材料科學與工程基礎顧宜第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）主要內容： 金屬材料（Metals）制備與成型加工（鐵鋼、銅、鋁） 無機非金屬材料（Inorganic Nonmetallic）（陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料） 有機高分子材料（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)目的有害雜質入渣除去 有益元素進入鐵水 鐵制備反應原理： 還原反應：FeO + C = Fe + CO(直接還原、高爐下部高溫區(qū)進行) 25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO間接還原造渣反應：酸性氧化物與堿性氧化物的中和反應，十分復雜。 鋼的制備煉鋼的目的： 降低生鐵中C含量 去除有害雜質 添加適量合金元素煉鋼方法： 平爐煉鋼 電爐煉鋼 純氧頂吹轉爐煉鋼（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雜質含量較高 雜質氧化 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 煉鋼反應原理： 雜質氧化 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

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 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 燒結塊加水稀釋 沉

5、淀雜質 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99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2陽極 自焙陽極電解槽見圖5-6 無機非金屬材料的制備 無機非金屬材料 (Inorganic Nonmetallic Materials) 陶瓷（Ceramics） 玻璃（Glass） 水泥（Cement） 耐火材料(Firebrick) 基本化學成份屬硅酸鹽(Siticate)物質 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（致密化）陶瓷的一般生產工藝流程，見圖5-1-8玻璃的結構及成型特點：其獨特的性能：是國民經濟不可缺少的基礎材料典型的非晶態(tài)（無定型、亞穩(wěn)態(tài)）結構，具有降低內能向晶態(tài)轉化趨勢成形加工過程中必須嚴格控制玻璃生成的熱力學和動力學條件，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；消除內應力。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（光學玻璃）焊接法（玻璃儀器） 水泥是水硬性無機膠凝材料的統(tǒng)稱，屬 無機粉體材料。 其水硬性來自于所含活性礦物成份的水化和水解反應。 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 硅酸鹽水泥的生產工藝見圖5-11，可概況為“兩磨一燒”煅燒過程中，生料經歷干燥脫水、碳酸鹽分解、氧化物間高溫與液相反應、快速冷卻等復雜的物化過程而成熟料泥的凝結硬化（水化）也是一復雜的物化過程，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，以獲得較純凈聚合物 后處理：洗滌、干燥、造粒 聚合 聚合機理 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，設備有低速捏合機和高速混合機兩類，見圖5-39 物料熔融混合（混煉）：高剪切下熔融混合，進一步分散均勻，逐出揮發(fā)物，設備有雙輥開煉機、密煉機、雙螺桿擠出機等，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構、聚集態(tài)結構、織態(tài)結構的變化或轉變，見圖5-335-38聚合物三種物理狀態(tài)及其三態(tài)轉變區(qū)是成型加工的基礎，不同成型加工方法，應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：聚合物固有的低導熱性、低耐熱性、低穩(wěn)定性和高熱敏性，使傳統(tǒng)導熱加熱熔融方式不再適應。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，產生流動b) 鏈段的取向、長鏈分子的纏結決定其“非牛頓流體性質”c) 大分子的粘彈行為和法向應力，決定了聚合物熔體的“離模膨脹”現(xiàn)象或“末端效應”，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. 化學交聯(lián)固化，而非冷卻凝固b. 固化反應需一定溫度、時間和壓力c. 固化產物不熔、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 化學成份 組織結構變形溫度 變形速度應力狀態(tài) 可焊接是指金屬在一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結構形式下，實現(xiàn)優(yōu)質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 導熱性 顯微組織結構 金屬材料經熱處理，可改變其晶相組織結構，從而改變其性能 退火（annealing）處理：

16、松弛內應力（relieve stresses）；提高延展性（ducility）、改變硬度（toughness）；產生特殊組織結構（specific microstructure） 熱處理條件：熱處理溫；保溫時間；冷卻速度 新日鐵鋼鐵生產流程 熔化的目的是在高溫下使多種固相的配合料轉變?yōu)閱我弧⒕鶆虻娜廴谝合?，把氣泡、條紋、結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化的過程，也是一個非常復雜的過程。（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 凡形狀復雜、不規(guī)則的、薄的、體積較大且尺寸要求不嚴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方法 常壓燒結 熱壓燒結 反應燒結 熱等靜壓燒結 高壓燒結 二次反應燒結 爆炸燒結 微波燒結 自蔓延(燃)燒結玻璃的制備工藝平板玻璃生產工藝圖平板玻璃生產工藝圖玻璃工藝發(fā)展 公元1世紀，古羅馬人鐵管吹玻璃 11-15世紀，威