四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件

第5章（自学）SichuanUniversity1FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering材料科学与工程基础第5章（自学）SichuanUniversity1Fund本章主要对金属材料（Metals）、无机非金属材（InorganicNonmetallic）、高分子材料（Polymer）的制备原理及方法，成型加工性作主要阐述。

第五章材料的制备与成型加工

（FabricationandProcessingofMaterials）本章主要对金属材料（Metals）、无机非5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性第五章内容目录5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性第五章5-1材料制备原理及方法5-1材料制备原理及方法金属材料的制备主要介绍铁的制备、钢的制备、非铁合金（铜的制备、铝的制备）的制备5-1-1

金属材料的制备金属材料的制备主要介绍铁的制备、钢的制备、非铁磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3·mH2O)①还原焦碳（C）或CO还原剂生铁Fe（C%>2.11%）②造渣熔剂石灰石(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

铁的制备磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、①还原焦碳（①

还原反应CO间接还原铁的制备原理FeO+C=Fe+CO直接还原高炉下部高温区进行①

还原反应CO间接还原铁的制备原理FeO+C=F造渣反应

造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭中灰分作用，生成一种多氧化物的熔体。造渣过程是一个复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要求，控制熔剂数量和熔炼过程，促使需要的元素进入铁水，让有害杂质进入渣中而除去。炉渣的成分是CaO、Al2O3、SiO2、和MgO。高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣的形成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意义。造渣反应造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行高炉炼铁生产

高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操作等生产过程组成。高炉炼铁生产高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和钢的制备钢的制备基本原理：所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害的杂质，再根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素，炼出具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。整个炼钢过程是氧化和还原过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣。钢的制备钢的制备基本原理：炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金C%>2.11%、Si、Mn、S、P杂质含量较高

①杂质氧化氧化剂（O2、FeO）②脱氧（还原）脱氧剂(硅、锰、铝及铁合金)③造渣熔剂（石灰、萤石、白云石）钢：C%<2.11%，含少量Si、Mn、S、P炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金①杂质氧化氧化剂炼钢反应原理：杂质氧化

2Fe+O2—→2FeOSi+2FeO—→SiO2+2FeMn+FeO—→MnO+FeC+FeO—→Fe+CO↑2P+5FeO—→P2O5+5Fe脱氧(还原)2FeO+Si—→SiO2+FeFeO+Mn—→MnO+Fe3FeO+Al—→Al2O3+3Fe造渣除渣：与炼铁类似氧化后钢液中存在较多FeO，必须除去炼钢反应原理：杂质氧化2Fe+O2—→2FeO脱氧钢的制备方法钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电炉炼钢，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（LD法）。氧气转炉炼钢原料氧气转炉炼钢原料有金属料(铁水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料(石灰、萤石和白云石)；氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮)；冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂(硅、锰、馅及铁合金)。钢的制备方法钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢氧气顶吹转炉炼钢

纯氧顶吹转炉炼钢生产工艺：倾倒兑铁水，加废钢→直立加渣料→准备吹炼→吹炼→停吹→一倾倒炉渣→直立加二批渣料→继续吹炼→倾倒取样→脱氧出钢→浇注氧气顶吹转炉炼钢四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件制备原理火法炼钢法在高温下使铜矿石或含铜原料(精矿、焙烧或烧结块)先熔炼成冰铜，再将其吹成粗铜。湿法冶铜法用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。非铁合金的制备①铜的制备

湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。制备原理火法炼钢法在高温下使铜矿石或含铜原料非铁合金的制备硫化铜、氧化铜矿

熔炼Fe等杂质随熔渣除去冰铜(Cu2S)x·(FeS)y

吹炼Cu2S+3/2O2—→Cu2O+SO2

Cu2O+FeS—→Cu2S+FeO2Cu2O+Cu2S—→6Cu+SO2

粗铜（Cu%=98.5~99.5%）含少量金、银、铋、锡、铅、硒、碲、溶解气体火法炼铜法火法精炼或电解精炼

目的：①去除杂质②提取贵金属纯铜金属铜的制备方法硫化铜、氧化铜矿熔炼Fe等杂质随熔渣除去冰铜(Cu2S四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件Al2O3的制备

①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAlO2水溶液Al(OH)3

稀释、过滤、结晶加Al(OH)3晶核

950~1000℃煅烧Al2O3②干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO3

1100℃

烧结

烧结块加水稀释沉淀杂质

NaAlO2水溶液通入CO2

Al(OH)3

950~1000℃煅烧Al2O3Al2O3自焙电解

900℃

电解Al3++3e→Al 阴极、铝纯度达99.7%2AlO33-–6e→Al2O3+3/2O2

阳极铝的制备Al2O3的①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAl四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件传统上无机非金属材料（inorganicnonmetallicmaterials）主要包括陶瓷(ceramics)、玻璃(glass)、水泥(cement)和耐火材料(firebrick)四大类.这里主要从这四种材料出发。介绍无机非金属材料的制备原理和一般的制备方法。5-1-2

无机非金属材料的制备传统上无机非金属材料（inorganicnonmetall陶瓷的制备原理及方法

陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉末成型后，经特定的工艺使其致密化，赋予其一定的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶瓷是一种多晶多相的聚集体。陶瓷的制备原理及方法陶瓷是无机非金属四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶瓷制备的一般工艺过程如图5—8所示。

制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶瓷陶瓷原料天然原料

化工原料粘土类矿物长硅类矿物石英类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、ZnO、BeO、ZrO2、Si3O4、釉料等陶瓷原料及配料陶瓷原料天然原料粘土类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、

陶瓷原料的预处理主要是进行淘洗，其目的是尽量除去原料中带有的杂质，以保证陶瓷的产品质量。例如，电子陶瓷的电性能对原料中的碱金属含量非常敏感，而碱金属盐基本上都是水溶性盐，可以通过淘洗将其溶解去除。陶瓷原料的破碎通常分为粗碎、中碎和细碎。有的原料还需进行燃烧处理。锻烧的作用主要有三个方面：其一是使原料的晶型发生转变，以避免物料在烧结过程产半晶型转变而使瓷体产生裂纹；其二是利用晶型转变产生的内应力和燃烧过程中产生的热应力使原料进—步细化；其三是在燃烧过程中除去物料中的有害杂质。原料的预处理与破碎陶瓷原料的预处理主要是进行淘洗，其

坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺要求的均匀混合物。坯料分为注浆坯料、可塑坯料和压制坯料三种。坯料的制备包括配料、混合、细碎、陈化、练泥等过程。

配料选择不同的原料配比，保证坯料组成符合配方要求。

混合采用各种工艺方式使坯料混合均匀。

细碎一般采用雷蒙磨(干粉)或球磨(料浆)使坯料的细度达到0.05～0.07mm以下。

陈化将含水坯料在一定湿度和温度下放置一定时间(数大)，使得其中的腐殖质充分腐化。

练泥将坯料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均匀．同时将坯料中的气体排除。坯料的制备坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺成型方法压制成型可塑成型

注浆成型将含水3％—7％(干压法)或8％—15％(半干压法)的坯料在较高的压力下加压形成坯体的方法利用坯料的可塑性将坯料制成一定的形状。

成型

成型是采用一定的方法将坯料制作成为具有一定形状和尺寸的坯体的过程。注浆成型是将具有流动性的坯料(料浆)注入石膏模中，利用石膏的吸水性使含水量降低而固化成型成型方法压制成型将含水3％—7％(干压法)或8％—干燥由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的迅速气化使坯体内气压急剧上升而开裂，故烧成前需在一定温度下进行干燥，便坯体中的水基本除去。排蜡干压中加入有机塑化剂的坏体亦需在较低温度下便塑化剂挥发除去，又称为排胶。干燥与排蜡干燥由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的

釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起表面保护、改善性能．并使陶瓷具有光泽和色泽的作用。根据釉料的烧成温度的不同，可以将釉料分为高温釉和低温釉。按照釉科的制备方法可以将釉料分为生釉和熔块釉。施釉

釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起

烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变化，坯体逐渐致密化形成预期的矿物组成和显微结构，并赋予制品预期性能的过程。烧成过程中需要严格控制的因素包括：升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度、气氛种类与气氛压力等。烧成烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变

使用温度过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂纹；并使水蒸气来不及排除坯体外，在坯体内形成很高的气压而使坯体开裂。烧成温度温度过低，液相量不足，瓷体不能完全实现致密化，也不能达到预期的强度，这种情况在生产中称为生烧。反之，过高的烧成温度将使坯体因液相过量而软化变形，这种情况在生产中称为过烧。

保温时间在达到烧成温度后，需要一定的保温时间来使物质进行迁移，以保证瓷体的致密化。

冷却速度降温速度越快，则温度梯度越大，热应力也就越大，引起瓷体破坏的可能性相应增加。因此，瓷体烧成后，一般要求采用较慢的降温速度．

气氛种类与气氛压力

气固反应进行的程度和最终的相组成对于陶瓷的性能有着决定性的影响。使用温度过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂

主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶瓷后加工主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶

玻璃

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：①熔融态粘度低；②成型后冷却，定型速度快；③消除内应力。玻璃

其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料玻璃制备过程：配（备）料：主、辅原料配制。熔制成型：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深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等玻璃制备过程：四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件玻璃工艺发展公元1世纪，古罗马人铁管吹玻璃11-15世纪，威尼斯16-18世纪，欧洲建厂1828，法国罗宾，发明制瓶机1905，欧文斯发明自动制瓶机，瓶玻璃机械化1925，第一台行列式制瓶机19世纪末，拉板机—引上法1959，英国皮尔金顿公司，浮法玻璃工艺发展公元1世纪，古罗马人铁管吹玻璃玻璃成分及玻璃原料玻璃成分及玻璃原料

玻璃的成分为SiO2

、Na2O、K20、CaO、Mg0和Al2O3

SiO2是玻璃中最主要的成分，提供玻璃所具有的耐热、耐压、脆性、化学稳定性和透明等性能。Na20和K20的引入能降低玻璃的粘度，有利于熔化和成型，CaO和Mg0的引入可以避免玻璃的析晶，提高化学稳定性和机械强度。Al2O3能降低玻璃的析晶趋势，同时提高玻璃的化学稳定性。

玻璃的成分为SiO2、Na2O、K20、Ca

主要原料引入SiO2的原料(硅源原料)、引入Al2O3的原料(铝源原料)、引入CaO和Mg0的原料(钙源和镁源原料)和引人Na2O的原料。

辅助原料澄清剂、着色剂、脱色剂、还原剂、乳浊剂、助熔剂等。主要原料引入SiO2的原料(硅源原料)、引入Al2

配合料的制备

配合料的制备过程主要包括原料选择与计算、原料加工及配合料的混合等。玻璃的熔制根据原料在过程中的不同变化可以将玻璃的熔制过程分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。配合料的制备配合料的制备过程主要包括原料选择与玻璃成型加工方法浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）压制法（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）玻璃成型加工方法浮法（平板玻璃）四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件

玻璃的退火根据退火原理，退火工艺可以分为四个阶段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷阶段。

平板玻璃的深加工

随着对玻璃性能要求的日益提高，平板玻璃的一次产品已不能满足要求，需对其进行一定的深加工以使其具有特定的性能。

玻璃的退火根据退火原理，退火工艺可以分为四个阶段：玻璃的钢化物理钢化风钢化液体钢化化学钢化玻璃的钢化物理钢化风钢化液体钢化化学钢化水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。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。水硬性来自活性矿物成份的水化和水解反应。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。水泥的制备原理及方法水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。按活性矿物成份可分五大水泥硅酸盐水泥：熟料+石膏普通硅酸盐水泥：熟料+石膏+<15%矿渣水泥：熟料+石膏+矿渣20-70%粉煤灰水泥：熟料+石膏+粉煤灰20-40%火山灰水泥：熟料+石膏+火山灰20-50%五大水泥硅酸盐水泥：熟料硅酸盐水泥活性成份硅酸三钙

3CaO·SiO2(C3S) 44~62%硅酸二钙

2CaO·SiO2(C2S) 18~30%铝酸三钙

3CaO·Al2O3(C3A)5~12%铁铝酸四钙

4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)10~18%硅酸盐水泥及生产工艺硅酸盐水泥硅酸三钙3CaO·SiO2(C3S由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成硅酸盐水泥由石灰石、泥灰石、白垩等提供CaOSiO2、Al2O3、Fe2O3由黄土、粘土、页岩、粉煤灰、煤酐石等提供由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件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，石膏的加入可缓凝硅酸盐水泥的生产工艺见图5-11，可概况为“两磨一烧”煅烧耐火材料耐火温度不低于1580℃的无机非金属材料耐火材料的制备原理及方法耐火温度普通（1580~1770℃）高级（1770~2000℃）特种（2000℃以上）耐火材料耐火温度不低于1580℃的无机非金属材料耐火材料的

耐火材料的成分主要成分SiO2为主Al2O3及Cr2O3为主MgO和CaO为主耐火材料的成分主要成分SiO2为主耐火材料的生产工艺耐火材料的生产工艺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温使用性能耐火度制备的三个层次聚合物合成（Synthesisofpolymer）聚合物、粒、粉、块料的制备（Fabricationofpolymer）聚合物成型加工（Processingofpolymer）各层次高分子制备过程示意图见图5-135-1-2

高分子材料的制备制备的三个层次聚合物合成各层次高分子制备过程示意图见图5-1四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件聚合物合成①原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度②聚合聚合机理实施方法：本体、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③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④后处理：洗涤、干燥、造粒聚合物合成①原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性5-2材料的成型加工性5-2材料的成型加工性铸造（Casting）锻造（Forging）辊（滚）轧（Rolling）挤压（Extrusion）拉拔（Drawing）焊接（Welding）粉末冶金（PowderMetallurgy）热处理（Thermaltretment）切削（Cutting）金属材料成型加工

(ProcessingofMetals)5-2-1

金属材料的加工工艺性铸造（Casting）金属材料成型加工(Processi铸造性熔融流动性（螺旋试样法测定）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）铸造性熔融流动性（螺旋试样法测定）可锻性：

压力加工时获得优质零件难易程度锻造、辊轧、挤压、拉拔①金属的塑性变形性化学成份组织结构②变形抗力③变形条件变形温度变形速度应力状态可锻性：压力加工时获得优质零件难易程度锻造、辊轧、①金属可焊性：

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：①手工电弧焊；②埋弧自动焊；③氩弧焊；④电渣焊；⑤CO2气体保护焊；⑥电阻焊（点焊、对焊；缝焊）；⑦钎焊。可焊性：指金属在一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式切削加工性(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切削加工性硬度金属材料热处理，可改变其晶相组织结构，从而改变其性能。退火（annealing）处理热处理条件：①热处理温度；②保温时间；③冷却速度①松弛内应力（relievestresses）;②提高延展性(ductility)、改变硬度(toughness);③产生特殊组织结构（specificmicrostructure）金属材料热处理，可改变其晶相组织结构，退火（新日铁钢铁生产流程新日铁钢铁生产流程5-2-2聚合物的成型加工特性及成型加工方法聚合物的加工特性

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。

5-2-2聚合物的成型加工特性及成型加工方法聚合物的加工流动特性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”，常引起尺寸变形流动特性影响因素：

聚合物大分子链结构、分子量及外力高聚物的黏流温度及成型温度影响因素：聚合物大分子链结构、分子量及外力高聚物的黏流温度聚合物加工中的结构变化

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。聚合过程中会发生结晶、取向、降解、交联等结构的变化。聚合物加工中的结构变化混合—熔融—流动（变形）—固化定型—聚合物加工的基本工艺过程聚合物材料的配制物料的初混合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

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。聚合物加工的基本工艺过程物料的初混合Tm以下、低剪切、简单混热塑性聚合物熔体(PolymerViocousLiquid)成型方法

a.

挤出成型（ExtrusionMolding）图5-41，42b.

注射成型（InjectionMolding）图5-43，44c.

模压与传递模塑（CompressionandTransferMolding） 图5-45d.

压延成型图5-46e.

热成型（HeatMolding）图5-47f.

中空吹塑成型（BlowMolding）图5-48g.

浇铸成型（Casting）h.熔融纺丝（MeltSpinning）图5-49聚合物材料的成型热塑性聚合物熔体(PolymerViocousLiqui热固性(thermosettingplastics)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热固性(thermosettingplastics)成型方高分子溶液的加工成型

高分子溶液的加工通常涉及浓度在15％以上的高分子浓溶液

溶融纺丝

把熔融的聚合物通过喷丝头后再冷却固化制成，如尼龙(聚酰胺)和涤纶(对苯二甲酸乙二醇酪)等合成纤维。

熔液纺丝对于分解温度较低的高聚物先把它们溶解在适当的溶剂中，形成浓溶液，然后由喷丝孔挤出制成细流，经除去溶剂凝固后制成，如聚丙烯睛和聚氯乙烯等。高分子溶液的加工成型

流延工艺是制造高聚物薄膜和薄片的一种方法，它是将高聚物溶液，从料斗控制门的窄缝中，均匀地流到不断向前移动的金属带上，在溶剂蒸发后即可得到高聚物薄膜。做电影胶卷的醋酸纤维片基即用此法制得。流延工艺是制造高聚物薄膜和薄片的一种方法，它是将其他成型加工工艺

切削加工

凡是切削金属材料的工艺方法，均可用于高聚物材料的加工，如车削、铣削、刨削、钻削、铿儿及据、钞等。其他成型加工工艺焊接和粘接

熔融粘接(亦称焊接)。将被连接的两制件的结合处加热全熔融态，使焊缝熔合在一起，冷却后即焊成。这种方法只适用于热塑性高聚物材料。

溶剂粘接

将被连接的两制件结合处涂以适当的溶剂，使两制件结合处均发生溶胀和软化，适当加压使两制件紧紧贴合在—起，待溶剂挥发，两制件便粘接在一起。

粘合剂粘接在两被连接的制件之间涂上适当的粘合剂，靠粘胶层把制件连接在在一起。焊接和粘接83写在最后成功的基础在于好的学习习惯Thefoundationofsuccessliesingoodhabits83写在最后成功的基础在于好的学习习惯谢谢聆听·学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal谢谢聆听LearningIsToAchieveAC84第5章（自学）SichuanUniversity85FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering材料科学与工程基础第5章（自学）SichuanUniversity1Fund本章主要对金属材料（Metals）、无机非金属材（InorganicNonmetallic）、高分子材料（Polymer）的制备原理及方法，成型加工性作主要阐述。

第五章材料的制备与成型加工

（FabricationandProcessingofMaterials）本章主要对金属材料（Metals）、无机非5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性第五章内容目录5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性第五章5-1材料制备原理及方法5-1材料制备原理及方法金属材料的制备主要介绍铁的制备、钢的制备、非铁合金（铜的制备、铝的制备）的制备5-1-1

金属材料的制备金属材料的制备主要介绍铁的制备、钢的制备、非铁磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3·mH2O)①还原焦碳（C）或CO还原剂生铁Fe（C%>2.11%）②造渣熔剂石灰石(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

铁的制备磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、①还原焦碳（①

还原反应CO间接还原铁的制备原理FeO+C=Fe+CO直接还原高炉下部高温区进行①

还原反应CO间接还原铁的制备原理FeO+C=F造渣反应

造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭中灰分作用，生成一种多氧化物的熔体。造渣过程是一个复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要求，控制熔剂数量和熔炼过程，促使需要的元素进入铁水，让有害杂质进入渣中而除去。炉渣的成分是CaO、Al2O3、SiO2、和MgO。高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣的形成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意义。造渣反应造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行高炉炼铁生产

高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操作等生产过程组成。高炉炼铁生产高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和钢的制备钢的制备基本原理：所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害的杂质，再根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素，炼出具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。整个炼钢过程是氧化和还原过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣。钢的制备钢的制备基本原理：炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金C%>2.11%、Si、Mn、S、P杂质含量较高

①杂质氧化氧化剂（O2、FeO）②脱氧（还原）脱氧剂(硅、锰、铝及铁合金)③造渣熔剂（石灰、萤石、白云石）钢：C%<2.11%，含少量Si、Mn、S、P炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金①杂质氧化氧化剂炼钢反应原理：杂质氧化

2Fe+O2—→2FeOSi+2FeO—→SiO2+2FeMn+FeO—→MnO+FeC+FeO—→Fe+CO↑2P+5FeO—→P2O5+5Fe脱氧(还原)2FeO+Si—→SiO2+FeFeO+Mn—→MnO+Fe3FeO+Al—→Al2O3+3Fe造渣除渣：与炼铁类似氧化后钢液中存在较多FeO，必须除去炼钢反应原理：杂质氧化2Fe+O2—→2FeO脱氧钢的制备方法钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电炉炼钢，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（LD法）。氧气转炉炼钢原料氧气转炉炼钢原料有金属料(铁水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料(石灰、萤石和白云石)；氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮)；冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂(硅、锰、馅及铁合金)。钢的制备方法钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢氧气顶吹转炉炼钢

纯氧顶吹转炉炼钢生产工艺：倾倒兑铁水，加废钢→直立加渣料→准备吹炼→吹炼→停吹→一倾倒炉渣→直立加二批渣料→继续吹炼→倾倒取样→脱氧出钢→浇注氧气顶吹转炉炼钢四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件制备原理火法炼钢法在高温下使铜矿石或含铜原料(精矿、焙烧或烧结块)先熔炼成冰铜，再将其吹成粗铜。湿法冶铜法用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。非铁合金的制备①铜的制备

湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。制备原理火法炼钢法在高温下使铜矿石或含铜原料非铁合金的制备硫化铜、氧化铜矿

熔炼Fe等杂质随熔渣除去冰铜(Cu2S)x·(FeS)y

吹炼Cu2S+3/2O2—→Cu2O+SO2

Cu2O+FeS—→Cu2S+FeO2Cu2O+Cu2S—→6Cu+SO2

粗铜（Cu%=98.5~99.5%）含少量金、银、铋、锡、铅、硒、碲、溶解气体火法炼铜法火法精炼或电解精炼

目的：①去除杂质②提取贵金属纯铜金属铜的制备方法硫化铜、氧化铜矿熔炼Fe等杂质随熔渣除去冰铜(Cu2S四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件Al2O3的制备

①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAlO2水溶液Al(OH)3

稀释、过滤、结晶加Al(OH)3晶核

950~1000℃煅烧Al2O3②干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO3

1100℃

烧结

烧结块加水稀释沉淀杂质

NaAlO2水溶液通入CO2

Al(OH)3

950~1000℃煅烧Al2O3Al2O3自焙电解

900℃

电解Al3++3e→Al 阴极、铝纯度达99.7%2AlO33-–6e→Al2O3+3/2O2

阳极铝的制备Al2O3的①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAl四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件传统上无机非金属材料（inorganicnonmetallicmaterials）主要包括陶瓷(ceramics)、玻璃(glass)、水泥(cement)和耐火材料(firebrick)四大类.这里主要从这四种材料出发。介绍无机非金属材料的制备原理和一般的制备方法。5-1-2

无机非金属材料的制备传统上无机非金属材料（inorganicnonmetall陶瓷的制备原理及方法

陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉末成型后，经特定的工艺使其致密化，赋予其一定的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶瓷是一种多晶多相的聚集体。陶瓷的制备原理及方法陶瓷是无机非金属四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶瓷制备的一般工艺过程如图5—8所示。

制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶瓷陶瓷原料天然原料

化工原料粘土类矿物长硅类矿物石英类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、ZnO、BeO、ZrO2、Si3O4、釉料等陶瓷原料及配料陶瓷原料天然原料粘土类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、

陶瓷原料的预处理主要是进行淘洗，其目的是尽量除去原料中带有的杂质，以保证陶瓷的产品质量。例如，电子陶瓷的电性能对原料中的碱金属含量非常敏感，而碱金属盐基本上都是水溶性盐，可以通过淘洗将其溶解去除。陶瓷原料的破碎通常分为粗碎、中碎和细碎。有的原料还需进行燃烧处理。锻烧的作用主要有三个方面：其一是使原料的晶型发生转变，以避免物料在烧结过程产半晶型转变而使瓷体产生裂纹；其二是利用晶型转变产生的内应力和燃烧过程中产生的热应力使原料进—步细化；其三是在燃烧过程中除去物料中的有害杂质。原料的预处理与破碎陶瓷原料的预处理主要是进行淘洗，其

坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺要求的均匀混合物。坯料分为注浆坯料、可塑坯料和压制坯料三种。坯料的制备包括配料、混合、细碎、陈化、练泥等过程。

配料选择不同的原料配比，保证坯料组成符合配方要求。

混合采用各种工艺方式使坯料混合均匀。

细碎一般采用雷蒙磨(干粉)或球磨(料浆)使坯料的细度达到0.05～0.07mm以下。

陈化将含水坯料在一定湿度和温度下放置一定时间(数大)，使得其中的腐殖质充分腐化。

练泥将坯料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均匀．同时将坯料中的气体排除。坯料的制备坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺成型方法压制成型可塑成型

注浆成型将含水3％—7％(干压法)或8％—15％(半干压法)的坯料在较高的压力下加压形成坯体的方法利用坯料的可塑性将坯料制成一定的形状。

成型

成型是采用一定的方法将坯料制作成为具有一定形状和尺寸的坯体的过程。注浆成型是将具有流动性的坯料(料浆)注入石膏模中，利用石膏的吸水性使含水量降低而固化成型成型方法压制成型将含水3％—7％(干压法)或8％—干燥由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的迅速气化使坯体内气压急剧上升而开裂，故烧成前需在一定温度下进行干燥，便坯体中的水基本除去。排蜡干压中加入有机塑化剂的坏体亦需在较低温度下便塑化剂挥发除去，又称为排胶。干燥与排蜡干燥由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的

釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起表面保护、改善性能．并使陶瓷具有光泽和色泽的作用。根据釉料的烧成温度的不同，可以将釉料分为高温釉和低温釉。按照釉科的制备方法可以将釉料分为生釉和熔块釉。施釉

釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起

烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变化，坯体逐渐致密化形成预期的矿物组成和显微结构，并赋予制品预期性能的过程。烧成过程中需要严格控制的因素包括：升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度、气氛种类与气氛压力等。烧成烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变

使用温度过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂纹；并使水蒸气来不及排除坯体外，在坯体内形成很高的气压而使坯体开裂。烧成温度温度过低，液相量不足，瓷体不能完全实现致密化，也不能达到预期的强度，这种情况在生产中称为生烧。反之，过高的烧成温度将使坯体因液相过量而软化变形，这种情况在生产中称为过烧。

保温时间在达到烧成温度后，需要一定的保温时间来使物质进行迁移，以保证瓷体的致密化。

冷却速度降温速度越快，则温度梯度越大，热应力也就越大，引起瓷体破坏的可能性相应增加。因此，瓷体烧成后，一般要求采用较慢的降温速度．

气氛种类与气氛压力

气固反应进行的程度和最终的相组成对于陶瓷的性能有着决定性的影响。使用温度过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂

主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶瓷后加工主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶

玻璃

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：①熔融态粘度低；②成型后冷却，定型速度快；③消除内应力。玻璃

其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料玻璃制备过程：配（备）料：主、辅原料配制。熔制成型：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深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等玻璃制备过程：四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件玻璃工艺发展公元1世纪，古罗马人铁管吹玻璃11-15世纪，威尼斯16-18世纪，欧洲建厂1828，法国罗宾，发明制瓶机1905，欧文斯发明自动制瓶机，瓶玻璃机械化1925，第一台行列式制瓶机19世纪末，拉板机—引上法1959，英国皮尔金顿公司，浮法玻璃工艺发展公元1世纪，古罗马人铁管吹玻璃玻璃成分及玻璃原料玻璃成分及玻璃原料

玻璃的成分为SiO2

、Na2O、K20、CaO、Mg0和Al2O3

SiO2是玻璃中最主要的成分，提供玻璃所具有的耐热、耐压、脆性、化学稳定性和透明等性能。Na20和K20的引入能降低玻璃的粘度，有利于熔化和成型，CaO和Mg0的引入可以避免玻璃的析晶，提高化学稳定性和机械强度。Al2O3能降低玻璃的析晶趋势，同时提高玻璃的化学稳定性。

玻璃的成分为SiO2、Na2O、K20、Ca

主要原料引入SiO2的原料(硅源原料)、引入Al2O3的原料(铝源原料)、引入CaO和Mg0的原料(钙源和镁源原料)和引人Na2O的原料。

辅助原料澄清剂、着色剂、脱色剂、还原剂、乳浊剂、助熔剂等。主要原料引入SiO2的原料(硅源原料)、引入Al2

配合料的制备

配合料的制备过程主要包括原料选择与计算、原料加工及配合料的混合等。玻璃的熔制根据原料在过程中的不同变化可以将玻璃的熔制过程分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。配合料的制备配合料的制备过程主要包括原料选择与玻璃成型加工方法浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）压制法（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）玻璃成型加工方法浮法（平板玻璃）四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件

玻璃的退火根据退火原理，退火工艺可以分为四个阶段：加热阶段、均热阶段、慢冷阶段和快冷阶段。

平板玻璃的深加工

随着对玻璃性能要求的日益提高，平板玻璃的一次产品已不能满足要求，需对其进行一定的深加工以使其具有特定的性能。

玻璃的退火根据退火原理，退火工艺可以分为四个阶段：玻璃的钢化物理钢化风钢化液体钢化化学钢化玻璃的钢化物理钢化风钢化液体钢化化学钢化水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。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。水硬性来自活性矿物成份的水化和水解反应。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。水泥的制备原理及方法水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。按活性矿物成份可分五大水泥硅酸盐水泥：熟料+石膏普通硅酸盐水泥：熟料+石膏+<15%矿渣水泥：熟料+石膏+矿渣20-70%粉煤灰水泥：熟料+石膏+粉煤灰20-40%火山灰水泥：熟料+石膏+火山灰20-50%五大水泥硅酸盐水泥：熟料硅酸盐水泥活性成份硅酸三钙

3CaO·SiO2(C3S) 44~62%硅酸二钙

2CaO·SiO2(C2S) 18~30%铝酸三钙

3CaO·Al2O3(C3A)5~12%铁铝酸四钙

4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)10~18%硅酸盐水泥及生产工艺硅酸盐水泥硅酸三钙3CaO·SiO2(C3S由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成硅酸盐水泥由石灰石、泥灰石、白垩等提供CaOSiO2、Al2O3、Fe2O3由黄土、粘土、页岩、粉煤灰、煤酐石等提供由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件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，石膏的加入可缓凝硅酸盐水泥的生产工艺见图5-11，可概况为“两磨一烧”煅烧耐火材料耐火温度不低于1580℃的无机非金属材料耐火材料的制备原理及方法耐火温度普通（1580~1770℃）高级（1770~2000℃）特种（2000℃以上）耐火材料耐火温度不低于1580℃的无机非金属材料耐火材料的

耐火材料的成分主要成分SiO2为主Al2O3及Cr2O3为主MgO和CaO为主耐火材料的成分主要成分SiO2为主耐火材料的生产工艺耐火材料的生产工艺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温使用性能耐火度制备的三个层次聚合物合成（Synthesisofpolymer）聚合物、粒、粉、块料的制备（Fabricationofpolymer）聚合物成型加工（Processingofpolymer）各层次高分子制备过程示意图见图5-135-1-2

高分子材料的制备制备的三个层次聚合物合成各层次高分子制备过程示意图见图5-1四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件聚合物合成①原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度②聚合聚合机理实施方法：本体、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③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④后处理：洗涤、干燥、造粒聚合物合成①原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5课件5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性5-2材料的成型加工性5-2材料的成型加工性铸造（Casting）锻造（Forging）辊（滚）轧（Rolling）挤压（Extrusion）拉拔（Drawing）焊接（Welding）粉末冶金（PowderMetallurgy）热处理（Thermaltretment）切削（Cutting）金属材料成型加工

(ProcessingofMetals)5-2-1

金属材料的加工工艺性铸造（Casting）金属材料成型加工(Processi铸造性熔融流动性（螺旋试样法测定）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）铸造性熔融流动性（螺旋试样法测定）可锻性：

压力加工时获得优质零件难易程度锻造、辊轧、挤压、拉拔①金属的塑性变形性化学成份组织结构②变形抗力③变形条件变形温度变形速度应力状态可锻性：压力加工时获得优质零件难易程度锻造、辊轧、①金属可焊性：

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：①手工电弧焊；②埋弧自动焊；③氩弧焊；④电渣焊；⑤CO2气体保护焊；⑥电阻焊（点焊、对焊；缝焊）；⑦钎焊。可焊性：指金属在一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式切削加工性(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切削加工性硬度