《材料與凝固》課件

材料與凝固材料科學的核心領域之一。材料的凝固過程對材料的結(jié)構(gòu)、性能和應用至關(guān)重要。DH投稿人：DingJunHong課程簡介材料科學介紹材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和加工方法。凝固原理探討不同材料的凝固過程及其對材料性能的影響。金屬材料重點關(guān)注金屬的加工、性能和應用。其他材料簡要介紹陶瓷、高分子材料和復合材料等。什么是材料?物質(zhì)的組成材料是構(gòu)成物體和結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì)。它們具有特定的化學成分和物理結(jié)構(gòu)。功能與應用材料根據(jù)其特性和性能，在不同的領域發(fā)揮作用。例如，鋼材用于建筑，塑料用于包裝，硅用于電子設備。材料的分類1金屬材料金屬材料具有良好的導電性、導熱性和延展性。2非金屬材料非金屬材料則沒有金屬材料所具有的特性，如陶瓷、塑料和橡膠。3復合材料復合材料是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的，例如玻璃纖維增強塑料。4其他材料還有其他材料，例如木材、皮革和紡織品等。金屬材料的特性高強度金屬材料通常具有較高的抗拉強度，可以承受較大的載荷。高硬度許多金屬材料具有良好的耐磨性，可以抵抗磨損和刮擦。良好延展性金屬材料可以被塑造成各種形狀，而不會斷裂。優(yōu)良導電性許多金屬材料是良好的導電體，可以用于制造電線和電子設備。金屬材料的制備1冶煉冶煉是將金屬礦石轉(zhuǎn)化為金屬的過程，涉及熱處理、還原、精煉等步驟。熔煉還原精煉2鑄造將熔融的金屬液倒入模具中，冷卻凝固成型，制備出具有特定形狀和尺寸的金屬制品。砂型鑄造金屬型鑄造離心鑄造3粉末冶金將金屬粉末壓制成型，在高溫下燒結(jié)成固體金屬制品，適用于制造高強度、耐高溫、耐磨損等特殊性能的金屬材料。粉末壓制燒結(jié)滲透金屬材料的性能測試金屬材料的性能測試對于評估材料的適用性和可靠性至關(guān)重要。這些測試可以幫助我們了解材料的強度、韌性、硬度、抗疲勞性、耐腐蝕性和其他關(guān)鍵性能指標。測試類型測試方法測試目的拉伸試驗使用拉伸機對試樣施加拉力，測定材料的強度、彈性模量、屈服強度和斷裂伸長率等指標。評估材料的抗拉強度和韌性。硬度測試使用壓頭對材料表面施加壓力，測量壓痕的大小和形狀，從而判斷材料的硬度。評估材料的耐磨性和抗刮擦性。沖擊試驗使用擺錘沖擊試樣，測量試樣斷裂所需的能量，從而判斷材料的韌性。評估材料的抗沖擊性能。疲勞試驗使用循環(huán)載荷對試樣進行測試，模擬實際使用情況下的疲勞損傷，測定材料的疲勞壽命。評估材料在反復載荷下的抗疲勞性能。金屬材料的相變行為固相轉(zhuǎn)變固態(tài)下，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例如奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。液相轉(zhuǎn)變液態(tài)下，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例如熔化和凝固過程。固液相轉(zhuǎn)變固態(tài)和液態(tài)之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，例如熔化、凝固、升華和凝華。影響因素溫度、壓力、合金成分等因素都會影響金屬材料的相變行為。金屬材料相圖的理解相圖是表示合金在不同溫度和成分下相平衡關(guān)系的圖形。它提供了合金的相組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨溫度和成分變化的信息。相圖對于理解合金的熱處理、加工工藝和性能至關(guān)重要。凝固概論凝固是材料科學中一個重要的過程，它描述了從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。理解凝固過程對于理解材料的結(jié)構(gòu)、性能和制備至關(guān)重要，它是許多工業(yè)過程的基礎，例如鑄造、焊接和熱處理。純金屬的凝固過程1熔化金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)2過冷溫度低于凝固點3形核形成新的晶核4長大晶核不斷長大純金屬凝固過程是一個復雜的過程，涉及熔化、過冷、形核和長大四個階段。形核是指在過冷液態(tài)金屬中出現(xiàn)新的固態(tài)晶核的過程。晶核的形成需要克服表面能壘，因此需要一定程度的過冷。晶核長大是指晶核在液態(tài)金屬中不斷生長，最終形成宏觀的固態(tài)金屬。晶核長大的速率取決于過冷度、擴散速率和晶體生長方向。合金的凝固過程合金的凝固過程更加復雜，因為它涉及多種金屬元素的相互作用。1溶液形成不同金屬元素在熔融狀態(tài)下形成溶液2過冷溶液溫度低于凝固點，開始結(jié)晶3晶核形成金屬原子聚集，形成穩(wěn)定晶核4晶體生長晶核不斷吸收周圍熔液，逐漸長大合金的凝固過程會受到多種因素的影響，例如成分、冷卻速度、凝固條件等。共晶體系的凝固共晶點共晶點是指合金相圖中液相線和固相線相交的點。共晶成分共晶成分是指在共晶點處的合金成分。共晶組織共晶組織是指共晶成分的合金在共晶點凝固時形成的組織。共晶反應共晶反應是指液相直接轉(zhuǎn)化為兩種或兩種以上固相的反應。過共晶體系的凝固1初生相析出過共晶合金中，先析出的是共晶相2共晶相生長共晶相的生長過程3剩余液相凝固剩余的液相最終凝固4最終組織形成形成過共晶組織，包括共晶相和初生相過共晶體系的凝固過程與共晶體系類似，但由于過共晶合金中存在初生相，所以凝固過程更加復雜。合金的組織結(jié)構(gòu)顯微組織顯微組織是指合金在顯微鏡下觀察到的金屬晶粒、相和缺陷的形態(tài)和分布。晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)決定了它的物理和化學性質(zhì)，影響著它的強度、硬度、塑性等性能。相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)是指合金在不同溫度和成分下存在的不同相的類型、數(shù)量和分布。鑄件制造工藝1鑄造模具鑄造模具是生產(chǎn)鑄件的關(guān)鍵工具。鑄造模具可分為砂型、金屬型、塑料型等。砂型模具采用砂子作為成型材料，具有成本低、制造方便的特點。金屬型模具具有尺寸精度高、表面光潔度好、使用壽命長的優(yōu)點。塑料型模具適用于生產(chǎn)形狀復雜的鑄件，具有尺寸穩(wěn)定、耐高溫等特點。2熔煉熔煉是將金屬或合金加熱至液態(tài)的過程。熔煉工藝主要包括熔化、澆注、清理等步驟。熔煉過程需要控制溫度、氣氛、熔煉時間等參數(shù)，以保證金屬或合金的質(zhì)量。3澆注澆注是將熔融的金屬或合金倒入鑄造模具的過程。澆注過程需要控制澆注速度、澆注溫度等參數(shù)，以確保金屬或合金能夠充滿模具并獲得良好的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。4清理清理是指將鑄件從模具中取出并清除表面上的殘留物，如砂子、氧化皮等。清理過程需要使用各種設備和工具，如振動臺、砂輪、水射流等。鑄件缺陷及其預防常見缺陷鑄造過程中可能出現(xiàn)氣孔、縮孔、裂紋等缺陷，會降低鑄件的強度和使用壽命。缺陷形成原因缺陷形成與鑄造工藝參數(shù)、金屬熔體性質(zhì)、模具設計等因素密切相關(guān)。預防措施通過優(yōu)化鑄造工藝、控制熔體溫度、合理設計模具等措施，可以有效降低鑄件缺陷率。質(zhì)量控制鑄造過程中需要嚴格的質(zhì)量控制，定期檢查鑄件質(zhì)量，及時采取措施糾正缺陷。鍛造及其特點塑性變形鍛造是利用錘擊或壓力使金屬材料發(fā)生塑性變形，從而改變其形狀和尺寸的過程。高溫下進行鍛造通常在高溫下進行，以提高金屬的塑性，降低加工難度。提高強度鍛造可以顯著提高金屬材料的強度、韌性和抗疲勞性能，使其更加耐用。高精度鍛造能夠制造出形狀復雜、尺寸精度高的金屬工件，滿足不同應用需求。擠壓及其應用擠壓工藝擠壓是一種塑性加工方法，在壓力下將金屬材料通過模具擠出，形成所需的形狀和尺寸。金屬材料在擠壓過程中會發(fā)生塑性變形，從而改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能。擠壓工藝常用于制造各種形狀的金屬制品，包括管材、棒材、型材、板材等。它具有以下優(yōu)點：金屬材料利用率高尺寸精度高表面質(zhì)量好可生產(chǎn)復雜形狀的制品擠壓應用擠壓工藝在航空航天、汽車、電子、建筑等領域得到廣泛應用。例如，擠壓工藝可用于生產(chǎn)飛機機身、汽車車身、電子產(chǎn)品外殼、建筑材料等。由于其優(yōu)越的性能和廣泛的應用領域，擠壓工藝在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。焊接技術(shù)基礎焊接原理利用熱能或壓力將兩個或多個金屬工件熔化連接在一起的工藝。焊接方法包括氣焊、電弧焊、電阻焊、激光焊等。焊接設備包括焊接電源、焊槍、焊絲、焊條等。焊接質(zhì)量控制焊接過程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要，確保焊接接頭的強度和可靠性。焊接金屬組織及性能11.焊縫金屬焊接過程中的熔融金屬冷卻凝固形成，包含晶粒、夾雜物等。22.熱影響區(qū)焊縫周圍母材受熱影響，發(fā)生組織變化，強度、硬度降低。33.焊接接頭強度取決于焊縫金屬、熱影響區(qū)強度，以及接頭形式。44.焊接接頭性能機械性能包括強度、韌性、硬度等，也需考慮抗腐蝕性。熱處理基礎知識加熱將材料加熱至特定溫度。保溫在特定溫度下保持一定時間。冷卻以適當?shù)乃俣壤鋮s材料。熱處理是通過控制加熱、保溫和冷卻條件來改變材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善其性能的過程。鋼的熱處理1退火降低硬度，提高塑性2正火細化晶粒，改善力學性能3淬火提高硬度，增強強度4回火降低脆性，提高韌性熱處理是通過加熱、保溫和冷卻等工藝改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的方法。不同熱處理方法有不同的效果，需要根據(jù)具體需求選擇。鋁合金的熱處理1固溶處理將鋁合金加熱到固溶溫度，保溫一段時間后，再進行快速冷卻。此過程可以提高鋁合金的強度和延展性。2時效處理將固溶處理后的鋁合金在室溫或稍高的溫度下保溫一段時間，使合金中的過飽和固溶體析出第二相，從而提高鋁合金的硬度和強度。3人工時效將鋁合金在高于室溫的溫度下進行保溫，使其發(fā)生析出硬化，以提高鋁合金的強度和硬度，并改善其使用性能。陶瓷材料概述陶瓷材料是一種由金屬與非金屬元素組成的無機非金屬材料。它們通常具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能。陶瓷材料的特性高硬度和耐磨性陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性，耐高溫，適合用于制造刀具、軸承等耐磨部件。良好的耐腐蝕性陶瓷材料化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿腐蝕，應用于化工、醫(yī)藥等行業(yè)。良好的絕緣性能陶瓷材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，廣泛應用于電子、電力等領域。高熔點和耐高溫性陶瓷材料具有高熔點和耐高溫性，在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定性，適用于制造高溫爐、耐火材料等。陶瓷材料的加工1粉末壓制陶瓷材料以粉末形式壓制成型2燒結(jié)高溫燒結(jié)，使粉末顆粒結(jié)合3成型壓制成型，如注塑、擠出4原料準備選擇合適的原材料陶瓷材料的加工工藝涉及多個步驟。首先，需要選擇合適的原材料并進行粉末處理。然后，將粉末壓制成型，例如注塑成型、擠出成型等。最后，在高溫下進行燒結(jié)，使粉末顆粒相互結(jié)合，形成致密的陶瓷材料。高分子材料概述高分子材料，又稱聚合物材料，是由許多小分子單元通過化學鍵連接而成的長鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。高分子材料種類繁多，應用廣泛，在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色。高分子材料的性能強度和硬度高分子材料的強度和硬度取決于其結(jié)構(gòu)和化學成分。一些高分子材料具有高強度，可用于承重結(jié)構(gòu)，而另一些則更柔韌，適合于柔性應用。耐熱性高分子材料的耐熱性取決于其分子結(jié)構(gòu)和化學鍵的強度。一些高分子材料在高溫下仍然保持其性能，而另一些則在較低的溫度下就會發(fā)生降解。耐腐蝕性高分子材料通常具有良好的耐腐蝕性，能夠抵抗各種化學物質(zhì)和環(huán)境條件的侵蝕，這使得它們成為各種應用的理想選擇。電氣性能高分子材料的電氣性能因其結(jié)構(gòu)和化學成分而異。一些高分子材料是良好的電絕緣體，而另一些則具有導電性，使其適用于電子應用。高分子材料的應用汽車制造高分子材料廣泛應用于汽車制造，包括車身、內(nèi)飾、輪胎等。電子產(chǎn)品高分子材料用于手機殼、電腦