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第2章 材料的制备与 相图
主要问题提示Main questions·1.何谓“凝固”、“结晶”？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？?2.二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不平衡结晶）的主要特点是什么？·3.杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？·4.何谓共晶相图？试分别分析共晶、亚（或过）共晶成分合金的平衡结晶过程？·5.您是否能熟练地默画经简化的铁碳相图？对于铁碳相图中基本相的特点是否掌握了，能否会以相或组织组分的形式正确填写铁碳相图呢？·6.您是否能熟练地分析共析、亚共析、过共析钢的平衡结晶过程（语言文字和冷却曲线两种方式）并能利用杠杆定律分别计算其室温下相或组织组分的质量分数呢？·7.平衡条件下，各平衡相和组织组分（如A、F、Fe3C、P、Ld等）的本质、形貌特征和性能特点是什么？您能利用其正确分析铁碳合金在平衡状态下各种力学性能的变化吗？
主要问题提示 Main questions •1.何谓“凝固”、“结晶”？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规 律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？ •2.二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不 平衡结晶）的主要特点是什么？ •3.杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？ •4.何谓共晶相图？试分别分析共晶、亚（或过）共晶成分合金的平衡结 晶过程？ •5.您是否能熟练地默画经简化的铁碳相图？对于铁碳相图中基本相的特 点是否掌握了，能否会以相或组织组分的形式正确填写铁碳相图呢？ •6.您是否能熟练地分析共析、亚共析、过共析钢的平衡结晶过程（语言 文字和冷却曲线两种方式）并能利用杠杆定律分别计算其室温下相或组织 组分的质量分数呢？ •7.平衡条件下，各平衡相和组织组分（如A、F、Fe3C、P、Ld等）的本 质、形貌特征和性能特点是什么？您能利用其正确分析铁碳合金在平衡状 态下各种力学性能的变化吗？
教学内容与方法提示Key points and learning methods本章教学重点：对2.3铁碳合金相图，要求熟练地掌握，包括理解、消化、熟记与应用。该节是“重中之重”本课程的第一个重点章节，被称为本章的教学与学习方法：通过较详细地介绍纯质材料结晶（2.1节）、二元相图的基本类型（2.2节），目的是更好地引导学生自学第2.3节二元相图的典型应用一一铁碳合金相图；同时也为学寸其他章节奠定坚实的材料科学基础。因此本节的教学建议以课堂讨论提纲为引子、2.3节教材内容为主要依据，采用课堂讨论方式积极展开双向交流从而达到熟练掌握铁碳合金相图之的。学寸方法，要求学生在熟悉1、2节教学内容的前提下，延伸思维、深入自学第3节内容。自学的效果如何，通过“课堂讨论”检验。课堂讨论前应写好发言提纲，积极参与课堂讨论。通过讨论，搞清学寸中的认识模糊或错误之处，更好地更加深入地掌握铁碳合金相图的有关知识，展开双向交流，从而达到熟练掌握铁碳相图、培养学生学寸能力之目的
教学内容与方法提示 Key points and learning methods •本章教学重点: •对2.3铁碳合金相图，要求熟练地掌握，包括理解、消化、熟记与应用。该节是 本课程的第一个重点章节，被称为“重中之重”。 •本章的教学与学习方法： •通过较详细地介绍纯质材料结晶（2.1节）、二元相图的基本类型（2.2节），目 的是更好地引导学生自学第2.3节二元相图的典型应用——铁碳合金相图；同时 也为学习其他章节奠定坚实的材料科学基础。因此本节的教学建议以课堂讨论提 纲为引子、2.3节教材内容为主要依据，采用课堂讨论方式积极展开双向交流， 从而达到熟练掌握铁碳合金相图之目的。 •学习方法，要求学生在熟悉1、2节教学内容的前提下，延伸思维、深入自学第 3节内容。自学的效果如何，通过“课堂讨论”检验。课堂讨论前应写好发言提 纲，积极参与课堂讨论。通过讨论，搞清学习中的认识模糊或错误之处，更好地、 更加深入地掌握铁碳合金相图的有关知识，展开双向交流，从而达到熟练掌握铁 碳相图、培养学生学习能力之目的
第2章材料的制备与相图Material's Manufacture and Phase Diagram2.1材料的制备过程Material’sManufactureProcess·2.2二元相图的基本类型Basictypesof two-componentphasediagram·2.3二元相图的典型应用一铁碳合金相图Typicalapplications of two-component phase diagram-Theiron-carbon equilibrium diagram·2.4凝固与结晶理论的应用Theapplicationsofsolidification and crystallization theory
第2章 材料的制备与相图 Material’s Manufacture and Phase Diagram •2.1 材料的制备过程 Material’s Manufacture Process •2.2 二元相图的基本类型 Basic types of twocomponent phase diagram •2.3 二元相图的典型应用——铁碳合金相图 Typical applications of two-component phase diagram——The iron-carbon equilibrium diagram •2.4 凝固与结晶理论的应用 The applications of solidification and crystallization theory
2. 1材料的制备过程Material'sManufacture Process2.1.1材料凝固与结晶的条件(Conditionsforsolidificationand crystallizationof materials)·2.1.2金属材料的制备(Preparation of the metalmaterials·2.1.3聚合物材料的合成(Synthesisofpolymers)的制·2.1.4（简称无机材料)无机非金属材料备(Preparation of inorganic nonmetallic materials)
2.1 材料的制备过程 Material’s Manufacture Process •2.1.1 材料凝固与结晶的条件(Conditions for solidification and crystallization of materials) •2.1.2 金属材料的制备(Preparation of the metal materials) •2.1.3 聚合物材料的合成(Synthesis of polymers) •2.1.4 无机非金属材料（简称无机材料）的制 备 (Preparation of inorganic nonmetallic materials)
2.1.1材料凝固与结晶的条件(Conditionsforsolidificationandcrystallizationofmaterials)凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的粘度和凝固时的冷却速度。·1.熔融液体的粘度粘度，是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。·粘度的大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。粘度大，表示液体粘稠，相对运动困难。例如，大分子链结构的聚合物熔体的粘度很高，凝固时形成晶体是很困难的。而小分子材料、特别是金属，由于其熔体粘度极小，熔点附近原子的扩散能力极强，绝大多数都凝固成晶体。?2.凝固时的冷却速度·冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素。冷却速度越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低。熔体的温度直接关系着其中原子或分子的扩散能力。研究表明，当冷速大于107℃/s时，可有效地抑制粘度很小的金属合金熔体中原子的扩散，从而获得一些通常条件下无法得到的产物，如非晶合金、特殊结构的中间相、过饱和固溶体等
2.1.1 材料凝固与结晶的条件(Conditions for solidification and crystallization of materials) •凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的粘度和凝固时的冷却速度。 •1. 熔融液体的粘度 •粘度，是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。 •粘度的大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。粘度大，表示液体粘稠，相对 运动困难。例如，大分子链结构的聚合物熔体的粘度很高，凝固时形成晶体是很困 难的。而小分子材料、特别是金属，由于其熔体粘度极小，熔点附近原子的扩散能 力极强，绝大多数都凝固成晶体。 •2. 凝固时的冷却速度 •冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素。冷却速度越大，则在单位时间内逸散 的热量越多，熔体温度降得越低。熔体的温度直接关系着其中原子或分子的扩散能 力。研究表明，当冷速大于107℃/s时，可有效地抑制粘度很小的金属合金熔体中 原子的扩散，从而获得一些通常条件下无法得到的产物，如非晶合金、特殊结构的 中间相、过饱和固溶体等
2.1.2金属材料的制备(Preparationofthe metal materials)·1.金属的冶炼焊接：金属材料的一般制备过程大致如下：热轧→板、型、管、线材零件机加工铸锭冷轧、拔、冲零件热锻机加工—冶炼铸造铸件零件（机加工）可以看出，金属的冶炼是第一道工序，但治炼的质量将在很大程度上直接影响到最终加工成品零件的使用寿命
2.1.2 金属材料的制备(Preparation of the metal materials) • 1.金属的冶炼 • 金属材料的一般制备过程大致如下： • 可以看出，金属的冶炼是第一道工序，但冶炼的质量将在很 大程度上直接影响到最终加工成品零件的使用寿命。 冶炼 铸造 铸锭 铸件 热轧 热锻 板、型、管、线材 机加工 零件 （机加工） 零件 焊接 机加工 冷轧、拔、冲 零件
（1）金属冶炼的方法①火法冶炼指在高温下进行的冶金过程，例如钢铁和大多数有色金属冶炼时采用的熔炼、吹炼和精炼等。熔炼（将经预处理的精矿与熔剂一起高温熔化，通过高温化学反应使矿石中金属得以还原，同时产生一定熔渣，使金属或金属化合物与脉石分离，达到提炼金属自的），吹炼（实质是一氧化熔炼过程。如在钢的治炼中，向高碳铁水中吹入氧气，使碳氧化并去除而得到钢），精炼（熔炼得到的金属往往含一定杂质，需进一步处理以去除杂质，这种对金属进行去除杂质提高纯度的过程称为精炼。常用的精练法有加剂法、真空处理法等。加剂法就是向熔融的粗金属中加入某种熔剂，使杂质与熔剂发生作用，生成不溶于金属的稳定化合物，并上浮成渣。真空处理法是在真空条件下使金属液中的气体和杂质上浮与金属分离从而达到净化和提纯的目的）。②湿法冶炼它是在接近于常温条件下进行的，利用各种溶剂处理矿石及一些中间产物，通过在溶液中进行的氧化、还原、中和、水解和络合等反应使金属得到分离和提取。·③电冶炼指利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。主要有电热熔炼（指用各种电加热方法进行金属熔炼的方法，如电弧熔炼法、等离子治金法和电磁冶金法等），电解法（对电解质水溶液或熔盐等通电，使其发生化学变化，以便进行金属与杂质的分离或提取金属的过程）等
（1）金属冶炼的方法 •①火法冶炼 指在高温下进行的冶金过程，例如钢铁和大多数有色金属冶炼时采用 的熔炼、吹炼和精炼等。熔炼（将经预处理的精矿与熔剂一起高温熔化，通过高温 化学反应使矿石中金属得以还原，同时产生一定熔渣，使金属或金属化合物与脉石 分离，达到提炼金属目的），吹炼（实质是一氧化熔炼过程。如在钢的冶炼中，向 高碳铁水中吹入氧气，使碳氧化并去除而得到钢），精炼（熔炼得到的金属往往含 一定杂质，需进一步处理以去除杂质，这种对金属进行去除杂质提高纯度的过程称 为精炼。常用的精练法有加剂法、真空处理法等。加剂法就是向熔融的粗金属中加 入某种熔剂，使杂质与熔剂发生作用，生成不溶于金属的稳定化合物，并上浮成渣。 真空处理法是在真空条件下使金属液中的气体和杂质上浮与金属分离从而达到净化 和提纯的目的）。 •②湿法冶炼 它是在接近于常温条件下进行的，利用各种溶剂处理矿石及一些中间 产物，通过在溶液中进行的氧化、还原、中和、水解和络合等反应使金属得到分离 和提取。 •③电冶炼 指利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。主 要有电热熔炼（指用各种电加热方法进行金属熔炼的方法，如电弧熔炼法、等离子 冶金法和电磁冶金法等），电解法（对电解质水溶液或熔盐等通电，使其发生化学 变化，以便进行金属与杂质的分离或提取金属的过程）等
(2)常用的炼钢方法及其特点①氧气顶吹转炉炼钢法由高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼所需的高温。其最大特点是吹炼速度快、生产率特别高。氧化过程大约只需15~25min，加上放渣、脱氧、出钢水等操作，每炉的生产周期约30~40min。另外，此法炼钢品种多、质量好，可冶炼全部平炉冶炼和部分电炉的钢种，而且冶炼中原料消耗少、热效率高、成本低。·②电弧炉炼钢法依靠石墨制成的电极与炉料之间产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炉顶可开启，以便迅速装入原料，整个炉体可前后倾斜，以便出钢、出渣。其原料主要是废钢，氧化介质采用纯氧和铁矿石。其主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可控制，钢水成分容易调节，能有效清除硫、磷等有害杂质，加入的贵重金属元素损失少，但生产率较低，电能成本高，此法主要用于生产合金钢和高质量钢种
（2）常用的炼钢方法及其特点 •①氧气顶吹转炉炼钢法 由高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料， 熔炼时利用从炉口顶部吹入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼 所需的高温。其最大特点是吹炼速度快、生产率特别高。氧化过程大约只需 15～25min，加上放渣、脱氧、出钢水等操作，每炉的生产周期约30～ 40min。另外，此法炼钢品种多、质量好，可冶炼全部平炉冶炼和部分电炉 的钢种，而且冶炼中原料消耗少、热效率高、成本低。 •②电弧炉炼钢法 依靠石墨制成的电极与炉料之间产生的高温电弧来进 行加热熔炼的。电弧炉炉顶可开启，以便迅速装入原料，整个炉体可前后倾 斜，以便出钢、出渣。其原料主要是废钢，氧化介质采用纯氧和铁矿石。其 主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可控制，钢水成分容易调节，能有效清除 硫、磷等有害杂质，加入的贵重金属元素损失少，但生产率较低，电能成本 高，此法主要用于生产合金钢和高质量钢种
(3)钢液浇注方法?①模铸法虽古老、但现仍占有重要地位，它主要用于浇注供锻造用的大型钢锭。②连续铸钢法是使钢水在连铸机的结晶器里不断地形成一定断面形状和尺寸的钢环，浇注和出坏是连续不断进行的。此法具有金属收得率高，成本低，生产率高及劳动条件好等优点，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。目前连铸技术还在不断地进步和发展，例如，近终形连铸技术的研究开发，以及连铸-连轧的结合，都已取得成效
（3）钢液浇注方法 •①模铸法 虽古老、但现仍占有重要地位，它主要用于浇 注供锻造用的大型钢锭。 •②连续铸钢法 是使钢水在连铸机的结晶器里不断地形成 一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注和出坯是连续不断进行的。 此法具有金属收得率高，成本低，生产率高及劳动条件好等 优点，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。目前连 铸技术还在不断地进步和发展，例如，近终形连铸技术的研 究开发，以及连铸-连轧的结合，都已取得成效