《工程材料-第三章_材料制备的基本过程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料-第三章_材料制备的基本过程.ppt（32页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章材料制备的基本过程第三章材料制备的基本过程Chapter 3 Fundamental Preparation Chapter 3 Fundamental Preparation for Materialsfor Materials主要内容：主要内容：l金属的结晶l聚合物的合成l陶瓷材料的制备新材料的发展，不仅与对材料的成分新材料的发展，不仅与对材料的成分结构结构性能的研究有着密切性能的研究有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。的关系，还与其制备方法有着直接的联系。制备材料的典型工艺过程：材料的典型工艺过程：l 金属材料：金属材料：凝固凝固l 陶瓷材料：陶瓷材料：烧结烧结l 聚合物
2、：聚合物：反应合成反应合成材料的制备过程对其物理、化学和力学性能都会产生较大的影响。材料的制备过程对其物理、化学和力学性能都会产生较大的影响。了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。第三章 材料制备的基本过程第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶第一节金属的结晶第一节金属的结晶凝固与结晶：凝固与结晶：l 凝固凝固（Solidification）物质从液态转变为固态的过程。物质从液态
3、转变为固态的过程。l 结晶结晶（Crystallization）晶体物质由液态转变成晶态固体的过程。晶体物质由液态转变成晶态固体的过程。结晶是凝固的一种形式。结晶是凝固的一种形式。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶一、液态金属的结构一、液态金属的结构远程有序远程有序（长程有序）（长程有序）远程无序、近程有序远程无序、近程有序（长程无序、短程有序）（长程无序、短程有序）有序有序原子团原子团远程无序远程无序（长程无序）（长程无序）气体气体气体、液体和晶体的分子（原子）排列的特点气体、液体和晶体的分子（原子）排列的特点晶体（固体）晶体（固体）液体液体第三章 材料制备的基本
4、过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶液态金属的结构特点：液态金属的结构特点：l 原子排列的原子排列的远程无序远程无序、近程有序近程有序在液态金属中存在着局部规则排列的有序原子团，即近程有序在液态金属中存在着局部规则排列的有序原子团，即近程有序（Short-range Ordered）。但整体上，液态金属的原子排列是无序的，。但整体上，液态金属的原子排列是无序的，即远程无序即远程无序（Long-range Random）。l 存在存在结构起伏结构起伏（Structure Fluctuation）液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失
5、、此起彼伏、变化不定的现象称为结构起伏，或称为相起伏。定的现象称为结构起伏，或称为相起伏。结构起伏是金属结晶的结构条件。结构起伏是金属结晶的结构条件。TmT时时 间间温温 度度T过冷度过冷度理论结晶温度理论结晶温度第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶实际结晶温度实际结晶温度二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程1.1.金属结晶的宏观现象金属结晶的宏观现象 纯金属结晶时的冷却曲线：纯金属结晶时的冷却曲线：第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶纯金属结晶的宏观现象：纯金属结晶的宏观现象：结晶的宏观现象主要表现在出现过冷和产生结晶潜热。结晶的宏观现象主
6、要表现在出现过冷和产生结晶潜热。l 过冷现象过冷现象（Super-cooling）结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷。结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度（Degree of Super-cooling）。过冷是金属结晶的驱动力，是结晶的热力学条件。过冷是金属结晶的驱动力，是结晶的热力学条件。l 结晶潜热结晶潜热（Latent Heat in Crystallization）结晶时，从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。结晶时，从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。结晶潜
7、热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。上出现了平台。TFT0T1固相固相液相液相T液体和晶体自由能与温度的关系曲线液体和晶体自由能与温度的关系曲线T2 金属结晶为什么需要过冷？金属结晶为什么需要过冷？第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶讨论：讨论：讨论：讨论：u当当T TT T0 0时，时，F FF F固固F F液液0 0，结晶不能进行。结晶不能进行。u当当T TT T0 0时，时，F FF F固固F F液液0 0，液、固两相处于动态平衡，液、固两相处于动态平衡，既能结晶，也会熔化。
8、既能结晶，也会熔化。u当当T TT T0 0时，时，F FF F固固F F液液0 0，结晶能够进行。结晶能够进行。结论：结论：结论：结论：只有当液体的过冷度达到一定只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的驱动力的大小，使结晶的驱动力 F F大于大于建立固相界面所需要的表面能时，建立固相界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。结晶过程才能开始进行。自然规律：自然规律：自然界的自发过程进行的自然界的自发过程进行的热力学条件都是热力学条件都是F F 0 0液体液体形核形核长大长大长大长大晶核晶核晶核晶核长大长大新的晶核新的晶核液体消失液体消失,结晶完成结晶完成晶体晶体晶粒相互接触晶粒相互接触结
9、晶的一般过程结晶的一般过程形核和长大形核和长大液体液体2.2.金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程金属的结晶由金属的结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成。两个基本过程组成。结晶完成后，一个晶核结晶完成后，一个晶核（Nucleus）长大成为一个晶粒。长大成为一个晶粒。晶粒晶粒,构成多晶体构成多晶体第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶结晶的基本过程之一：结晶的基本过程之一：l 形核形核（Nucleation）晶核的形成晶核的形成形核的两个条件：形核的两个条件：（1 1）结构条件）结构条件结构起伏结构起伏（Structure Fluctuati
10、on）（2 2）能量条件）能量条件能量起伏能量起伏（Energy Fluctuation）在一定温度下，液态金属具有的平均自由能是一定的，但在一定温度下，液态金属具有的平均自由能是一定的，但各个微各个微小体积所具有的自由能并不相等，有的高于平均值，有的低于平均小体积所具有的自由能并不相等，有的高于平均值，有的低于平均值。这种在液态金属值。这种在液态金属中各个微小体积所具有的能量大小不一、起伏中各个微小体积所具有的能量大小不一、起伏不定、暂短偏离其平均能量的现象称为不定、暂短偏离其平均能量的现象称为能量起伏能量起伏。能量起伏能为晶核形成时产生新的固相表面提供所需的能量。能量起伏能为晶核形成时产生
11、新的固相表面提供所需的能量。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶 形核的两种方式：形核的两种方式：（1 1）自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）（Homogeneous Nucleation）从液态金属内部自发地形成晶核的方式。从液态金属内部自发地形成晶核的方式。自发形核需要的能量大，需要较大的过冷度才有可能形成晶核。自发形核需要的能量大，需要较大的过冷度才有可能形成晶核。（2 2）非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）（Heterogeneous Nucleation）依附于液体中的杂质而形成晶核的方式。依附于液体中的杂质而形成晶核的方式。非自发形核需
12、要的能量小，不需要太大的过冷度就可以形成晶非自发形核需要的能量小，不需要太大的过冷度就可以形成晶 核，在实际金属的结晶中往往起优先和主导作用。核，在实际金属的结晶中往往起优先和主导作用。举例：举例：举例：举例：自发形核：自发形核：可能需要的过冷度可能需要的过冷度 T T200200。非自发形核：非自发形核：可能需要的过冷度可能需要的过冷度 T T2020。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶结晶的基本过程之二：结晶的基本过程之二：l 长大长大（Nuclear Growth）晶核的生长晶核的生长 晶核长大的实质是，原子由液体向固体表面转移。晶核长大的实质是，原子由液体向
13、固体表面转移。晶核长大的方式：晶核长大的方式：树枝状生长树枝状生长（Dendritic Growth）：犹如树的生长一样，晶核在长大时，首先生长成树干（一次晶轴），犹如树的生长一样，晶核在长大时，首先生长成树干（一次晶轴），然后树干上长出树枝（二次晶轴），随后，树枝还可以长出更小的树然后树干上长出树枝（二次晶轴），随后，树枝还可以长出更小的树枝（三次晶轴），依次类推，直至晶间被填满，液体完全消失。至此，枝（三次晶轴），依次类推，直至晶间被填满，液体完全消失。至此，结晶过程结束。结晶过程结束。按树枝状生长的晶粒称为树枝晶或枝晶按树枝状生长的晶粒称为树枝晶或枝晶（Dendrite）。第三章 材料制
14、备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶晶核的树枝状长大晶核的树枝状长大第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶形核形核长大长大长大长大第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶结晶终了结晶终了结晶的过程结晶的过程三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制1.1.晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响在常温下，金属的晶粒越细小，其综合力学性能越好。即金属的晶在常温下，金属的晶粒越细小，其综
15、合力学性能越好。即金属的晶 粒被细化，不仅能提高强度和硬度，还能同时提高塑性和韧性。粒被细化，不仅能提高强度和硬度，还能同时提高塑性和韧性。2.2.晶粒大小的评定晶粒大小的评定l 晶粒度晶粒度（Grain Size）评定晶粒大小的指标是晶粒度，一般用晶粒的平均直径或平均面积评定晶粒大小的指标是晶粒度，一般用晶粒的平均直径或平均面积 来表示。来表示。工业上通常采用晶粒度等级表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级工业上通常采用晶粒度等级表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级，1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。级最细。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶标准晶粒度等级标准晶粒度等级1
16、 级级2 级级3 级级4 级级8 级级7 级级6 级级5 级级第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶l 影响晶粒度的因素影响晶粒度的因素 （1 1）形核率（）形核率（N N）（Nucleation Rate）单位时间、单位体积液态金属中形成的晶核的数目称为形核率。单位时间、单位体积液态金属中形成的晶核的数目称为形核率。形核率越大，结晶完成后的晶粒数目越多，则晶粒越细小。形核率越大，结晶完成后的晶粒数目越多，则晶粒越细小。（2 2）长大速度（）长大速度（G G）（Crystal Growth Velocity）单位时间内晶体生长的长度称为长大速度。单位时间内晶体生长的长度
17、称为长大速度。晶体长大速度越快，结晶完成后的晶粒越粗大。晶体长大速度越快，结晶完成后的晶粒越粗大。结论：结论：结论：结论：形核率与长大速度的比值形核率与长大速度的比值（N/GN/G）越越大，则结晶后获得的晶粒越细大，则结晶后获得的晶粒越细小，反之晶粒则越粗大。小，反之晶粒则越粗大。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶3.3.控制晶粒大小的方法控制晶粒大小的方法l 控制过冷度控制过冷度措施：措施：降低浇注温度（实际凝固的温度），以增大过冷度（降低浇注温度（实际凝固的温度），以增大过冷度（T）。原理：原理：提高冷却速度可以降低浇注温度，使提高冷却速度可以降低浇注温度，使T
18、 增增大，（大，（N/GN/G）增大。）增大。l 变质处理变质处理措施：措施：向液态金属中加入变质剂。向液态金属中加入变质剂。原理：原理：变质剂作为非自发形核的核心，提高了变质剂作为非自发形核的核心，提高了形核率，（形核率，（N/GN/G）增大。）增大。l 振动、搅拌振动、搅拌措施：措施：对即将凝固的金属进行机械振动、超声波振动或电磁搅拌。对即将凝固的金属进行机械振动、超声波振动或电磁搅拌。原理：原理：通过振动或搅拌，一方面使生长中的枝晶破碎，从而增加形核率；通过振动或搅拌，一方面使生长中的枝晶破碎，从而增加形核率；另一方面可以输入能量以促进自发形核。两者均使另一方面可以输入能量以促进自发形核
19、。两者均使（N/GN/G）增大。）增大。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶NGTGN过冷度对形核率和长大速度的影响过冷度对形核率和长大速度的影响第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶四、同素异构转变四、同素异构转变1.1.同素异构现象与同素异构体同素异构现象与同素异构体l 同素异构同素异构（Allotropy）有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这种现象称有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这种现象称为同素异构，又称为同素异晶、多晶型性。为同素异构，又称为同素异晶、多晶型性。l 同素异构体同素异构体（Allotrope
20、）在固态下，以不同晶格类型存在的同一种金属的晶体互称为该金属在固态下，以不同晶格类型存在的同一种金属的晶体互称为该金属的同素异构体。的同素异构体。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶2.2.同素异构转变同素异构转变（Allotropic Transformation）同一种金属的同素异构体在一定的条件下能相互转化。同素异构转变同一种金属的同素异构体在一定的条件下能相互转化。同素异构转变就是这种在固态下金属随温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。就是这种在固态下金属随温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。举例：举例：举例：举例：纯铁的同素异构转变：纯铁的同素异构
21、转变：第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶1394912(bcc)(bcc)(bcc)(bcc)(fccfcc)-Fe -Fe -Fe第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶13941538温温度度时间时间912 -Fe -Fe -Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变3.3.同素异构转变的特点同素异构转变的特点金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。或重结晶。同素异构转变具有固定的转变温度，转变发生时需要过冷，并放同素异构转变具有固定的转变温度，转变发生时需
22、要过冷，并放出潜热；出潜热；同素异构转变在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度；同素异构转变在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度；同素异构体的形成经过形核、长大过程，新相晶核往往在母相的同素异构体的形成经过形核、长大过程，新相晶核往往在母相的晶界或某些特定晶面上形成；晶界或某些特定晶面上形成；同一种金属的同素异构体通常具有不同的晶格致密度，因此比容同一种金属的同素异构体通常具有不同的晶格致密度，因此比容也不同，转变前后往往伴随着体积的变化，导致内应力的产生。也不同，转变前后往往伴随着体积的变化，导致内应力的产生。第三章 材料制备的基本过程3.1 3.1 金属的结晶金属的结晶比容比容（Spec
23、ific Volume）：单位重量的物质所占有的体积称为比容。单位重量的物质所占有的体积称为比容。第二节聚合物的合成第二节聚合物的合成聚合物的合成是指把单体聚合起来形成高聚物的过程。其所进行聚合物的合成是指把单体聚合起来形成高聚物的过程。其所进行的反应称为聚合反应。的反应称为聚合反应。合成高聚物的方法很多，从最基本的化学反应来看，主要有加聚合成高聚物的方法很多，从最基本的化学反应来看，主要有加聚反应和缩聚反应两类。反应和缩聚反应两类。第三章 材料制备的基本过程3.2 3.2 聚合物的合成聚合物的合成聚合反应聚合反应加成聚合反应加成聚合反应逐步聚合反应逐步聚合反应一、加聚反应一、加聚反应（Add
24、ition Polymerization）加聚反应是由一种或几种单体相互加成而连接成聚合物的反应。加聚反应是由一种或几种单体相互加成而连接成聚合物的反应。举例：举例：举例：举例：乙烯乙烯（单体）通过加聚反应生成（单体）通过加聚反应生成聚乙烯聚乙烯（聚合物）（聚合物）加入引发剂加入引发剂,使使碳碳的的双键打开成单键双键打开成单键CHHCHH单体单体（乙烯）（乙烯）CHHCHH链节链节CHHCHHCHHCHHCHHCHHCHH聚合物聚合物（聚乙烯）（聚乙烯）链节不稳定链节不稳定,与与其他链节聚合其他链节聚合第三章 材料制备的基本过程3.2 3.2 聚合物的合成聚合物的合成第三章 材料制备的基本过程
25、3.2 3.2 聚合物的合成聚合物的合成1.1.加聚反应的类型加聚反应的类型l 均聚反应均聚反应 由一种单体通过加聚反应生成高聚物的反应。由一种单体通过加聚反应生成高聚物的反应。生成物：生成物：均聚物均聚物。l 共聚反应共聚反应 由两种或两种以上单体通过加聚反应生成高聚物的反应。由两种或两种以上单体通过加聚反应生成高聚物的反应。生成物：生成物：共聚物共聚物。2.2.加聚反应的特点加聚反应的特点 反应一旦开始，就进行得很快，直到形成最后产物为止，中间不反应一旦开始，就进行得很快，直到形成最后产物为止，中间不 能停在某一阶段上，也得不到中间产物；能停在某一阶段上，也得不到中间产物；链节的化学结构与
26、单体的化学结构相同；链节的化学结构与单体的化学结构相同；没有小分子副产物生成。没有小分子副产物生成。二、缩聚反应二、缩聚反应（Condensation Polymerization）缩聚反应是由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出缩聚反应是由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质的反应。（缩去）某种低分子物质的反应。缩聚反应的特点：缩聚反应的特点：缩聚反应由若干个聚合反应构成的，每一个反应逐步进行，反应可缩聚反应由若干个聚合反应构成的，每一个反应逐步进行，反应可 以停在某一阶段，可得到中间产物；以停在某一阶段，可得到中间产物；缩聚产物链节的化学结构与单体
27、的不完全相同；缩聚产物链节的化学结构与单体的不完全相同；在缩聚过程中总有小分子副产物析出。在缩聚过程中总有小分子副产物析出。第三章 材料制备的基本过程3.2 3.2 聚合物的合成聚合物的合成HCHOHCOCOCHHOH对苯二对苯二甲酸脂甲酸脂CHHOHCHHHO乙二醇乙二醇CHHOHCOCOCHHOCHHHO聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶、的确良）聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶、的确良）HCHHHO甲醇（副产品）甲醇（副产品）举例：举例：举例：举例：对苯二甲酸脂对苯二甲酸脂和和乙二醇乙二醇通过缩聚反应形成通过缩聚反应形成聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯第三章 材料制备的基本过程3.2 3.2 聚合物的
28、合成聚合物的合成第三节陶瓷材料的制备第三节陶瓷材料的制备陶瓷材料的典型制备方法是烧结成型，即由研磨得十分细小的颗粒陶瓷材料的典型制备方法是烧结成型，即由研磨得十分细小的颗粒焙烧成陶瓷制品。焙烧成陶瓷制品。一、制粉一、制粉1.1.机械研磨法机械研磨法将所需的材料用机械球磨方法粉碎，混合好后再煅烧，直至相互间完将所需的材料用机械球磨方法粉碎，混合好后再煅烧，直至相互间完全发生反应；然后将烧结得到的固相再次球磨至要求的粒度。全发生反应；然后将烧结得到的固相再次球磨至要求的粒度。特点：特点：易于工业化生产，但易混入杂质，且粉末粒度不均匀。易于工业化生产，但易混入杂质，且粉末粒度不均匀。2.2.化学法化
29、学法使起始组元溶解于溶液或气体中，再通过蒸发溶剂使溶质析出或通过使起始组元溶解于溶液或气体中，再通过蒸发溶剂使溶质析出或通过各组分之间发生反应沉淀出溶质。各组分之间发生反应沉淀出溶质。特点：特点：纯度高，粒度分布均匀，且颗粒细小。纯度高，粒度分布均匀，且颗粒细小。第三章 材料制备的基本过程3.3 3.3 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备二、成形二、成形1.1.压制法压制法又称为粉料成形法。是将含有一定水分和添加剂的粉放在金属模中又称为粉料成形法。是将含有一定水分和添加剂的粉放在金属模中用高压压制成形的方法。用高压压制成形的方法。2.2.可塑法可塑法是在坯料中加水或相应的塑化剂，调成具有良好塑性的料
30、团，再通是在坯料中加水或相应的塑化剂，调成具有良好塑性的料团，再通过挤压成形或车坯成形，制成规定形状尺寸的素坯。过挤压成形或车坯成形，制成规定形状尺寸的素坯。3.3.注浆法注浆法是首先将坯料加水或塑化剂调成浆料，然后再注入模具中成形。是首先将坯料加水或塑化剂调成浆料，然后再注入模具中成形。第三章 材料制备的基本过程3.3 3.3 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备三、烧结三、烧结1.1.热压烧结法热压烧结法同时加温加压烧结，加压方式一般为单轴加压。同时加温加压烧结，加压方式一般为单轴加压。2.2.热等静压法热等静压法将成形的毛坯置于充满气体的高压容器内加压烧结。将成形的毛坯置于充满气体的高压容器内加压烧结。3.3.无压烧结法无压烧结法在不抽真空也不加保护气的大气中直接进行烧结。在不抽真空也不加保护气的大气中直接进行烧结。第三章 材料制备的基本过程3.3 3.3 陶瓷材料的制备陶瓷材料的制备