材料科学与工程基础顾宜第5章

1、第十六讲第十六讲 材料的制备与成型加工材料的制备与成型加工 （Fabrication and Processing of Materials）主要内容： 金属材料（Metals）制备与成型加工（铁钢、铜、铝） 无机非金属材料（Inorganic Nonmetallic）（陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料） 有机高分子材料（Polymer）塑料（Plastics）、橡胶（Rubber）、纤维（Fiber）、涂料（Coating）铁的制备：磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3mH2O)还原 焦碳（C）或CO 产热570作还原剂 生铁Fe（C%2.11%）

2、造渣 熔剂 碳石(CaCO3) 锰矿石(脱O、脱S)目的有害杂质入渣除去 有益元素进入铁水 铁制备反应原理： 还原反应：FeO + C = Fe + CO(直接还原、高炉下部高温区进行) 25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO间接还原造渣反应：酸性氧化物与碱性氧化物的中和反应，十分复杂。 钢的制备炼钢的目的： 降低生铁中C含量 去除有害杂质 添加适量合金元素炼钢方法： 平炉炼钢 电炉炼钢 纯氧顶吹转炉炼钢（LD法，代表发展方面） 炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金C%2.11%、Si、M

3、n、S、P杂质含量较高 杂质氧化 氧化剂（O2、FeO） 脱氧（还原） 脱氧剂( (硅、锰、铝及铁合金 )造渣 熔剂（石灰、萤石、白云石） 钢：C%2.11%，含少量Si、Mn、S、P 炼钢反应原理： 杂质氧化 2Fe + O2 2FeOSi + 2FeO SiO2 + 2FeMn + FeO MnO +FeC + FeO Fe + CO2P + 5FeO P2O5 +5Fe脱氧(还原) 2FeO + Si SiO2 + FeFeO + Mn MnO + Fe氧化后钢液中存在3FeO + Al Al2O3 + 3Fe较多FeO，必须除去 造渣除渣：与炼铁类似 硫化铜、氧化铜矿 熔炼 Fe等杂质

4、随熔渣除去 冰铜(Cu2S)x(FeS)y 吹炼 Cu2S + 3/2 O2 Cu2O + SO2 Cu2O +FeS Cu2S +FeO2 Cu2O + Cu2S 6Cu + SO2 粗铜（Cu%=98.599.5%）含少量金、银、铋、锡、铅、硒、碲、溶解气体 铜的制备：火法炼铜法火法精炼 或电解精炼 目的：去除杂质 提取贵金属 纯铜金属 铝的制备：Al2O3的制备 湿碱法：铝矿石 + NaOH溶液2NaAlO2水溶液 稀释、过滤、结晶 加Al(OH)3晶核 Al(OH)3 9501000 煅烧Al2O3 干碱法： 铝矿石 + CaCO3 + Na2CO3 1100 烧结 烧结块加水稀释 沉

5、淀杂质 NaAlO2水溶液 通入CO2 Al(OH)3 9501000 煅烧Al2O3Al2O3自焙电解 900 电解 Al3+ + 3e Al阴极、铝纯度达99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2阳极 自焙阳极电解槽见图5-6 无机非金属材料的制备 无机非金属材料 (Inorganic Nonmetallic Materials) 陶瓷（Ceramics） 玻璃（Glass） 水泥（Cement） 耐火材料(Firebrick) 基本化学成份属硅酸盐(Siticate)物质 陶瓷原料 天然原料：粘土类矿物、长硅类矿物、石英 类矿物化工原料：BaCO3、SiO2、TiO2、

6、ZnO、BeO 、ZrO2、Si3O4、釉料等制备过程：配料成型烧结（致密化）陶瓷的一般生产工艺流程，见图5-1-8玻璃的结构及成型特点：其独特的性能：是国民经济不可缺少的基础材料典型的非晶态（无定型、亚稳态）结构，具有降低内能向晶态转化趋势成形加工过程中必须严格控制玻璃生成的热力学和动力学条件，以保证无定型态成形工艺要求：熔融态粘度低；成型后冷却，定型速度快；消除内应力。玻璃制备过程：配（备）料：主、辅原料配制。熔制：硅酸盐的生成、玻璃液的形成、澄清、均化和玻璃液的冷却即熔融成型1.深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等 玻璃成型加工方法 浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）压制法

7、（玻璃容器）压延法（压花玻璃） 浇铸法（光学玻璃）焊接法（玻璃仪器） 水泥是水硬性无机胶凝材料的统称，属 无机粉体材料。 其水硬性来自于所含活性矿物成份的水化和水解反应。 按活性矿物成份可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等，其中硅酸盐水泥用量最大。 按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。硅酸盐水泥活性成份 硅酸三钙 3CaOSiO2(C3S)4462%硅酸二钙 2CaOSiO2(C2S)1830%铝酸三钙 3CaOAl2O3(C3A) 512%铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)1018%由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温

8、下反应而成CaO：由石灰石、泥灰石、白垩等提供SiO2、Al2O3、Fe2O3：由黄土、粘土、页岩、粉煤灰、煤酐 石等提供 硅酸盐水泥的生产工艺见图5-11，可概况为“两磨一烧”煅烧过程中，生料经历干燥脱水、碳酸盐分解、氧化物间高温与液相反应、快速冷却等复杂的物化过程而成熟料泥的凝结硬化（水化）也是一复杂的物化过程，石膏的加入可缓凝 耐火材料是纸耐火温度不低于1580无机非金属材料 按耐火温度称为：普通（15801770）、高级（17702000）和特种（2000以上） 按其主成份：SiO2为主成份的酸性耐火材料Al2O3及Cr2O3为主成份的酸性耐火材料MgO和CaO为主成份的碱性耐火材料耐

9、火材料的高温使用性能 耐火度高温荷重变形温度高温体积稳定性抗热震稳定性抗渣性耐真空性高分子材料制备的三个层次聚合物合成（Synthesis of polymer）聚合物、粒、粉、块料的制备(Fabrication of polymer)聚合物成型加工（Processing of polymer）各层次高分子制备过程示意图见图5-13 聚合物分子量增长方式：链锁聚合、逐步聚合、交联、接枝聚合物合成 原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度 聚合物分离：真空挥发、凝聚、分离、离心分离等,脱残留单体、 溶剂、分离杂质，以获得较纯净聚合物 后处理：洗涤、干燥、造粒 聚合 聚合机理 实施方法：本体

10、、溶液悬浮、乳液、熔融、界面、固相 链锁：自由基、阳离子、阴离子、配位催化逐步：缩聚、加聚高分子材料成型加工 (Processing of polymer) 塑料成型加工(Forming Technigues for plastics)橡胶成型加工（Fabrication of Elastomers） 纤维和薄膜制造(Fabrication of Fibers and Films) 涂装工艺（Coating Technigues） 聚合物添加剂 （Polymer Additives） 填料（Fillbers）增塑剂（Plasticigers）稳定剂（Stabiligers）色（母）料（Colo

11、rants）阻燃剂（Flame Ketardants）加工助剂（Additives for Processing） 聚合物粉、粒料的配制与混合 物料的初混合：Tm以下、低剪切、简单混合，增加物料分散或无序程度，设备有低速捏合机和高速混合机两类，见图5-39 物料熔融混合（混炼）：高剪切下熔融混合，进一步分散均匀，逐出挥发物，设备有双辊开炼机、密炼机、双螺杆挤出机等，见图5-40聚合物成型加工特性 混合熔融流动（变形）固化定型后处理五阶段伴有一次结构、聚集态结构、织态结构的变化或转变，见图5-335-38聚合物三种物理状态及其三态转变区是成型加工的基础，不同成型加工方法，应选择适宜的物理状态，见

12、图5-32 聚合物成型加工特性 3 熔融特性：聚合物固有的低导热性、低耐热性、低稳定性和高热敏性，使传统导热加热熔融方式不再适应。而主要依靠“粘性耗散发热（摩擦热）”方式熔融4 流动特性：a) 通过若干链段运动使大分子重心位移，产生流动b) 链段的取向、长链分子的缠结决定其“非牛顿流体性质”c) 大分子的粘弹行为和法向应力，决定了聚合物熔体的“离模膨胀”现象或“末端效应”，常引起尺寸变形（图5-31） 热塑性聚合物熔体（Polymer Viocous Liquid）成型方法 a. 挤出成型（Extrusion Molding）图5-41，42b. 注射成型（Injection Molding）

13、图5-43，44c. 模压与传递模塑（Compression and Transfer Molding） 图5-45d. 压延成型（）图5-46e. 热成型（Heat Molding）图5-47f. 中空吹塑成型（Blow Molding）图5-48g. 浇铸成型（Casting）h. 熔融纺丝（Melt Spinning）图5-49 热固性(thermoseffing plastics)成型方法可沿用热塑性聚合物类似的成型方法，但有其特点：a. 化学交联固化，而非冷却凝固b. 固化反应需一定温度、时间和压力c. 固化产物不熔、不溶、不可逆d. 固化行为决定其工艺性和工艺参数金属材料成型加工

14、(Processing of Metals) 铸造（Casting） 锻造（Forging）辊（滚）轧（Rolling）挤压（Extrusion）拉拔（Drawing） 焊接（Welding）粉末冶金（Powder Metallurgy）热处理（Thermal tretment）切削铸造性 熔融流动性（螺旋试样法测定）图5-19铸型充填条件：铸型阻力、蓄热保温（热交换）能力收缩性：液态收缩、凝固收缩、固体收缩，易引起 铸件缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）Fig14.2 Metal deformation during (a) forging (b) rolling(c) extrusion

15、and (d) drawing锻造、辊轧、挤压、拉拔 金属的塑性变形性 变形抗力 变形条件 化学成份 组织结构变形温度 变形速度应力状态 可焊接是指金属在一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式下，实现优质焊接接头的难易程度 同一种金属材料，采用不同焊接方法和焊接材料，其可焊性不同 常用焊接方法：手工电弧焊；埋弧自动焊；氩弧焊；电渣焊；CO2气体保护焊；电阻焊（点焊、对焊；缝焊）；钎焊。见图5-225-29 切削加工性（车、铣、刨、钻） 取决于多种因素 硬度切削阻力切屑的形状与形成 导热性 显微组织结构 金属材料经热处理，可改变其晶相组织结构，从而改变其性能 退火（annealing）处理：

16、松弛内应力（relieve stresses）；提高延展性（ducility）、改变硬度（toughness）；产生特殊组织结构（specific microstructure） 热处理条件：热处理温；保温时间；冷却速度 新日铁钢铁生产流程 熔化的目的是在高温下使多种固相的配合料转变为单一、均匀的熔融液相，把气泡、条纹、结石等减少到容许的限度，并符合成型要求。一个从固相向液相转化的过程，也是一个非常复杂的过程。（三）熔融工艺（三）熔融工艺 泥料或熔液借助外力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程。工业上常用的成型方法主要有:压制法、可塑法、注浆法、振动法、热压法、热压注法、熔铸法、拉制法、喷吹法、等静压法等。（四）成型工艺（四）成型工艺 凡形状复杂、不规则的、薄的、体积较大且尺寸要求不严的制品都可用注浆成型法成型。注浆成型法注浆成型法空心注浆法空心注浆法烧结方法 常压烧结 热压烧结 反应烧结 热等静压烧结 高压烧结 二次反应烧结 爆炸烧结 微波烧结 自蔓延(燃)烧结玻璃的制备工艺平板玻璃生产工艺图平板玻璃生产工艺图玻璃工艺发展 公元1