材料科学与基础

1、第五章第五章 材料的制备与成型加工材料的制备与成型加工第一节 金属材料的制备与合成从含有金属的矿石和其它原料中提炼出金属并从含有金属的矿石和其它原料中提炼出金属并除去杂质的工业过程称为金属冶炼。除去杂质的工业过程称为金属冶炼。 1 矿石矿石地壳中天然存在的元素或化合物称为矿物，地壳中天然存在的元素或化合物称为矿物，矿石是在经济和技术上能从中提取金属、金矿石是在经济和技术上能从中提取金属、金属化合物以及其它有用物质的矿物的集合体。属化合物以及其它有用物质的矿物的集合体。（1）矿石的预处理）矿石的预处理 矿石的预处理包括选矿、干燥和煅烧、焙烧以矿石的预处理包括选矿、干燥和煅烧、焙烧以及粉矿造块。及

2、粉矿造块。选矿是不改变原矿石中有用矿物成分而除去脉选矿是不改变原矿石中有用矿物成分而除去脉石，提高原矿石中有用矿物的品位，同时除去石，提高原矿石中有用矿物的品位，同时除去有害杂质。有害杂质。干燥和煅烧是为了节约冶炼工序中的热能，便干燥和煅烧是为了节约冶炼工序中的热能，便于矿石的搬运和向炉内供料等，防止水分引起于矿石的搬运和向炉内供料等，防止水分引起的反应性能降低等目的。的反应性能降低等目的。焙烧是把矿石加热到比熔化温度低焙烧是把矿石加热到比熔化温度低200300，以改变矿石的化学组成，除去原料中的有害杂以改变矿石的化学组成，除去原料中的有害杂质，回收有用元素，同时还可以使矿石组织疏质，回收有用

3、元素，同时还可以使矿石组织疏松，便于破碎和提高矿石的还原性的工艺过程。松，便于破碎和提高矿石的还原性的工艺过程。粉矿造块是为了充分利用各种资源和便于冶炼粉矿造块是为了充分利用各种资源和便于冶炼操作，将粉矿以及其它含铁粉料再进行加工处操作，将粉矿以及其它含铁粉料再进行加工处理，制成人造富矿块。理，制成人造富矿块。（2）钢铁冶炼）钢铁冶炼 一、高炉炼铁一、高炉炼铁1、高炉炼铁原料、高炉炼铁原料铁矿石铁矿石 根据其矿物组成铁矿石分为四种：赤铁矿、磁根据其矿物组成铁矿石分为四种：赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿。铁矿、褐铁矿和菱铁矿。矿石中除铁的氧化物外，还含有被称为脉石的矿石中除铁的氧化物外，还含有被

4、称为脉石的非铁氧化物，主要成分为非铁氧化物，主要成分为SiO2和和Al2O3等。等。 表41 铁矿石的矿物组成及特征名称名称化学成分化学成分颜颜色色冶炼性能冶炼性能含铁量含铁量/w%/w%有害有害杂质杂质还原性还原性磁铁磁铁矿矿FeFe3 3O O4 4非铁氧化非铁氧化物物黑黑色色45457070多多不好不好赤铁赤铁矿矿FeFe2 2O O3 3非铁氧化非铁氧化物物红红色色55556060少少好好褐铁褐铁矿矿FeFe2 2O O3 3nHnH2 2O O非铁非铁氧化物氧化物褐褐色色35355555磷少磷少好好菱铁菱铁矿矿FeCOFeCO3 3+ +非铁氧化非铁氧化物物灰灰色色30304040少

5、少最好（焙最好（焙烧后）烧后）磁铁矿磁铁矿赤铁矿赤铁矿褐铁矿褐铁矿菱铁矿菱铁矿对炼铁用焦炭的要求是固定碳质量分数要尽量对炼铁用焦炭的要求是固定碳质量分数要尽量高，灰分尽量少，含硫磷尽量低，有一定透气高，灰分尽量少，含硫磷尽量低，有一定透气性和强度。性和强度。 燃料燃料 熔剂熔剂 高炉炼铁过程中加入熔剂的目的是与矿石中的高炉炼铁过程中加入熔剂的目的是与矿石中的脉石和焦炭中的灰分发生作用，形成低熔点的脉石和焦炭中的灰分发生作用，形成低熔点的熔渣，与铁水分离并排出炉外。熔渣，与铁水分离并排出炉外。 2、炼铁设备及过程、炼铁设备及过程图图51 高炉高炉结构示意图结构示意图高炉包括炉型、上料系统、送风系

6、统、煤气除高炉包括炉型、上料系统、送风系统、煤气除尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统等几个部分。尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统等几个部分。 3、高炉内发生的基本反应、高炉内发生的基本反应（1）燃料的燃烧）燃料的燃烧 CO2CO22CO22CO（2）冶金反应）冶金反应氧化铁的还原氧化铁的还原 氧化铁的还原是从高价氧化物到低价氧化物，氧化铁的还原是从高价氧化物到低价氧化物，最后到金属铁逐级进行的，即最后到金属铁逐级进行的，即Fe2O3Fe3O4FeOFe 3Fe2O3CO2Fe3O4CO2Fe3O4CO3FeOCO2FeOCOFeCO2其它元素的变化其它元素的变化 由于铁矿石中含有由于铁矿石中含有Si

7、O2、MnO2和和Ca(PO4)2等组分，在高炉冶炼条件下，它们被还原成等组分，在高炉冶炼条件下，它们被还原成Si、Mn和和P等进入铁水中。另外焦炭和矿石等进入铁水中。另外焦炭和矿石中的硫也会在冶炼过程中部分转入铁水。因中的硫也会在冶炼过程中部分转入铁水。因此，冶炼的生铁中除碳外，还含有约此，冶炼的生铁中除碳外，还含有约0.5w%3.5w%Si，0.5w%1.5w%Mn，0.07w%1.0w%P，以及，以及0.03w%0.08w%S等元素。等元素。 造渣造渣 高炉冶炼过程中造渣的主要作用是有效地将还高炉冶炼过程中造渣的主要作用是有效地将还原出来的铁与各种杂质分离，同时控制生铁成原出来的铁与各种

8、杂质分离，同时控制生铁成分达到一定要求，特别是保证含硫量合格。分达到一定要求，特别是保证含硫量合格。 炉料中的脉石和焦炭燃烧后的灰分是高炉炉渣炉料中的脉石和焦炭燃烧后的灰分是高炉炉渣的主要来源，其主要成分是的主要来源，其主要成分是SiO2和和Al2O3，去除，去除这些高熔点杂质的方法是在炉内加入作为熔剂这些高熔点杂质的方法是在炉内加入作为熔剂的石灰石。的石灰石。 4、高炉主要产品、高炉主要产品生铁生铁 根据用途生铁分为铸造生铁和炼钢生铁两大类。根据用途生铁分为铸造生铁和炼钢生铁两大类。铸造生铁主要用来重新熔化，生产各种铸铁件。铸造生铁主要用来重新熔化，生产各种铸铁件。这种生铁的含硅量较高，具有

9、良好的铸造性能这种生铁的含硅量较高，具有良好的铸造性能和使用性能。和使用性能。炼钢生铁主要用于炼钢生产中，其含硅量较低。炼钢生铁主要用于炼钢生产中，其含硅量较低。因含硅量低，铁中碳主要以因含硅量低，铁中碳主要以Fe3C形式存在，性形式存在，性能脆而硬。能脆而硬。 高炉煤气高炉煤气 高炉煤气经过除尘净化后，可作为各种加热设高炉煤气经过除尘净化后，可作为各种加热设备和生活用的燃料，具有很高的经济价值。备和生活用的燃料，具有很高的经济价值。 炉渣炉渣 碱性炉渣（炉渣中碱性炉渣（炉渣中CaO质量分数较高）主要可质量分数较高）主要可用来生产水泥，酸性炉渣（炉渣中用来生产水泥，酸性炉渣（炉渣中SiO2较高

10、）较高）主要用来制造渣砖和渣棉等建筑材料。主要用来制造渣砖和渣棉等建筑材料。 5.1.1.2 钢的制备钢的制备1、炼钢的实质与基本的物理化学过程、炼钢的实质与基本的物理化学过程 钢与生铁在化学成分上的主要差别是碳、硅质钢与生铁在化学成分上的主要差别是碳、硅质量分数低，硫、磷等有害元素和杂质质量分数量分数低，硫、磷等有害元素和杂质质量分数少。而实现这一目标的方法就是在熔化的生铁少。而实现这一目标的方法就是在熔化的生铁中加入氧化剂（氧气或氧化物等），使元素和中加入氧化剂（氧气或氧化物等），使元素和杂质氧化成气体和形成炉渣被去除。杂质氧化成气体和形成炉渣被去除。 元素的氧化和脱碳元素的氧化和脱碳 F

11、e+1/2O2=(FeO)Si+2(FeO)=(SiO2)+2FeMn+(FeO)=(MnO)+FeFe、Si、Mn等元素的氧化等元素的氧化 脱碳过程的主要反应脱碳过程的主要反应C+1/2O2=COC+(FeO)=CO+FeC+O=CO造渣造渣 炼钢过程中的造渣主要是为了脱磷和脱硫。炼钢过程中的造渣主要是为了脱磷和脱硫。 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5FeFeS+(CaO)=(FeO)+(CaS)脱氧出钢脱氧出钢 钢水脱氧主要是向钢水中加入适量的硅铁和锰钢水脱氧主要是向钢水中加入适量的硅铁和锰铁，一则利用硅和锰来还原钢水中的铁，一则利用硅和锰来还原钢水中的FeO，同

12、，同时为钢中增添硅和锰的质量分数，以改善钢的时为钢中增添硅和锰的质量分数，以改善钢的性能。性能。 2、炼钢方法、炼钢方法（1）氧气顶吹转炉炼钢法）氧气顶吹转炉炼钢法 氧气顶吹转炉炼钢法是高炉或化铁炉直接供应氧气顶吹转炉炼钢法是高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼所需的高温。氧气顶吹转炉炼钢法的冶炼熔炼所需的高温。氧气顶吹转炉炼钢法的冶炼过程主要包括装料、吹炼和出钢三个阶段。过程主要包括装料、吹炼和出钢三个阶段。 转炉炼钢的特点转炉炼钢的特点:吹炼速

13、度快、生产率特别高。另外，氧气顶吹吹炼速度快、生产率特别高。另外，氧气顶吹转炉炼钢品种多、质量好，它可以冶炼全部平转炉炼钢品种多、质量好，它可以冶炼全部平炉冶炼的钢种和部分电炉钢种，而且冶炼过程炉冶炼的钢种和部分电炉钢种，而且冶炼过程中的原材料消耗少，热效率高，成本低。中的原材料消耗少，热效率高，成本低。转炉炼钢转炉炼钢（2）平炉炼钢法）平炉炼钢法 平炉炼钢是靠外加燃料的燃烧来加热熔炼的，一平炉炼钢是靠外加燃料的燃烧来加热熔炼的，一般以煤气为燃料。氧化方法是以吹入纯氧为主，般以煤气为燃料。氧化方法是以吹入纯氧为主，并加入铁矿石为辅。并加入铁矿石为辅。平炉冶炼过程包括补炉、装料、熔化、精炼、脱平

14、炉冶炼过程包括补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢五个阶段。氧和出钢五个阶段。平炉炼钢的特点是原料不受限制。另外平炉炼钢平炉炼钢的特点是原料不受限制。另外平炉炼钢的化学成分和温度容易控制，钢的质量比较稳定。的化学成分和温度容易控制，钢的质量比较稳定。但平炉炼钢投资浩大，冶炼时间长，生产率较低，但平炉炼钢投资浩大，冶炼时间长，生产率较低，有被转炉炼钢法取代的趋势。有被转炉炼钢法取代的趋势。（3）电弧炉炼钢法）电弧炉炼钢法 电弧炉炼钢法是依靠石墨制成的电极与炉料之间电弧炉炼钢法是依靠石墨制成的电极与炉料之间产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炼钢产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炼钢法的步骤分

15、为装料、熔化、氧化、还原及出钢。法的步骤分为装料、熔化、氧化、还原及出钢。电弧炉炼钢的主要特点是冶炼温度高，炉内气电弧炉炼钢的主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可以控制，钢水成分容易调节，能有效清除氛可以控制，钢水成分容易调节，能有效清除硫、磷等有害杂质，加入贵金属元素损失少，硫、磷等有害杂质，加入贵金属元素损失少，但生产率较低，电能成本高，所以电弧炉炼钢但生产率较低，电能成本高，所以电弧炉炼钢法主要用于生产合金钢和高质量钢种。法主要用于生产合金钢和高质量钢种。5.1.1.3 非铁合金的制备非铁合金的制备铜的冶炼方式主要有两种：即火法冶炼与湿法铜的冶炼方式主要有两种：即火法冶炼与湿法冶炼。冶炼。

16、湿法炼铜的原理是：湿法炼铜的原理是： CuSO4+Fe=Cu+FeSO4湿法炼铜一般适于低品位的氧化铜，生产出的精湿法炼铜一般适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。铜称为电积铜。火法冶炼是通过熔融冶炼和电解冶炼生产出阴极火法冶炼是通过熔融冶炼和电解冶炼生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。铜，也即电解铜，一般适于高品位的硫化铜矿。 1、铜的制备、铜的制备火法和湿法两种工艺的特点：火法和湿法两种工艺的特点：（1）湿法的冶炼设备更简单，但杂质含量较高，）湿法的冶炼设备更简单，但杂质含量较高，是火法的有益补充。是火法的有益补充。（2）湿法有局限性，受制于矿石的品位及类型。）湿法有

17、局限性，受制于矿石的品位及类型。（3）火法的成本约为湿法成本的）火法的成本约为湿法成本的2倍。倍。 金属的加工工艺性金属的加工工艺性l金属材料的铸造性是指金属材料能否进行铸造获得优质铸件的工艺性能。l铸造性主要包括金属材料的流动性、收缩性和铸型填充条件等性能。l铸造成型的优势：（1）可以一次成型内腔、外形复杂的毛坯；（2）工艺灵活；（3）成本低1、金属材料的铸造性、金属材料的铸造性影响金属材料铸造性的主要因素影响金属材料铸造性的主要因素 ：（1）流动性）流动性流动性是指液态金属材料本身的流动能力。流动性是指液态金属材料本身的流动能力。 （2）液态金属材料的收缩）液态金属材料的收缩铸件在冷却凝固

18、过程中体积和尺寸缩减的现象，铸件在冷却凝固过程中体积和尺寸缩减的现象，称为收缩。称为收缩。 （3）铸型填充条件）铸型填充条件液态金属充型时，铸型的阻力将影响其流动速液态金属充型时，铸型的阻力将影响其流动速度，而铸型与液态金属之间的热交换又将影响度，而铸型与液态金属之间的热交换又将影响液态金属保持流动的时间。液态金属保持流动的时间。 1、砂型铸造、砂型铸造根据毛坯的要求制作砂型，然后将液态金属注根据毛坯的要求制作砂型，然后将液态金属注入型腔内，落砂、清埋、冷却定型。入型腔内，落砂、清埋、冷却定型。 手工砂型铸造工艺流程手工砂型铸造工艺流程l金属材料的可锻性是表征金属材料在进行压力加工时获得优质零

19、件难易程度的一个工艺性能。l对固态金属施加外力，通过塑性变形得到一定形状、尺寸和性能的制品的过程就是压力加工。l压力加工的一个主要特点就是可改善金属材料的机械性能。通过再结晶细化晶粒、夹杂物及其它组织的破碎和重新分布以及材料内部疏松的焊合等方式，都可以提高材料的强度和韧性。2、金属材料的可锻性、金属材料的可锻性l金属材料的可锻性由金属材料的本质和加工条件决定。l金属材料的本质：（1）化学成分的影响； （2）组织的影响l金属材料变形条件：（1）变形温度影响； （2）变形速度影响； （3）应力状态影响。 l焊接焊接是通过加热或压力等手段，使金属原子扩是通过加热或压力等手段，使金属原子扩散与结合，最

20、终连接成一体，连接后不能再拆散与结合，最终连接成一体，连接后不能再拆卸的连接方法。卸的连接方法。l金属材料的可焊性金属材料的可焊性是指金属在采用一定的焊接是指金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，实现优质焊接接头的难易程度。实现优质焊接接头的难易程度。3、金属材料的可焊性、金属材料的可焊性2、几种常见的焊接方法、几种常见的焊接方法（1）熔化焊）熔化焊熔化焊熔化焊是利用局部加热的方法，将欲连接的两工是利用局部加热的方法，将欲连接的两工件接合处加热到熔化状态，并与熔化的填充金属件接合处加热到熔化状态，并与熔化的填充金属一起熔融，并最

21、终冷却结晶，形成牢固的焊接。一起熔融，并最终冷却结晶，形成牢固的焊接。 熔化焊根据其采用的热源不同还有不同的区分：熔化焊根据其采用的热源不同还有不同的区分：有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊等。束焊等。 2、几种常见的焊接方法、几种常见的焊接方法（1）熔化焊）熔化焊熔化焊熔化焊是利用局部加热的方法，将欲连接的两工是利用局部加热的方法，将欲连接的两工件接合处加热到熔化状态，并与熔化的填充金属件接合处加热到熔化状态，并与熔化的填充金属一起熔融，并最终冷却结晶，形成牢固的焊接。一起熔融，并最终冷却结晶，形成牢固的焊接。 熔化焊根据其采用的热源不同还有

22、不同的区分：熔化焊根据其采用的热源不同还有不同的区分：有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子有气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊等。束焊等。 图图5-22 手工电弧焊手工电弧焊图图5-25 电渣焊示意图电渣焊示意图1被焊工作；被焊工作；2滑块；滑块；3渣池；渣池；4焊丝；焊丝；5送丝枪；送丝枪；6熔池；熔池；7焊缝焊缝（2）压力焊）压力焊压力焊压力焊是在焊接过程中，对焊件施加压力，使是在焊接过程中，对焊件施加压力，使被焊接工件紧密连接。被焊接工件紧密连接。压力焊主要有电阻焊、摩擦焊、扩散焊等。压力焊主要有电阻焊、摩擦焊、扩散焊等。1）电阻焊电阻焊是将工件在电极内夹紧，先施加一定是将工

23、件在电极内夹紧，先施加一定初压力，使两工件端面压紧，通电产生电阻热，初压力，使两工件端面压紧，通电产生电阻热，同时加压进行焊接。同时加压进行焊接。 点焊点焊是用柱状电极加压通电，把搭叠好的工件是用柱状电极加压通电，把搭叠好的工件逐点焊合的方法。逐点焊合的方法。411 点焊示意图点焊示意图缝焊缝焊是与点焊相类似，只是所用电极为旋转的是与点焊相类似，只是所用电极为旋转的导电滚轮。导电滚轮。对焊对焊是将工件夹紧在电极内，通电使两工件逐是将工件夹紧在电极内，通电使两工件逐渐接触，随后通以巨大电流，使接触面加热并渐接触，随后通以巨大电流，使接触面加热并进行焊接。进行焊接。 2）摩擦焊）摩擦焊摩擦焊摩擦焊

24、是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接。使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接。 3）扩散焊）扩散焊扩散焊扩散焊是在真空或保护气氛中，使焊件紧密接触，是在真空或保护气氛中，使焊件紧密接触，在一定压力和温度下保持一段时间，使接触面上在一定压力和温度下保持一段时间，使接触面上的原子相互扩散以完成焊接。的原子相互扩散以完成焊接。（3）钎焊）钎焊钎焊钎焊是用钎料熔入接头之间来连续工件的焊接是用钎料熔入接头之间来连续工件的焊接方法。方法。 根据钎料熔点的不同，钎焊又可分为软钎焊和根据钎料熔点的不同，钎焊又可分为软钎焊和硬钎焊

25、。硬钎焊。l金属的切削加工性是指金属被切削加工难易程度的工艺性能。通常是指金属材料在被切削加工中的生产率、刀具耐用度、切削力、切削形状及切削加工后的零件表面光洁度等。4、金属的切削加工、金属的切削加工影响金属材料切削加工性的因素：影响金属材料切削加工性的因素：l（1）硬度的影响 在相同的切削加工条件下，金属材料的硬度越高，则其切削加工性越差。l（2）切削阻力的影响 切削阻力越大，切削加工性越差。l（3）切屑的影响 塑性材料的带状切屑和脆性材料的崩碎、卷片的切屑都对金属材料的切削加工性产生影响。l（4）导热性的影响 导热性小的材料切削加工性好。l（5）显微组织的影响 当金属材料化学成分决定后，可

26、通过热处理调整组织，从而改变金属材料的力学性能，进而改善切削加工性。 5、金属粉末材料的制备、金属粉末材料的制备粉末冶金粉末冶金是一种主要以金属粉末或金属粉末与是一种主要以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为基本原料，加入其他添非金属粉末的混合物为基本原料，加入其他添加剂，混合后经成型和烧结以及其他后续处理加剂，混合后经成型和烧结以及其他后续处理工艺，制成各种材料和制品的工艺方法。工艺，制成各种材料和制品的工艺方法。（1）粉末冶金可以生产普通方法无法生产的）粉末冶金可以生产普通方法无法生产的具有特殊性能的材料。具有特殊性能的材料。（2）粉末冶金容易控制材料的组成，从而生）粉末冶金容易控制材

27、料的组成，从而生产出组织均匀、晶粒细小、性能稳定的优质产出组织均匀、晶粒细小、性能稳定的优质材料。材料。（3）粉末冶金可以直接将金属粉末制成成品）粉末冶金可以直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的零件，是一或接近成品的最终形状和尺寸的零件，是一种少、无切削的成型加工方法。种少、无切削的成型加工方法。（4）生产率较高。）生产率较高。粉末冶金的特点：粉末冶金的特点：但是粉末冶金作为一种先进的生产技术也存在但是粉末冶金作为一种先进的生产技术也存在一些缺陷和不足。例如，只能生产尺寸有限和一些缺陷和不足。例如，只能生产尺寸有限和形状简单的制品；由于粉末成型特点决定，制形状简单的制品；由于粉末成型特点决定，制品中常有残余孔隙；粉末成本较高；烧结制品品中常有残余孔隙；粉末成本较高；烧结制品的韧性较差等等。的韧性较差等等。2、粉末冶金的工艺过程、粉末冶金的工艺过程粉末冶金的工艺过程包括制粉、成型、烧结以粉末冶金的工艺过程包括制粉、成型、烧结以及烧结后处理等过程。及烧结后处理等过程。（1）粉料制备）粉料制备 制备方法制备方