材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)顧宜第5章

1、第十六講第十六講 材料的制備與成型加工材料的制備與成型加工 （Fabrication and Processing of Materials）主要內(nèi)容： 金屬材料（Metals）制備與成型加工（鐵鋼、銅、鋁） 無機(jī)非金屬材料（Inorganic Nonmetallic）（陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料） 有機(jī)高分子材料（Polymer）塑料（Plastics）、橡膠（Rubber）、纖維（Fiber）、涂料（Coating）鐵的制備：磁鐵礦(Fe3O4)、赤鐵礦(Fe2O3)、褐鐵礦(FeCO3)、菱鐵礦(Fe2O3mH2O)還原 焦碳（C）或CO 產(chǎn)熱570作還原劑 生鐵Fe（C%2.11%）

2、造渣 熔劑 碳石(CaCO3) 錳礦石(脫O、脫S)目的有害雜質(zhì)入渣除去 有益元素進(jìn)入鐵水 鐵制備反應(yīng)原理： 還原反應(yīng)：FeO + C = Fe + CO(直接還原、高爐下部高溫區(qū)進(jìn)行) 25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO間接還原造渣反應(yīng)：酸性氧化物與堿性氧化物的中和反應(yīng)，十分復(fù)雜。 鋼的制備煉鋼的目的： 降低生鐵中C含量 去除有害雜質(zhì) 添加適量合金元素?zé)掍摲椒ǎ?平爐煉鋼 電爐煉鋼 純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼（LD法，代表發(fā)展方面） 煉鋼過程：鐵水、生鐵塊、廢鋼、鐵合金C%2.11%、Si、M

3、n、S、P雜質(zhì)含量較高 雜質(zhì)氧化 氧化劑（O2、FeO） 脫氧（還原） 脫氧劑( (硅、錳、鋁及鐵合金 )造渣 熔劑（石灰、螢石、白云石） 鋼：C%2.11%，含少量Si、Mn、S、P 煉鋼反應(yīng)原理： 雜質(zhì)氧化 2Fe + O2 2FeOSi + 2FeO SiO2 + 2FeMn + FeO MnO +FeC + FeO Fe + CO2P + 5FeO P2O5 +5Fe脫氧(還原) 2FeO + Si SiO2 + FeFeO + Mn MnO + Fe氧化后鋼液中存在3FeO + Al Al2O3 + 3Fe較多FeO，必須除去 造渣除渣：與煉鐵類似 硫化銅、氧化銅礦 熔煉 Fe等雜質(zhì)

4、隨熔渣除去 冰銅(Cu2S)x(FeS)y 吹煉 Cu2S + 3/2 O2 Cu2O + SO2 Cu2O +FeS Cu2S +FeO2 Cu2O + Cu2S 6Cu + SO2 粗銅（Cu%=98.599.5%）含少量金、銀、鉍、錫、鉛、硒、碲、溶解氣體 銅的制備：火法煉銅法火法精煉 或電解精煉 目的：去除雜質(zhì) 提取貴金屬 純銅金屬 鋁的制備：Al2O3的制備 濕堿法：鋁礦石 + NaOH溶液2NaAlO2水溶液 稀釋、過濾、結(jié)晶 加Al(OH)3晶核 Al(OH)3 9501000 煅燒Al2O3 干堿法： 鋁礦石 + CaCO3 + Na2CO3 1100 燒結(jié) 燒結(jié)塊加水稀釋 沉

5、淀雜質(zhì) NaAlO2水溶液 通入CO2 Al(OH)3 9501000 煅燒Al2O3Al2O3自焙電解 900 電解 Al3+ + 3e Al陰極、鋁純度達(dá)99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2陽極 自焙陽極電解槽見圖5-6 無機(jī)非金屬材料的制備 無機(jī)非金屬材料 (Inorganic Nonmetallic Materials) 陶瓷（Ceramics） 玻璃（Glass） 水泥（Cement） 耐火材料(Firebrick) 基本化學(xué)成份屬硅酸鹽(Siticate)物質(zhì) 陶瓷原料 天然原料：粘土類礦物、長硅類礦物、石英 類礦物化工原料：BaCO3、SiO2、TiO2、

6、ZnO、BeO 、ZrO2、Si3O4、釉料等制備過程：配料成型燒結(jié)（致密化）陶瓷的一般生產(chǎn)工藝流程，見圖5-1-8玻璃的結(jié)構(gòu)及成型特點：其獨特的性能：是國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的基礎(chǔ)材料典型的非晶態(tài)（無定型、亞穩(wěn)態(tài)）結(jié)構(gòu)，具有降低內(nèi)能向晶態(tài)轉(zhuǎn)化趨勢成形加工過程中必須嚴(yán)格控制玻璃生成的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，以保證無定型態(tài)成形工藝要求：熔融態(tài)粘度低；成型后冷卻，定型速度快；消除內(nèi)應(yīng)力。玻璃制備過程：配（備）料：主、輔原料配制。熔制：硅酸鹽的生成、玻璃液的形成、澄清、均化和玻璃液的冷卻即熔融成型1.深加工：切裁、熱處理、鋼化、夾層化、中空化、鍍膜等 玻璃成型加工方法 浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）壓制法

7、（玻璃容器）壓延法（壓花玻璃） 澆鑄法（光學(xué)玻璃）焊接法（玻璃儀器） 水泥是水硬性無機(jī)膠凝材料的統(tǒng)稱，屬 無機(jī)粉體材料。 其水硬性來自于所含活性礦物成份的水化和水解反應(yīng)。 按活性礦物成份可分為：硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫酸鹽水泥和氟鋁酸鹽水泥等，其中硅酸鹽水泥用量最大。 按用途和性能可分為：通用、專用、特種三大類。硅酸鹽水泥活性成份 硅酸三鈣 3CaOSiO2(C3S)4462%硅酸二鈣 2CaOSiO2(C2S)1830%鋁酸三鈣 3CaOAl2O3(C3A) 512%鐵鋁酸四鈣 4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)1018%由堿性CaO與酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高溫

8、下反應(yīng)而成CaO：由石灰石、泥灰石、白堊等提供SiO2、Al2O3、Fe2O3：由黃土、粘土、頁巖、粉煤灰、煤酐 石等提供 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝見圖5-11，可概況為“兩磨一燒”煅燒過程中，生料經(jīng)歷干燥脫水、碳酸鹽分解、氧化物間高溫與液相反應(yīng)、快速冷卻等復(fù)雜的物化過程而成熟料泥的凝結(jié)硬化（水化）也是一復(fù)雜的物化過程，石膏的加入可緩凝 耐火材料是紙耐火溫度不低于1580無機(jī)非金屬材料 按耐火溫度稱為：普通（15801770）、高級（17702000）和特種（2000以上） 按其主成份：SiO2為主成份的酸性耐火材料Al2O3及Cr2O3為主成份的酸性耐火材料MgO和CaO為主成份的堿性耐火材料耐

9、火材料的高溫使用性能 耐火度高溫荷重變形溫度高溫體積穩(wěn)定性抗熱震穩(wěn)定性抗渣性耐真空性高分子材料制備的三個層次聚合物合成（Synthesis of polymer）聚合物、粒、粉、塊料的制備(Fabrication of polymer)聚合物成型加工（Processing of polymer）各層次高分子制備過程示意圖見圖5-13 聚合物分子量增長方式：鏈鎖聚合、逐步聚合、交聯(lián)、接枝聚合物合成 原料精制：蒸餾、重結(jié)晶、堿洗等，以保證單體純度 聚合物分離：真空揮發(fā)、凝聚、分離、離心分離等,脫殘留單體、 溶劑、分離雜質(zhì)，以獲得較純凈聚合物 后處理：洗滌、干燥、造粒 聚合 聚合機(jī)理 實施方法：本體

10、、溶液懸浮、乳液、熔融、界面、固相 鏈鎖：自由基、陽離子、陰離子、配位催化逐步：縮聚、加聚高分子材料成型加工 (Processing of polymer) 塑料成型加工(Forming Technigues for plastics)橡膠成型加工（Fabrication of Elastomers） 纖維和薄膜制造(Fabrication of Fibers and Films) 涂裝工藝（Coating Technigues） 聚合物添加劑 （Polymer Additives） 填料（Fillbers）增塑劑（Plasticigers）穩(wěn)定劑（Stabiligers）色（母）料（Colo

11、rants）阻燃劑（Flame Ketardants）加工助劑（Additives for Processing） 聚合物粉、粒料的配制與混合 物料的初混合：Tm以下、低剪切、簡單混合，增加物料分散或無序程度，設(shè)備有低速捏合機(jī)和高速混合機(jī)兩類，見圖5-39 物料熔融混合（混煉）：高剪切下熔融混合，進(jìn)一步分散均勻，逐出揮發(fā)物，設(shè)備有雙輥開煉機(jī)、密煉機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)等，見圖5-40聚合物成型加工特性 混合熔融流動（變形）固化定型后處理五階段伴有一次結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、織態(tài)結(jié)構(gòu)的變化或轉(zhuǎn)變，見圖5-335-38聚合物三種物理狀態(tài)及其三態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)是成型加工的基礎(chǔ)，不同成型加工方法，應(yīng)選擇適宜的物理狀態(tài)，見

12、圖5-32 聚合物成型加工特性 3 熔融特性：聚合物固有的低導(dǎo)熱性、低耐熱性、低穩(wěn)定性和高熱敏性，使傳統(tǒng)導(dǎo)熱加熱熔融方式不再適應(yīng)。而主要依靠“粘性耗散發(fā)熱（摩擦熱）”方式熔融4 流動特性：a) 通過若干鏈段運動使大分子重心位移，產(chǎn)生流動b) 鏈段的取向、長鏈分子的纏結(jié)決定其“非牛頓流體性質(zhì)”c) 大分子的粘彈行為和法向應(yīng)力，決定了聚合物熔體的“離模膨脹”現(xiàn)象或“末端效應(yīng)”，常引起尺寸變形（圖5-31） 熱塑性聚合物熔體（Polymer Viocous Liquid）成型方法 a. 擠出成型（Extrusion Molding）圖5-41，42b. 注射成型（Injection Molding）

13、圖5-43，44c. 模壓與傳遞模塑（Compression and Transfer Molding） 圖5-45d. 壓延成型（）圖5-46e. 熱成型（Heat Molding）圖5-47f. 中空吹塑成型（Blow Molding）圖5-48g. 澆鑄成型（Casting）h. 熔融紡絲（Melt Spinning）圖5-49 熱固性(thermoseffing plastics)成型方法可沿用熱塑性聚合物類似的成型方法，但有其特點：a. 化學(xué)交聯(lián)固化，而非冷卻凝固b. 固化反應(yīng)需一定溫度、時間和壓力c. 固化產(chǎn)物不熔、不溶、不可逆d. 固化行為決定其工藝性和工藝參數(shù)金屬材料成型加工

14、(Processing of Metals) 鑄造（Casting） 鍛造（Forging）輥（滾）軋（Rolling）擠壓（Extrusion）拉拔（Drawing） 焊接（Welding）粉末冶金（Powder Metallurgy）熱處理（Thermal tretment）切削鑄造性 熔融流動性（螺旋試樣法測定）圖5-19鑄型充填條件：鑄型阻力、蓄熱保溫（熱交換）能力收縮性：液態(tài)收縮、凝固收縮、固體收縮，易引起 鑄件缺陷（如縮孔、縮松、裂紋、變形等）Fig14.2 Metal deformation during (a) forging (b) rolling(c) extrusion

15、and (d) drawing鍛造、輥軋、擠壓、拉拔 金屬的塑性變形性 變形抗力 變形條件 化學(xué)成份 組織結(jié)構(gòu)變形溫度 變形速度應(yīng)力狀態(tài) 可焊接是指金屬在一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式下，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度 同一種金屬材料，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：手工電弧焊；埋弧自動焊；氬弧焊；電渣焊；CO2氣體保護(hù)焊；電阻焊（點焊、對焊；縫焊）；釬焊。見圖5-225-29 切削加工性（車、銑、刨、鉆） 取決于多種因素 硬度切削阻力切屑的形狀與形成 導(dǎo)熱性 顯微組織結(jié)構(gòu) 金屬材料經(jīng)熱處理，可改變其晶相組織結(jié)構(gòu)，從而改變其性能 退火（annealing）處理：

16、松弛內(nèi)應(yīng)力（relieve stresses）；提高延展性（ducility）、改變硬度（toughness）；產(chǎn)生特殊組織結(jié)構(gòu)（specific microstructure） 熱處理條件：熱處理溫；保溫時間；冷卻速度 新日鐵鋼鐵生產(chǎn)流程 熔化的目的是在高溫下使多種固相的配合料轉(zhuǎn)變?yōu)閱我弧⒕鶆虻娜廴谝合?，把氣泡、條紋、結(jié)石等減少到容許的限度，并符合成型要求。一個從固相向液相轉(zhuǎn)化的過程，也是一個非常復(fù)雜的過程。（三）熔融工藝（三）熔融工藝 泥料或熔液借助外力和模型，成為具有一定尺寸、形狀和強度的坯體或制品的過程。工業(yè)上常用的成型方法主要有:壓制法、可塑法、注漿法、振動法、熱壓法、熱壓注法、熔鑄法、拉制法、噴吹法、等靜壓法等。（四）成型工藝（四）成型工藝 凡形狀復(fù)雜、不規(guī)則的、薄的、體積較大且尺寸要求不嚴(yán)的制品都可用注漿成型法成型。注漿成型法注漿成型法空心注漿法空心注漿法燒結(jié)方法 常壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié) 反應(yīng)燒結(jié) 熱等靜壓燒結(jié) 高壓燒結(jié) 二次反應(yīng)燒結(jié) 爆炸燒結(jié) 微波燒結(jié) 自蔓延(燃)燒結(jié)玻璃的制備工藝平板玻璃生產(chǎn)工藝圖平板玻璃生產(chǎn)工藝圖玻璃工藝發(fā)展 公元1世紀(jì)，古羅馬人鐵管吹玻璃 11-15世紀(jì)，威