐蚀、综合机械性能好，设备壁厚和自重小等特性。碳素钢无论采用怎么样的热处理都已经不能满足这些要求，尤其是高温抗氧化性、热强性、冷韧性、在高温高压下耐氢氮腐蚀的性能。而在碳素铁中加入一种或多种元素形成的合金钢可有效的改变钢的组织和性能，很好的满足上述要求。目前常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。n 铸铁 含碳量2%以上的铁，含有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。脆性材料，抗拉强度较低，不能锻造，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。n 铜及铜合金纯铜（紫铜）低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备垫片。黄铜：铜锌合金，铸造性能好，力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，价格便宜，应用较广。可作薄壁管和波纹管。 可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。 其中锡黄铜1%的锡，能提高在海水中的耐蚀性。称海军黄铜n 化工陶瓷 由耐火石、长石和石英石经过成型干燥烧结而成，主要成分为SiO2。n 化工玻璃 化工用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃，它们有好的热稳定性和耐腐蚀性第六章高炉炼铁 转炉炼钢的原料 基本工艺流程。n 高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料（焦炭和喷吹燃料）、熔剂（石灰石与白云石等）。n 冶炼1t生铁大约需要1.62.0t矿石，0.40.6t焦炭(coke)，0.20.4t熔剂。n 高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供数量充足、品位高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定的原料。铁矿石处理工艺流程n 矿石破碎筛分富矿(品位大于50%)混匀(mix)高炉；n 矿石破碎筛分贫矿磨矿筛分选矿造块人造富矿高炉高炉炉料炼钢n 根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量去除到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围的过程。n 炼钢任务：“四脱” 脱C、脱O、脱P、脱S “二去” 去有害气体、去夹杂 “二调整” 调整成分、调整温度 n 这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。炼钢用原料n 炼钢原料分为金属料和非金属料两大类。n 炼钢用的金属料主要有铁水、废钢、铁合金。n 1）铁水n 铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%-100%，是转炉炼钢的主要热源，铁水物理热占转炉热收入的50%以上。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定进入转炉的铁水温度应大于1250，并且要相对稳定。n 2）废钢n 转炉和电炉炼钢均使