材料科学与工程基础.顾宜.第5章

第十六讲 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：,还原,焦碳（C） 或CO,产热570 作还原剂,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),CO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：,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）,炼钢反应原理：,杂质氧化,2Fe + O2 2FeO Si + 2FeO SiO2 + 2Fe Mn + FeO MnO +Fe C + FeO Fe + CO 2P + 5FeO P2O5 +5Fe,脱氧(还原),2FeO + Si SiO2 + Fe FeO + 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,熔炼,Fe等杂质随熔渣除去,吹炼,Cu2S + 3/2 O2 Cu2O + SO2 Cu2O +FeS Cu2S +FeO 2 Cu2O + Cu2S 6Cu + SO2,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,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,沉淀杂质,NaAlO2水溶液,通入CO2,Al(OH)3,9501000,煅烧,Al2O3,Al2O3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、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 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（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 3CaO·SiO2(C3S) 4462% 硅酸二钙 2CaO·SiO2(C2S) 1830% 铝酸三钙 3CaO·Al2O3(C3A) 512% 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF) 1018%,由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成 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、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（Colorants） 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5-41，42 b. 注射成型（Injection Molding）图5-43，44 c. 模压与传递模塑（Compression and Transfer Molding） 图5-45 d. 压延成型（）图5-46 e. 热成型（Heat Molding）图5-47 f. 中空吹塑成型（Blow Molding）图5-48 g. 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 (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 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：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,（一）天然原料与合成原料,在地壳中分布最广的元素：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 八种元素占有98.56%硅酸盐制品长期占据无机非金属材料主导地位的主要原因。,在地质学中，岩石按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。,岩石的产出特点。,矿石、矿床的概念。,地壳中普通元素的蕴藏量,（四）选矿与提纯,常用的选矿方法有：机械法、物理-化学法、纯化学法、电气法等等。,近二十年来，各种能场及新技术（如热、电、超导、微波、超声波、紫外线、激光）的应用，使得选矿的方法有了很大的改进。,气流式超细粉碎机的工作原理,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。,