材料科學(xué)及工程導(dǎo)論 第3章 材料工藝概述(2)

1、3.2 材料的制備（合成）與成型工藝材料的制備（合成）與成型工藝3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備金屬材料是現(xiàn)代化工業(yè)的基礎(chǔ)。 103 103種元素中，種元素中，8181種為金屬元素種為金屬元素。（。（1616種堿土金屬，種堿土金屬，3 3種輕金屬，種輕金屬，4 4種鐵族金屬，種鐵族金屬，1212種易熔金屬，種易熔金屬，1111種難熔金屬，種難熔金屬，9 9種貴金屬，種貴金屬，1616種稀土金屬，種稀土金屬，1515種鈾金屬）。種鈾金屬）。金屬材料在工業(yè)上，分為兩大類：黑色金屬黑色金屬：鐵、鉻、錳及其合金：鐵、鉻、錳及其合金有色金屬有色金屬：其它金屬及其合金（銅、鋁、錫、鋅、

2、鎂等）。：其它金屬及其合金（銅、鋁、錫、鋅、鎂等）。粗制金屬粗制金屬精制金屬精制金屬加工加工裝配裝配 探礦探礦(prospecting) 地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)學(xué)院 采礦采礦(mining) 礦院礦院 選礦選礦(mineral separation) 礦院礦院 冶煉冶煉(smelting) 冶金學(xué)院冶金學(xué)院 材料制備與成型材料制備與成型(materials fabrication and working )材料學(xué)院材料學(xué)院 機(jī)械加工與制造機(jī)械加工與制造(machining and manufacturing)機(jī)電學(xué)院機(jī)電學(xué)院3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 絕大多數(shù)金屬元素（除絕大多

3、數(shù)金屬元素（除AuAu、AgAg、PtPt外）都以外）都以氧化物、氧化物、碳化物等碳化物等化合物化合物的形式存在的形式存在地殼之中。地殼之中。 因此，要獲得各種金屬及其合金材料必須首先通過因此，要獲得各種金屬及其合金材料必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中各種方法將金屬元素從礦物中出來，接著對(duì)粗煉金屬出來，接著對(duì)粗煉金屬產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品進(jìn)行和和，然后，然后，才能得到所需成分、組織和規(guī)格的金屬材料。，才能得到所需成分、組織和規(guī)格的金屬材料。金屬材料的制備金屬材料的制備冶金冶金 金屬的冶金工藝可以分為金屬的冶金工藝可以分為火法冶金、濕法冶金、電火法冶金、濕法冶金、電冶金以及粉末冶金冶金以及粉末冶金等

4、。等。3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 火法冶金火法冶金 ：火法冶金是指利用高溫從礦石中提取金屬或其化合火法冶金是指利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。物的方法。 ：選礦、焙選礦、焙燒球化或燒球化或燒結(jié)燒結(jié)金屬化合物金屬化合物的還原的還原除去雜質(zhì)除去雜質(zhì)提純金屬提純金屬3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備煉鐵: 將鐵礦石、燃料（焦炭）、溶劑（石灰石）加入高爐，經(jīng)過高溫燃燒及鐵礦石與高爐煤氣（CO）一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生鐵水。例：例：煉鋼: （鋼的含碳量低于2.11%）煉鋼過程基本是一個(gè)降碳去雜質(zhì)的氧化過程。高溫下生鐵中碳被氧化成CO而排出。一部分鐵氧化成

5、FeO并與硅、錳反應(yīng)生成MnO、SiO2浮在鋼液上，加入爐渣被排除。3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 濕法冶金濕法冶金 ：濕法冶金是指利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水濕法冶金是指利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)，對(duì)原料、中間產(chǎn)物或二次再生資解和絡(luò)合等反應(yīng)，對(duì)原料、中間產(chǎn)物或二次再生資源中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過程。源中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過程。 ：3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 目前，濕法冶煉的發(fā)展出現(xiàn)新的契機(jī)，基于環(huán)保的要目前，濕法冶煉的發(fā)

6、展出現(xiàn)新的契機(jī)，基于環(huán)保的要求，濕法冶煉的地位正在顯示出不可取代的作用。求，濕法冶煉的地位正在顯示出不可取代的作用。 銅的濕法冶煉：銅的濕法冶煉：溶溶 解解例：例：3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 電冶金電冶金 ：利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程。金屬的冶金過程。 ： 3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備 由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，不能通過各種化學(xué)處理直由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，不能通過各種化學(xué)處理直接還原得到粗金屬，所以長期以來鋁的價(jià)格極高。接還原得到粗金屬，所以長期以來鋁的價(jià)格極高。 后來，人類發(fā)

7、現(xiàn)后來，人類發(fā)現(xiàn)電解法電解法很容易制備金屬鋁，鋁的價(jià)很容易制備金屬鋁，鋁的價(jià)格大約降低了格大約降低了20倍。倍。 電解法制備金屬鋁必須包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是從含鋁電解法制備金屬鋁必須包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是從含鋁的礦石中制取純凈的的礦石中制取純凈的氧化鋁氧化鋁；二是采用；二是采用熔鹽電解氧化鋁熔鹽電解氧化鋁得到純鋁得到純鋁。鋁的冶煉鋁的冶煉 例：例：3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備鋁的生產(chǎn)流程示意圖鋁的生產(chǎn)流程示意圖3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備純冰晶石純冰晶石鋁鋁 錠錠螢螢 石石鋁鋁 礦礦 石石生產(chǎn)氧化鋁生產(chǎn)氧化鋁純氧化鋁純氧化鋁電電 解解 制制 鋁鋁碳素材料

8、碳素材料陽陽 極極 糊糊 或或其其 它它 產(chǎn)產(chǎn) 品品電極生產(chǎn)電極生產(chǎn)選選 礦礦再熔或精煉再熔或精煉電電 能能生產(chǎn)冰晶石生產(chǎn)冰晶石或或 氟氟 化化 物物鋁冶煉的主要過程鋁冶煉的主要過程3.2.1 3.2.1 金屬材料的制備金屬材料的制備AlAl3 33e Al3e AlAlOAlO3 33- 3- - 6e Al- 6e Al2 2O O3 3礦石（礦石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al礦石（礦石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅燒煅燒 9501000165 0.35Pa1100 CO2900 陶瓷、玻璃、耐火材料、磚瓦、

9、水泥、石膏、單晶硅等。3.2.2 3.2.2 無機(jī)非金屬材料的制備與成型無機(jī)非金屬材料的制備與成型3.2 材料的制備（合成）與成型工材料的制備（合成）與成型工藝藝原料配制原料配制坯料成型坯料成型高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié) 陶瓷陶瓷原料制備原料制備粘土、石英、長石，經(jīng)揀選、粘土、石英、長石，經(jīng)揀選、破碎、配料、混合、磨細(xì)，得到破碎、配料、混合、磨細(xì)，得到一定要求的坯料（可塑呢料、粉一定要求的坯料（可塑呢料、粉料、漿料）。料、漿料）。坯料成型坯料成型塑性料成型塑性料成型漿料成型漿料成型粉料成型粉料成型固體成型固體成型燒結(jié)燒結(jié)3.2.2 3.2.2 無機(jī)非金屬材料的制備與成型無機(jī)非金屬材料的制備與成型(1)原

10、料制備原料制備 石英砂、硼砂、長石等為石英砂、硼砂、長石等為主要原料，干燥、破碎、粉碎、主要原料，干燥、破碎、粉碎、過篩、除鐵過篩、除鐵(2)熔制熔制 硅酸鹽形成、玻璃形成、硅酸鹽形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化、冷玻璃液澄清、玻璃液均化、冷卻卻(3)成型加工成型加工吹制成型吹制成型壓制成型壓制成型拉制成型拉制成型拉絲拉絲 玻璃玻璃 玻璃的主要成分是二氧化硅，玻璃的主要成分是二氧化硅，與一般陶瓷不同，玻璃具有獨(dú)特與一般陶瓷不同，玻璃具有獨(dú)特的工藝性能。熔融的玻璃在固化的工藝性能。熔融的玻璃在固化時(shí)，沒有明顯的凝固點(diǎn)，也沒有時(shí)，沒有明顯的凝固點(diǎn)，也沒有體積的突變，材料的粘度連續(xù)變體積的突變

11、，材料的粘度連續(xù)變化，液態(tài)流動(dòng)性很好，因而可以化，液態(tài)流動(dòng)性很好，因而可以進(jìn)行吹制成形，也可以像金屬一進(jìn)行吹制成形，也可以像金屬一樣進(jìn)行鑄造、軋制、拉絲和擠壓。樣進(jìn)行鑄造、軋制、拉絲和擠壓。 3.2.2 3.2.2 無機(jī)非金屬材料的制備與成型無機(jī)非金屬材料的制備與成型高分子材料的合成高分子材料的合成加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)：一種或多種單體通過加成反應(yīng)，相互結(jié)合成高分子化合物的反應(yīng)。如：聚烯烴?？s聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)：一種或多種單體，含有二個(gè)或多個(gè)官能團(tuán)，進(jìn)行相互縮合成為高分子化合物的反應(yīng)。如：聚酯、聚酰胺、環(huán)氧樹脂等。3.2.3 3.2.3 有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成

12、型天然高分子材料天然高分子材料合成高分子材料合成高分子材料如蠶絲、纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、羊毛、橡膠等如蠶絲、纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、羊毛、橡膠等塑料、橡膠和纖維塑料、橡膠和纖維 合成高分子是由簡單低分子化合物（稱為單體）通過合成高分子是由簡單低分子化合物（稱為單體）通過化學(xué)聚合反應(yīng)而形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子化合物。也化學(xué)聚合反應(yīng)而形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子化合物。也稱為高聚物。稱為高聚物。 3.2 材料的制備（合成）與成型工材料的制備（合成）與成型工藝藝壓制成型壓制成型物料物料 計(jì)量計(jì)量 預(yù)熱、預(yù)壓預(yù)熱、預(yù)壓 加料加料 閉模閉模 排氣排氣 保壓固化保壓固化 脫模脫模 制品后處理制品后處理高分子

13、材料的成型高分子材料的成型3.2.3 3.2.3 有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型擠出成型擠出成型物料物料 預(yù)熱、干燥預(yù)熱、干燥 加料加料 調(diào)整調(diào)整 擠出擠出 定型定型 冷卻冷卻 收取收取 制品后處理制品后處理3.2.3 3.2.3 有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型注射（注塑）成型注射（注塑）成型物料物料 預(yù)熱、干燥預(yù)熱、干燥 加料加料 塑化塑化 注射充注射充模模 保壓保壓 凝封凝封 退柱塞退柱塞 冷卻固化冷卻固化 脫模脫模 后處理后處理3.2.3 3.2.3 有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型有機(jī)高分子材料的制備（合成）

14、與成型壓延成型壓延成型二次成型二次成型中空吹塑中空吹塑拉伸薄膜拉伸薄膜真空吸塑真空吸塑3.2.3 3.2.3 有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型有機(jī)高分子材料的制備（合成）與成型材料類型材料類型金屬材料金屬材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料原料原料天然礦物天然礦物金屬及合金金屬及合金天然礦物、無機(jī)化合物天然礦物、無機(jī)化合物天然原料、人工原料天然原料、人工原料生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝火法、濕法、電法及火法、濕法、電法及粉末冶金、單晶生長粉末冶金、單晶生長成形燒結(jié)、熔融固化、單晶成形燒結(jié)、熔融固化、單晶生長生長單體制備、均聚、共聚、共混單體制備、均聚、共聚、共混產(chǎn)品產(chǎn)品金屬及合金錠、單晶金屬及合金錠

15、、單晶體體普通、新型陶瓷普通、新型陶瓷均聚物、高分子合金均聚物、高分子合金理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)物理化學(xué)物理化學(xué)表表3-1 各類材料生產(chǎn)工藝特性的比較各類材料生產(chǎn)工藝特性的比較各類材料生產(chǎn)工藝特性的比較各類材料生產(chǎn)工藝特性的比較 金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料其成型方法形成各自的系統(tǒng)特色。 表32列出金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料的主要成型方法，每種材料采用哪一種成型方法，應(yīng)根據(jù)其自身的成型特性、制品性質(zhì)及經(jīng)濟(jì)上的合理性等因素來取舍。3.3 金屬材料的加工工藝金屬材料的加工工藝 材料加工就是把材料制備成具有一定形狀、尺寸和性能的制品的過程。

16、主要指材料的成形加工、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的控制以及表面處理等。表表3-2 材料的主要成型方法材料的主要成型方法3.3 材料的加工工材料的加工工藝藝鑄造、鍛壓、焊接、熱處理，機(jī)加工（機(jī)械制造）金屬材料加工工藝的種類：金屬材料加工工藝的種類： 鑄造是將金屬熔化成液體，澆注到具有與零件形狀相近似的鑄型空腔內(nèi)，待其冷卻、凝固后獲得鑄件的工藝方法。 簡化的工藝流程如下。3.3.1 3.3.1 鑄造鑄造金屬熔化液體澆注冷凝鑄型鑄件3.3 材料的加工工材料的加工工藝藝齒輪毛坯的鑄件生產(chǎn)過程：齒輪毛坯的鑄件生產(chǎn)過程： 鑄造方法鑄造方法主要包括主要包括砂型鑄造砂型鑄造和和特種鑄造特種鑄造。 1 1 熔模鑄造熔模鑄造

17、2 2 金屬型鑄造金屬型鑄造 3 3 壓力鑄造壓力鑄造 4 4 低壓鑄造低壓鑄造 離心鑄造離心鑄造 實(shí)型鑄造實(shí)型鑄造3.3.1 3.3.1 鑄造鑄造鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn) （2）可制造各種合金鑄件可制造各種合金鑄件（1）適應(yīng)范圍廣適應(yīng)范圍廣 各種材料均可，鑄件品種繁多。各種材料均可，鑄件品種繁多。 （4）成本低成本低 原料廣，價(jià)低，設(shè)備簡單，投資少。原料廣，價(jià)低，設(shè)備簡單，投資少。 優(yōu)點(diǎn)多，缺點(diǎn)少，因而應(yīng)用廣。優(yōu)點(diǎn)多，缺點(diǎn)少，因而應(yīng)用廣。 不受零件大小、厚薄和復(fù)雜程度的限制?？芍瞥刹皇芰慵笮?、厚薄和復(fù)雜程度的限制?？芍瞥尚螤顝?fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯，如各種箱體、形狀復(fù)雜，特別是具

18、有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯，如各種箱體、床身、機(jī)座等。床身、機(jī)座等。 （3）鑄件的尺寸精度高鑄件的尺寸精度高比一般鍛件、焊接件尺寸精確。比一般鍛件、焊接件尺寸精確。 鑄造工藝靈活，生產(chǎn)率高，既可以手工生產(chǎn)，也可鑄造工藝靈活，生產(chǎn)率高，既可以手工生產(chǎn)，也可以機(jī)械化生產(chǎn)。以機(jī)械化生產(chǎn)。3.3.1 3.3.1 鑄造鑄造 由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低。其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低。（5）缺點(diǎn)缺點(diǎn) 工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制；工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制；液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、

19、致密性一般較差；液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差； 液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品 質(zhì)量不夠穩(wěn)定；質(zhì)量不夠穩(wěn)定；水輪機(jī)鑄件（銅合金）水輪機(jī)鑄件（銅合金）船用螺旋漿（鑄銅）船用螺旋漿（鑄銅）3.3.1 3.3.1 鑄造鑄造鑄造生產(chǎn)的重要性鑄造生產(chǎn)的重要性 鑄造生產(chǎn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要鑄造生產(chǎn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。的地位。從鑄件在機(jī)械產(chǎn)品所占的比重可看出其重要性：從鑄件在機(jī)械產(chǎn)品所占的比重可看出其重要性：在機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、重型機(jī)器中，鑄件

20、約占在機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、重型機(jī)器中，鑄件約占70%90%；在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)中，鑄件約占在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)中，鑄件約占60%80%；在拖拉機(jī)中，鑄件約占在拖拉機(jī)中，鑄件約占50%70%；在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，鑄件約占在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，鑄件約占40%70%；在汽車中，鑄件約占在汽車中，鑄件約占20%30%；3.3.1 3.3.1 鑄造鑄造3.3.2 3.3.2 鍛壓鍛壓 鍛壓是利用外力使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，獲得所需尺寸、形狀及性能的毛坯或零件的加工方法。 黑色金屬和大多數(shù)有色金屬都具有一定黑色金屬和大多數(shù)有色金屬都具有一定的塑性，均可在的塑性，均可在冷態(tài)冷態(tài)或或熱態(tài)熱態(tài)下進(jìn)行變形加工。下進(jìn)行變形加工。 壓力加工的方法

21、有壓力加工的方法有鍛造、沖壓、軋制、鍛造、沖壓、軋制、拉拔、擠壓拉拔、擠壓等。等。鋼 錠 或 鋼 板加 熱鍛 造退 火 或 緩 冷材 料 試 驗(yàn)機(jī) 械 加 工熱 處 理機(jī) 械 加 工檢 驗(yàn)制 品3.3 材料的加工工材料的加工工藝藝萬噸水壓機(jī)萬噸水壓機(jī)(a) 自由鍛自由鍛 (b) 模鍛模鍛 (c) 板料沖壓板料沖壓 (d) 擠壓擠壓 (e) 軋制軋制 (f) 拉拔拉拔常用的壓力加工方法常用的壓力加工方法3.3.2 3.3.2 鍛壓鍛壓 壓力加工的特點(diǎn)壓力加工的特點(diǎn)1 機(jī)械性能好； 用于載荷大，轉(zhuǎn)速高，受力復(fù)雜件。用于載荷大，轉(zhuǎn)速高，受力復(fù)雜件。如機(jī)床主軸、重要齒輪、炮筒、槍管等。如機(jī)床主軸、重要齒輪、炮筒、槍管等。2 難于生產(chǎn)形狀復(fù)雜件；3 設(shè)備昂貴，成本高。 板料成形板料成形3.3.2 3.3.2 鍛壓鍛壓3.3.2 3.3.2 鍛壓鍛壓 我國重要戰(zhàn)略裝備項(xiàng)目15000噸水壓機(jī)在中國第一重型機(jī)械集團(tuán)一次熱負(fù)荷試車成功。3.3.2 3.3.2 鍛壓鍛壓3.3.3 3.3.3 焊接焊接 焊接是使兩個(gè)分離的固態(tài)物質(zhì)借助于原子間結(jié)合力而連接在一起的連接方法。3.3 材料的加工工材料的加工工藝藝焊接方法的分類焊接方法的分類1 熔化焊熔化焊：利用熱源，將焊件接頭熔化，并加入填充金屬