第十一章材料的制备、强化与韧化_材料科学基础

第十一章材料的制备、强化与韧化
第一节材料制备的基本原理及方法
材料的制备重要性
●传统材料固然需要不断改进生产工艺和流程以提高产品质量、提高劳动生产率以降低成本，新材料的发展与材料加工合成技术的进步就更为密切。

●材料合成与加工中没有解决的问题就会影响新技术的使用。

●研究某一特定材料也必须对这一材料的合成与加工有所了解。

●材料的合成与加工的涵义有很大不同。

1．1金属材料的制备
1.1.1金属冶炼慨述
●火法冶炼
●湿法冶炼
●电冶金
1.1.2钢铁的冶炼
●炼铁：炼铁的过程就是从铁矿石中还原铁的过程。

●炼钢：炼钢的实质就是一个氧化有害杂质的过程。

1.1.3有色金属的冶炼
●有色金属由于化学性质相差较大，在矿物中的分布储况也各不相同，因此冶炼方法种类较多。

●轻金属常用熔盐电解成真空治金方法来提炼。

●重金属大多数可以用火法冶金或湿法冶金方法来提炼。

●稀有金属提炼方法比较复杂和困难，按照金属各自的化学性质不同，分别用火法冶金，湿法冶金或熔盐电解等方法来提炼。

●贵金属的化学性质最稳定，这些金属除用一般冶金方法来提取外，有相当部分
是从其他有色金属冶炼过程中的副产品中提取出来。

1.1.4粉末冶金概述
●粉末冶金是一种主要以金属粉未或金属粉末与非金属粉末的混合物为基本原
料，加入其他添加剂，混合后经成型和烧结以及其他后续处理工艺，制成各种材料和制品的工艺方法，故其主要工艺过程包括制粉成型和烧结。

●粉末冶金容易控制材料的组成。

●粉末冶金可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的零件。

●粉末冶金作为一种先进的生产技术也存在一些缺陷和不足。

粉末冶金基本工艺
粉末制备方法
雾化法制取粉末
粉末冶金与其它工艺方法效益的比较
1.2 无机非金属材料的制备
传统上无机非金属材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，其习惯上又把无机非金属材料称为硅酸盐材料或陶瓷材料。

通常陶瓷是一种多晶多相的聚集体，按其致密程度可分为瓷器、炻器和陶器。

自20世纪40年代以来,涌现出一系列应用于新技术的高性能先进无机非金属材料包括结构陶瓷、复合材料、功能陶瓷(包括电子陶瓷、生物陶瓷等)、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料和人工晶体等。

陶瓷的分类
1.2.1 陶瓷的制备原理及方法
传统的陶瓷(即普通陶瓷制品)主要是指日用陶瓷、建筑陶瓷、建筑陶瓷、电器绝缘（高压陶瓷）、化工陶瓷和多孔陶瓷等。

特种陶瓷又称为先进陶瓷,是一些具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。

另外常把用粉末冶金生产的金属材料统称为金属陶瓷。

陶瓷的生产工艺流程
1.2.2玻璃的制备
●玻璃成分及玻璃原料
●配合料的制备、玻璃的熔制和成型
●玻璃的退火及深加工
1.2.3 水泥的制备原理及方法
硅酸盐水泥生产工艺：硅酸盐水泥的生产工艺过程大体上可以概括为“两磨一烧”。

主要包括配料、混合、研磨、煅烧、磨细等基本工序。

1.2.3 水泥的制备原理及方法
水泥生产工艺比较
●按照水泥生产中生料制备方法的不同，有干法生产和湿法生产两种。

●锻烧设备是水泥生产的关键。

主要有传统的间歇式立窑和大中型水泥厂普遍采用的可连续化生产的回转窑。

●与湿法长窑相比，近代干法窑(悬浮预热器窑和窑外分解窑)具有生产规模大、节约能耗及经济合理的特点。

●悬浮预热是将生料粉与从回转窑尾排出烟气混合，并使生料悬浮在热烟气中进行热交换。

●窑外分解也称为预分解。

它是在悬浮预热气和回转窑之间增设一个分解炉，把大量吸热的碳酸钙分解反应从窑内传热效率较低的区域移到单独燃烧的分解炉进行。

1.2.3 水泥的制备原理及方法
窑外分解窑的流程
1.2.4耐火材料的制备原理及方法
耐火材料的生产工艺
1.3 高分子材料的制备合成
高分子材料的原料主要是来自于石油、煤、天然气以及农林业的副产物等。

目前石油和天然气已成为生产高分子材料的主要原料。

这些天然资源经过一系列化工过程，由低分子有机物（单体）聚合在一起形成高分子聚合物(这就是高分子材料或聚合物称谓的来源) 。

1.3.1高分子材料制备特点
●高分子材料成型加工绝大多数是把高分子材料加热到粘流态进行的，工艺简单、周期短、省料节能。

●高分子材料的制备包含三个层次:第一层次为聚合物合成:第二层次为聚合物粒料、粉料或块状料的制备;第三层次则是聚合物成型加工。

1.3.2高分子材料加成聚合与缩合聚合
(1).加成聚合反应：简称加聚反应，指单体通过双链的加成反应使自身聚合起来形成高分子的过程。

(2).缩合聚合反应：简称缩聚反应，它是指一种或多种单体相互作用形成聚合物，同时析出低分子化台物(如水、醇、卤化氢等)的过程。

醇与酸之间的反应是典型的缩聚反应。

1.4复合材料的制备
复合材料的制造工艺首先取决于基体材料的特性。

除纤维等一些增强材料要预制外，许多复合材料的制备与制品的成型是同时完成的，复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。

1.4 1纤维的制备
（1）玻璃纤维：由含有各种金属氧化物的硅酸盐类，经融解后以极快的速度抽丝而成。

（2）碳纤维：以有机物为原料，采用高温烧制的方法制造。

1.4.2树脂基复合材料的制备
●手糊成型
●喷射成型
●模压成型
●缠绕成型
1.4.3金属基复合材料的制备
(1)固态法：指基体处于固体状态下制造金属基复合材料的方法，主要包括固态扩散和粉末冶金两种方法。

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(2)液态法：指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法，有时也称为熔铸法。

主要的工艺方法有压铸法、半固态复合铸造法、液态渗透法等。

另外，还有挤压铸造法和喷徐与喷射沉积法等。

1.4.4陶瓷基复合材料的制备
●陶瓷基复合材料的粉末冶金法
●浆料浸渍法
●熔体浸透法
1.4.5共晶复合材料的制备
共晶复合材料是指基体材料成分为共晶或接近共晶成分，增强相以共晶形式从基体中凝固析出而形成的复合材料。

最典型的共晶复合材料是金属基定向凝固共晶复合材料。

定向凝固共晶复合材料的原位生长必须满足三个条件，即：有温度梯度的加热方式；满足平面凝固条件；两相的成核和生长要协调进行。

1.5现代工程材料的特殊制备
●单晶的制备
●非晶态的制备
●自蔓延合成技术
●纳米材料的制备：纳米材料的物理法制备，纳米材料的化学法制备，纳米簿膜的制备
●梯度功能材料的制备
●低维材料的制备技术
第二节材料强化基本原理和方法
本章针对当前开发高性能结构材料对材料科学提出的要求，首先介绍材料的形变类型，重点放在晶体材料的塑性变形，以及由于位错的存在导致实际强度远低于理论强度的事实，讨论材料强化的基本机制,从而揭示提高材料强度的途径。

2.1材料强化基本原理
金属的塑性变形：(a)应力的分解；(b)正应力作用下的变形；(c)切应力作用下的变形；(d)大量晶面的滑移导致试样变形
2.1.1材料的理论强度与实际强度
按照完整晶体刚性滑移模型，晶体滑移时晶体各部分是作为刚体而相对滑动的，
基于这一模型以及原子间作用力的正弦近似假定，可以推导出使完整晶体滑移面上所有原子同时滑移的临界切应力，即理论剪切强度τc=G／2π≈G／6
2.1.2位错与晶体的塑性变形
2.1.3位错与晶体材料强度的关系
第一，尽可能地减少晶体中的位错密度，使其接近于完整晶体。

第二，尽量增大晶体中的位错密度，并且尽可能地给运动着的位错设置阻碍，以及抑制位错源的活动。

2.2金属材料强化基本途径
实际生产中强化金属的主要手段是通过增大位错阻力起作用的，这些手段可以归纳为：
●固溶强化
●第二相强化（分散强化）
●冷变形硬化（加工硬化）
●细化晶粒强化
●复合强化措施与钢的马氏体强化
2.3高分子材料强化原理和方法
2.3.1 高分子材料强化原理
原则上，高分子材料受力时发生弹性变形及塑性变形的过程与金属、陶瓷一样。

高分子材料由于具有大分子量及内部结构多样性等特点。

高分子受力变形时包含了多重运动方式以及不同尺度的运动单元。

高分子材料的塑性变形是通过分子长链间的相互移动而进行的，它的强度主要取决于分子链的结构及分于链间的结合键，即材料的弹性模量。

2.3.2高分子材料强化方法
●增加链长
●改变原子团在链中的位置
●分叉和交联
●结晶化
●合金化(共聚与共混)
●添加填料及各种纤维
线性高分子材料经过变形后，分子链沿着力的方向排列起来，这种“晶态”结构使材料具有较高的强度。

第三节材料韧化基本原理与方法
材料在获得高强度的同时，往往会导致材料的脆化，即塑性、韧性的降低，容易发生脆性断裂。

要了解断裂的原因和规律，以便改变设计和制造方法，或者改用材料和重新规定使用条件等，来防止类似事故再次发生。

韧化就是从材料角度去提高其抗断裂，尤其抗脆性断裂能力。

3.1材料韧化基本原理
3.1.1材料拉伸时的断裂行为（类型)
●韧性拉应力破坏，断裂前先在颈缩处产生微孔
●韧性压应力破坏
●脆性拉应力破坏剪切形式
●脆性拉应力破坏解理断裂
●脆性压应力破坏形式
导致断裂的过程是在亚显微尺度上很快地进行的，根据宏观特征来区分断裂类型有时并不十分推确。

随着扫描电镜的使用和深入观察分析，人们从微观机制上把断裂分为：
●穿晶断裂，它又包括解理型断裂、准解理型断裂和微孔聚合型断裂；
●晶间断裂。

3.1.2韧性断裂与脆性断裂
拉伸试验韧性断裂的发展阶段
韧性断裂的形式
●典型的脆性断裂，从宏观上看是正断，是与最大的正应力垂直的断裂。

从微
观上看，脆性断裂可分为晶间断裂和解理断裂(穿晶断裂)。

●晶间断裂是沿晶粒边界发生的断裂，主要是因为在晶界处析出了杂质、微孔、
脆性第二相，造成晶粒间结合力下降，从而导致在正应力作用下材料的断裂。

●金属在发生脆性穿晶断裂时，往往是沿着特定的晶面裂开，这种断裂方式称
为“解理断裂”
3.1.3影响脆性断裂的因素
●温度
●化学成分
●组织和晶粒度
●应力分布
●环境
3.2金属材料的韧化途径
●减少材料中第二相的数量
●细化晶粒
●调整化学成分
●形变热处理
●低碳马氏体强化(相变增韧)
●金属热处理
3.3无机非金属材料增韧的途径
●制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷
●消除表面缺陷
●在陶瓷表面引入压应力，可提高材料的强韧性
●细化晶粒
●复合增韧
●相变增韧
相变增韧机理：
●应力诱导相变增韧
●微裂纹增韧
●相变诱导应力强化
3.4高分子材料韧化原理与途径
3.4.1高分子材料轫化原理
高分子材料在拄伸中由于内部结构的不均一性，导致袭纹尖端应力集中,产生塑性应变,引发大量银纹,称为银纹化.银纹首先在与应力垂直的方问上增厚，直到增厚的银纹进一步演变成裂缝.这个过程加快了裂纹尖端区域弹性应变能的释放，即应变能释放率加大。

对于韧性高分子材料，应变能释放率有一个临界值，大于临界值时，材料会发生韧-脆转变。

3.4.2高分子材料韧化途径
●添加增塑剂
●调整分子结构及相对分子质量
●采用多元嵌段
●共混增韧
小结
材料的制备技术和相关理论是工业生产和科学研究中的一个十分重要的领域，材料的合成是指通过一定的途径，从气态、液态或固态的各种不同原材料中得到
化学上不同于原材料的新材料。

材料的加工则是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于和原材料不同的状态。

金属材料的制备主要是指从矿石中提取有用金同的过程,主要有火法冶金和湿法冶金两大类。

以钢铁材料为代表的黑色金属主要用火法冶金，有色金属种类多，冶炼方法各不相同。

电冶金是指利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精练金属的冶金过程。

包括电热熔炼和电解。

轻金属、重金属、稀有金属按照金属各自的化学性质不同，分别用火法冶金，湿法冶金或熔盐电解等方法来提炼。

贵金属的化学性质最稳定，除用一般冶金方法来提取外，有相当部分是从其他有色金属冶炼过程中获得的副产品。

粉末冶金是一种主要以金属粉未或金属粉末与非金属粉末的混合物为基本原料，加入其他添加剂，混合后经成型和烧结以及其他后续处理工艺。

其主要工艺过程包括制粉、成型和烧结。

传统上无机非金属材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，其化学组成大多数属于硅酸盐类物质,其中以陶瓷材料历史最为悠久，这些材料的种类繁多,其制备原理不一，制备方法、制备特点各异。

虽然高分子材料的种类很多，原料来源也不同，但其生产过程却基本相同。

高分子材料的制备包含三个层次:第一层次为聚合物合成:第二层次为聚合物粒料、粉料或块状料的制备;第三层次则是聚合物成型加工。

高分子材料制品的生产分两个阶段，先由低分子材料(单体)合成为线形高分子树脂，再经过不同的成型方法得到塑料、橡胶、纤维等制品。

树脂的合成又可分为加聚和缩聚两种反应机理。

高分子材料的成型都是将树脂加热到粘流态，然后固化成型。

一般说复合材料的制造首先取决于基体的性质，采用与基体材料相应的成型加工方法，同时要兼顾增强体材料的分布、排列，以及在制备工艺条件下不同材料之间的物理和化学相容性，因此复合材料的制造过程要比单一材料制备过程复杂。

复合材料的制造方法很多。

除纤维等一些增强材料要预制外，许多复合材料的制各与制品的成型是同时完成的，复合材料的生产过程也就是复合材料制品的生产过程。

在复合材料制品的成型过程中，增强材料的性状一般变化不大，但基体的性状却有较大改变。

制品的成型工艺水平直接影响材料本身的性能。

合成纤维是现代复合材料中最常用的增强材料，包括玻璃纤维、碳纤维、晶须。

树脂基复合材料易于成型加工，制备方法多种多样，主要有手糊成型、喷射成型、模压成型和缠绕成型。

金属基和陶瓷基复合材料的成型困难得多，相应成本也高。

金属基复合材料的制备方法有固态法和液态法。

陶瓷基复合材料的制备方法有粉末冶金法、浆科浸渍法和熔体浸透法。

共晶复合材料是指基体材料成分为共晶或接近共晶成分，增强相以共晶形式从基体中凝固析出而形成的复合材料。

定向凝固共晶复合材料的制备方法主要有精密铸造法、连续浇注法、区域熔炼法等。

现代工程材料的特殊制备方法主要有单晶的制备、非晶的制备、自蔓延合成技术、纳米材料、梯度功能材料和低维材料的制备技术等。

纳米材料的性能是由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用所决定的。

基本性能可归纳为表面效应、小尺寸效应和量子效应。

其制备技术包括纳米材料的物理法制备（惰性气蒸发制备、球磨法制备、纳米晶体非晶晶化法制备、深度塑性变形法制备和物理气相沉积制备）和纳米材料的化学法制备（水溶液法制备、有机溶液法制备和化学气相法制备），使用化学气相沉积和电化学沉积方法能制备纳米薄膜。

梯度功能材料复合后的材料两侧基本保持了原材料各自的性质，以满足不同的要求，而内部没有界面。

功能梯度材料的制备可采用化学气相沉积法、物理蒸镀法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、化学气相渗透法等。

低维材料的制备技术包括固体薄膜制备技术、纤维材料制备技术和粉体材料制备技术
材料强化基本原理是基于位错的存在导致材料的实际强度远低于理论强度的事实，讨论材料强化的基本机制,从而揭示提高材料强度的途径。

实际生产中强化金属的主要手段是通过增大位错阻力起作用的，这些手段可以归纳为固溶强化、第二相强化、加工硬化、细化晶粒强化和钢的马氏体强化。

工程上常用上述手段中的一种或多种来提高强度。

由于高分子聚合物内分子运动的多样性使得变形过程显得十分复杂，高分子材料强化原理和方法与金属材料有很大的不同。

主要有增加链长、改变原子团在链中的位置、分叉和交联、结晶化、合金化(共聚与共混)和添加增塑剂、填料及各种纤维等。

材料韧化基本原理包括材料拉伸时的断裂行为（类型)分析、韧性断裂与脆性断裂的机理特征和影响材料脆性断裂的因素的研究。

金属材料的韧化途径主要有细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强化和金属热处理。

无机非金属材料增韧的途径主要有制造微晶高密度高纯度的陶瓷、消除表面缺陷、在陶瓷表面引入压应力、细化晶粒、复合增韧和相变增韧。

高分子材料轫化途径主要有添加增塑剂、调整分子结构及相对分子质量、采用多元嵌段和共混增韧。

本章重点
金属材料的制备原理及特点，无机非金属材料分类及制备原理及特点，高分子材料的制备原理及特点,复合材料的制备原理及特点，现代工程材料的主要种类、制备原理和特殊制备方法, 材料强化基本原理，材料韧化基本原理。

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