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材料科学与工程基础.顾宜.第5章

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    • 1、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),

      2、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

      3、,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

      4、、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 3CaOSiO2(C3S) 4462% 硅酸二钙 2CaOSiO2(C2S) 1830% 铝酸三钙 3CaOAl2O3(C3A) 512% 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3(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

      5、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

      6、,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

      7、,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

      8、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 deformatio

      9、n 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。,

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