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1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础Fundamentals of Materials Science and Engineering复习要点复习要点物理参量的概念物理参量的概念量纲量纲计算公式计算公式思路思路电子课件电子课件课堂讲授内容课堂讲授内容教材教材习题（中、英）习题（中、英）作业作业自测评自测评结构结构 性能性能 温度（环境、方式）温度（环境、方式）PerformancePropertiesSynthesis and ProcessingCompositions and Structures性能决定用途。性能决定用途。本章对材料的本章对材料的力学力学性能、性能、热热性能、性能、电学、
2、磁学、光电学、磁学、光学学性能以及性能以及耐腐蚀耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。进行阐述。要点：性能的物理意义、公式、量纲、要点：性能的物理意义、公式、量纲、各种材料的性能特点各种材料的性能特点主要影响因素主要影响因素组成和结构组成和结构温度等温度等第四章第四章 材料的性能材料的性能 Properties of Materials4-1 固体材料的机械性能固体材料的机械性能4-2 材料的热性能材料的热性能4-3 材料的电学性能材料的电学性能4-4 材料的磁学性能材料的磁学性能4-5 材料的光学性能材料的光学性能4-6 材料的耐腐蚀性材料的耐腐蚀性4-7
3、复合材料的性能复合材料的性能4-8 纳米材料及效应纳米材料及效应第四章第四章 内容目录内容目录54-1-1 4-1-1 材料的力学状态材料的力学状态4-1-2 4-1-2 应力和应变应力和应变4-1-3 4-1-3 弹性形变弹性形变4-1-4 4-1-4 永久形变永久形变4-1-5 4-1-5 强度、断裂及断裂韧性强度、断裂及断裂韧性4-1-6 4-1-6 硬度硬度4-1-7 4-1-7 摩擦与磨损摩擦与磨损4-1-8 4-1-8 疲劳疲劳4-1 固体材料的力学性能固体材料的力学性能要点要点(4.1.1 (4.1.1 4.1.4) 4.1.4) 不同材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系不同
4、材料力学性能的差异及其与组成和结构的关系 应力和应变的定义、五种基本类型应力和应变的定义、五种基本类型 应力应变曲线的物理意义（参量）典型曲线应力应变曲线的物理意义（参量）典型曲线 弹性形变、应力状态与模量之间的关系，公式（弹性形变、应力状态与模量之间的关系，公式（4-84-8、4-114-11） 粘弹形变与蠕变、应力松弛（静态）和内耗（动态）粘弹形变与蠕变、应力松弛（静态）和内耗（动态） 永久形变的机制与塑性材料的增强途径永久形变的机制与塑性材料的增强途径力学性能力学性能 强度强度（屈服和断裂屈服和断裂）的概念及测试方法和计算公式）的概念及测试方法和计算公式 脆性脆性断裂和断裂和韧性韧性断裂
5、的机制及断裂的机制及脆韧转变脆韧转变因素因素, ,公式公式（4-284-28） 理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，理论断裂强度和脆性断裂理论的推导过程，公式公式（4-354-35、4-434-43、4-494-49、4-524-52、4-534-53） 裂纹裂纹在脆性断裂中的重要作用在脆性断裂中的重要作用 断裂韧性断裂韧性的类型，公式的类型，公式（4-564-56、4-574-57）A A 晶态晶态结构结构B B 较高的弹性较高的弹性模量模量和和强度强度C C 受力开始为弹性受力开始为弹性形变形变，接着一段塑性，接着一段塑性形变形变 然后断裂，总变形能很大然后断裂，总变形能很大D D 具有
6、较高的具有较高的熔点熔点。4-1-1 材料的力学状态材料的力学状态（Mechanical states）1. 金属金属(Metals)的力学状态的力学状态A A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。B B 气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。强度降低。C C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度陶瓷材料也存在玻璃化转变温度TgTg。D D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。裂，总弹性应变能很小。陶瓷陶瓷材料的力学特征材料的力学特征高模量、高硬
7、度、高压缩强度、低延伸率高模量、高硬度、高压缩强度、低延伸率2. 2. 无机非金属无机非金属( (nonmetals) )的力学状态的力学状态 玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态3. 聚合物聚合物（polymers）的力学状态的力学状态（1 1） 非晶态聚合非晶态聚合物物的的三种三种力学状态力学状态（2 2） 结晶聚合物的力学状态结晶聚合物的力学状态A 结晶聚合物常存在一定的结晶聚合物常存在一定的非非晶晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。B 在在T g 以上以上模量模量下降不大下降不大C 在在T m 以上以上模量模量迅速下降迅速下降D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m
8、 T f ，则，则熔融之后即转变成熔融之后即转变成粘流态粘流态1. 应力和应变的定义应力和应变的定义 应力：应力：单位面积上的单位面积上的内力内力，其值与外加的力相等。，其值与外加的力相等。应变：应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。应力应力= =外加力外加力F/F/面积面积A A4-1-2 应力与应变应力与应变（stress and strain）工程应力（名义应力）工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始面积面积为材料受力前的初始面积(A0)的的应力。应力。真实应力真实应力：面积为受力后的真实面积：面积为受力后的真实面积(AT)的
9、应力。的应力。各向同性材料，三种基本类型：还有扭转和弯曲形变。 简单拉伸简单拉伸 tension 简单剪切简单剪切 shear 均匀压缩均匀压缩 compression2. 材料的应变方式材料的应变方式曲线（曲线（F l）转换为）转换为 应力应力应变曲线应变曲线 （ ） = F / S 0和和 = l / l 0弹性弹性-均匀塑性型均匀塑性型纯弹性纯弹性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均均匀塑性型匀塑性型弹性弹性-不均匀塑不均匀塑性（屈服平台性（屈服平台）-均匀塑性型均匀塑性型拉伸拉伸应力应力应变曲线（应变曲线（ ）五种类型五种类型 Elastic def
10、ormation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer)4-1-3 弹性形变弹性形变（Elastic Deformation）弹性模量弹性模量 正弹性模量正弹性模量 E 正应力在正应力在 状态下状态下 切弹性模量切弹性模量 G 纯剪切力纯剪切力 作用下作用下 体积弹性模量体积弹性模量 K 0（ VV0） 泊松比泊松比为缩短应变与伸长应变的比值，为缩短应变与伸长应变的比值， =- e=- ey y/e/ex x 转化关
11、系3(1 2 )EK313GEGK2 (1)3 (1 2 )EGEK材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度构件刚度金属的模量金属的模量值主要取决于值主要取决于 10-102GPa A 晶体中晶体中原子原子的本性、电子结构的本性、电子结构 B 原子的原子的结合力结合力、 C 晶格晶格类型以及晶格常数等。类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。合金元素降低弹性模量。 陶瓷陶瓷材料具有较高模量、原因材料具有较高模量、原因 10-102GPa A 原子原子键合键合的特点的特点 特种陶
12、瓷特种陶瓷 B 构成材料构成材料相相的种类，分布、比例及气孔率有关。的种类，分布、比例及气孔率有关。 高分子材料高分子材料低模量低模量 0.5-5GPa金属晶体、离子晶体、共价晶体金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常等的变形通常表现为表现为普弹性普弹性，主要的特点是：，主要的特点是：A 应变在应力作用下瞬时产生，应变在应力作用下瞬时产生，B 应力去除后瞬时消失，应力去除后瞬时消失，C 服从虎克定律。服从虎克定律。高分子高分子材料通常表现为材料通常表现为高弹性和粘弹性高弹性和粘弹性（2 2） 有机聚合物的弹性、粘弹性有机聚合物的弹性、粘弹性 (Elasticity and Visco-ela
13、sticity of Polymers)(a) 高弹性高弹性，即，即橡胶弹性橡胶弹性 (rubberlike elasticity) 弹性模量小、形变大弹性模量小、形变大 弹性模量随温度升高而上升；弹性模量随温度升高而上升； 形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热； 在一定条件下，有明显的松弛现象。在一定条件下，有明显的松弛现象。静态粘弹性静态粘弹性 固定应力或应变固定应力或应变 A A 蠕变蠕变( (creep) ) 开尔文开尔文模型（模型（Kelvin model)Kelvin model)并联并联(b) 粘弹性粘弹性 (viscoelasticity
14、)B 应力松弛应力松弛 (stress relaxation) 麦克斯韦麦克斯韦模型模型 (Maxwell model) 串联串联在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量，在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量， E (t) = (t) / 应力（模量）随时间延长而减小应力（模量）随时间延长而减小周期性、交变应力周期性、交变应力滞后、内耗滞后、内耗在周期性应力作用下，模量在周期性应力作用下，模量 E可采用可采用复数复数表示式。表示式。 E* = E + i E 内耗值内耗值 E/E的量度：的量度：tan = E / E tan ，E， E与与频率的关系频率的关系动态粘弹性动态
15、粘弹性 (Dynamic viscoelasticity) （高聚物）（高聚物）（3 3）滞弹性滞弹性 ( (anelasticity)无机固体和金属与时间有关的弹性无机固体和金属与时间有关的弹性取决于温度和荷载的频率取决于温度和荷载的频率 （4 4）弹性极限与弹性比功弹性极限与弹性比功 ( (金属金属)比例极限比例极限 (proportional limit) 弹性变形时应力与应弹性变形时应力与应变严格成变严格成正比正比关系的上限应力关系的上限应力 p = F p / S 0 条件比例极限条件比例极限 tan /tan =150% p50代表材料对极微量塑性变形的抗力代表材料对极微量塑性变形
16、的抗力 弹性比功弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生永久变形弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生永久变形的能力的能力 W = /2= 2/2E Plastic (metal slip system and dislocation) viscous flow (glass and polymer) strengthening 两种基体类型两种基体类型 晶质晶质材料材料 塑性流动塑性流动金属为主金属为主 晶体一部分相对于另一部分滑动晶体一部分相对于另一部分滑动 非晶质非晶质材料材料 粘性流动粘性流动高聚物为主高聚物为主 原子集团自由调换位置原子集团自由调换位置大形变、不可逆大形变
17、、不可逆4-1-4 永久形变永久形变（permanent deformation）1 1、塑性流动塑性流动( (Plastic flow)晶质材料：外加应力超晶质材料：外加应力超过弹性极限，产生塑性过弹性极限，产生塑性形变。形变。变形机理：变形机理：滑移滑移和和孪生孪生滑移体系滑移体系(slip system)滑移方向、滑移面FIGURE 8.6 (a) A 111110 slip system shown within an FCC unit cell. (b) The (111) plane from (a) and three slip directions (as indicated
18、by arrows) within that plane comprise possible slip systems. 粘性流动的材料对于各种形变方式具有粘性流动的材料对于各种形变方式具有应变速率敏感性应变速率敏感性 在高于在高于玻璃化温度玻璃化温度并受到相当大的应力时，并受到相当大的应力时，无机玻璃和热塑性聚合物无机玻璃和热塑性聚合物会发生会发生原子基团原子基团持续的持续的高粘度状态下的热运动高粘度状态下的热运动 = = 0 0 e e-Q/RT-Q/RT 2 2、粘性流动粘性流动( (Viscous flow)3 3、材料的强化材料的强化( (strengthing of materia
19、ls)取向和交联取向和交联晶粒尺寸减小强化晶粒尺寸减小强化固溶体强化固溶体强化应变强化应变强化退火和再结晶退火和再结晶4-1-5 强度、断裂及断裂韧性强度、断裂及断裂韧性（Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials）屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度抗张强度抗张强度断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂韧性断裂韧性 材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指；材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指；冲击韧性冲击韧性 材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间材料在高速冲击负荷下韧性的度量。
20、二者间存在着某种内在联系。存在着某种内在联系。 （1）断裂和韧性断裂和韧性 (fracture and toughness)4.1.5.2 断裂断裂 (Fracture)构件失效(failure)的主要形式之一断裂断裂 (Fracture)脆性断裂分类：脆性断裂分类： 解理断裂解理断裂 准解理断裂准解理断裂 晶间断裂晶间断裂材料延性大小的表征（拉伸）材料延性大小的表征（拉伸）断裂延伸率断裂延伸率横截面积减少率横截面积减少率 拉伸拉伸 塑性形变塑性形变 颈缩颈缩 试样横截面减小试样横截面减小延性断裂对应的延性断裂对应的真实应力真实应力-应变曲线应变曲线TRUE STRESS AND STRAIN
21、TRUE STRESS AND STRAIN m =(E. s / a 0 )1/2 max =2 f (a/ )1/2 =(E. s / a 0 )1/2 f = .E. s / (4a.a 0 )1/2 c =2E s / ( . a)1/2c = 2E ( s + p ) / ( . a)1/24.1.5.3 理论断裂强度和脆断强度理论理论断裂强度和脆断强度理论4.1.5.4 断裂断裂韧性韧性 (Fracture toughness) 无限宽薄板无限宽薄板 一般情况一般情况 Y-无量纲系数，裂纹形状因子无量纲系数，裂纹形状因子 KIC-MPa . m1/2 裂纹失稳而扩展的裂纹失稳而扩展
22、的判据判据 K KIC临界应力强度因子临界应力强度因子: :4-1-64-1-6、4-1-74-1-7、4-1-8 4-1-8 硬度硬度 摩擦摩擦 疲劳疲劳 硬度的概念硬度的概念、布氏硬度、洛氏和维氏硬度的测试技术、布氏硬度、洛氏和维氏硬度的测试技术及区别，公式及区别，公式（4-60、4-61、4-62） 粘合摩擦粘合摩擦和磨损机制，材料减摩耐磨的途径和磨损机制，材料减摩耐磨的途径 u = S / P m 取决于剪切强度和压缩强度取决于剪切强度和压缩强度 疲劳的概念及在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲劳的概念及在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲疲劳强度劳强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途
23、径，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入。材料抵抗表面形变的能力，抵抗外物压入。表面硬度同材料的抗张强度、抗压强度和弹性模量等表面硬度同材料的抗张强度、抗压强度和弹性模量等性质有关性质有关 测定测定方法：方法： （1 1）压痕压痕( (压力压力) )硬度法硬度法主要主要表征材料对变形的抗力；表征材料对变形的抗力； 布氏布氏硬度、硬度、 洛氏洛氏硬度硬度 维氏维氏硬度。硬度。 显微硬度显微硬度 （2 2）回跳回跳硬度法硬度法表征材料弹性变形功表征材料弹性变形功的大小；的大小；肖氏肖氏硬度硬度 （3 3）刻痕刻痕（刻划）硬度法（非金属矿物，（刻划）硬度法（非金属
24、矿物，10-10-金刚石）。金刚石）。表征表征材料对破裂的抗力材料对破裂的抗力。莫氏硬度。莫氏硬度4-1-6 硬度硬度（hardness）一些材料的硬度一些材料的硬度陶瓷陶瓷 高硬度高硬度金属金属 原子结构、成分原子结构、成分 硬度变化大硬度变化大 钢钢高分子高分子 低硬度低硬度决定于材料的固有本性决定于材料的固有本性 化学键强化学键强 材料的硬度一般就高，材料的硬度一般就高， 共价键共价键 离子键离子键 金属键金属键 氢键氢键 范氏键范氏键 结构愈密结构愈密 分子间作用力愈强的材料其硬度愈高，分子间作用力愈强的材料其硬度愈高， 晶体类型、结晶与非晶晶体类型、结晶与非晶 低温低温 材料的硬度越
25、高材料的硬度越高影响摩擦系数的因素影响摩擦系数的因素： A 两材料两材料表面表面的的相对硬度相对硬度 B 两两表面表面的凹凸的凹凸不平程度不平程度 C 环境环境温度温度 D 滑动滑动速度速度 E 高聚物的高聚物的极性极性。4-1-7 摩擦与磨损摩擦与磨损（Friction and Wear） 导致导致机器工作效率和准确度降低机器工作效率和准确度降低高分子材料高分子材料的低摩擦系数与的低摩擦系数与分子结构分子结构相关相关硬质硬质高分子材料（高分子材料（塑料塑料）的摩擦系数随着）的摩擦系数随着温度温度的上升的上升而增大而增大 橡胶橡胶的摩擦系数随着的摩擦系数随着温度温度的升高而降低的升高而降低。
26、常用常用塑料塑料，除，除PTFEPTFE以外，在以外，在无油无油润滑时润滑时与钢与钢摩擦摩擦的的摩擦系数摩擦系数均在均在0.3-0.50.3-0.5之间之间。（4）耐磨性评价及磨损试验方法）耐磨性评价及磨损试验方法磨损量：评价耐磨性的一个重要的性能指标。磨损量：评价耐磨性的一个重要的性能指标。1.1. 失重法失重法表示在表示在1000 m1000 m磨损行程上每磨损行程上每cm2cm2面积上的失重面积上的失重mgmg数。数。 2. 2. 尺寸法尺寸法用摩擦表面法向尺寸减少来表示。用摩擦表面法向尺寸减少来表示。 磨损量愈小，耐磨性愈高磨损量愈小，耐磨性愈高 （1）疲劳及疲劳强度疲劳及疲劳强度 1
27、. 疲劳疲劳(fatigue） cyclic stressescyclic stresses疲劳寿命疲劳寿命：特定振动下使材料破坏必需的：特定振动下使材料破坏必需的周期数周期数。（3）材料的耐疲劳性）材料的耐疲劳性 组成和结构组成和结构 陶瓷陶瓷 不好（脆，表面缺陷或裂纹）不好（脆，表面缺陷或裂纹） 金属金属 好，好， 疲疲40%50% 拉拉 高分子高分子 较好，较好， 疲疲20%30% 拉拉 纤维增强的复合材料纤维增强的复合材料 高高 疲疲70%80% 拉拉 温度温度 T上升上升 疲疲下降下降纤维增强复合材料纤维增强复合材料 界面界面有效地有效地阻止裂纹阻止裂纹的扩展，破坏从纤维的薄弱环节开
28、始。故复的扩展，破坏从纤维的薄弱环节开始。故复合材料疲劳破坏前有合材料疲劳破坏前有预兆预兆，疲劳极限比较，疲劳极限比较高高。高分子材料高分子材料宏观疲劳断裂过程：宏观疲劳断裂过程：a（拉应力）出现（拉应力）出现银纹银纹，经过一定的周期后，银纹的数量和密度达，经过一定的周期后，银纹的数量和密度达到一个极限值；到一个极限值；b 银纹银纹发展开始形成疲劳发展开始形成疲劳裂纹裂纹；c 裂纹扩展的尖端又形成新的银纹，这样裂纹尖端经过裂纹扩展的尖端又形成新的银纹，这样裂纹尖端经过失稳失稳，疲，疲劳劳裂纹快速发展裂纹快速发展，疲劳，疲劳断裂断裂 立即发生。立即发生。热物理性能热物理性能Thermal-phy
29、sical properties热化学性能热化学性能Thermal-chemical properties热导率热导率thermal conductivity热容热容heat capacity热膨胀热膨胀thermal expension耐热性耐热性heat resistance热稳定性热稳定性thermal stability燃烧性燃烧性Combustion4-2 材料的热性能材料的热性能(Thermal Performance of Materials)热物理性质热物理性质 不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关系系 材料的导热机制、公式材
30、料的导热机制、公式（4-75、4-77） 热导率热导率的定义的定义 = -q/ (d T / d X) Q=tA（T1-T2）/d 热容和热容和比热的定义比热的定义及其在热分析技术中的应用，公及其在热分析技术中的应用，公式式（4-82、4-83） 材料材料热膨胀热膨胀的内在因素及影响因素，公式的内在因素及影响因素，公式（4-87、4-88） 有机高分子材料的有机高分子材料的耐热性耐热性（高温力学性能）（高温力学性能） 比热容与材料的组成和结构比热容与材料的组成和结构 金属金属 CP 2.11%） 造渣 熔剂 石灰石(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 铁的制
31、备 还原反应还原反应25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO间接还原铁的制备原理FeO + C = Fe + CO直接还原高炉下部高温区进行 造渣反应 造渣造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭中灰分作用，生成一种多氧化物的熔体。中灰分作用，生成一种多氧化物的熔体。造渣过程造渣过程是是一个复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要一个复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要求，控制熔剂数量和熔炼过程，促使需要的元素进入求，控制熔剂数量和熔炼过程，促
32、使需要的元素进入铁水，让有害杂质进入渣中而除去。铁水，让有害杂质进入渣中而除去。 炉渣的炉渣的成分成分是是CaOCaO、AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、和、和MgOMgO。 高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣的形成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意的形成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意义。义。高炉内型构造高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行铁的制备过程在高炉中进行90第五章 材料的制备与成型加工 钢的制备钢的制备钢的制备基本原理：钢的制备基本原理： 所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就是通过冶炼降低生铁中的碳
33、和去除有害的杂质，再根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素，炼出具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。 整个炼钢过程是氧化和还原过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣。91第五章 材料的制备与成型加工 钢的制备方法钢的制备方法 钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电炉炼钢，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（LD法）。氧气转炉炼钢原料 氧气转炉炼钢原料有金属料(铁水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料(石灰、萤石和白云石)；氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮)；冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂(硅、锰、馅及铁合金)。制备原理制备原理火法火法炼铜炼铜 在高温下使铜矿石
34、或含铜原料在高温下使铜矿石或含铜原料( (精矿、焙烧或烧结块精矿、焙烧或烧结块) )先熔炼成冰铜，再将其先熔炼成冰铜，再将其吹成粗铜。吹成粗铜。湿法炼铜湿法炼铜 用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。 非铁合金的制备非铁合金的制备铜铜的制备的制备 湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，溶液等。对
35、于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。Al2O3的的制备制备 湿碱法：铝矿石湿碱法：铝矿石 + NaOH溶液溶液2NaAlO2水溶液水溶液 Al(OH)3 稀释、过滤、结晶稀释、过滤、结晶 加加Al(OH)3晶核晶核 9501000 煅烧煅烧Al2O3 干碱法：干碱法： 铝矿石铝矿石 + CaCO3 + Na2CO3 1100 烧结烧结 烧结块烧结块加水稀释加水稀释 沉淀杂质沉淀杂质 NaAlO2水溶液水溶液 通入通入CO2 Al(OH)3 9501000煅烧煅烧Al2O3Al2O3自焙电解自焙电解 900 电解电
36、解 Al3+ + 3e Al阴极、铝纯度达阴极、铝纯度达99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2阳极阳极 铝的制备铝的制备 陶瓷的制备原理及方法陶瓷的制备原理及方法5-1-2 无机非金属材料的制备无机非金属材料的制备 陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉末成型后，经特定的工艺使其末成型后，经特定的工艺使其致密化致密化，赋予其一定，赋予其一定的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶瓷是一种瓷是一种多
37、晶多相多晶多相的聚集体。的聚集体。 制备过程大体可以分为制备过程大体可以分为备料、成型、饶结备料、成型、饶结三大部分。三大部分。 玻璃玻璃其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料其独特的性能是国民经济不可缺少的基础材料典型的典型的非晶态非晶态（无定型、亚稳态）结构，（无定型、亚稳态）结构，具有降低内能向具有降低内能向晶态转化趋势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，以保证无定型态条件，以保证无定型态成形工艺要求：成形工艺要求：熔融态粘度低；成型后冷却，定型速熔融态粘度低；成型后冷却，定型速度快；消除内应力度快；消除
38、内应力。水泥的制备原理及方法水泥的制备原理及方法水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。按活性矿物成份可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、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，其中硅酸盐水泥用硫酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等，其中硅酸盐水泥用量最大。量最大。水硬性来自活性矿物成份的水硬性来自活性矿物成份的水化和水解反应水化和水解反应。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。硅酸盐水泥硅酸盐水泥活性成份活性成份 硅酸三钙硅酸三钙 3CaOSiO2(C3S) 4462%硅酸二钙硅酸
39、二钙 2CaOSiO2(C2S) 1830%铝酸三钙铝酸三钙 3CaOAl2O3(C3A) 512%铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF) 1018%硅酸盐水泥及生产工艺硅酸盐水泥及生产工艺由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成硅酸盐水泥硅酸盐水泥的生产工艺可概况为“两磨一烧”耐火材料耐火材料 耐火温度不低于耐火温度不低于15801580的无机非金属材料的无机非金属材料耐火材料的制备原理及方法耐火材料的制备原理及方法主要成分SiO2为主Al2O3及Cr2O3为主MgO和CaO为主制备的三个层次聚合物合成（Synthesis of pol
40、ymer）聚合物、粒、粉、块料的制备（Fabrication of polymer）聚合物成型加工（Processing of polymer）高分子材料的制备高分子材料的制备100铸造（铸造（Casting） 锻造（锻造（Forging）辊（滚）轧（辊（滚）轧（Rolling）挤压（挤压（Extrusion）拉拔（拉拔（Drawing） 焊接（焊接（Welding）粉末冶金（粉末冶金（Powder Metallurgy）热处理（热处理（Thermal tretment）切削（切削（Cutting）金属材料成型加工金属材料成型加工 (Processing of Metals) 5-2-1 金属
41、材料的加工工艺性金属材料的加工工艺性1015-2-2 聚聚合物的成型加工特性及成型加工方法合物的成型加工特性及成型加工方法 聚合物的加工特性聚合物的加工特性 熔融特性熔融特性：聚合物固有的低导热性、低耐热性、低稳定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。而主要依靠依靠“粘性耗散发热（摩擦热）粘性耗散发热（摩擦热）”方式熔融方式熔融。102聚合物加工中的结构变化u 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。u聚合过程中会发生结晶、取向、降解、交联等结构的变化。