《工程材料及热加工技术》课件汇 第1-11章 工程材料的性能指标-工程材料的选用

第1章工程材料的种类及性能指标

1.1工程材料的种类1.2工程材料的力学性能指标1.3工程材料的工艺性能本章作业：二、三：1、3、91.1工程材料的种类普通陶瓷特种陶瓷陶瓷材料高分子材料工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘剂金属材料钢铸铁有色金属及其合金复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料工程材料1.1工程材料的种类⑴金属材料

金属材料：纯金属及其合金

纯金属材料：仅由一种金属元素构成的金属材料

合金：以纯金属为基、加入其它纯金属或非金属元素所构成的金属材料工程用金属材料多以铁、铝、铜、钛、镍等为基构成的合金。

工业上把金属及其合金分为两大部分：

黑色金属：铁和以铁为基的合金。包括钢、铸铁和铁合金。

95％以上的金属结构材料和工具材料是以铁为基的合金。

有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金。

包括轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、铀金属、稀土

金属和碱土金属等；一般用于特殊场合。⑵高分子材料高分子材料：以高分子化合物或高分子聚合物为主要组分所构成的材料

高分子聚合物：分子量为104～106、分子结构呈链状、链上有重复的化学结构单元的化合物。高分子材料分为四大类：

塑料：室温呈玻璃态的高分子聚合物。

具有较高的强度、韧性和耐磨性。橡胶：室温呈高弹态的高分子聚合物。

具有优良的弹性性能。

胶粘剂：室温呈粘流态的高分子聚合物。

合成纤维：高分子聚合物通过机械处理所获得的纤维材料。具有高的强度。

1.1工程材料的种类⑶陶瓷材料

陶瓷材料：由不含碳氢氧结合的化合物构成的无机非金属材料。由金属

元素与非金属元素如氧、氮、硼等形成的化合物所构成的材料陶瓷材料分为：普通陶瓷材料(传统陶瓷)：主要为硅、铝等氧化物构成的硅酸盐材料。特种陶瓷材料(新型陶瓷)：主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等经烧结而成的材料。金属陶瓷材料：用陶瓷生产方法获得的金属与化合物粉末所构成的材料。⑷复合材料复合材料：由几种材料通过复合工艺组合而成的新型材料复合材料分为：金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料1.1工程材料的种类1.2.1材料的损坏(失效)方式（1）过量塑性变形（2）磨损:形状与尺寸发生变化（3）断裂

分类：

韧性断裂：断裂前发生明显塑性变形

特征：①断裂前有明显塑性变形

②断口呈暗灰色，纤维状、凹凸不平。

脆性断裂：断裂前无明显塑性变形，为突然断裂。

特征：①脆断时工作应力很低（小于屈服强度）

②脆断的断口齐平、光亮避免失效的方法：承受的载荷不大于相应的指标

静载力学性能指标：强度、硬度、塑性

动载力学性能指标：疲劳强度、冲击韧性、断裂韧性1.2工程材料的力学性能指标

1.2工程材料的力学性能指标

1.2.2

静载（加载速率≤10-2/s）下的力学性能指标

强度与塑性指标

（1）测定方法:拉伸试验法GBT228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法①拉伸试样：5倍试样、10倍样②拉伸试验机：拉伸曲线图③拉伸曲线图→应力应变图（2）强度指标：①规定塑性延伸强度（Rp）：表征材料在规定塑性变形时的抗力R0.01、R0.1、R0.2②屈服强度（ReH、

ReL）：表征材料产生明显塑性变形时的抗力产生明显塑性变形的应力③抗拉强度（Rm）：表征材料对最大均匀变形的抗力

拉伸时材料所能承受的最大应力

（3）塑性指标：伸长率和断面收缩率

塑性：材料产生永久变形的能力用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示

⑴断后伸长率：A＝（Lu-L0）/L0

断后试样标距长度的相对伸长值⑵断后断面收缩率：Z=(S0-Su)/S0

断裂前后截面的相对收缩值

伸长率和断面收缩率反应了材料在外力作用下产生永久变形而不发生破坏的能力1.2工程材料的力学性能指标

硬度指标硬度:材料表面抵抗其它硬物压入的能力材料局部塑性变形抗力大小⑴布氏硬度：用布氏硬度计测定注意：①硬度≤450,压头用淬火钢球:硬度值HBSd/p/t；

硬度＞450,压头用硬质合金钢球:硬度值HBWd/p/t②测量退火、正火、调质钢件,铸铁及有色金属零件硬度③不同材料的布氏硬度与强度有一定的关系

低碳钢：Rm＝3.6HBS；高碳钢：Rm＝3.4HBS；

调质合金钢：

Rm＝3.25HBS；灰铸铁：

Rm＝HBS1.2工程材料的力学性能指标

（2）洛氏硬度：洛氏硬度计测定压头：①顶角为120°金刚石圆锥体；②直径为1.588mm钢球加载方式：两次加载硬度值：HR＝Ｋ－h/0.02(h:压痕深度)种类、表示方法及适用范围：类型压头总负荷测量值有效范围应用范围

HRA

120°金刚石圆锥588Ｎ60～85HRA

硬质合金、表面

HRB

1.588mm钢球980Ｎ25～100HRB

有色金属

HRC

120°金刚石圆锥1470Ｎ20～67HRC

调质、淬火钢

（3）维氏硬度：用维氏硬度计测量压头：维氏硬度用锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体。主要用于测量表面硬度。表示方法：硬度值ＨＶp材料条件硬度（kg/mm2）金属99.5%铝铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）软钢轴承钢退火冷轧退火沉淀硬化正火冷轧正火淬火（830℃）回火（150℃）204060170120200200900750

陶瓷

WC金属陶瓷（WC-6%Co）

Al2O3B4CBN（立方）金刚石硅石钠钙玻璃光学玻璃烧结20℃750℃1500～240015001000～15002500～370075006000～10000700～750540～580550～600聚合物聚苯乙烯有机玻璃17161.2.3冲击载荷下力学性能指标:冲击韧性

冲击载荷：加载速率>102/s（1）冲击载荷下材料变形及断裂特点：

①材料塑性及韧性随相对变形速度增大而降低。

②零件在冲击载荷下失效类型与静载相同。

③冲击韧性随温度变化非常敏感。（2）冲击韧性测定：测试原理：

①冲击试样:

②方法:一次摆锤冲击试验法

1.2工程材料的力学性能指标

（3）冲击韧性的意义及应用①Ａk的物理意义：表征材料在冲击载荷作用下吸收

塑性变形功和断裂功的能力。

冲击韧性值等于试样断裂前所吸收的能量。

即：Ak=mg(H-h)（J）

影响冲击韧性的因素：化学成分、热处理状态、

冶炼方法、内在缺陷、加工工艺及环境温度②冲击韧性的应用：

1）评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量：

2）评定材料在不同温度下的脆性转化趋势；

3）确定材料的应变时效敏感性

1.2工程材料的力学性能指标

1.2.4交变载荷下力学性能指标:疲劳强度

交变载荷：载荷大小或方向隨时间变化的载荷疲劳:

零件在交变载荷长时间作用下发生断裂的现象

特点：断裂前无明显塑变，断裂突然发生。

疲劳断裂应力低于静载下的屈服强度。

疲劳抗力指标及其影响因素：

⑴疲劳抗力指标：疲劳极限（S-1，材料抵抗交变应力的能力）

测定方法：疲劳试验法→交变应力与循环周次曲线

材料经受无限次应力循环后不断裂的最大循环应力即为疲劳极限

⑵影响因素材料种类、纯净度和组织状态

合金钢：普通电炉冶炼：Rm为630MPa真空冶炼：Rm为789MPa

40Cr钢：退火态，Rm为650MPa，S-1为314MPa淬火态：Rm为2080MPa，S-1为775MPa载荷类型：

40Cr钢：弯曲：退火态S-1为：314MPa

拉压：退火态S-1为：552MPa

零件表面状态：冷热加工形成的表面缺陷降低疲劳极限

正火态45钢：表面光滑：

Rm为656MPa，

S-1280MPa；

表面有刀痕：Rm为654MPa，S-1145MPa

淬火态45钢：表面光滑：

Rm为1947MPa，S-1800MPa；

表面有刀痕：

Rm为1922MPa，

S-1

300MPa工作温度：高温使疲劳裂纹易形成和扩展，故降低了疲劳极限。腐蚀介质：零件在腐蚀介质（如酸、碱、盐的水溶液、海水、潮湿空气等）中工作时，其表面的腐蚀坑成为疲劳裂纹源，使疲劳极限降低。

1.3工程材料的工艺性能指标

工艺性能：材料在成形加工过程中表现出的性能。

表示生产零件过程中采用某种加工工艺制造零件的难易程度

⑴铸造性能:金属及合金液体易于浇注成形并获得优质铸件的能力：

可铸性：流动性、收缩性、偏析

⑵锻造性能:金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

可锻性：塑性、变形抗力

⑶焊接性能:金属材料焊接成规定要求的构件并满足服役性能要求的能力可焊性：接合性能（焊缝质量）、使用性能（焊接接头性能）

⑷切削加工性能:材料在切削加工时的难易程度。表面质量、刀具寿命

它与材料的种类、成分、硬度、塑韧性、导热性及内部组织状态等因素有关。切削性能好，则切削容易，刀具寿命

长，易于断屑，切削表面光洁。

（5）热处理性能：可热处理性：决定于合金有否相变点淬透性：淬透深度

回火特性：变形和裂纹：第2章工程材料的结构2.1固体材料中质点的结合形式2.2金属的晶体结构2.3高分子材料的结构2.4陶瓷材料的结构

作业：（一）、（二）、三、

四：3、8、9

成份：构成材料的化学元素种类及其相对量(化学成分)结构：构成材料的质点（原子、离子、分子）在空间的排列方式(晶体结构)组织：用肉眼或借助光学显微镜看到的材料内部颗粒物（晶粒组织）

例：

①成分对力学性能影响：

业纯铁：硬度：80HBSRm

：250MPa加入1%Ni后：硬度：90HBSRm

：270MPa

加入1%Si后：硬度：120HBSRm

：360MPa②晶粒尺寸对工业纯铁力学性能影响

晶粒直径(mm)0.097

0.025

0.0200.010抗拉强度(Rm/MPa)163215263278断后延伸率(At/%)28.839.548.850.0概念金相显微镜纯铁组织碳系材料

硅原子2.1固体材料中质点的结合形式质点：原子、离子、分子晶体：质点按一定规律排列在一起所构成的固体材料非晶体：质点呈无规则地堆积在一起所构成的固体材料准晶体金属晶体结晶性塑料单晶硅单晶体宝石金属玻璃塑料陶瓷金属准晶体2.1固体材料中质点的结合形式2.1.1金属晶体中质点间的结合

金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子相互结合，这种结合方式称为金属键。由金属键形成的晶体为金属晶体

如各种纯金属材料金属离子电子云共价电子云正离子2.1.2共价晶体中质点间结合

两个相同或性质相差不大的原子之间通过电子转移形成共用电子对所产生的结合，这种结合方式称为共价键。

由共价键形成共价晶体

如碳原子构成的金刚石极化分子间吸引力d

c

正负离子吸引力正负电荷中心不重叠2.1.4分子晶体中质点间的结合

中性原子或分子之间所存在的结合力称为分子键{范德华(VanderWals)力}。由分子键结合形成的晶体称为分子晶体

如水分子构成的冰2.1固体材料中质点的结合形式2.1.3离子晶体中质点间的结合通过正、负离子外层电子重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，这种结合方式称为离子键。由离子键形成的晶体为离子晶体如NaCl构成的食盐2.2金属材料的结构一、金属的晶体结构

(1)刚球模型

①金属原子是静止的；②金属原子为刚性小球；③晶体即为无数静止的刚性小球按一定规律在空间排列而成。

(2)晶格的概念：刚球模型简化

①晶格：空间网格+格点

②晶胞：晶格中最小的重复性几何单元③晶体结构=点阵+质点（原子、离子、分子）

(3)描述晶格的几何参数：

晶格常数（a、b、c），α、β、γ

晶向（指数）晶面（指数）2.2.1纯金属的理想结构七大晶系2.2.1纯金属的理想结构（4）常见金属的晶格类型：

体心立方晶格：α-Fe、W、Cr、V；（2）面心立方晶格：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Mn、Pb；（4）

密排六方晶格：Ti、Mg、Zn、Be（6）（5）同素异构转变：在不同温度或压力下金属从一种晶格转变成另一种晶格的变化。如：工业纯铁：

温度≤912℃：体心立方晶格(α-Fe)

912℃≤温度≤1384℃：面心立方晶格(γ-Fe)温度≥1384℃：体心立方晶格（δ-Fe）

2.2.2实际纯金属的结构

一、单晶体与多晶体：

单晶体：原子、离子、分子在空间作三维周期性规则排列的晶体晶体内部晶格位向完全一致（晶胞沿三维方向平移得到）。单晶硅：9N以上单晶叶片：

多晶体：由多个晶粒构成的晶体。“伪各向同性”：二、实际金属的晶体缺陷：晶体缺陷：晶体中原子排列不规则的区域三种类型：点、线、面缺陷

实际金属的多晶体组织晶粒1晶(粒)界晶粒2的晶向2.2.2实际纯金属的结构

点缺陷：三维方向的缺陷尺寸都很小。形式：空位(晶格结点上缺少原子)

离位原子

外来杂质原子点缺陷对材料性能的影响2.2.2实际纯金属的结构

线缺陷：一维方向上缺陷尺寸较大。形式：位错：晶体内某区域存在一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错密度：单位体积中位错线的总长度。退火态金属材料：位错密度为107cm/cm³

冷变形金属材料：位错密度为1013˜14cm/cm³金属理论切变强度：

1000MPa～10000MPa实际屈服强度：0.5～10MPa线缺陷对材料性能的影响2.2.2实际纯金属的结构

面缺陷：二维方向上尺寸较大的晶体缺陷。形式：晶界：晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界：一个晶粒内小晶块之间的界面.面缺陷对材料性能的影响晶粒细，则晶界多，位错运动困难，塑性变形难，因而材料强度高三、缺陷对材料性能的影响（1）金属材料强度与塑性：

缺陷密度：材料单位体积中所包含的缺陷数。①点缺陷：材料强度随点缺陷密度增加而增加，塑韧性随点缺陷增加而下降。②线缺陷：材料强度与位错密度呈抛物线关系：先下降，后上升。塑韧性随位错密度先增加后下降。③面缺陷：材料强度和塑韧性随晶界或亚晶界的增加而增加。（2）金属材料的物理、化学性能缺陷降低材料的导电性、导热性、耐蚀性等（3）金属材料的强化途径：

提高材料中的缺陷密度或降低材料中的缺陷密度可提高材料的强度①增加材料中的点缺陷：固溶强化（提高强度）②增加材料中的位错密度：形变强化（加工硬化）（提高强度）③增加材料中的面缺陷：细晶强化（提高强度、塑性和韧性）2.2.2实际纯金属的结构

2.2.3合金的结构合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的、具有金属特性的金属材料组元：组成合金的独立的、最基本的单元（纯金属、纯非金属、稳定的化合物）

二元合金：由两个组元构成的合金多元合金：由两个以上组元构成的合金熔合合金：通过熔炼法制得烧结合金：由粉末烧结法制得相：合金中具有相同化学成分、聚集状态和性能并以界面相互分开的结构体组织：借助金相显微镜观察到的金属及合金内部颗粒物合金相的结构：固溶体、化合物2.2.3合金的结构（1）固溶体：构成合金的一种组元晶格类型保持不变、其余组元以原子形式溶入其中所得到的固相

固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体：溶质原子取代部分溶剂原子的晶格结点位置所形成的固溶体间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中的间隙位置所形成的固溶体固溶强化：溶质原子溶入后引起固溶体的晶格发生畸变，金属的强度、硬度升高的现象

间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。2.2.3合金的结构（2）金属化合物：合金中的组元以一定原子数量比形成一种与合金的任一组元晶格类型均不同的新相（AnBm）。特点：(1)各组元形成一种新的、复杂晶格类型。(2)具有金属性质的金属键参与作用。(3)用化合式表示，但不一定遵守化合价规律(4)性能：高熔点、高硬度、脆性大；特殊的物理性能：高磁性、高导电性：Nd2Fe14B

TiAl

Nb3Al金属化合物分类：

(1)正常价化合物：Mg2Sn、Mg2Pb(2)电子化合物：Ag3Al（3：2）、Cu3Sn（7：4）(3)间隙化合物（间隙相）：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等非金属元素形成的金属化合物r非/r金小于0.59，简单晶格化合物，称为间隙相r非/r金大于0.59，复杂晶格化合物，称为间隙化合物2.2.3合金的结构（3）合金的组织类型与性能组织类型：单相组织:一种相构成的组织（纯金属、单相固溶体、单相金属化合物）混合物组织：多种相构成的组织（固溶体1+固溶体2、固溶体＋金属化合物）不同类型组织的性能塑性：单相固溶体组织＞机械混合物组织＞金属化合物组织强度：金属化合物组织＜单相固溶体组织＜机械混合物组织硬度：单相固溶体组织＜机械混合物组织＜金属化合物组织（机械混合物组织＝固溶体＋金属化合物）2.3.1高分子聚合物的结构、组成与形态一、高分子聚合物的结构[单体、链节、聚合度]

高分子聚合物：由一种或几种低分子化合物连接而成的高分子链聚乙烯（PE）由乙烯聚合而成。聚氯乙烯（PVC）由氯乙烯聚合而成

链节

n[CH2=CHCl]→[CH2-CHCl]n

单体

聚合度聚合：由低分子化合物到高分子化合物的转变高分子聚合物用单体、链节、聚合度来描述单体：聚合前的低分子化合物链节：大分子链中的重复结构单元聚合度：链节的重复次数2.3高分子材料的结构二、高分子链的化学组成

组成高分子的化学元素主要是碳、氢、氧、氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成高分子链的最主要元素。高分子链可分成三类：碳链高分子（-C-C-C-C-）：主链由碳原子以共价键连接

如聚乙烯（PE）（CH3-CH=CH2）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）

塑性好、易加工、易燃、耐热性差、易老化2.3高分子材料的结构杂链高分子（－C－O－S－）：主链由碳、氧、氮、硫、磷等原子以共价键连接聚甲醛（POM）聚酰胺（PA）聚砜（PSF）。

强度较高、耐热性好元素链高分子（－Si－O－、－Si－Si－Si－）：主链由硅、氧、硼、硫、磷等元素组成的高分子聚硅氧烷氟硅橡胶

热稳定性高，有机物的弹塑性好，缺点是强度较低。2.3高分子材料的结构三、高分子聚合物的形态

线型分子链：

各链节以共价键连接成线型长链高分子，其直径小于1纳米，而长度达几百甚至几千纳米，像一根呈卷曲状或线团状的长线2.3高分子材料的结构岐化型分子链：在聚合物主链的两侧以共价键形式连接相当数量、长短不一的支链。

体形分子链：在线型或支化型高分子链之间通过化学键或链段连接成一个三维空间网状大分子结构

。

线型聚合物（热塑性聚合物）：加热或冷却可使其重复软化（或熔化）和硬化（或固化）。如聚丙烯、聚苯乙烯、涤纶、尼龙、生橡胶等。体型聚合物（热固性聚合物）：加热加压成型后，不能再加热熔化或软化。如酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。四、高分子聚合物的空间构型

高分子链的空间构型：高分子链中由化学键所固定的原子或原子团在空间的排列方式

2.3高分子材料的结构立体异构：化学成分相同，不对称取代基沿分子主链占据不同位置，形成具有不同链结构的现象全同立构和间同立构：易结晶，硬度、相对密度、软化温度及熔点都较高；无规立构：不容易结晶，性能较差，易软化。

全同立构间同立构无规立构2.3高分子材料的结构2.3.2高分子材料的结构聚集态结构：高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，是在成形加工中形成聚集态结构与高分子材料的性能直接相关高分子链的聚集态分为三种：晶态：分子链在空间规则排列部分晶态：分子链在空间部分规则排列非晶态：分子链在空间无规排列，亦称玻璃态结晶度：高分子材料中结晶区域所占的百分数结晶度变化范围为30%～90%，有时可达98%晶态聚合物：分子链规则排列而紧密，其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好；非晶态聚合物：分子链无规则排列，故其弹性、延伸率和韧性等性能好；部分晶态聚合物：性能介于上述二者之间。

晶态部分晶态非晶态2.4陶瓷材料的结构

陶瓷材料：由金属和非金属构成的无机化合物所组成的多晶多相固体物质

室温下由晶相、玻璃相和气相组成

分类：普通陶瓷、特种陶瓷、金属陶瓷2.4.1

晶相（晶体相）：主要组成物，包含多个晶相

其结构、数量、晶粒大小及形状和分布等决定了陶瓷的主要性能和应用

晶相：含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐等）、氧化物（Al2O3、MgO等）

非氧化物（碳化物、氮化物等）2.4陶瓷材料的结构

一、氧化物结构

氧化物是大多数典型陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成物和晶体相。其由较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较小的正离子填充在晶体结构的空隙内。

具有较高的熔融温度，在氧化气氛中非常稳定。较高的机械强度、电绝缘性能和化学稳定性。除氧化铍陶瓷外，其导热性较低。由超细粉末配料并加入少量烧结促进剂和改性添加剂。

MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2、BeO、ZnO、TiO22.4陶瓷材料的结构二、含氧酸盐

硅酸盐:其结合键是离子键和共价键的混合，结构复杂

其基本单元都是[SiO4]四面体，硅离子位于四面体中心三、非氧化物

非氧化物是指不含氧的碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等陶瓷的总称。是特种陶瓷的主要组成和晶体相（WC、TiC、Si3N4、BC、BN）该类陶瓷具有优异的高温强度、较低的热膨胀系数、接近金属的热传导率、耐氧化、耐高硫燃料的腐蚀、耐外来应力和热冲击等特性。TaC陶瓷断口形貌ZrC样品断口形貌2.4陶瓷材料的结构2.4.2玻璃相：陶瓷高温烧结时各组成物质和杂质产生一系列物理、化学反应后形成的一种非晶态物质。

玻璃相的作用：将分散的晶相粘结在一起，降低烧成温度，填充空隙，提高致密度，加快烧结过程，抑制晶相长大等。玻璃相强度比晶体相低，抗热震性差，在较低的温度下即开始蠕变、软化，而且玻璃中的金属离子降低陶瓷的绝缘性能，工业陶瓷中玻璃相数量常控制在20％～40％范围内。

玻璃相是陶瓷的重要组成，但研究玻璃的无序结构比研究晶体结构要困难得多，目前尚无定论。2.4.3气相：陶瓷中存在的一部分孔隙表面开口的气相将降低陶瓷性能和质量。

存在于陶瓷内部的气相将导致产生裂纹，使陶瓷性能大幅下降，如组织致密性下降、应力集中、脆性增加、介电损耗增大等。应尽量降低气孔的大小和数量，并使气孔均匀分布。

普通陶瓷气孔率为5％～10％，特种陶瓷5％以下，金属陶瓷0.5％以下。第3章工程材料的制备

3.1工程材料的制备过程

3.2金属材料的结晶和组织3.3高分子材料的合成及结构

3.4无机非金属材料的制备3.1工程材料的制备过程材料化过程：物质或原料转变为具有一定使用性能并可用于某种场合的材料的转变过程3.1.1金属材料的制备过程一、钢铁材料轧制炼钢连铸或铸锭炼铁钢材转炉电炉3.1工程材料的制备过程二、有色重金属：Cu、Ni、Co获得Cu、Ni、Co等纯金属后，按需要加入其它金属或非金属即得到铜合金、镍合金或钴合金三、铝：烧结法工艺铝土矿＋纯碱＋石灰石→高温焙烧→铝酸钠→稀碱液溶解→脱硅→碳酸化分解→氢氧化铝→焙烧→氧化铝→高温氧化铝熔盐炭素电解→金属原铝。金属原铝+其它金属或非金属经熔化、冷却得到铝合金3.1.2高分子材料的制备过程高分子材料是以高分子聚合物为基体、再加入其他添加剂所构成的材料。

如：塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料和复合材料一、加聚反应一种或几种单体相互加成而连接成高分子聚合物的反应单体为一种的加聚反应称为均加聚反应单体为二种或二种以上的加聚反应称为共加聚反应二、缩聚反应

一种或几种单体相互作用连接成高分子聚合物、并析出（缩去）新的低分子化合物的反应

3.1工程材料的制备过程3.1.3陶瓷材料的制备过程

陶瓷的材料化过程包括原料制备、坯料成型和制品烧成或烧结原料制备粘土、石英和长石→拣选→粉粹→配料→混合→磨细→粉料坯料成型将制备好的粉料加工成一定形状和尺寸、并具有必要机械强度和一定致密度半成品的过程塑性泥料：可塑成型，如传统陶瓷的生产浆料型坯料：注浆成型法，如形状复杂、精度高的产品粉状坯料：压制成型，如特种陶瓷和金属陶瓷制品烧成将干燥后的坯料高温加热使其进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程3.1工程材料的制备过程一、结晶：由原子不规则排列的液态金属转变成规则排列的金属晶体的过程。研究方法：热分析法。（与凝固有区别）①纯金属结晶是在恒温下进行；②纯金属结晶需要一定过冷度（理论结晶温度与实际结晶温度的差值△T）二、金属结晶的基本过程

（1）液态金属的结构（Ｘ光衍射）①液态金属中存在许多游动的排列规则的原子集团。②原子集团处于不断消失又不断形成的变化过程中。③温度越高，液态金属中原子集团越小，反之，原子集团越大。3.2金属材料的结晶和组织3.2.1纯金属的结晶和组织（2）金属结晶的基本过程①形成晶核：形核（生核）有两种方式：

自发形核：液态金属中规则排列的原子集团形成晶核的形核方式。

非自发形核：外来微粒质点作为结晶核心的形核方式。②晶核长大：

晶核的长大方式：树枝状方式长大晶核像树枝状向前生长，不断分枝发展，形成一次晶轴、二次晶轴、三次晶轴。液态金属结晶后的晶粒大小与结晶时晶核形核率、长大速度有关

形核率：单位体积中的晶核数

长大速度：单位时间内晶核的生长量3.2金属材料的结晶和组织3.2.1纯金属的结晶和组织形核率（N）：

过冷度↑，N

↑，晶粒细

生长速度（G）：

过冷度↑，G

↑，晶粒粗三、结晶对金属材料性能的影响：细晶强化

细晶强化：因晶粒细化使材料提高强度晶粒大小的控制：（1）增大冷却速度(增大过冷度→降低晶核长大速度)如：降低铸型温度、采用金属型。（2）进行孕育处理增加非自发形核率如：铸铁件：向铁水中加硅铁合金孕育剂（3）降低晶核的生长速度：如：铝合金铸件：向铝水中加入钠盐变质剂（4）用振动破碎枝晶，增加自发形核率：如：机械振动、超声波振动、电磁搅拌。3.2金属材料的结晶和组织3.2.1纯金属的结晶和组织一、合金的结晶及相图（1）合金结晶特点①结晶在一定温度范围内

完成，非恒温结晶②结晶过程和结晶时形成

的相与合金成份及温度

有关③形成多相混合物组织（2）二元合金相图

表示二元合金系中所有

合金的相随温度、成份

的变化关系图3.2金属材料的结晶与组织3.2.2二元合金相图二、二元合金相图的建立与读识（1）相图的建立：热分析法步骤：①配制合金并熔化；

②用热分析法测定冷却曲线；

③将冷却曲线绘制到温度－成分坐标图中；

④分别将所有结晶开始点（所有终了点）连成光滑曲线；⑤标上曲线名称和各相区的相（相结构）或组织。3.2金属材料的结晶与组织3.2.2二元合金相图（2）相图的读识：

①结晶开始线、单相液相区

②结晶终了线、单相固相区

③液、固两相区。

三、几种典型的二元合金相图:匀晶相图：两组元在液态无限互溶、

结晶时形成无限固溶体的相图⑴结晶过程分析（合金成分为XⅠ）①温度高于t1时，合金为液相L（L成分为XⅠ）；②温度达到t1时，从液相L中析出固溶体α。（α成分为α1，L成分为L1）；3.2金属材料的结晶与组织3.2.2二元合金相图③温度降到t1～t3之间，合金进入两相区析出的固相α成分沿结晶终了线变化：α1→α3；剩余液相成分沿结晶开始线变化：L1→L3。

④温度降至t3时，所有液相全部转化为固相α（α成分为α3，L成分为L3）；⑤温度降到t3～室温，合金进入单相α固相区（α成分为XⅠ成分偏析（枝晶偏析）在温度Ｔ1下,Xb成分合金各相相对量为：

Ｑα×Xc+QL×Xa=1×XbＱα+QL=1

则：Ｑα×(Xc-Xb)=QL×(Xb-Xa)

ＱL=(Xc-Xb)/(Xc-Xa)Ｑa=(Xb-Xa)/(Xc-Xa)⑵结晶过程中相的相对量计算―――杠杆定律：铸态50X退火态100XCu-Ni合金的成分偏析（枝晶偏析）

共晶相图：具有共晶转变的相图

共晶转变：液态互溶的两组元，一定成分的合金在一定温度下从液态金属中

同时结晶出两种晶体的转变。共晶转变的温度叫共晶温度。共晶转变的成分叫共晶成分。共晶转变的产物叫共晶体。相图分析：点：a、b（熔点），d（共晶点）线：结晶开始线：ad-db

结晶终了线：ac-cde-eb

βⅡ

析出线：cf

αⅡ析出线：eg

区：单相区：L、α、β

两相区：L+α、L+β、α+β

三相区：cde典型合金的结晶过程⑴共晶合金：Ⅱ

①温度高于共晶线时，合金为液相L，成分为共晶点成分；②温度降到共晶线时，液相中同时析出固溶体α和β

α相成分为d点，β相成分为e点；③温度降到共晶线以下时，合金进入两相区，共晶体中

α相成分沿cf线变化，并析出βⅡ（二次相）β相成分沿eg线变化，并析出αⅡ（二次相）

④温度降至室温时，α→αf、β→βg室温组织：[（α基体＋βⅡ）＋（β基体＋αⅡ）]忽略二次相，共晶成分合金室温组织：（α＋β）共晶成分合金室温相组成物：α、β⑵亚共晶合金：Ⅲ①温度在液相线上方时，合金为液相Ｌ；②温度降到液相线时，将析出固溶体α；③温度在液固相线之间时，Ｌ中析出α相：α成分沿ad变化；剩余Ｌ沿ac变化④温度接近共晶线时，结晶出的固溶体和剩余液相相对量为：

QL=(X-Xc)/(b)；Qα=(Xd-X)/(Xd-Xc)⑤温度降至共晶温度，剩余液相变成（α+β），共晶转变结束后，合金组织为：α、（α+β）组织组成物相对量为：Qα=(Xd-X)/(Xd-Xc)；Qα+β＝(X-Xc)/(Xd-Xc)合金中的相为：α、β，相组成物相对量为：

Qα=(Xe-X)/(Xe-Xc);Qβ＝(X-Xd)/(Xe-Xc)⑥温度降至室温时，合金中α相成分沿df线变化，并从α相中析出二次相β；β相成分沿eg线变化，并从β相中析出二次相α。室温组织：（α+βⅡ）＋（α+β）；相组成物：

α＋β。其它类型的二元合金相图

⑴包晶相图：包晶转变：具有一定成分的一种液相与一种固相在一定温度下生成为另一种

固相的转变

包晶相图：组元在液态无限互溶、固态有限固溶，并发生包晶转变的相图⑵共析相图：一定温度下，从一定成分的固溶体中同时析出两种新相的相图共析转变与共晶转变的异同点：

相同点：由一个单相转变成两种新相；转变产物为机械混合物。

不同点：共晶转变在液态下进行，共析转变在固态下进行：共析转变比共晶转变需要更大的过冷度；共析转变的转变产物比共晶转变的转变产物更细密。⑶金属化合物相图：二元合金相图与合金的性能（1）合金的使用性能与相图的关系：3.2金属材料的结晶与组织二元合金相图与合金的性能（2）合金的工艺性能与相图的关系：①液态金属的工艺性能：铸造性能：

锻造性能：

焊接性能：②固态合金的工艺性能：压力加工性能：

单相固溶体组织＞两相固溶体组织＞固溶体＋金属化合物组织切削加工性能：固溶体＋金属化合物组织＞两相固溶体组织＞单相固溶体组织可热处理性能：相图中，固态时从高温至室温过程中有相变或相中有成分变化的合金才可热处理强3.2金属材料的结晶与组织3.2.3铁碳合金的结晶⑴铁碳相图中的组元①铁:

熔点：1538℃

可同素异构转变性能：Rm：180～230MPa、50～80HB

A(δ)：30～50％Z(ψ)：70～80％

Ak：160~200J②渗碳体（Fe3C）:

复杂斜方晶格，间隙化合物，含碳6.69％性能：硬度800HBWRm=40MPa，塑韧性为零

无同素异构转变

高温长时间保温，分解为铁与石墨：Fe3C→3Fe+C(石墨)3.2金属材料的结晶与组织3.2.3铁碳合金的结晶⑵

铁碳合金中的基本相（铁与碳形成的合金相）①铁素体（F或α、δ）:

碳与α-Fe或δ-Fe形成的间隙固溶体

727℃时最大溶碳量为0.0218％；室温时溶碳量约为0.0008％。铁素体的力学性能与纯铁几乎相同

δ存在于1395~1538℃之间②奥氏体（A或者γ）：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体

1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％

727℃时，溶解度为0.77％。

奥氏体具有良好的塑性和较低变形抗力，适合压力加工。

③渗碳体（Fe3C）：（铁与碳形成的金属化合物）其形状、大小、数量及分布对钢性能的影响非常大。渗碳体为亚稳定相，在高温下：Fe3C→3Fe十C(石墨)。3.2金属材料的结晶与组织⑶铁碳相图3.2金属材料的结晶与组织⑶铁碳相图3.2金属材料的结晶与组织⑶铁碳相图C：共晶点，1148℃，4.30%E：碳在γ-Fe中的最大溶解度，1148℃，2.11%S：共析点，727℃，0.77

%(A1)P：碳在α-Fe中的最大溶解度，727

℃，0.0218%Q：室温时碳在α-Fe中的最大溶解度，0.0008%共晶反应：ECF线为共晶线，当含碳量在2.11％～6.69％的铁碳合金冷却到此线时，发生共晶反应：反应产物：莱氏体（Ld）（奥氏体+渗碳体）。莱氏体冷至共析温度以下，转变为低温莱氏体（Ld'）。共析反应：PSK线为共析线。当含碳量在0.0218％～6.69％的铁碳合金冷却到此线时，发生共析反应：

反应产物：珠光体（P）（铁素体+渗碳体）3.2金属材料的结晶与组织⑶铁碳相图ES线：碳在奥氏体中的溶解度线（Acm）1148℃→727℃：奥氏体中析出渗碳体(Fe3CⅡ)GS线：奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线（A3）PQ线：碳在铁素体中的溶解度线727℃→室温：铁素体中析出渗碳体(Fe3CⅢ)。3.2金属材料的结晶与组织工业纯铁：(≤0.0218)，其显微组织为铁素体+极少量三次渗碳体钢：(0.0218～2.11)亚共析钢：(0.0218～0.77)，平衡组织为铁素体和珠光体共析钢：(0.77)，平衡组织为珠光体。过共析钢：(0.77～2.11)，平衡组织为珠光体和二次渗碳体白口铸铁：(2.11～6.69)亚共晶白口铸铁：(2.11～4.3)，平衡组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体共晶白口铸铁：(4.3)，平衡组织为莱氏体过共晶白口铸铁：(4.3～6.69)，平衡组织为莱氏体和渗碳体

⑷

铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的分类3.2金属材料的结晶与组织0.0008室温时相组成物为：F、Fe3C，相对量为：

ＱF

＝（KS/KP）×100％＝88.7％ＱFe3C=（SP/KP）×100％＝11.3％室温时组织组成物为：Ｐ，相对量为100％

①共析钢平衡结晶过程a液相线1点以上为液相L；b温度降至1点时，L中结晶出奥氏体（A）相;c温度降至1-2点之间时，A相不断增加，液相L不断减少d温度降至3点时，所有液相全部结晶成A相；e在2-3（固相线和共析线）点之间，合金成份、相均不变；f降到共析温度3点时，发生共析转变：A→P（F+Fe3C）g共析温度到室温4点时

，共析钢中的F相中析出Fe3CⅢ，原有的Fe3C不发生变化。h室温下共析钢：

相组成物为：F、Fe3C；组织组成物为：珠光体P3.2金属材料的结晶与组织②亚共析钢平衡结晶过程：a1点以上为液相L；b温度降至1点时，L中结晶出A;c1-2液固相线之间，A相不断增加，L不断减少；d温度降至2点时，所有L全部结晶成A；e2-3点（固相线、F析出线）之间，A相不随温度变化；f到达3点（F析出线）时，将从A相中析出F相；g在3-4点（A+F）之间，A中不断析出F，剩余A相成份沿GS（A成分变化线，A3）变化，析出的F相成份沿GP（F成份变化线）变化h到达共析温度（PSK线，A1）时

剩余A量：ＱA＝（4P/SP）

100%

析出F量：ＱF＝（S4/SP）

100%

剩余A相发生共析反应：

A→ＰP相对量为：Ｑp=QAi

共析温度到室温5点，亚共析钢中的相、成份不变3.2金属材料的结晶与组织室温时：相组成物：F、Fe3C；相对量为：

ＱF

＝（K4/KP）

100%;ＱFe3C＝（4P/KP）

100%室温时：组织组成物：F、Ｐ；各组织的相对量：ＱＰ＝（4P/SP）

100%；ＱF

＝（S4/SP）

100%3.2金属材料的结晶与组织③过共析钢：④工业纯铁：3.2金属材料的结晶与组织3.2金属材料的结晶与组织纯铁45钢0.8%C钢1.2%C钢3.2金属材料的结晶与组织白口铸铁的组织：亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁3.2金属材料的结晶与组织组织组成物填写的相图3.2金属材料的结晶与组织相组成物填写的相图⑷碳含量对铁碳合金平衡组织影响

①碳量增加，铁碳合金组织类型发生下列变化：

Ｆ＋Fe3CⅢ→

Ｆ＋Ｐ→Ｐ→

Ｐ＋Fe3CⅡ→Ｐ＋Fe3CⅡ＋Ｌd’→

Ld’

→

Ld’+FeCⅠ②碳量增加，组织中Fe3C量线性增加，Fe3C形态和分布也发生变化：

三次渗碳体：沿晶界分布

共析渗碳体：分布在铁素体内，呈片层状

二次渗碳体：沿奥氏体晶界分布

共晶渗碳体：莱氏体基体

一次渗碳体：粗大枝晶状3.2金属材料的结晶与组织3.2金属材料的结晶与组织⑸碳对铁碳合金力学性能的影响①对力学性能的影响：组织强度硬度δAk(J)铁素体23080HBS50％160渗碳体40800HBW≈０≈０Ｐ750180HBS～25％～32亚共析钢（≤0.77）:隨碳量增加，珠光体数量增多，强度升高，但塑韧性下降;共析、过共析钢（0.77～2.11）：渗碳体数量增多、且沿晶界分布，硬度升高，强度、塑韧性降低；含有莱氏体铸铁（2.11～6.69）：莱氏体、渗碳体数量多，硬度高，强度、塑韧性大幅度下降，脆性大。3.2金属材料的结晶与组织②对工艺性能的影响：a切削加工性能：C≤0.25%:F+P，F占95%以上，F塑性高，切屑不易断裂，切削性能差；C：0.30~0.55%:F+P，P占50%左右、强韧性适中，切屑易断裂，切削性能好。C＞0.60%:F+P，Ｐ占75%以上，Ｐ中渗碳体数量多、硬度高，使刀韧易磨损，切削性能差；C≥0.77%，Ｐ多，强度高；出现高硬度二次碳化物，刀具易磨损，切削性能差。C＞2.11%:白口铸铁中的渗碳体占绝大部分，硬度高，脆性大，无法切削加工，只能磨削。b压力加工性能：碳低：铁素体相对量多，铁素体塑性好，碳低的钢易进行冷热塑性变形；碳高：碳可溶解在铁中形成单相奥氏体，而A塑性好，变形抗力小，压力加工能性好c铸造性能：铸造性能（铁水的流动性、缩孔大小及分布、偏析倾向）与相图中结晶开始线与结晶终了线之间的温差大小有关。碳在2.11%附近，结晶终了温度与结晶开始温度之间的差值最大，枝晶发达，铁水流动性差，易形成分散缩孔，因而铸造性能最差。共晶成分或接近共晶成分的白口铸铁的铸造性能最好。低碳钢铸造性能较好。d焊接性能：

焊接性能与含碳（碳当量）有关：碳量低，不易形成焊接裂纹，焊接性能好3.2金属材料的结晶与组织⑹铁碳相图的实际应用①为选材提供依据：a要求塑韧性好的零件，如建筑结构和容器，选用较低碳量的钢b要求强度、塑韧性都较好的零件，如轴，选用中等碳量的钢c要求硬度高、耐磨性好的零件，例如工具，选用较高碳量的钢d白口铸铁脆性大，但硬度高、抗磨损能力强，可用于要求耐磨而不受冲击的埸合，如拔丝模、轧辊、球磨机衬板②为制订热加工工艺提供依据：a铸造根据相图上不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铁水熔化及浇注温度；根据相图中结晶开始线与结晶终了线的距离，判断铸造性能的好坏。b锻造：根据相图可确定锻造温度：

碳钢的始锻温度：1150～1250℃；终锻温度：750～850℃。c焊接：根据相图确定焊缝组织，由此选用适当的热处理来减轻或消除焊缝组织不均匀性。d热处理：根据相图确定各种钢在热处理时的加热温度。3.2金属材料的结晶与组织聚合反应:连锁聚合反应和逐步聚合反应。连锁聚合反应(链式聚合反应):聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯腈（PAN）①全反应过程为：链引发、链增长、链终止、链转移；

②聚合物分子在瞬时形成；③体系中始终由单体、聚合物大分子和微量引发剂组成；④聚合物分子量与反应时间无关，而转化率与反应时间有关。逐步聚合反应:

尼龙(PA)、聚氨酯(PU)、酚醛树脂(PF)、聚碳酸酯(PC)、

聚砜(PSF)、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺(PI)①单体逐步转变成聚合物；②单体转变为低聚物（二聚体、三聚体等），低聚物再继续反应，分子量不断增大；③分子量随反应时间延长而增大，转化率在反应初期就达到很高的值。3.3

高分子材料的合成及结构3.3.1连锁聚合反应机理3.3.1.1链锁聚合的基元反应

根据活性中心的不同，连锁聚合反应分为自由基聚合反应、离子型聚合反应和配位聚合反应等。⑴链引发：形成单体自由基活性中心的过程

引发剂、加热、光照、高能辐射等均能使单体生成单体自由基。用引发剂引发时，链引发包含两个反应：引发剂分子R:R分解成初级自由基R•：R∶R→2R•初级自由基R•与单体M加成，生成单体自由基RM•：R•+M→RM•其中：引发剂的分解速率决定链引发的反应速率。

3.3高分子材料的合成及结构3.3.1连锁聚合反应机理⑵链增长：链引发产生的单体自由基不断地和单体分子结合生成链自由基，如此反复的过程称为链增长。RM•+M→RMM•RMM•+M→RMMM•………RMN－1M•+M→RMNM•链增长使聚合物的聚合度增加增长速率很高，单体自由基在瞬间可结合成千甚至上万个单体，生成聚合物链自由基。在反应体系中几乎只有单体和聚合物，而链自由基浓度极小。3.3高分子材料的合成及结构3.3.1连锁聚合反应机理⑶链终止：链自由基失去活性形成稳定聚合物分子的反应具有未成对电子的两个链自由基相遇而反应失去活性，形成稳定分子，这一过程称为双基终止。双基终止形式有两种：双基结合终止：链自由基以共价键相结合，形成饱和高分子的终止。即：RMXM•+•MMYR→RMX+Y+2R双基歧化终止：链自由基夺取另一链自由基相邻碳原子上的氢原子而互相终止。即：RMNM•+•H→R(M)NMH

链自由基的两种双基终止方式都有可能发生。终止所需的活化能很低，链终止速率常数极高。3.3高分子材料的合成及结构⑷链转移：链自由基向体系中其它分子转移的反应从其它分子上夺取一个原子（氢、氯）而终止，失去原于的分子即为自由基①向单体转移：链自由基将独电子转移到单体分子上，产生的单体自由基开始新的链增长。发生链转移可能性的大小与单体结构有关。②向溶剂或链转移剂转移：链转移剂就是指有较强链转移能力的化合物，如四氯化碳、硫醇等，链转移剂能限制链自由基的增长，达到调节聚合物分子量的目的。③向引发剂转移：向引发剂链转移。其结果是自由基浓度不变，聚合物分子量降低，引发剂效率下降。④向高分子转移：链自由基从高分子上夺取原子而终止，产生的新链自由基又进行链增长，形成支链高分子。⑸阻聚作用阻聚剂是能与链自由基反应使聚合反应停止的物质。阻聚剂使链自由基失去活性，不再与单体反应，阻止聚合反应继续进行3.3高分子材料的合成及结构3.3.1.2链锁共聚合反应均聚合反应得到的是均聚物，共聚合反应得到的是共聚物。二元共聚；多元共聚。由于单体单元排列方式的不同，可构成不同类型的共聚物。

无规共聚物：两种单体Ｍ1、Ｍ2在聚合物中呈无规排列：

…Ｍ1Ｍ2Ｍ2Ｍ1Ｍ2Ｍ1Ｍ2Ｍ1Ｍ2Ｍ2…

交替共聚物：两种单体Ｍ1、Ｍ2在聚合物中呈交替排列：

…Ｍ1Ｍ2Ｍ1Ｍ2Ｍ1Ｍ2Ｍ1Ｍ2…嵌段共聚物：两种单体Ｍ1、Ｍ2在聚合物中成段出现：

…M1M1M1M1M2M2M2M2M1M1M1M1……

接枝共聚物：以一种单体构成主链，另一种单体构成支链共聚合的反应机理与前面介绍的均聚合的反应机理基本相同3.3高分子材料的合成及结构3.3.2逐步聚合反应逐步聚合反应：缩聚反应和逐步加聚反应。

缩聚反应：由多次重复的缩合反应形成聚合物的过程（有小分子析出）逐步加聚反应：单体通过反复加成，使单体间形成共价键生成聚合物

的反应（无小分子析出）⑴逐步聚合反应特点:①无所谓引发、增长、终止等基元反应；②反应活化能较高，大分子形成速率慢；③反应热效应小，聚合临界温度低，在一般温度下为可逆反应，平衡与温度、副产物有关。④无特定反应活性中心，每个单体的官能团，反应能力相同；⑤反应初期相互形成中间体；随着反应时间的延长，中间体形成更大分子量的中间产物；⑥增长过程中，每一步产物都能独立存在，在任何时候都可以终止反应，在任何时候又能使其继续以同样活性进行反应。连锁反应的链增长过程没有该特征。3.3高分子材料的合成及结构

酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂以及尼龙(聚酰胺)、涤纶(聚酯)、聚碳酸酯、聚砜、聚苯撑醚、聚酰亚胺、聚苯并醚唑、吡龙等，由缩聚反应制得。

缩聚反应的通式为：

na─R1─a+nb─R2─b

a─[─R1─R2─]─b+(2n-1)ab式中a、b──缩聚反应的官能团；

ab──缩聚反应的小分子产物；─R1─R2───聚合物链中的重复单元结构当a、b为同一单体中两种不同的官能团，聚合反应过程为：

na─R─b

a─[─R─]─b+(n-1)ab成环缩聚还是成线缩聚，与环的大小、官能团的距离、分子链的挠曲性、温度以及反应物的浓度等都有关系。环的大小与环状物稳定性的顺序为：3、4、8～11<7、12<5<6。缩聚反应中应尽量消除成环反应。3.3高分子材料的合成及结构

⑵缩聚反应分类线型缩聚反应:参加反应的单体都只含两个官能团，产物为线型分子聚合物体型缩聚反应:参加反应的单体至少有一种含两个以上的官能团，形成支化或交联等

非线型结构产物为体型聚合物均缩聚：只有一种单体进行的缩聚反应混缩聚或杂缩聚：两种单体参加的缩聚反应共缩聚：若在均缩聚中再加入第二种单体或在混缩聚中加入第三种单体线型缩聚物：性能与分子量有关必须有效控制缩聚反应产物分子量即聚合度。线型聚合物再进一步加工时，端基官能团可再进行反应，使分子量增大，影响产品性能。因此，须使缩聚反应时的端基官能团丧失反应能力：通过非等当量比配料，使某一原料过量；或加入少量单官能团化合物，进行端基封端。体型缩聚物当体型缩聚反应到一定时间后将出现不溶不熔的交联聚合物（凝胶）。为了便于热固性聚合物的成形加工，体型缩聚反应须在凝胶点（出现凝胶时的临界反应程度）之前终止反应。热固性聚合物分为甲、乙、丙三个阶段。

反应程度在凝胶点以前就终止的反应产物称为甲阶聚合物

反应程度接近凝胶点而终止反应的产物称为乙阶聚合物

反应程度大于凝胶点的产物称为丙阶聚合物3.3高分子材料的合成及结构3.4.1陶瓷材料的烧成过程

烧成是使陶瓷坯料在高温作用下致密化、完成预期的物理化学反应和形成所要求性能的全过程。⑴升温阶段：由室温至最高烧成温度的升温阶段水分和有机黏合剂挥发、结晶水和结构水排除、碳酸盐分解以及晶相转变等。除晶相转变外，其它过程都伴有大量的气体排出。这时升温不能太快，否则会造成结构疏松，变形和开裂。晶相转变伴有结晶潜热和体积变化。⑵保温阶段：高温下的保温阶段各组分进行充分的物理变化和化学反应，以获得致密的结构和性能的陶瓷体。须严格控制最高烧成温度和保温时间。3.4

无机非金属材料的制备

瓷料有一最佳烧成温度范围，在该范围烧成，坯体致密度高、不吸水、晶粒细密，机械和电性能好。超出该温度范围，瓷体气孔率增大，机械性能和电性能都降低黏土类陶瓷的烧成温度范围：约40℃～100℃功能陶瓷烧成温度范围：10℃～20℃，个别的只有5℃～10℃⑶冷却阶段：最高烧成温度至室温的降温阶段。瓷体冷却伴有液相凝固、晶相析出、相变等物理和化学变化。冷却方式、冷却速度对瓷体最终的相组成、结构和性能均有很大的影响。冷却有淬火急冷、随炉快冷、随炉缓冷和分段保温冷却等。随炉缓冷相当于延长不同温度下的保温时间，因此，晶体生长能力强、玻璃相有强烈析晶倾向，晶粒可能生长成粗大的晶体，玻璃相会析晶，使瓷体结构和致密性差。析晶倾向非常强的瓷料，或希望保持高温相的瓷料，可采用快冷或淬火快冷的方法。快冷应注意必须避免瓷体开裂和炸裂。3.4无机非金属材料的制备3.4.2陶瓷烧成机理简介

烧成是一个很复杂的物理和化学变化过程。陶瓷烧成机理：黏性流动、蒸发与凝聚、体积扩散、表面扩散、晶界扩散、塑性流动等⑴固相烧结固相烧结是把粉末坯体加热到低于粉末熔点的适当温度，保温后转变成坚固、致密聚瓷体的过程。固相烧结的两个主要阶段：初期阶段：粉体中的晶粒生长和重排过程，使原来松散颗粒的粘结作用增加，

颗粒的堆积趋向紧密，气孔体积减少。第二个阶段：物质从颗粒间的接触部分向气孔迁移，颗粒中心靠近、颗粒间

接触面积增加，将气孔排除。烧结驱动力是烧结中表面积减少而导致表面自由能降低，但烧结一般不能自动进行，因为它本身具有的能量难以克服能垒，必须加热到一定的温度。烧结的难易程度常用晶界能和表面能的比值来衡量，比值越小越容易烧结。Al2O3粉末的晶界能约为0.4J/mol，表面能约为1J/mol，比值较小，因此相对Si3N4、SiC、AlN等比值较大的陶瓷容易烧结。3.4无机非金属材料的制备

固相烧结的等径球体烧结模型认为，随烧结的进行，球体的接触点形成颈部并逐渐扩大，最后烧结成一个整体。由于