材料概论 (2).pdf

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1、材料的定义 材料是能为人类社会经济地制造有用器材材料是能为人类社会经济地制造有用器材(或物品或物品)的物质的物质石器时代 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 性质与现象组元：组成材料最基本、独立的物质。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。组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。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

2、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 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，有方向性有饱和性，有方向性范德华建 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，有方向性有方向性。晶体：晶体内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。非晶体

3、(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。晶体结构=点阵+平移结构基元晶胞：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。七大晶系：p24金属晶体四种结构及其特点 简单立方晶格(Simple Cubic Lattice，SC)：Po 体心立方晶格(Body-Centered Cubic Lattice，BCC)：Cr、Mo、W、V、-Fe、-Fe 面心立

4、方晶格(Face-Centered Cubic Lattice，FCC)：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt 六方密堆积晶格(Hexagonal Close Packed Lattice，HCP):Mg、Be、Zn、-Ti、CdQQ374289236离子晶体五种结构晶体缺陷及其分类 点缺陷（晶格空位、置换原子、间隙原子），将导致晶格畸变将导致晶格畸变线缺陷：呈线状分布的缺陷-位错(刃型、螺型)面缺陷：p26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。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。L2-L1 L2T：线膨胀系数，L1：膨胀前的长度，L

5、2：膨胀后的长度，T：膨胀前后的温度差导电性 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。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。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。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。第三章矿物：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。矿石是矿物的集合体

6、。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。矿物的五大分类 QQ374289236自然元素矿物 金（Au）、金刚石（C）、硫（S）、石墨（C）卤化物矿物 萤石（CaF2）、石盐（NaCl）、钾盐（KCl）硫化物矿物 黄铁矿（FeS2）、黄铜矿（CuFeS2）、方铅矿（PbS2）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）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)三大选矿法及其特

7、点 将有用矿物和脉石矿物分离。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）。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。重力选矿法重力选矿法（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

8、土浮选法浮选法 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。磁选法磁选法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

9、无机非金属材料制备用无机非金属材料制备用 天然无机原料天然无机原料 粘土、石英、长石、碳酸盐类典型矿物的组成石油化工路线石油化工路线一次加工一次加工石油一次加工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。QQ374289236 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。减压蒸馏：负压、380400条件下进行的蒸馏。二次加工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。催化裂化加氢裂化催化重整热裂解煤的加工路线煤的加工路线以煤为原料，经过化学加

10、工转化为气体、液体和固体燃料及化学品煤的干馏煤的气化煤的液化材料制备工艺材料制备工艺 气相法气相法 液相法液相法 固相法固相法 气相法气相法 分为不发生化学反应的分为不发生化学反应的物理气相沉积法物理气相沉积法和和 通过气相化学反应的通过气相化学反应的化学气化学气相沉积法相沉积法在真空条件下，采用物理方法，将材料源在真空条件下，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。某种特殊功能的

11、薄膜的技术。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。液相法液相法 熔融法 溶液法 界面法 液相沉淀法 溶胶凝胶法 水热法 喷雾法固相法固相法：高温烧结 自蔓延高温合成（SHS）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。应用领域：陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等粉末冶金 主要工序：制粉混粉成形烧结（整形）（机加工）（热处理）清洗包装第四章自由流动成型自由流动成型指将呈流动状态的物料，成型时无外

12、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。最终的产品可以是成品，也可以是半成品（或毛坯）。自由流动成型中典型代表是：金属砂型铸造金属砂型铸造、陶瓷注浆成型、塑料与橡胶浸渍成型。受力流动成型受力流动成型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。典型代表是：金属压力铸造金属压力铸造、玻璃吹制成型、塑料注塑成型。受力塑性成型的特点和区别受力塑性成型的特点和区别受力塑

13、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QQ374289236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。受力塑性成型主要有金属锻压成型金属锻压成型、陶瓷可塑成型、橡胶塑性成型。金属砂型铸造金属砂型铸造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。80%以上的铸件用此法制备。常用铸造金属材料：铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等金属压力铸造金属压力铸造压铸是将液态或

14、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。金属锻压成型金属锻压成型锻压：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。主要方法：锻造:将坯料加热到高温状态后进行加工。冲压:将坯料在常温下进行加工。经典方法：自由锻造、模型锻造、板料冲压粉末冶金制粉混粉成形烧结（整形）（机加工）（热处理）清洗包装第五章第五章三大高温合金三大高温合金铁基高温合金铁基高温合金 镍基高温合金镍基高温合金 钴基高温合金钴基高温合金主要以铁为基体、含一定量铬和镍的奥氏体合金。适

15、用于低于 800的条件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。铬提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性钼和钨强化固溶体的晶界铝、钛、铌沉淀硬化作用曾长期为我国高温合金的主要品种镍基高温合金镍基高温合金氧化铝氧化铝 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。氧化锆氧化锆 以氧化锆（ZrO2）为主体的陶瓷材料。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。广泛用于磨料、模具、刀具、

16、化工、生物医用材料、发动机部件。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QQ374289236裂韧性较低，脆性较大。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。塑料包装及其特点塑料包装及其特点碳素钢碳素钢 是近代工业中使用最早、用量最大的基本材料。含碳量小于含碳量小于 2%，除铁、，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。碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素

17、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。合金钢合金钢 现代工业要求钢材具有更高的强度，

18、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。铸铁铸铁 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、

19、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。铜及铜合金铜及铜合金纯铜（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 化工陶瓷化工陶瓷 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。化工玻璃化工玻璃 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

20、腐蚀性第六章第六章高炉炼铁高炉炼铁 转炉炼钢的原料转炉炼钢的原料 基本工艺流程。基本工艺流程。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）。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。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。QQ374289236铁矿石处理工艺流程铁矿石处理工艺流程矿石矿石破碎破碎筛分筛分富矿富矿(品位大于品位大于 50%)混匀混匀(mix)高炉；高炉；矿石矿石破碎破碎筛分筛分贫矿贫矿磨矿磨矿

21、筛分筛分选矿选矿造块造块人造富矿人造富矿高炉高炉高炉炉料高炉炉料炼钢炼钢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。或增加到规定范围的过程。炼钢任务：炼钢任务：“四脱四脱”脱脱 C、脱、脱 O、脱、脱 P、脱、脱 S “二去二去”去有害气体、去夹杂去有害气体、去夹杂 “二调整二调整”调整成分、调整温度调整成分、调整温度 这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧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、铁如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧矿

22、石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。炼钢用原料炼钢用原料炼钢原料分为金属料金属料和非金属料非金属料两大类。炼钢用的金属料主要有铁水、废钢、铁合金。铁水、废钢、铁合金。1）铁水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。2）废钢转炉和电炉炼钢均使用废钢，废钢是电弧炉炼钢电弧炉炼钢最主要的金属料，其用量占金属料的 70%-90%;氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉用废钢

23、量一般是总装入量的 10%-30%,作为调整吹炼温度的冷却剂。3）铁合金铁合金是脱氧及合金化材料。用于钢夜脱氧的铁合金叫做脱氧剂，常用的有：简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V，Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W 等 复合脱氧剂：Ca-Si 合金，Al-Mn-Si 合金，Mn-Si 合金，Cr-Si 合金，Ba-Ca-Si 合金，Ba-Al-Si 合金等。炼钢用的非金属料非金属料主要有造渣材料造渣材料和氧化剂氧化剂。1）造渣材料：主要有石灰石灰、萤石萤石和白云石白云石。2）氧化剂：主要有氧气、铁矿石和氧化铁皮炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉

24、三种。平炉炼钢平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢(可用钢铁料的 2050的废钢)，原料适应性强，所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶剂（石灰石和生石灰）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。但冶炼时间长，已被淘汰。转炉炼钢转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉或顶底复吹转炉顶底复吹转炉，生产速度快(1 座 300 吨的转炉吹炼时间不到 20 分钟，包括辅助时间不超过 1 小时，而 300 吨平炉炼 1 炉钢要 7 个小时)，品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。电炉炼钢电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。原料可以是废钢、也可以是海绵铁，现代电弧炉甚至可以用大量铁水。主要用于冶炼特殊合金钢。转炉炼钢流程转炉炼钢流程1.检查炉体，并准备加料进炉。QQ3742892362.加废钢、兑铁水，然后把炉体摇正，下枪吹炼。3.吹氧、造渣冶炼。4.当钢水成份和温度合格后倒炉出钢。QQ374289236