工程材料-第三章_材料制备的基本过程.ppt

1、第三章材料制备的基本过程 Chapter 3 Fundamental Preparation for Materials,主要内容： 金属的结晶 聚合物的合成 陶瓷材料的制备,新材料的发展，不仅与对材料的成分结构性能的研究有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 制备材料的典型工艺过程： 金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成 材料的制备过程对其物理、化学和力学性能都会产生较大的影响。了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。,第三章 材料制备的基本过程,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,第一

2、节金属的结晶 凝固与结晶： 凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。 结晶（Crystallization） 晶体物质由液态转变成晶态固体的过程。 结晶是凝固的一种形式。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,一、液态金属的结构,远程有序 （长程有序）,远程无序、近程有序 （长程无序、短程有序）,有序原子团,远程无序 （长程无序）,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,液态金属的结构特点： 原子排列的远程无序、近程有序 在液态金属中存在着局部规则排列的有序原子团，即近程有序（Short-range Ordered）。但整体上，液态金属的原子排列是无序的

3、，即远程无序（Long-range Random）。 存在结构起伏（Structure Fluctuation） 液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的现象称为结构起伏，或称为相起伏。 结构起伏是金属结晶的结构条件。,Tm,T,T,过冷度,理论结晶温度,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,实际结晶温度,二、金属的结晶过程 1.金属结晶的宏观现象 纯金属结晶时的冷却曲线：,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,纯金属结晶的宏观现象： 结晶的宏观现象主要表现在出现过冷和产生结晶潜热。 过冷现象（Super-cooling） 结晶时，实际结晶温度低于理论结晶

4、温度的现象，称为过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度（Degree of Super-cooling）。 过冷是金属结晶的驱动力，是结晶的热力学条件。 结晶潜热（Latent Heat in Crystallization）结晶时，从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。 结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线 上出现了平台。,固相,液相,液体和晶体自由能与温度的关系曲线,金属结晶为什么需要过冷？,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,讨论： 当TT0时，FF固F液0， 结晶不能进行。 当TT0时，FF固F液0， 液、固两相处于动态平衡， 既能结晶，也

5、会熔化。 当TT0时，FF固F液0， 结晶能够进行。 结论： 只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的驱动力F大于建立固相界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。,自然规律： 自然界的自发过程进行的热力学条件都是F 0,液体,形核,长大,长大,晶核,晶核长大,新的晶核,液体消失,结晶完成,晶体,晶粒相互接触,结晶的一般过程形核和长大,液体,2.金属结晶的微观过程 金属的结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 结晶完成后，一个晶核（Nucleus）长大成为一个晶粒。,晶粒, 构成多晶体,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,结晶的基本过程之一： 形核（Nucleation）

6、 晶核的形成 形核的两个条件： （1）结构条件结构起伏（Structure Fluctuation） （2）能量条件能量起伏（Energy Fluctuation） 在一定温度下，液态金属具有的平均自由能是一定的，但各个微 小体积所具有的自由能并不相等，有的高于平均值，有的低于平均 值。这种在液态金属中各个微小体积所具有的能量大小不一、起伏 不定、暂短偏离其平均能量的现象称为能量起伏。 能量起伏能为晶核形成时产生新的固相表面提供所需的能量。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,形核的两种方式： （1）自发形核（均匀形核）（Homogeneous Nucleation） 从液态金属内部

7、自发地形成晶核的方式。 自发形核需要的能量大，需要较大的过冷度才有可能形成晶核。 （2）非自发形核（非均匀形核）（Heterogeneous Nucleation） 依附于液体中的杂质而形成晶核的方式。 非自发形核需要的能量小，不需要太大的过冷度就可以形成晶 核，在实际金属的结晶中往往起优先和主导作用。 举例： 自发形核： 可能需要的过冷度T200。 非自发形核： 可能需要的过冷度T20。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,结晶的基本过程之二： 长大（Nuclear Growth） 晶核的生长 晶核长大的实质是，原子由液体向固体表面转移。 晶核长大的方式： 树枝状生长（Dendri

8、tic Growth）： 犹如树的生长一样，晶核在长大时，首先生长成树干（一次晶轴），然后树干上长出树枝（二次晶轴），随后，树枝还可以长出更小的树枝（三次晶轴），依次类推，直至晶间被填满，液体完全消失。至此，结晶过程结束。 按树枝状生长的晶粒称为树枝晶或枝晶（Dendrite）。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,晶核的树枝状长大,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,金属的树枝晶,形核,长大,长大,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,结晶终了,结晶的过程,三、晶粒大小的控制 1

9、.晶粒大小对金属性能的影响 在常温下，金属的晶粒越细小，其综合力学性能越好。即金属的晶 粒被细化，不仅能提高强度和硬度，还能同时提高塑性和韧性。 2.晶粒大小的评定 晶粒度（Grain Size） 评定晶粒大小的指标是晶粒度，一般用晶粒的平均直径或平均面积 来表示。 工业上通常采用晶粒度等级表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级， 1级最粗，8级最细。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,标准晶粒度等级,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,影响晶粒度的因素 （1）形核率（N）（Nucleation Rate） 单位时间、单位体积液态金属中形成的晶核的数目称为形核率。 形核率越大，

10、结晶完成后的晶粒数目越多，则晶粒越细小。 （2）长大速度（G）（Crystal Growth Velocity） 单位时间内晶体生长的长度称为长大速度。 晶体长大速度越快，结晶完成后的晶粒越粗大。 结论： 形核率与长大速度的比值（N/G）越大，则结晶后获得的晶粒越细小，反之晶粒则越粗大。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,3.控制晶粒大小的方法 控制过冷度 措施：降低浇注温度（实际凝固的温度），以增大过冷度（T） 。 原理：提高冷却速度可以降低浇注温度，使T 增大，（N/G）增大。 变质处理 措施：向液态金属中加入变质剂。 原理：变质剂作为非自发形核的核心，提高了形核率，（N/G）

11、增大。 振动、搅拌 措施：对即将凝固的金属进行机械振动、超声波振动或电磁搅拌。 原理：通过振动或搅拌，一方面使生长中的枝晶破碎，从而增加形核率；另一方面可以输入能量以促进自发形核。两者均使（N/G）增大。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,过冷度对形核率和长大速度的影响,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,四、同素异构转变 1.同素异构现象与同素异构体 同素异构（Allotropy） 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这种现象称 为同素异构，又称为同素异晶、多晶型性。 同素异构体（Allotrope） 在固态下，以不同晶格类型存在的同一种金属的晶体互称为该金

12、属 的同素异构体。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,2.同素异构转变（Allotropic Transformation） 同一种金属的同素异构体在一定的条件下能相互转化。同素异构转变 就是这种在固态下金属随温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 举例： 纯铁的同素异构转变：,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,1394,912,(bcc),(bcc),(fcc), -Fe, -Fe, -Fe,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,1394,1538,912, -Fe, -Fe, -Fe,纯铁的同素异构转变,3.同素异构转变的特点 金属的同素异构转变与液态金

13、属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。 同素异构转变具有固定的转变温度，转变发生时需要过冷，并放出潜热； 同素异构转变在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度； 同素异构体的形成经过形核、长大过程，新相晶核往往在母相的晶界或某些特定晶面上形成； 同一种金属的同素异构体通常具有不同的晶格致密度，因此比容也不同，转变前后往往伴随着体积的变化，导致内应力的产生。,第三章 材料制备的基本过程3.1 金属的结晶,比容（Specific Volume ） ： 单位重量的物质所占有的体积称为比容。,第二节聚合物的合成 聚合物的合成是指把单体聚合起来形成高聚物的过程。其所进行 的反应称为聚合反应。 合成高聚

14、物的方法很多，从最基本的化学反应来看，主要有加聚 反应和缩聚反应两类。,第三章 材料制备的基本过程3.2 聚合物的合成,聚合反应,加成聚合反应,逐步聚合反应,一、加聚反应（Addition Polymerization） 加聚反应是由一种或几种单体相互加成而连接成聚合物的反应。 举例： 乙烯（单体）通过加聚反应生成聚乙烯（聚合物）,加入引发剂, 使碳的双键打开成单键,链节不稳定, 与其他链节聚合,第三章 材料制备的基本过程3.2 聚合物的合成,第三章 材料制备的基本过程3.2 聚合物的合成,1.加聚反应的类型 均聚反应 由一种单体通过加聚反应生成高聚物的反应。 生成物：均聚物。 共聚反应 由两

15、种或两种以上单体通过加聚反应生成高聚物的反应。 生成物：共聚物。 2.加聚反应的特点 反应一旦开始，就进行得很快，直到形成最后产物为止，中间不 能停在某一阶段上，也得不到中间产物； 链节的化学结构与单体的化学结构相同； 没有小分子副产物生成。,二、缩聚反应（Condensation Polymerization） 缩聚反应是由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质的反应。 缩聚反应的特点： 缩聚反应由若干个聚合反应构成的，每一个反应逐步进行，反应可 以停在某一阶段，可得到中间产物； 缩聚产物链节的化学结构与单体的不完全相同； 在缩聚过程中总有小分子副产物析出。,第

16、三章 材料制备的基本过程3.2 聚合物的合成,举例： 对苯二甲酸脂和乙二醇通过缩聚反应形成聚对苯二甲酸乙二酯,第三章 材料制备的基本过程3.2 聚合物的合成,第三节陶瓷材料的制备 陶瓷材料的典型制备方法是烧结成型，即由研磨得十分细小的颗粒 焙烧成陶瓷制品。 一、制粉 1.机械研磨法 将所需的材料用机械球磨方法粉碎，混合好后再煅烧，直至相互间完 全发生反应；然后将烧结得到的固相再次球磨至要求的粒度。 特点：易于工业化生产，但易混入杂质，且粉末粒度不均匀。 2.化学法 使起始组元溶解于溶液或气体中，再通过蒸发溶剂使溶质析出或通过 各组分之间发生反应沉淀出溶质。 特点：纯度高，粒度分布均匀，且颗粒细小。,第三章 材料制备的基本过程3.3 陶瓷材料的制备,二、成形 1.压制法 又称为粉料成形法。是将含有一定水分和添加剂的粉放在金属模中