第七章无机工程材料解析
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量超过溶解度后形成的新相。 • 金属化合物合金中，至少有一种是金属元素： • 正常价态化合物，如SiMg2、MnS • 电子化合物价电子总数与原子总数之比： • 3/2，如CuZn等 • 7/4，CuZn3等 • 21/13，Cu3Zn8等。 • 金属间化合物的特点是：硬而脆。
• 三、合金材料 • 1、钢 • 钢分为碳素钢（铁碳合金），根据含碳量高低分
• 因此，整个合金不均匀，其导热、导电等 是各组分的平均值。
• 2、固溶体 • 一种金属与另一种（或一种以上金属）或
非金属在熔融时互溶，凝固时析出晶体内 均匀的包含这些部分，这种固态溶液称为 固溶体。 • 与溶液相似，固溶体中分为溶剂和溶质， 含量高者为溶剂，其他为溶质。 • 置换（取代）固溶体： • 溶质与溶剂原子半径相近、价电子层结构 与电负性相近，如铜-锌、铜-银、铁-钴等。
• 水泥硬化过程：溶解期、胶化期、结晶期。
• 水泥：硅酸盐水泥、高铝水泥（耐酸水泥）、 白水泥等。
• 三、耐火材料
• 耐火材料：耐1580℃、耐气体、熔融金属、 熔融炉渣等物质侵蚀、具有一定机械强度 的无机非金属材料，常用耐火材料是高荣 点的氧化物、碳化物、氮化物等。
• 耐火度：重要指标，受热软化时的温度， 分为普通耐火材料（1580 ℃ -1770℃）、 高级耐火材料（1770 ℃ -2000℃）；
第七章无机工程材料
工程材料分为： 金属材料 非金属材料（无机材料、有机材料） 复合材料
新材料的发展趋势
• 20世纪后的四大支柱高技术： • 新能源、新材料、生命科学、信息技术。 • 材料性能的意义： • 材料的使用性能、材料的加工工艺性能。
7.1金属材料
• 一、金属的分类和性质 • 1、金属分类 • 1）黑色金属，铁（铁碳合金）和铁基合金（添
• 稀有金属：储量少、分布散落、提取困难； • 放射性金属：铀（U235）等；
• 2、金属的结构与物理性质 • 金属一般为晶体结构：体心立方、面心立
方、密排六方；
• 金属的物理性质包括光泽、导热、导电、 延展性等。
• 最轻：锂0.53，钾、钠小于1 • 最重：锇22.7，金19.3，铁7.86、铜8.9，
7.3硅酸盐材料
• 地壳中：硅、氧为75%，铝为7.5%。 • 硅酸盐材料：天然硅酸盐、玻璃、水泥、
陶瓷（土陶、日用陶瓷、工业陶瓷、普 通陶瓷、特种陶瓷）、耐火材料、搪瓷 （搪玻璃）等。
• 一、陶瓷材料 • 1）陶瓷结构 • 陶瓷一般由晶相、玻璃相、气相组成。 • 晶相：陶瓷的主要组成相，决定了陶瓷的主要性
• 间隙（间充）固溶体： • 只有溶质原子半径很小时才能形成间隙固
溶，一般认为二者半径之比小于0.5时，形 成间充固溶体。 • 形成固溶体后，晶格畸变、滑动阻力增大、 强度和硬度比纯金属高。
• 3、金属化合物 • 当形成合金的两种元素的原子半径、电负性、
电子层结构相差较大时，容易形成金属化合物。 • 金属化合物的晶格不同于原来金属的晶格。 • 有时，也将金属化合物看成是固溶体中溶质含
加铁碳以外的其它元素），如碳钢、铸铁、合金 钢等；
• 2）有色金属，除铁以外的其它金属，如钛 及钛基合金、铝及铝基合金、铜及铝基合 金、镍及镍基合金等。
• 有色金属又可分为： • 轻金属：密度小Байду номын сангаас5，铝、镁、钛、锂、钠、
钾等；
• 重金属：密度大于5
• 贵金属：金银铂系六个元素，储量少、价 格贵、化学稳定性高；
铝2.7 • 熔点最高：钨为3380℃，铬为1857℃ • 熔点最低：汞，-38℃ • 耐高温金属：指熔点高于铬的金属。 • 导电性：金、银、铜、铝。
• 二、合金的基本类型和结构
• 工程上应用的金属几乎都是合金（电力工 业用的纯铜等除外）。
• 1、机械混合物
• 两种或两种以上金属，熔融时互溶，凝固 时分别结晶，从而形成成分不同的、微细 晶体的混合物，在显微镜下可以观察到各 组分的晶体或它们的混合晶体。
• 2、轻质合金 • 钛及钛基合金：航空、航天、化工等 • 铝及铝基合金：航空、航天、建筑等 • 3、硬质合金
• 以金属为“粘结剂”、硬质陶瓷（碳化物、 氮化物、硼化物等）为“硬质相”的复合 材料。
• 四、新型复合材料 • 1、形状记忆合金：在不同温度下有不同的结构。 • 2、高温合金 • 3、贮氢材料 • 4、超导材料（半导体材料） • 5、生物材料 • 6、信息材料 • 7、纳米材料 • 8、智能材料 • 9、高性能陶瓷等。
为： • 低碳钢（＜0.25%）、中碳钢（0.25-0.6%）、高
碳钢（0.6-1.7%） • 钢中杂质元素：S、Si、Mn、P等。 • 合金钢（含铁碳以外的其它元素），根据合金元
素（不包括碳）总含量多少分为：低合金钢（＜ 5% 、中合金钢（5-10%）、高合金钢（＞10%） • 不锈钢：高合金钢。Cr起钝化作用，提高防腐性 能； Ni起细化晶粒作用，提高强度； • 稀土元素：使片状石墨变成球型石墨，提高强度、 韧性、切削性能。
质，在陶瓷中起骨架作用。
• 玻璃相：一种非晶态的低熔点固溶体，由碱金属、 碱土金属的硅酸盐组成，作用是将分散的晶相粘 结起来，填充晶相间的孔隙，提高陶瓷的致密性， 降低烧成温度，加快烧结过程，获得一定程度的 玻璃特性，如透光性等。玻璃相对陶瓷的机械强 度、介电性能、耐热性不利，工业陶瓷中的玻璃 相控制为20-40%。
• 气相：陶瓷孔隙中的气体，分散在玻璃相中，形 成不连续的气孔。
• 2）陶瓷的性能
• 力学性能：硬、脆，韧性低、脆性大是陶 瓷材料的最突出特点。
• 热性能：熔点高、导热系数小（绝热）、 热冲击破坏明显。
• 电性能：绝缘
• 化学性能：耐酸（HF除外）、耐盐（氟化 物除外）、耐化学溶剂、不耐碱。
• 二、水泥
• 硅酸盐水泥：水硬性胶凝材料，化学成分是钙 （CaO 60%）、硅（SiO2 20%）、铝 （Al2O3）、铁(Fe2O3)的氧化物。
• 粘土、石灰石、氧化铁粉研磨、混料、煅烧生 成块状熟料，研磨粉碎加入少量石膏（调节硬 化时间）得到硅酸盐水泥。
• 水泥在凝结和硬化过程中，主要发生水化和水 解作用。
• 三、合金材料 • 1、钢 • 钢分为碳素钢（铁碳合金），根据含碳量高低分
• 因此，整个合金不均匀，其导热、导电等 是各组分的平均值。
• 2、固溶体 • 一种金属与另一种（或一种以上金属）或
非金属在熔融时互溶，凝固时析出晶体内 均匀的包含这些部分，这种固态溶液称为 固溶体。 • 与溶液相似，固溶体中分为溶剂和溶质， 含量高者为溶剂，其他为溶质。 • 置换（取代）固溶体： • 溶质与溶剂原子半径相近、价电子层结构 与电负性相近，如铜-锌、铜-银、铁-钴等。
• 水泥硬化过程：溶解期、胶化期、结晶期。
• 水泥：硅酸盐水泥、高铝水泥（耐酸水泥）、 白水泥等。
• 三、耐火材料
• 耐火材料：耐1580℃、耐气体、熔融金属、 熔融炉渣等物质侵蚀、具有一定机械强度 的无机非金属材料，常用耐火材料是高荣 点的氧化物、碳化物、氮化物等。
• 耐火度：重要指标，受热软化时的温度， 分为普通耐火材料（1580 ℃ -1770℃）、 高级耐火材料（1770 ℃ -2000℃）；
第七章无机工程材料
工程材料分为： 金属材料 非金属材料（无机材料、有机材料） 复合材料
新材料的发展趋势
• 20世纪后的四大支柱高技术： • 新能源、新材料、生命科学、信息技术。 • 材料性能的意义： • 材料的使用性能、材料的加工工艺性能。
7.1金属材料
• 一、金属的分类和性质 • 1、金属分类 • 1）黑色金属，铁（铁碳合金）和铁基合金（添
• 稀有金属：储量少、分布散落、提取困难； • 放射性金属：铀（U235）等；
• 2、金属的结构与物理性质 • 金属一般为晶体结构：体心立方、面心立
方、密排六方；
• 金属的物理性质包括光泽、导热、导电、 延展性等。
• 最轻：锂0.53，钾、钠小于1 • 最重：锇22.7，金19.3，铁7.86、铜8.9，
7.3硅酸盐材料
• 地壳中：硅、氧为75%，铝为7.5%。 • 硅酸盐材料：天然硅酸盐、玻璃、水泥、
陶瓷（土陶、日用陶瓷、工业陶瓷、普 通陶瓷、特种陶瓷）、耐火材料、搪瓷 （搪玻璃）等。
• 一、陶瓷材料 • 1）陶瓷结构 • 陶瓷一般由晶相、玻璃相、气相组成。 • 晶相：陶瓷的主要组成相，决定了陶瓷的主要性
• 间隙（间充）固溶体： • 只有溶质原子半径很小时才能形成间隙固
溶，一般认为二者半径之比小于0.5时，形 成间充固溶体。 • 形成固溶体后，晶格畸变、滑动阻力增大、 强度和硬度比纯金属高。
• 3、金属化合物 • 当形成合金的两种元素的原子半径、电负性、
电子层结构相差较大时，容易形成金属化合物。 • 金属化合物的晶格不同于原来金属的晶格。 • 有时，也将金属化合物看成是固溶体中溶质含
加铁碳以外的其它元素），如碳钢、铸铁、合金 钢等；
• 2）有色金属，除铁以外的其它金属，如钛 及钛基合金、铝及铝基合金、铜及铝基合 金、镍及镍基合金等。
• 有色金属又可分为： • 轻金属：密度小Байду номын сангаас5，铝、镁、钛、锂、钠、
钾等；
• 重金属：密度大于5
• 贵金属：金银铂系六个元素，储量少、价 格贵、化学稳定性高；
铝2.7 • 熔点最高：钨为3380℃，铬为1857℃ • 熔点最低：汞，-38℃ • 耐高温金属：指熔点高于铬的金属。 • 导电性：金、银、铜、铝。
• 二、合金的基本类型和结构
• 工程上应用的金属几乎都是合金（电力工 业用的纯铜等除外）。
• 1、机械混合物
• 两种或两种以上金属，熔融时互溶，凝固 时分别结晶，从而形成成分不同的、微细 晶体的混合物，在显微镜下可以观察到各 组分的晶体或它们的混合晶体。
• 2、轻质合金 • 钛及钛基合金：航空、航天、化工等 • 铝及铝基合金：航空、航天、建筑等 • 3、硬质合金
• 以金属为“粘结剂”、硬质陶瓷（碳化物、 氮化物、硼化物等）为“硬质相”的复合 材料。
• 四、新型复合材料 • 1、形状记忆合金：在不同温度下有不同的结构。 • 2、高温合金 • 3、贮氢材料 • 4、超导材料（半导体材料） • 5、生物材料 • 6、信息材料 • 7、纳米材料 • 8、智能材料 • 9、高性能陶瓷等。
为： • 低碳钢（＜0.25%）、中碳钢（0.25-0.6%）、高
碳钢（0.6-1.7%） • 钢中杂质元素：S、Si、Mn、P等。 • 合金钢（含铁碳以外的其它元素），根据合金元
素（不包括碳）总含量多少分为：低合金钢（＜ 5% 、中合金钢（5-10%）、高合金钢（＞10%） • 不锈钢：高合金钢。Cr起钝化作用，提高防腐性 能； Ni起细化晶粒作用，提高强度； • 稀土元素：使片状石墨变成球型石墨，提高强度、 韧性、切削性能。
质，在陶瓷中起骨架作用。
• 玻璃相：一种非晶态的低熔点固溶体，由碱金属、 碱土金属的硅酸盐组成，作用是将分散的晶相粘 结起来，填充晶相间的孔隙，提高陶瓷的致密性， 降低烧成温度，加快烧结过程，获得一定程度的 玻璃特性，如透光性等。玻璃相对陶瓷的机械强 度、介电性能、耐热性不利，工业陶瓷中的玻璃 相控制为20-40%。
• 气相：陶瓷孔隙中的气体，分散在玻璃相中，形 成不连续的气孔。
• 2）陶瓷的性能
• 力学性能：硬、脆，韧性低、脆性大是陶 瓷材料的最突出特点。
• 热性能：熔点高、导热系数小（绝热）、 热冲击破坏明显。
• 电性能：绝缘
• 化学性能：耐酸（HF除外）、耐盐（氟化 物除外）、耐化学溶剂、不耐碱。
• 二、水泥
• 硅酸盐水泥：水硬性胶凝材料，化学成分是钙 （CaO 60%）、硅（SiO2 20%）、铝 （Al2O3）、铁(Fe2O3)的氧化物。
• 粘土、石灰石、氧化铁粉研磨、混料、煅烧生 成块状熟料，研磨粉碎加入少量石膏（调节硬 化时间）得到硅酸盐水泥。
• 水泥在凝结和硬化过程中，主要发生水化和水 解作用。