材料科学概论自学考试材料

材料科学概论自学考试材料材料科学概论自学考试材料 第一章绪论 1 所谓 材料工程 就是着重把基础知识应用于材料的研制 生产 改性和应用 以完成特定的社会任务 解决技术上 经济上 社 会上 包括环境 不断出现的问题 2 材料科学 是一门科学 它包括材料本质的发现 分析和了解 等方面的研究 目的在于提供材料结构的统一描绘或模型 以及解 释材料结构与性能之间的关系 3 材料科学与工程 的定义是材料科学与工程是关于材料成分结 构 工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学 4 按化学成分 生产过程 结构及性能特点 材料可分为三大类 即金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 5 金属材料包括两大类钢铁材料和非铁 有色 金属材料 这是目前用量最大 使用最广的材料 6 主要有铝 铜 钛 镍 及其合金等 7 无机非金属材料主要包括陶瓷 水泥 玻璃 及非金属矿物材料 8 有机高分子材料又称为高分子聚合物 按用途可分为塑料 合成 纤维和橡胶三大类 塑料通常又分为通用塑料和工程塑料 9 复合材料就是由两种或两种以上不同原材料组成 使原材料的性 能得到充分发挥 并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的 材料 按基体可分为金属基 有机高分子材料基 无机非金属基复合材料 颗粒增强和纤维增强复合材料 10 材料按使用性能分类 可分为结构材料和功能材料 按结构分类 可分为晶态材料 单晶 多晶 微晶 液晶 孪晶 非晶态材料 准晶态材料 第二章材料学纲要 1 材料学就是研究材料的成分 组织结构 合成加工 性质与实用 性能之间关系的科学 使用性能是材料研究的出发点和目标 2 材料的化学成分 组织结构是影响其各种性质的直接因素 加工 过程则通过改变材料的组织结构而影响其性质 另一方面 改变化学成分又会改变材料的组织结构 从而影响其性 质 其中组织结构是核心 性能是研究工作的落脚点 第一节材料的成分与组织结构 一 成分与结构 1 材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量 通常用质量分数 表示 有时也用粒子数分数 表示 材料的结构主要是指材料中原子 离子或分子等 为了叙述简便 以下统一由源子代表 的排列方式 2 结合键决定材料的性质 结合键可大致分为两类化学键和物理键 化学键有离子键 共价键和金属键等3种 而物理键包括范德华 G D Van derWalls 键和氢键 3 原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体称为晶体 否则称为非晶体 4 把晶体中的单个原子或若千个原子抽象成一个几何点 它们在三 维空间周期性重复排列 构成空间点阵 这些集合点称为点阵 5 描述空间点阵中阵点排列方式的最小体积单元是对面平行的平行 六面体 称为晶胞 6 根据六面体的相对边长和夹角 晶体分为立方 四方 六方 菱 方 斜方 单斜和三斜的七大晶系 以及14种布拉菲点阵 7 加盟组元原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们 之间的某些空隙而仍保持基本组元的晶体结构 这种晶体为固溶体 8 如果加盟组元以一定的壁纸重新组合形成新的晶体结构 这种晶 体为化合物 9 溶质原子占据阵点的固溶体称为置换型固溶体 占据基本组元原 子间隙的称为间隙型固溶体 10 固溶体 化合物或单质 如铸铁中的石墨 都是多元料的组成 物 统称为组成相或简称 相 单质材料的组成相只能是它自身 多元材料的组成相决定于其化学成分 11 晶体缺陷点缺陷 线缺陷 面缺陷 二 材料的组织 1 材料组织就是在光绪显微镜或电子显微镜下可观察到 能反映各 组相形态 尺寸及分布的图像 材料组织分析是材料研究中十分重 要的工作 三 成分和组织结构的检测 四 材料的成分与组织结构数据库第二节材料的合成与加工第三节 材料的性质与使用性能 一 材料的物理和化学性质及其使用性能 1 材料的使用性能是指材料在服役条件下所表现的特性 它是材料 性质与服役条件 产品设计及加工融合在一起所决定的要素 其度 量指标的寿命 速度 能量效率 安全性和寿命期及费用等 2 材料的物理 化学 力学性质都是成分和结构的体现 它们巨鼎 着材料的使用范围 二 材料性质数据库第四节结构材料的失效 1 材料在外加载荷和环境的作用下 会逐渐损失原有的物理 化学 或力学性能 直至不能继续服役 这一现象称为失效 结构材料常见的失效形式有过量变形 断裂 磨损和腐蚀等 一 材料的变形 1 材料在荷载的做用下发生几何尺寸变化称为变形 变形分为弹性 形变和塑性变形两大类 2 永久性变形称为塑性变形 塑性变形具有不可逆性 二 材料的断裂 1 按照断裂前宏观塑性变形的程度 断裂分为韧性断裂和脆性断裂 两类 2 按照断裂面的取向 断裂分为正断和切断两类 3 按照裂纹扩展的途径 断裂非为穿晶断裂和沿晶断裂两类 4 按照裂纹断裂机理 断裂分为解理断裂 微孔聚集性断裂和纯剪 切断裂3类 三 材料的磨损 1 类别黏着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损及疲劳磨损 四 材料的腐蚀 1 化学腐蚀和电化学腐蚀两大类 第三章金属材料 1 金属的固态特性 1 良好的导电性和导热性 2 正的电阻温度系数 即随温度升高电阻增大 绝大多数金属具有超导性 即在温度接近于绝对零度式电阻突然下 降 趋近与零 3 良好的反射能力 不透明性及金属光泽 4 良好的塑性变形能力 2 金属材料分为两大类铁及铁基合金和非铁合金 一 纯铁 1 纯铁常温晶体结构为体心立方 20 点阵常为0 288nm 称为 铁 Fe 910 发生同素异构转变 910 1390 具有面心立方结构 91 5 点阵常数为0 364nm 称为 铁 Fe 1390 以上晶体结构有转变为体心立方 称为 铁 Fe 二 碳钢 1 碳钢是指以铁和碳元素为主 2 碳在 铁 铁和 铁中均以间隙形式存在于固溶体中 分别称 为铁素体 奥氏体和 固溶体 或高温铁素体 3 按碳的质量分数分为低碳钢 C 0 25 中碳钢 0 25 C 0 6 高碳钢 C 0 6 4 按钢的质量 杂质硫 磷的质量分数 分为普通碳素钢 S 0 055 P 0 045 优质碳素钢 S 0 040 P 0 04 0 高级优质碳素钢 S 0 030 P 0 035 5 普通碳素结构钢数字表示其最低屈服强度 优质碳素钢优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 6铸钢铸钢牌号的表示在数字前冠以 ZG 7碳素工具钢碳素工具钢的 C 0 65 1 35 钢号用碳的平均质 量分数的千分数表示 并在前冠以 T 字 碳素工具钢均为优质钢 若属于高级优质钢 对磷 硫的质量分数限 制更严 则在钢号后标注 A 字 第二节钢的热处理 1 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热 保温和冷却 以 改变整体或表面组织 从而获得所需性能的工艺 一 钢的热处理基本原理 1 马氏体是结构为体心正方的单相组织 实质上是渗碳体未从奥氏 体中析出 而铁原子由面心立方转变为体心立方的碳过饱和铁素体 二 钢的常规热处理 一 退火 1 将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 一般为随 炉冷却 以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺叫退火 2 根据处理的目的和要求 钢的退火可分为完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火和去应力退火等 1 完全退火完全退火又称为重结晶退火 通常用于亚共析钢 是 把钢加热至A c3以上20 30 保温一定时间后缓慢冷却 随炉冷却 以获得接 近平衡组织的热处理工艺 完全退火的目的在于使铸 锻热加工造成的晶粒粗大 晶粒大小不 均匀的组织细化 以提高其力学性能 或使中碳以上的的碳钢和合 金钢得到接近平衡状态的组织 以降低硬度 改善切削加工性能 2 等温退火等温退火是将钢件或毛胚加热到高于A c3 或A c1 的温度 保温适当时间后 较快的冷却到珠光的某一温度 并 等温保持 使奥氏体转变为接近平衡的组织 然后缓慢冷却的热处 理工艺 等温退火的目的与完全退火相同 但转变较易控制 能获得均匀的 预期组织 对于奥氏体较稳定的合金钢常可大大缩短退货时间 3 球化退火球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺 球化退火主要用于过共析钢 如工具钢 滚珠轴承钢等 目的是使 渗碳体 或碳化物 球化 以降低硬度 改善切削加工性能 并为 以后的淬火作组织准备 4 扩散退火为减少钢锭 铸件的化学成分的不均匀性 将钢锭 铸件加热到略低于始容温度的温度 长时间保温并缓慢冷却的热处 理工艺 称为扩散退火 亦称均匀化退火 5 去应力退火为消除铸造 锻造 焊接和机加工 冷变形等冷热 加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退货 称为去应力退 火 加热温度一般为550 600 二 正火1钢材或钢件加热到A c3 亚共析钢 和A cm 过共析钢 以上30 50 保温适当时间后 在空气中均匀冷却 得到珠光体类组织 一般为索氏体 的热处理称为正火 正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快 使钢的组织比较细 三 淬火将刚加热至奥氏体化后 快速冷却 使组织转变为马氏 体的热处理工艺称为淬火 四 回火钢件淬火后 为了消除内应力并获得所要求的性能 将 其加热到A c1以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到温室到热处理工艺 叫做回火 1淬火钢一般不直接使用 必须进行回火 这是因为第一 淬火后得到是很脆的马氏体组织 并存在内应力 工件容易产生形变和开裂 第二 淬火马氏体和尚未发生转变的残 余奥氏体都是不稳定组织 在工作中会发生转变 导致零件尺寸变 化 这对于精密零件是不允许的 第三 需要获得要求的强度 硬 度 塑性和韧度的配合 以满足零件的使用要求 2回火的分类 1 低温回火 150 200 低温回火的目的是降低淬火应力 提高共建韧度 保证淬火后的高 硬度和高耐磨性 2 中温回火 350 500 中温回火得到回火托氏体组织 它具有高的弹性极限和屈服强度 同时具有一定的韧度 主要用于 处理各种弹簧 3 高温回火 500 650 高温回火得到回火索氏体组织 它的综合力学性能最好 即强度 塑性和韧度都较高 三 回火脆性 1 低温回火脆性 第一类回火脆性 它是一种不可逆的回火脆性 为了防止这类脆性 一般是不在该温度范围内回火 钢中加入少量硅 可使此脆化温度区提高 2 高温回火脆性 第二类回火脆性 它是一种可逆的回火脆性 防止高温回火脆性的方法是 尽量减少钢中杂质元素的质量分数 活着加入Mo的合金元素 第三节合金钢 一 概述 1 合金钢的分类按所含合金元素的多少 分为低合金钢 总的质量 分数低于5 中合金钢 总的质量分数为5 10 和高合金钢 总的质量分数高于10 按所含主要合金元素种类 可分为铬钢 铬镍钢 锰钢 硅锰刚等 按用途可分为结构钢 工具钢和特殊性能钢等三大类和许多小类 2 合金钢的编号工具钢的碳的质量分数超过1 时 碳的质量分数不 再标出 在碳的质量分数的数字之后 用元素符号表明钢中主要合金元素 质量分数由其后缀的数字标明 平均的质量分数小于1 5 时不标 平均的质量分数为1 5 2 49 2 5 3 49 时 相应地标出 2 3 3 合金元素与铁的作用合金元素加入钢中 首先溶于铁形成固溶体 超过溶解度极限与碳形成碳化物 几乎所有合金元素 除Pb外 都可溶于铁 4 合金元素与碳的作用合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小 可 分为碳化物形成元素和非碳化物形成的元素两大类 常用的非碳化物形成元素有Ni Co Cu Si Al N B等 常用的碳化物形成元素有Mn Cr Mo W V Nb Zr Ti等 按形 成碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列 二 工程构件用钢 1 低合金高强钢力学性能和加工性能良好 不需要进行热处理 当 前主要的发展方向如下 1 通过合金化和热处理改善机体组织以提高强度 2 超低碳化 3 控制轧制 4 发展专用钢 三 合金渗碳钢 1 渗碳钢具有以下性能 1 渗层硬度高 具有优异的耐磨性和接触疲劳抗力 同时要有适 当的塑性和韧度 2 渗碳件心部有高的韧度和足够高的强度 3 有良好的热处理工艺性能 2 渗碳钢的化学成分有如下特点 1 低碳 2 加入提高淬透性的合金元素 3 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素 3 合金渗碳钢的热处理过程一般都是渗碳后直接淬火 再低温回火 对渗碳时容易过热的钢种如20Cr 20Mn2 在渗碳后需先正火 以消 除过热组织 然后再进行淬火 回火 四 合金调质钢 1 调质钢经热处理后具有搞的强度和良好的塑性 韧度 即良好的 综合力学性能 2 合金元素Cr Mn Si Ni除了提高淬透性外 还能使铁元素体固 溶强化 提高钢的强度水平 五 弹簧钢 1 弹簧钢还应有较好的淬透性 不易脱碳和过热 容易卷绕成形 2 合金弹簧大致分为2类 1 以Si Mn元素合金化的弹簧钢 2 含Cr V W等元素的弹簧钢 六 滚动轴承钢 1 轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈等 属于专用结构钢 从化学成分上看它属于工具钢 所以也用于制造精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 2 轴承元件的工作条件复杂而苛刻 因此对轴承钢的性能要求很严 主要是三方面 1 高的接触疲劳强度 轴承元件如滚珠与套圈 运转时为点或线接触 接触处压应力高达1 500 5000Mpa 应力交变次数每分钟达几万次甚至更多 往往造成解 除疲劳破坏 产生麻点或剥落 2 高的硬度和耐磨性 3 足够的韧度和淬透性 3 轴承钢的特点 1 高碳 2 Cr为基本的合金元素 3 加入Si Mn V等 4 纯度要求极高 4 轴承钢的热处理主要为球化退火 淬火和低温回火 5 为了稳定尺寸 淬火后可立即进行 冷处理 60 80 并在回火和磨削加工后 进行低温时效处理 于120 130 保温5 10h 七 合金刃具钢 1 对刃具钢性能提出以下基本要求 1 高硬度 2 高耐磨性 3 搞的红硬性 4 足够的塑性和韧度 2 低合金刃具钢这类钢最高工作温度不超过300 其成分特点如 下 1 高碳保证刃具有高的硬度和耐磨性 2 加入Cr Mn SI W V等合金元素 八 合金模具钢 1 模具钢一般分为冷模具钢和热模具钢两大类 2 冷模具钢的特点 1 高硬度 一般为58 62HRC 2 高耐磨性 3 足够的韧度与疲劳抗力 4 热处理形变小 3 对热模具钢的主要性能要求是 1 高的红硬性和高温耐磨性 2 高的抗氧化能力 3 高的热强度和足够高的韧度 尤其是受冲击较大的热锻模钢 4 高的热疲劳抗力 以防止龟裂破环 九 合金量具钢 1 对量具钢的要求如下 1 高的硬度 不小于56HRC 和耐磨性 2 高的尺寸稳定性 十 不锈钢 1 金属腐蚀的概念在阳极 电极电位低的Zn板 上 Zn Zn2 2e 即Zn不断离子化 粒子不断进入溶液而溶解 在阴极 电极电位高的Cu板 上 2H 2e H2 即酸中的H 还原 形成H2逸出 阴极得到保护 十一常用的不锈钢不锈钢按正火状态的组织可分为马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢和双相不锈钢十二提高金素的高温强 度主要采取以下途径 1 固溶强化 2 析出相强化 3 晶界强化 十三 耐热钢及高温合金 1 热化学稳定性包括抗氧化性 耐硫性 耐铅性和抗氢腐蚀性等 其中最重要的是抗氧化性 第四节铸铁 1 普通铸铁是碳的质量分数大于2 11 的铁谈合金 通常含有较多 的Si Mn S P等元素 一 概述 1 碳可以间隙固溶于铁或以化合态的渗碳体形式和游离态的石墨形 式存在 渗碳体具有复杂的斜方结构 2 铸铁的石墨形成过程 石墨化 可分为3个阶段 第一阶段石墨化 铸铁液晶结晶出一次石墨 过共晶铸铁 和在1154 E C F 线 石墨与奥氏体同时从液相中析出 L G 的共晶反应形成共晶 石墨 第二阶段石墨化 在1154 738 温度范围内奥氏体沿E S 线析出二次石墨 第三阶段石墨化 在738 P S K 石墨与铁素体同时有奥氏体中通过 L G 共析反应析出共析石墨 3 调整C Si的质量分数 是控制铸铁组织与性能的基本措施 4 灰口铸铁的组织由石墨和基本两部分组成 基本可以是铁素体 F 珠光体 P 或铁素体加珠光体 相当于 钢的组织 5 一般根据始末的形态对非白口铸铁进行分类具有片状石墨的铸铁 为灰口铸铁 包括普通灰口铸铁和孕育铸铁2种 具有团絮状石墨的 铸铁为可锻铸铁 具有球状石墨的铸铁为球墨铸铁 具有蠕虫状石 墨的铸铁为蠕墨铸铁 6石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大 灰口铸铁的抗拉强度和塑 性较低 这是石墨对基体的严重割裂所造成的 石墨相当于钢的基体上的裂纹和空洞 它减小基体的有效截面 并 引起用力集中 石墨越多 越大 对集体的割裂作用越严重 铸铁的抗拉强度越低 应力集中对十米形态十分敏感 片状石墨引起严重应力集中 团絮 状的和球状石墨引起的应力集中较轻 7 存在石墨 铸铁具有某些特殊性能 1 因石墨造成脆性切屑 铸铁切削加工性能优异 2 铸铁的铸造性能良好 铸件凝固时形成石墨所产生的膨胀 减 小了铸件的体积收缩 并且降低了铸件中的内应力 3 石墨有良好的润滑作用 并能存储润滑油 使铸铁有良好的耐 磨性 4 石墨对震动的传递起削弱作用 使铸铁具有良好的减振性能 5 大量石墨的割裂作用 是铸铁对缺口不敏感 二 灰口铸铁 一 灰口铸铁的牌号均用 HTXXX 表示 HT 表 示灰铁 后面的3位数字表示最低抗拉强度 二 孕育处理孕育处理是指铸铁溶液浇铸前加入少量孕育剂 以改 善灰口铸铁力学性能的技术 孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁 孕育处理的目的a获得细小的 均匀的石墨片 并细化基体组织 提 高铸铁强度 b避免铸件边缘及薄断面出出现白口组织 提高组织的 均匀性 三 球墨铸铁 1 球墨铸铁的牌号用 QT 标明 其后两组数字表示最低抗拉强度 和伸长率 五 可锻铸铁 1 铁素体可锻铸铁的代号为 KT 珠光体可锻铸铁的代号为 KT Z 其后的两组数字表示最低抗拉强度和伸长率 第五节非铁金属及其合金 一 铝及其合金铝及铝合金有以下特性 密度低 比强度高 优良 的物理 化学性能 加工性能良好 1 高纯铝 99 93 99 99 工业高纯铝 98 85 99 9 工业纯 铝 98 0 99 0 牌号为L 1 L 2 L 3 L 4 L5 编号越大 纯度越低 2 将成分位于途图中D与F之间的合金加热到 相区固溶体后迅速水 冷 可在室温得到过饱和的 固溶体 这种热处理过程叫做固溶处理 在室温下放置或低温加热时 强度和硬度会明显升高 这种现象称为时效或时效硬化 在室温下进行的称自然时效 在加热条件下进行的称人工时效 3 在不同温度下时效的时效时间 强度曲线 时效温度越高 强度峰值越低 强化效果越小 时效 温度越高 时效速度越快 强度峰值出现所需时间越短 自然时效 后的铝合金 在230 250 几秒至几分钟 加热后 快速水冷至室温 时 可以重新边软 如再在室温下放置 则又能发生正常的自然时效 这种现象称为回 归 铝合金分形变铝合金和铸造铝合金2类 4 成分低于D的合金 加热时能形成单相固溶体组织 塑性较好 食欲变形加工 称为形变铝合金 5 防锈铝合金主要有LF 5 LF 11 LF21等 6 硬铝合金主要有LY 1 LY 11 LY12等 属于Al Cu Mg系合金 7 锻铝合金为Al Cu Mg Ni Fe系合金 牌号LD 5 LD 7 LD10等 8 铸造铝合金有Al Si Al Cu Al Mg Al Zn等4种合金系 1 铸造Al Si合金牌号主要有ZL 101 Zl 104 Zl 105 Zl107等 用于形状复杂的零件 如飞机 仪器零件 抽水机 壳体等 2 Al Cu合金的强度较高 耐热性好 但铸造性能不好 3 Al Mg铸造铝合金 ZL 301 ZL302 强度高 密度低 2550kg 有良好的耐磨性 但铸 造性能不好 耐热性差 4 Al Zn合金 ZL 401 ZL402 价格便宜 铸造性能优良 经变质处理和时效处理后 强度较高 但抗蚀性较差 热裂倾向大 6 铸造铝合金的铸件形状一般较复杂 组织较粗大 并有严重的 偏析 成分不均匀 因此与形变铝合金处理相比 固溶处理温度 应高些 保温时间要长些 使粗大析出物尽量溶解 并使固溶体成 分均匀化 加热后一般用水冷却 多采用人工时效 二 铜及铜合金 1 铜及铜合金有下列特性 1 优异的物理 化学性能纯铜导电性 导热性极佳 铜合金的导 电性 导热性也很好 2 良好的加工性能铜及其某些合金塑性很好 容易冷 热成形 铸造铜合金有很好的铸造性能 3 某些特殊力学性能例如优良的减摩性和耐磨性 高的弹性极限 和疲劳极限 4 色泽美观 2 纯铜 紫铜 纯铜呈紫色 常称紫铜 主要用于制作电导体及配 制合金 编号越大 纯度越低 无氧铜 3 铜合金一般铜合金分黄铜 青铜和白铜三大类 1 黄铜以Zn为主要合金元素的铜合金成为黄铜 黄铜分为普通黄铜和复杂黄铜 普通黄铜普通黄铜是铜锌二元合金 常用的单向黄铜牌号有H 80 H70和H68等 H 代表 黄铜 数字表示Cu的平均质量分数 复杂黄铜为了获 得更高的强度 抗蚀性和良好的铸造性能 在铜锌合金中加入Al F e Si Mn Ni等元素 形成复杂的黄铜 其编号方法是H 主加元素符号 Cu的质量分数 辅加元素的质量分数 2 青铜青铜原指铜锡合金 但工业上习惯统称含Al Si Pb Be Mn等的铜基合金为青铜 所以青铜实际上包括锡青 铝青铜 铍 青铜等 青铜的编号方法是 Q 主加元素符号 主加元素的质量分数 其他元素 的质量分数 锡青铜工业中使用的锡青铜 Sn的质量分数大多在3 14 之间 锡青铜的铸造收率很小 可铸造形状复杂的零件 铝青铜 铝青铜的力学性能比黄铜和锡青铜的高 铍青铜 以Be为主加元素的铜合金 Be的质量分数为1 7 2 5 称为铍青铜 3 白铜 B 代表白铜 以Ni为主要合金元素的铜合金称为白铜 三 钛及钛合金 1 钛的密度低 熔点高 线膨胀系数小 导热性差 纯钛塑性好 强度低 容易加工成形 可制成细丝和薄片 2 钛合金三类 钛合金 钛合金 钛合金 1 钛合金钛中加入铝 硼等 稳定化元素花的 钛合金 2 钛合金钛中加入一些元素钼 铬 钒等后得到 钛合金 3 钛合金 钛合金塑性很好 容易锻造 压延 和冲压 并可通过固溶处理和时效进行强化 四 镁及镁合金 1 镁合金基本特性 1 密度低 比强度高 比刚度高 这样就可以用来减轻发动机和其他机器零件的质量 2 比铝合金有较大的承受冲击载荷的能力 有可能利用镁合金来 制造猛烈碰撞的零件 3 镁合金具有优良的可切削加工性和可抛光性 2 纯镁为银白色的金属 是最轻的工程金属 五 轴承合金 1 轴承合金应具有以下性能 足够的强度和硬度 足够的塑性和韧 度 高的疲劳强度 良好的磨合能力 高的耐磨性 良好的耐蚀性 导热性 较小的膨胀系数 2 轴承合金的组织特点是 在软基体上分布硬颗粒 活者在硬基体 上分布软颗粒 第四章无机非金属材料第一节陶瓷概论 一 陶瓷材料的分类 1 传统陶瓷主要指粘土制品 2 特种陶瓷是以高纯化工原料和合成矿物为原料 沿用传统陶瓷的 工艺流程制备的陶瓷 是一些具有各种特殊力学 物理或化学性能 的陶瓷 二 陶瓷材料的物质结构 1 陶瓷材料组成相的结合键为离子键 如MgO Al2O3等 共价键 如金刚石 Si3N 4 BN等 以及离子键和共价键的混合键 2 元素的原子在化合物分子中把电子引向自己的本领叫做元素的电 负性 形成共价键的两语速电负性相等或接近 形成离子键的两元素的电负性差别较大 3 陶瓷的组成相结构比金属复杂 大致分为3种晶体相 玻璃相 气相 气孔 4 陶瓷中的晶体相主要有含氧酸盐 如硅酸盐 钛酸盐 锆酸盐 氧化物 如氧化铝 氧化镁等 和非氧化物 如碳化物 氮化物 等 5 常见的含氧酸盐是硅酸盐 6 陶瓷中玻璃相的作用是将分散的晶体相黏接起来 填充晶体之间 的空隙 提高材料得致密度 降低烧成温度 加快烧结过程 阻止 晶体转变 抑制晶体长大并填充气孔间隙 获得一定程度的玻璃特 性 如透光性等 7 工业陶瓷须控制玻璃相的体积分数 一般为20 40 8 陶瓷中气孔主要是坯料各成分在加热过程中单独或相互发生物理 化学作用所发生的空隙 气孔的存在对陶瓷性能是不利的 它降低陶瓷的强度 是造成裂纹 的根源 9 晶体缺陷分为3种点缺陷 线缺陷和面缺陷 10 元素的原子在化合物分子中把电子引向自己的本领叫做元素的 电负性 形成共价键的两元素电负性相等或接近 形成离子键的两元素的电负性差别较大 11 陶瓷中气孔主要是坯料个成分在加热过程中单独或相互发生物 理 化学作用所生成的孔隙 气孔的存在对陶瓷性能是不利的 它降低陶瓷的强度 是造成裂纹 的根源 三 陶瓷材料的性能特点 1 力学性能 硬度高 刚度高 强度高 塑性与韧性低 提高陶瓷 材料强度及减轻脆性的途径首先 制造微晶 高密度 高纯度的陶 瓷 提高晶体的完整性是陶瓷发展的重要方向 其次 在陶瓷表面引入压应力 可提高其强度 再次 复合强化是发展陶瓷材料优势的重要途径 2 热性能 熔点高 热熔低 热膨胀低 导热性差 抗热震性差 3 电学性能 绝缘 光学性能 一般不透明 化学性能 稳定 第 二节普通陶瓷材料 一 普通陶瓷材料的生产工艺过程 一 传统陶瓷的主要原料有三 部分黏土 石英 长石 1 黏土是一种含水的铝硅酸盐矿物 主要组成为SiO 2 Al2O 3 H2O Fe2O 3 TiO3 加水混合后 有很好的可塑性 水在坯料中起塑化和黏接作用 黏土是瓷坯中Al2O3主要 是坯体耐火度的主要保证 也是烧成莫来 石的主要 2 石英是普通结晶状二氧化硅的矿石 在烧成中与长石等易溶物形成玻璃相 增加液相的黏度 减少制品 的变形 石英还与黏土中的Al2O3 残余石英构成坯体的骨架 3 长石长石一类具有架状硅酸盐结构的矿物的总称 可分为4类钠长石 NaO Al2O3 6SiO2 钾长石 K2O Al2O3 6 SiO2 钙长石 CaO Al2O3 2SiO2 钡长石 BaO Al2O3 2S iO2 4 坯料成形常用的方法有 可塑成形法 注浆成形法 模压成形法 5 普通陶瓷一般采用在常压下进行烧结 烧结过程大致分为4个阶 段 蒸发阶段主要是排除坯体中的残余水分 结束后 坯体完全干 燥 收缩很小 强度增大 属纯物理现象 氧化物分解和晶体转化 阶段 300 950 此阶段发生较复杂的物理化学变化 包括黏土等 矿物中结构水的排除 有机物 无机物的氧化 碳酸盐 硫化物等 的分解 石英的晶型转变 玻化成瓷期 950 烧成温度 冷却阶段 烧成温度 室温 6 陶瓷的质量取决于原料的纯度 细度 坯料的均匀性 成形密度 烧结温度和窑内气氛 冷却速度等 二 普通陶瓷品种 1 按采用的瓷质分为长石质瓷 娟云母质瓷 骨灰质瓷和日用质瓷 等4类 2 普通工业陶瓷主要分为炻瓷 又称半瓷 和精瓷 按用途分为建筑陶瓷 卫生陶瓷 电气绝缘陶瓷和化工陶瓷等 第三节结构陶瓷材料 1 结构陶瓷材料具有耐高温 高硬度 耐磨损 耐腐蚀 低膨胀系 数 低热导率和质轻等有点 一 结构陶瓷的生产工艺 1 与普通陶瓷主要有以下区别在原料上突破了传统陶瓷以黏土为主 要原料的局限 特种陶瓷一般以纯度较高的氧化物 氮化物 碳化 物 膨化物 硅化物等为主要原料 成分由人工配比决定 性质优 劣不是产地决定的 在制备上 突破了传统陶瓷以炉窑为主要烧结 设备的界限 广泛采用真空烧结 保护气氛烧结 采用热压 热等 静压等手段 在性质上 特种陶瓷有不同的特殊性能和功能 2 特种陶瓷的主要工艺是粉末制备 成形和烧结 3 粉末制备对原料的要求纯度非常高 杂质的质量分数在万分之几 范围内 粒度均匀细小 1微米以下 4 制备粉末的特殊方法 固相法 气相法 液相法 机械法 溶剂 蒸发法 二 常见结构陶瓷材料 1 氧化物陶瓷Al2O3陶瓷75瓷 92瓷 95 瓷97瓷 99瓷等 Al2O3的质量分数越高 高铝瓷的性能越好 2 高铝瓷的性能特点 强度高 硬度高 熔点高 抗腐蚀 优良的 化学稳定性 电绝缘性能好 优良的光学特性 生产氧化铝陶瓷的 原料有两种 即工业氧化铝和电容刚玉 3 刚玉瓷生产的关键是化学组成合适 没有或很少有有害杂质 4 几种氧化物结构陶瓷Al2O3陶瓷BeO陶瓷ZrO2陶瓷MgO CaO陶瓷Th O2VO2陶瓷 5 非氧化物陶瓷难溶非金属氧化物陶瓷的特点是高耐火度 高硬度 有的接近金刚石 和高耐磨性 特别是对侵蚀性介质 但这类 陶瓷的脆性很大 6 SiC陶瓷SiC晶体主要有两种晶型一是 SiC 属六方体系 是高温稳定相 二是 SiC 属等轴晶系 是低温稳定相 7 SiC陶瓷的生产方法有反应烧结 热压烧结和常压烧结3种 8 BN陶瓷BN原料主要有两种制备方法一是用B2O3或Na2B4O7 硼砂 与氨或尿素反应生成BN 一是将B2O3与碳混合 在氮气中加热 三 耐火陶瓷 1 耐火材料的性能指标 耐火度 荷重软化温度 高温体积稳定性 抗热震性 抗渣性 耐真空性 2 常见的耐火砖 黏土砖 轻质转 半硅砖 硅砖 高铝砖 镁质 耐火砖 碳砖 3 耐火纤维4耐火混凝土第四节功能陶瓷材料 1 功能陶瓷材料是指具有电 光 磁及部分化学功能的多晶无机固 体材料 其功能的实现主要于它所具有的特定电绝缘性 半导体性 导电性 压电性 铁电性 磁性 生物适应性 2 当外力作用于晶体时 发生与应力成比例的介质极化 同时在晶 体两端将出现正负电荷 这种由于形变而产生的电效应 称为正压 电效应 反之 当在晶体上施加电场引起极化时 将产生与电场成比例的变 形或压力 称为逆压电效应 3 光电陶瓷是能产生光电导效应的陶瓷 它受到光的照射后 由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引 起光吸收现象时 能带内产生自由载流子 而使电导率增加 这种 现象称为光电导效应 光电导效应可分为两种一种是由于能带间的迁移 把满带中的电子 激励到导带中而产生电子一空穴对的本征光电导效应 另一种由于 杂质能级的电子和空穴手受到光的激励 产生自由载流子的非本征 光电导效应 4 利用光导效应检测光强度的元件叫做光敏元件 作为光传感器时也称为光电导模元件 5 给各向异性的电解质施加电场后 压电效应是晶体产生畸变 截 止的折射率产生变化 其中随电场成线性变化的现象称为普客尔效应 随电场的平方变化 的现象称为科尔效应 一般把两者总称为电电效应 相反 由于髙电场引起电子状态密度变化而折射率产生变化的现象 称为电子光效应 二 超导陶瓷的应用在生物医学领域 在交通领域中 在电子和能源方面 在宇宙开发 军事领域中超导体材料具有较大的应用现实性 三 磁性陶瓷 1 软磁铁氧体是利用他的高电阻 高频涡流损耗小的特点 作为磁 路使用的 2 铁氧体的晶体结构有尖晶石型 磁铅石型和石榴石型3类 按铁氧体的性质和用途可分为软磁 硬磁 旋磁 矩磁和压磁等 四 光学陶瓷 1 光学陶瓷特点优良的耐热性 耐风化性 耐膨胀性等 除透过可 见光外 还能透过波长更长或更短的光 光损耗极少 能在远距离 内进行光传播 经光照射其性质发生可逆或不可逆的显著变化 以 用于复印 显示 记录等方面 它不仅是光的同通路 而且具备光 的单色性 调制 偏转 或在光 电 磁 声等作用下能发生某些 物理反应 具有特殊功能 2 透明陶瓷 氧化物透明多晶体 非氧化物透明晶体 3 红外光学陶瓷 4 激光陶瓷最成熟的典型激光晶体 红宝石激光晶体 掺钕的钇铝 石榴石晶体 5 光色陶瓷物质在光照射时改变颜色 停止照射后又可逆地恢复原 状的现象 五 生物陶瓷 1 生物惰性陶瓷 2 生物活性陶瓷 六 陶瓷分离膜 1 以压力差 浓度差等作动力 是气体和液体的混合物或无机物 有机物的溶液分离成各种组成功能膜叫分离膜 七 敏感陶瓷 1 热敏电阻陶瓷 2 压敏电阻陶瓷 3 磁敏陶瓷 4 气敏陶瓷 5 湿敏陶瓷第五节无机建筑材料 1 建筑材料按可分为天然矿物和人造材料 按使用功能可分为结构 材料 维护材料和功能材料 按化学组成还可分为金属材料 无机 非金属材料 有机材料以及复合材料 一 气硬性无机凝胶材料 1 通过武力化学作用 能将浆体变成坚固的块体 并能将散粒材料 如沙子 石子 或块状材料 如砖和石块 等黏结成为整体材料 统称胶凝材料 只能在空气中硬化并保持或继续强化的材料称为气硬性胶凝材料 气硬性无机凝胶材料主要指石灰 石膏 水玻璃等 2 石灰是以碳酸钙为主要成分的石灰岩或其他天然原料及工业废渣 经高温煅烧制成的以氧化钙为主要成分的气硬性胶凝材料 将破碎到一定粒度的原料 如石灰石 的立窑或砖窑中煅烧至1000 左右 碳酸钙发生分解反应 即CaCO31000 CaO CO 所得到的 氧化钙 CaO 即生石灰 磨细的生石灰称磨细灰 生石灰加水得到的氢氧化钙称为熟石灰 若熟石灰中含 3 4 H2O称石灰浆 亦称石灰膏 而在15 溶解 Ca OH 2 0 3 的透明液体称为石灰水 3 生石灰制取石灰胶凝材料时 需要使之与水充分反应变成以氢氧 化钙为主要成分的胶凝材料 这一过程称为熟化 即CaO H2O Ca O H 2此反应为放热反应 每1 CaO可放热1159J 4 石灰浆体的硬化包括干燥 结晶 碳化3个过程 石灰浆蒸发失水的过程就是干燥过程 由于水分蒸发还引起Ca OH 2溶液饱和而析晶 潮湿状态下Ca OH 2与空气中的CO2反应生成碳酸钙晶体 即Ca OH 2 CO2 n H2O CaCO3 n 1 H2O晶体相互交叉连生并与氢氧化钙晶体共生 构 成紧密交织的结构网 从而是硬化浆体获得强度 5 石灰硬化时体积收缩 硬化后耐水性差 强度低 在建筑中应用广泛 用于制成砂浆和灰浆 制粉刷材料 灰土 三 合土 石灰还可用来制造无孰料水泥 各种硅酸按材料 碳化制品等 6 石膏是以硫酸钙为主要成分的气硬性凝胶材料可用作围护材料和 功能材料 7 生产石膏的原料主要有天然二水石膏 CaSO4 2H2O 天然无 水石膏 CaSO4 以及化石石膏 主要成分是二水硫酸钙和无水硫酸 钙的混合物 CaSO4 2H2O107 170 CaSO4 1 2H2O 1 2H2O 8 建筑石膏和适量水拌合后变为二水石膏的过程为石膏水化 开始时的水化物是一种可塑性浆体 逐渐变稠失去可塑性 但尚无 强度 这一过称为 凝胶 以后迅速产生强度 并发展成为坚硬的固体 这一过程称为 硬化 9 按所含结晶水进行分类 有二水石膏 半水石膏 可熔石膏 型石膏 和无水石膏 二水石膏含2个结晶水 主要结晶水 主要是天然二水石膏 其次是 化工石膏 10 石膏制品具有质轻 保温 隔音 吸音 不燃 以及热容量大 吸湿性大 可调节室内温度 湿度 造型施工方便等优点 是一 种有发展前途的材料 11 建筑石膏的应用主要有石膏板 纸面石膏板 装饰石膏板 空 心石膏板 多孔石膏制品 微孔石膏 泡沫石膏 加气石膏等 以及石膏雕塑 建筑装饰制品和室内抹灰 粉刷 油漆打底等 二 水泥 1 凡细磨材料 加入适当水后 成为塑性浆体 既能在空气中硬化 又能在水中硬化 并能把砂 石材料牢固地胶结在一起的水硬性 胶凝材料 统称水泥 2 水硬性物质分为硅酸盐系水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐系水泥 氟铝酸盐系水泥和以火山灰或潜在水硬性材料及其他活性材料为主 要组分的水泥 按其用途和性能又可分为通用水泥 专用水泥 特性 水泥等3类 3 通用水泥指产量较大 适用领域较广 用于一般土木建筑工程的 水泥 其中包括硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥以及复合水泥 即所谓六大水泥 专用水泥是指具有专 门用途的水泥 如油井水泥 大坝水泥 砌筑水泥等 而特性水泥 具有某种突出性能的水泥 如快硬水泥 抗硫酸盐水泥 膨胀水泥 等 4 1796年出现了罗马水泥 19世纪初期 称为波特兰水泥 5 硅酸盐水泥又称纯熟料水泥 国外称波特兰水泥 它是有硅酸盐水泥孰料 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 6 生产硅酸盐系水泥的原料主要是石灰质原料和黏土原料 7 为改善水泥性能 调节水泥标号 生产往往还要加入一些矿物材 料 称为混合材料 8 将原料按适当比例配合 磨细混均 制成干料粉 料球或料浆 即为生料 9 水泥加水拌合后 立即发生水化反应成为可塑性水泥浆 随着水化的不断进行 水泥浆逐步变稠失去塑性 但尚不具有强度 的过程称为水泥的凝结 10 衡量水泥的性质和质量的指标有密度 容量 细度 需水性 凝结时间 安定性 强度及标号 型号 水化热等 衡量水泥获得一定稠度所需水量多少的性质称为需水性 凝结时间是指水泥从和水开始到失去流动性 即从可塑状态发展到 固体状态所需的时间 又分为初凝时间和终凝时间 初凝时间是水泥从水泥和水到水泥浆开始失去苏塑性的时间 终凝 时间是指水泥和水到水泥浆完全失去塑性的时间 11 强度是选用水泥的重要技术指标 12 掺混合材料的硅酸盐水泥