材料概论 (2).pdf
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1、材料的定义 材料是能为人类社会经济地制造有用器材材料是能为人类社会经济地制造有用器材(或物品或物品)的物质的物质石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代第二章 材料的四要素 使用性能 合成和加工 结构与成分 性质与现象组元:组成材料最基本、独立的物质。相:材料中具有同一化学成分并且结构 相同的均匀部分叫做相。组织:材料内部的微观形貌称为材料的组织。固溶体:溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。材料的分类:金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料金属键:金属原子形成金属晶体时,每个原子都提供少数价电子,作为自由电子,共用于整个晶体,这种自由
2、电子构成金属键。无方向性、无饱和性、金属原子倾向紧密堆积离子键:由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子,同能接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力所形成的一种键合。离子键无饱和性,无方向性离子键的本质是正负电荷间的静电作用力 共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。共价键有饱和性,有方向性有饱和性,有方向性范德华建 广泛存在于分子之间的弱相互作用。无方向性和饱和性氢键 氢原子在分子中与一个 a 原子键合时,还能形成与另一个 b 原子的附加键,是一类结合力比较弱的键,但比范德华键要强,有方向性有方向性。晶体:晶体内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。非晶体
3、(non-crystal):内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体。不具有长程有序点阵结构是将原子/原子团,分子/分子团,离子/离子团抽象为点而构成的阵列,以便于研究及表述结构基元:晶体学中,把阵点所代表的内容称为平移结构基元,简称为结构基元。晶体结构=点阵+平移结构基元晶胞:晶体结构中最小的周期性重复的单元。两方面描述晶胞结构,周期性重复的方式,重复的内容。七大晶系:p24金属晶体四种结构及其特点 简单立方晶格(Simple Cubic Lattice,SC):Po 体心立方晶格(Body-Centered Cubic Lattice,BCC):Cr、Mo、W、V、-Fe、-Fe 面心立
4、方晶格(Face-Centered Cubic Lattice,FCC):-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt 六方密堆积晶格(Hexagonal Close Packed Lattice,HCP):Mg、Be、Zn、-Ti、CdQQ374289236离子晶体五种结构晶体缺陷及其分类 点缺陷(晶格空位、置换原子、间隙原子),将导致晶格畸变将导致晶格畸变线缺陷:呈线状分布的缺陷-位错(刃型、螺型)面缺陷:p26金属的热膨胀性 金属受热体积增大,冷却时则收缩的能力,用线膨胀系数表示。金属受热体积增大,冷却时则收缩的能力,用线膨胀系数表示。L2-L1 L2T:线膨胀系数,L1:膨胀前的长度,L
5、2:膨胀后的长度,T:膨胀前后的温度差导电性 是金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能导热性是金属在加热或冷却时能够传导热能的性能,用热导率表示。强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏(过量塑性变形或断裂)的性能。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。塑性是指金属材料在载荷作用下,产生塑性变形(永久变形)而不破坏的能力。用延伸率和断面收缩率来衡量。硬度是衡量金属材料软硬程度的指标 常用的方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV)等方法。第三章矿物:由天然产出且具有特定的化学成分和内部结构构造的均匀固体。是组成岩石和矿石的基本单元。矿石是矿物的集合体
6、。脉石:与矿石矿物伴生的无用矿物统存为脉石。广泛用于金属和无机非金属材料的生产。矿物的五大分类 QQ374289236自然元素矿物 金(Au)、金刚石(C)、硫(S)、石墨(C)卤化物矿物 萤石(CaF2)、石盐(NaCl)、钾盐(KCl)硫化物矿物 黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)、方铅矿(PbS2)氧化物和氢氧化物矿物 赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、软锰矿(MnO2)、铝土矿(Al2O3nH2O)褐铁矿(Fe2O3 nH2O)含氧酸盐矿物 硫酸盐矿物:石膏、芒硝、重晶石碳酸盐矿物:方解石(CaCO3)、白云石 aMg(CO3)2、菱锰矿(MnCO3)三大选矿法及其特
7、点 将有用矿物和脉石矿物分离。选矿的步骤:1)破碎、粉磨使矿物单体解离;2)分离、富集有用矿物;3)脱水、干燥(对于湿法选矿)。选矿的理论基础:根据矿石物理化学性质的不同,采用不同的方法。如:密度、磁性、溶解度、润湿性、粘度、形状等。重力选矿法重力选矿法(简称重选法):是在运动介质(水)中,按粒度比重和粒度的差异进行分选的分法。根据矿物密度不同,在空气、水或其他悬浮液介质中,具有不同的沉降速度,进行分选的方法。特点:设备简单,成本低。具体工艺:水力、风力分级,洗矿。有重介质、跳汰、摇床、溜槽等方法选矿。应用:a.金、钨、锡矿石。b.钛、锆、铌、钽、稀有金属矿物的矿砂。非金属石矿,如:石棉、高岭
8、土浮选法浮选法 根据不同矿物表面具有不同的润湿性(疏水、亲水)使粉矿有选择地附着于矿浆中的泡沫中,将其分离的方法。正浮选:有用的矿物浮入泡沫中(与泡沫有良好的润湿性),脉石石物留在矿浆里(与液体有良好的润湿性)。反之为反浮选。特点:效果好,但成本稍高,排出废水。特别适用于低品位矿物成分复杂的矿。应用:a)有色金属矿中的 90以上用此法。b)石墨、萤石、重晶石、磷灰石等非金属矿。磁选法磁选法根据矿物磁性的大小的不同将其分离的方法。磁选矿物分成三类:a)强磁性矿物如:磁铁矿、钛磁铁矿、磁黄铁矿等。b)弱磁性矿物如:赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、水锰矿、硬锰矿。c)非磁性矿物如:方解石、石英、长石、黄铜矿
9、无机非金属材料制备用无机非金属材料制备用 天然无机原料天然无机原料 粘土、石英、长石、碳酸盐类典型矿物的组成石油化工路线石油化工路线一次加工一次加工石油一次加工方法包括常压蒸馏和减压蒸馏。蒸馏是一种利用液体混合物中各组分沸点不同进行分离的方法。原理:根据沸点不同加热、蒸发、冷却。目的:获得汽油、煤油、柴油、重油等产品。QQ374289236 常压蒸馏:又称为直接蒸馏,是在常压和 300400条件下进行的蒸馏。减压蒸馏:负压、380400条件下进行的蒸馏。二次加工通过对石油蒸馏产品的再次深度加工可以获得大量有机化工原料。催化裂化加氢裂化催化重整热裂解煤的加工路线煤的加工路线以煤为原料,经过化学加
10、工转化为气体、液体和固体燃料及化学品煤的干馏煤的气化煤的液化材料制备工艺材料制备工艺 气相法气相法 液相法液相法 固相法固相法 气相法气相法 分为不发生化学反应的分为不发生化学反应的物理气相沉积法物理气相沉积法和和 通过气相化学反应的通过气相化学反应的化学气化学气相沉积法相沉积法在真空条件下,采用物理方法,将材料源在真空条件下,采用物理方法,将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。某种特殊功能的
11、薄膜的技术。化学气相沉积是指利用原料在气相中通过化学反应形成基本粒子并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、粒子、晶须或晶体等固体材料的工艺过程。液相法液相法 熔融法 溶液法 界面法 液相沉淀法 溶胶凝胶法 水热法 喷雾法固相法固相法:高温烧结 自蔓延高温合成(SHS)高温烧结:一种或多种固体(金属、氧化物、氮化物、黏土)粉末经过成型,在加热到一定温度后开始收缩,在低于熔点温度下变成致密、坚硬的烧结体,这种过程称为烧结。应用领域:陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料等粉末冶金 主要工序:制粉混粉成形烧结(整形)(机加工)(热处理)清洗包装第四章自由流动成型自由流动成型指将呈流动状态的物料,成型时无外
12、力作用下,倒入模型型腔或使其附在模型表面,经改变温度(降温或升温),或反应,或溶剂挥发等作用,使之固化或凝固,而形成具有模型形状的产品。最终的产品可以是成品,也可以是半成品(或毛坯)。自由流动成型中典型代表是:金属砂型铸造金属砂型铸造、陶瓷注浆成型、塑料与橡胶浸渍成型。受力流动成型受力流动成型成型时在受力作用条件下,将呈流动状态的物料,注入模型型腔,或使物料通过一定形状的口模,或附在模型表面,经温度变化(降温或升温),或反应,或溶剂挥发等作用,使物料冷凝、固化,最终形成产品。典型代表是:金属压力铸造金属压力铸造、玻璃吹制成型、塑料注塑成型。受力塑性成型的特点和区别受力塑性成型的特点和区别受力塑
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