昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程 專業(yè)英語(yǔ)

1、第一單元：材料科學(xué)與工程歷史看法 材料可能比我們意識(shí)的還要根深蒂固的占據(jù)在歷史中。運(yùn)輸、房屋、衣服、通訊、娛樂(lè)以及食物產(chǎn)品-事實(shí)上我們生活中的每一個(gè)部分都或多或少受材料的影響。歷史上，社會(huì)的發(fā)展與前進(jìn)和那些能滿足社會(huì)需求的材料的生產(chǎn)及操作能力密切相關(guān)。實(shí)際上，早起的文明就以材料的發(fā)展程度來(lái)命名，如石器時(shí)代，青銅器時(shí)代，鐵器時(shí)代。早期人們能得到的只有一些很有限的天然材料：石頭、木材、粘土以及動(dòng)物皮毛等。漸漸地，他們通過(guò)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)優(yōu)于自然材料的新材料，這些新材料包括陶器和金屬。進(jìn)一步地，人們發(fā)現(xiàn)材料的性質(zhì)可以通過(guò)熱處理或加入其他物質(zhì)來(lái)改變。由此看來(lái)，材料的應(yīng)用完全是一個(gè)選擇的過(guò)程，且此過(guò)程又是根據(jù)

2、材料的性能從許多的而不是有限的材料中選擇一種最適于某種用途的材料。直到最近，科學(xué)家才終于了解材料的結(jié)構(gòu)要素與其特性之間的關(guān)系。在跨越將近100年的時(shí)間獲得的知識(shí)被大范圍的賦予符合當(dāng)代的材料特性。因此，成千上萬(wàn)的材料通過(guò)其特殊的性質(zhì)來(lái)滿足我們現(xiàn)代及復(fù)雜的社會(huì)需要；它們包括金屬，塑料，玻璃和纖維。很多使我們生活舒適的技術(shù)的發(fā)展與適宜材料的獲得密切相關(guān)。一種認(rèn)識(shí)的材料的先進(jìn)程度通常是一種連續(xù)技術(shù)進(jìn)步的預(yù)兆。比如，沒(méi)有便宜的鋼制品或其他替代品就沒(méi)有汽車。在現(xiàn)代，精密的電子器件取決于所謂的半導(dǎo)體材料。材料科學(xué)與工程 材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科而言,涉及到材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系。相比之下，材料工程是根據(jù)材料的結(jié)

3、構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系,來(lái)設(shè)計(jì)或操縱材料的結(jié)構(gòu)以求制造出一系列可預(yù)定的性質(zhì)。“structure”一詞是個(gè)值得解釋的模糊的術(shù)語(yǔ)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，材料的結(jié)構(gòu)通常與其內(nèi)在成分的排列有關(guān)。亞原子結(jié)構(gòu)包括介于單個(gè)原子內(nèi)部的電子以及相互作用的原子核。在原子水平上，結(jié)構(gòu)圍繞著原子或分子與其他相關(guān)的原子或分子的組織。在更大的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域上，其包括大的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)通常聚集在一起，稱為“微觀”結(jié)構(gòu)，意思是可以使用某種顯微鏡直接觀察得到的結(jié)構(gòu)。最后，結(jié)構(gòu)成分可以通過(guò)肉眼看到的稱為宏觀結(jié)構(gòu)。 “Property” 一詞的概念值得詳細(xì)闡述。在使用中，所有材料對(duì)外部的刺激都表現(xiàn)出某種反應(yīng)。比如，樣品受到壓力作用會(huì)引起形變，或者拋光

4、金屬表面會(huì)反射光。材料的特征取決于其對(duì)明確的外部刺激的反應(yīng)程度。通常，材料的性質(zhì)與其形狀及大小無(wú)關(guān)。實(shí)際上，所有固體材料的重要性質(zhì)可以概括分為六類：機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和腐蝕性。對(duì)于每一種都有一種對(duì)特定刺激引起不同反應(yīng)的能力。如機(jī)械性能與施加負(fù)載或壓力下引起的形變有關(guān)，包括彈性和強(qiáng)度。對(duì)于電性能，如電導(dǎo)性和介電系數(shù)，這種刺激物是電場(chǎng)。 固體的熱學(xué)行為則可用熱容和熱導(dǎo)率來(lái)表示。磁學(xué)性質(zhì)表示一種材料在磁場(chǎng)中的反應(yīng)。對(duì)于光學(xué)性質(zhì)，刺激物是電磁或光照。用折射和反射來(lái)表示光學(xué)性質(zhì)。最后，腐蝕性質(zhì)是表示材料的化學(xué)反應(yīng)能力。除了結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，材料科學(xué)和工程還有其他兩個(gè)重要的組成部分，即加工和性能。材料

5、的結(jié)構(gòu)取決于其如何加工并涉及這四個(gè)要素的關(guān)系。另外，材料的性能是其性質(zhì)的功能。在圖1.1中，我們現(xiàn)在介紹樣品從加工-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-性能的原則，這個(gè)圖中展示了3個(gè)薄的圓盤樣品放在一些印刷品上。這證明了這3種材料的光學(xué)性能（即在同一光線下）是不一樣的；在左邊的一個(gè)是透明的（即實(shí)際是所有的反射光通過(guò)它），然而在中心以及右邊的圓盤分別是半透明和不透明。這些所有的樣品都是相同的氧化鋁材料，但是最左邊的我們稱之為單晶體，這個(gè)高的純度，他可以提高透明度。中心的樣品由無(wú)數(shù)相連的微小單晶體所組成，這些微小晶體之間的界面散射了一部分從紙面折射來(lái)的光，從而致使材料變?yōu)楣鈱W(xué)半透明。最后，在右邊的樣品不僅由許多微小相連的

6、晶體組成，也由大量小的氣孔或者空位組成。這些氣孔也顯著的分散反射光并形成不透明的材料。因此，這三個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)在晶界與氣孔方面是不同的，這兩方面影響視覺的透視性能。進(jìn)一步證明，其他材料通過(guò)不同的性能技術(shù)生產(chǎn)。當(dāng)然，如果視覺投射性能是最終應(yīng)用產(chǎn)品的一個(gè)重要部分，則材料的性能將會(huì)不同。為什么研究材料科學(xué)與工程？ 為什么研究材料？許多應(yīng)用科學(xué)家或工程師，不管他們是機(jī)械的、土木的、化學(xué)的或電子領(lǐng)域的，都將在某個(gè)時(shí)候面臨材料的設(shè)計(jì)問(wèn)題。如用具的傳動(dòng)齒輪，上層的建筑、 油的精煉成分、或集成電路芯片。當(dāng)然，材料科學(xué)家和工程師是從事材料研究和設(shè)計(jì)的專家。很多時(shí)候，材料的問(wèn)題就是從上千個(gè)材料中選擇出一個(gè)合適的材料

7、。對(duì)材料的最終選擇有幾個(gè)原則。首先，現(xiàn)場(chǎng)工作條件基本特征，這個(gè)將決定材料的性能需求。只有在少數(shù)情況下材料在具有最優(yōu)或理想的綜合性質(zhì)。因此，有必要對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行平衡。典型的例子是當(dāng)考慮材料的強(qiáng)度和延展性時(shí)， 而通常材料具有高強(qiáng)度但卻具有低的延展性。這時(shí)對(duì)這兩種或者更多的性質(zhì)進(jìn)行折中考慮很有必要。其次，選擇的原則是要考慮材料的性質(zhì)在使用中的磨損問(wèn)題。如材料強(qiáng)度在高溫或腐蝕環(huán)境中會(huì)下降。最后，也許是最重要的原則是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。最終產(chǎn)品的成本是多少？一種材料的可以有理想的性質(zhì)，但可能太昂貴。這里，一些這種方案也是不可避免的。產(chǎn)品的成本還包括制造成所需要的形狀的費(fèi)用。工程師與科學(xué)家對(duì)材料的各種性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、

8、功能之間的關(guān)系以及材料的生產(chǎn)工藝越熟悉，就越能熟練自信地根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)選擇出最適合的材料第二單元固體材料被便利的分為三個(gè)基本的類型：金屬，陶瓷和聚合物。這個(gè)分類是首先基于化學(xué)組成和原子結(jié)構(gòu)來(lái)分的，大多數(shù)材料落在明顯的一個(gè)類別里面，盡管有許多中間品。除此之外， 有三類其他重要的工程材料復(fù)合材料，半導(dǎo)體材料和生物材料。材料類型的簡(jiǎn)明解釋以及下面代表特征的介紹。金屬和合金 金屬材料通常由金屬元素組成。它們有大量自由電子。也就是說(shuō)，這些電子不是被約束于某個(gè)特定的原子。金屬的許多性質(zhì)直接歸屬這些自由電子。金屬是十分好的電和熱的導(dǎo)體，它們對(duì)可見光不透明；一個(gè)拋光的金屬表面有光澤的外表。除此之外，金屬是十分硬

9、的，也是可變形的，這個(gè)性質(zhì)解釋了它們廣泛使用在結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。在元素周期表中有許多元素屬于金屬。如合金，Cu-Zn(黃銅),Fe-C（鋼）以及Sn-Pb（焊錫）。合金是典型的通過(guò)多數(shù)元素組成。主要的合金是基于鐵合金的建筑，銅合金的水管，器具，保溫產(chǎn)品，電子產(chǎn)品等。以及鋁合金的輕型結(jié)構(gòu)以及金屬基復(fù)合材料。合金也總是多晶體。陶瓷 陶瓷是介于金屬和非金屬元素之間的化合物；它們通常是氧化物，氮化物和碳化物。落在這個(gè)分類種類中的寬的材料范圍包括陶瓷，它們由粘土礦物，水泥和玻璃組成。這些材料是典型的電和熱的絕緣體，并且它們比金屬和聚合物更加耐高溫和耐苛刻的環(huán)境。例如Al2O3(形成火花塞以及微電子的物質(zhì))

10、，Si2O3(形成微電子絕緣電子結(jié)構(gòu))，F(xiàn)e3O4（鐵酸鹽用于電腦磁性儲(chǔ)存內(nèi)存），硅酸鹽（黏土，水泥，玻璃等）和SiC（研磨劑）。至于機(jī)械性能，陶瓷是硬的但是卻很脆。陶瓷是典型的部分結(jié)晶態(tài)，部分非晶態(tài)。他們包括離子（經(jīng)常和原子）和離子鍵以及共價(jià)鍵。聚合物 聚合物包括常見的塑料和橡膠材料。它們中的大多數(shù)是有機(jī)化合物，這些化合物是以化學(xué)的方法把碳、氫和其他非金屬元素組合而成。因此，它們有非常大的分子結(jié)構(gòu)。這些材料通常有低的密度并且可能十分柔軟。聚合物以熱塑性高分子的形式存在（如尼龍，聚乙烯，氯乙烯，橡膠等），且分子內(nèi)部由共價(jià)鍵連接，并且分子間存在范德華力。聚合物以熱固性高分子的形式存在（如環(huán)氧基樹

11、脂，酚醛塑料等），且內(nèi)部是共價(jià)鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)聚合物少數(shù)具有熱塑性。由于化學(xué)鍵，聚合物往往是電和熱絕緣體。然而，通過(guò)摻雜可以獲得傳導(dǎo)性聚合物，以及通過(guò)使用傳導(dǎo)性填充物可以獲得傳導(dǎo)性聚合基混合物。復(fù)合材料 許多復(fù)合材料被作用工程使用，它們由至少一種類型的材料組成。玻璃鋼是一個(gè)熟悉的例子，玻璃纖維被埋入聚合物材料中。一種復(fù)合材料被設(shè)計(jì)出來(lái)為了顯示每一種組分材料最好的特性。玻璃絲從玻璃中獲得強(qiáng)度并且從聚合物中獲得柔軟性。最近發(fā)展中的絕大多數(shù)材料包含了復(fù)合材料。通過(guò)人工將不同材料合成的復(fù)合材料是一種多相材料，這個(gè)是單一材料不能獲得的。例如輕質(zhì)結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料是通過(guò)碳纖維嵌入單向或多向的聚合物基質(zhì)

12、中。纖維提供了強(qiáng)度以及剛度當(dāng)聚合物作為粘結(jié)劑。另一個(gè)例子就是混凝土，一種結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料，通過(guò)水泥（基體，即黏合劑，通過(guò)水泥和水之間的水合反應(yīng)而制得）、沙子（細(xì)集料）、碎石（粗集料）以及其他可選用的材料（統(tǒng)稱混合物）結(jié)合而成的。其中混合物有諸如短纖維和氣相SiO2（一種細(xì)SiO2顆粒）等。通常，復(fù)合材料是典型的基體材料。復(fù)合材料的主要特點(diǎn)是聚合物基體，水泥基體，金屬基體，碳基體和陶瓷基體。因其制造成本低，以聚合物和水泥為基體的復(fù)合材料最為常見。除了用以阻震，電子設(shè)備，瀝青（柏油瀝青為基體與聚合物復(fù)合）和焊接劑替代物之外，聚合物-基體復(fù)合材料還用于輕構(gòu)筑物（如飛機(jī)，體育用品，輪椅等）。水泥基復(fù)合材

13、料由混凝土（好的粗集料），加固鋼混凝土研缽（好的細(xì)集料，而不是粗集料），水泥膏（沒(méi)有顆粒）組成用于民用建筑，活動(dòng)板房，建筑預(yù)制品，磚石建筑，垃圾填筑地，熱絕緣和隔音板。碳基體復(fù)合材料是十分重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（如航天飛機(jī)）和成分（如飛機(jī)剎車），這些都要承受高溫，但他們相對(duì)較貴因?yàn)楦叩闹圃斐杀?。碳基體復(fù)合材料會(huì)受到氧化，由此形成水蒸氣。陶瓷基復(fù)合材料的抗氧化性優(yōu)于碳基體復(fù)合材料，但他們也不能很好的發(fā)展。金屬基體復(fù)合材料以Al作為基體用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和低熱膨脹系數(shù)附件，但他們的應(yīng)用受高成本以及電化學(xué)腐蝕的限制。生物材料 生物材料被應(yīng)用于移植進(jìn)入人類身體以取代病變的或者損壞的身體部件。這些材料不能產(chǎn)生有毒物質(zhì)

14、而且必須同人身體器官要相容（比如，不能導(dǎo)致相排斥的生物反應(yīng)）。所有材料金屬，陶瓷，聚合物，復(fù)合材料以及半導(dǎo)體材料都有可能被用于生物材料中。例如，一些生物材料是利用人造臀部。生物相容性的理解和量度是唯一的生物科學(xué)。不幸的是，我們不能精確定義或者精確度量生物相容性。往往沒(méi)有性能的定義或者明確的成功案例。因此，對(duì)于一個(gè)使用不堵塞的人造血管而正常生活的病人來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有人懷疑這種（輔助）治療是非“生物相容”的。然而，這個(gè)操作上的定義使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)或提高人造血管功能上具有很小的可能性。生物材料或許有具體的定義在軟組織，硬組織和心臟血管類（血的相容性）應(yīng)用。事實(shí)上，生物材料或許有獨(dú)特的定義在其他應(yīng)用上。先

15、進(jìn)材料用在高科技中的材料有時(shí)被稱作先進(jìn)材料。借助于高科技，我們預(yù)定一個(gè)裝置或者產(chǎn)品，這些產(chǎn)品用相對(duì)復(fù)雜和熟練的原理運(yùn)轉(zhuǎn)或者起作用；這些例子包括電子設(shè)備（VCRs, CD 播放器），計(jì)算機(jī)，光纖系統(tǒng)，宇宙飛船，航天飛機(jī)和軍事火箭。這些高級(jí)材料或是典型的傳統(tǒng)材料，它們的性質(zhì)被提高，最近開發(fā)出來(lái)的，高性能材料。除此之外，它們可能是所有材料類型（比如，金屬、陶瓷和聚合物），通常相對(duì)較貴。半導(dǎo)體有電學(xué)性能位于電學(xué)產(chǎn)品和絕緣體。此外，這些材料的電學(xué)性能對(duì)于摻雜原子的瞬時(shí)集中表現(xiàn)極其敏感，這個(gè)可以控制在極小的空間區(qū)域。半導(dǎo)體材料使集成電路的出現(xiàn)，在過(guò)去的30年間，這些集成電路革新了電子裝置和計(jì)算機(jī)工業(yè)（更不

16、用說(shuō)我們的生活）。智能材料是一種在現(xiàn)在發(fā)展的新的工藝水平材料，將在我們的科技上有重要影響?！爸悄艿摹卑凳具@些材料可能能感知環(huán)境的改變和反應(yīng)這種改變通過(guò)固定的方式在活的有機(jī)體中才有的特征。此外，這個(gè)“smart ”的概念是擴(kuò)展到包含智能和傳統(tǒng)材料的復(fù)雜系統(tǒng)。第三單元材料，工藝，選擇 工程師要做的事情。他們做出他們的材料。材料必須支持負(fù)載,隔離或傳熱和電,接受或拒絕磁通量，傳輸或反射光線，經(jīng)常敵對(duì)的環(huán)境中生存，而要做到這一切，而不破壞環(huán)境或成本太高。在這所有的合作伙伴。你需要一種工藝去制造一種材料。不是所有你選擇的工藝都和你計(jì)劃使用的材料相匹配。有時(shí)這個(gè)工藝使得占主導(dǎo)地位的材料和輔助的材料必須是兼

17、容的。這是一個(gè)配合。兼容性不容易找到，很多失敗的配合和物質(zhì)的故障都可能是災(zāi)難性的，伴隨著責(zé)任和賠償問(wèn)題。這聽起來(lái)像食品律師，有時(shí)候是：一些專家，使他們的生活作為專家證人在法庭案件失敗的材料。但我們?cè)诖说哪康牟皇菭?zhēng)辯，而是讓大家對(duì)材料世界（因?yàn)榧词故窃谶b遠(yuǎn)的外星球你也能發(fā)現(xiàn)相同的元素）和加工領(lǐng)域有一個(gè)了解，提供選擇材料的方法和工具，以確保上述方面能長(zhǎng)期友好地結(jié)合起來(lái)。隨著不斷增加的先進(jìn)的性能，經(jīng)濟(jì)性和效率，和必須避免對(duì)環(huán)境的破壞，做出正確的選擇是很重要的。創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指由材料性能的想象力的開發(fā)。材料特性 所以，這些特性是什么？一些，如足夠熟悉的密度（單位體積質(zhì)量）和價(jià)格（每單位體積或重量的成本），

18、但其他人都不知道他們是最基本的特性。先想想那些都與承載性能安全有關(guān)的性能力學(xué)性能。力學(xué)性能 鋼直尺容易彈性彎曲，“elastic”意味著它釋放時(shí)彈回。其彈性剛度（在這里，抗彎曲）的影響一部分是通過(guò)形狀，如薄帶容易彎曲，一部分是鋼材本身的性質(zhì)：如彈性模量E。當(dāng)材料具有高的E時(shí)，如鋼，則具有固有硬度；較低的E時(shí)則沒(méi)有，如聚乙烯。鋼直尺可以彈性彎曲，但如果它是很好，則它很難產(chǎn)生一個(gè)永久性彎曲。永久變形和強(qiáng)度有關(guān)，不是剛度。難易程度取決于直尺的永久彎曲，其次，它的形狀和對(duì)鋼的不同性質(zhì)，如屈服強(qiáng)度Y。Y大的材料，如鈦合金，即使超過(guò)剛度也很難產(chǎn)生永久變形，因?yàn)镋可能不高；那些低的Y，如鉛，可容易變形。金屬

19、變形時(shí)，他們通常會(huì)更強(qiáng)（這就是所謂的“加工硬化”），但有一個(gè)極限，稱為抗拉強(qiáng)度，TS，超出該材料承受值。到目前為止一切順利。如果作為透明的尺子不是鋼制造的而是玻璃或PMMA(膠質(zhì)玻璃、有機(jī)玻璃),是不可能永久彎曲。在獲得永久的彎曲之前，毫無(wú)預(yù)兆的情況下，尺子會(huì)突然斷裂。我們這種材料破碎是因?yàn)檫@樣脆性材料,并且材料不能如韌性材料。這里沒(méi)有永久變形,所以y不是真實(shí)的特性。材料抵抗開裂以及裂縫測(cè)量被斷裂韌性所代替,K1c。鋼是韌性材料,許多(鋼被制造成脆性)具有很高的K1c。玻璃集中體現(xiàn)了脆性;它有非常低的K1c。我們開始研究材料密度，每單位體積的質(zhì)量，符號(hào)。在尺子中密度是無(wú)關(guān)緊要的。但對(duì)于幾乎任何

20、移動(dòng)的，權(quán)重進(jìn)行燃料補(bǔ)償，適度的汽車，更大的卡車和火車，更大的飛機(jī)，和巨大的空間的車輛也一樣。輕重量有著巧妙的設(shè)計(jì)，我們將在以后得到，以及材料選擇。鋁合金具有密度低，鉛密度高。如果我們的小飛機(jī)是鉛做的，它永遠(yuǎn)不會(huì)離開地面。這些都不是唯一的機(jī)械性能，但它們是最重要的部分。熱學(xué)性能 材料的特性隨溫度變化而變化，通常性能會(huì)惡化。其強(qiáng)度下降時(shí)，它開始“蠕變”（隨著時(shí)間的推移慢慢地凹陷），或者氧化，降解或分解。這意味著有一個(gè)極限溫度稱之為最高使用溫度，Tm，高于其使用是不切實(shí)際的。不銹鋼具有高的溫度,他可以達(dá)到800°C；大多數(shù)聚合物具有低的Tmax，他很少使用的150°C以上.大多

21、數(shù)材料受熱膨脹，但不同的膨脹量取決于它們的熱膨脹系數(shù)。雖然膨脹系數(shù)很小，但其結(jié)果可能大。如果，例如，一桿受到約束然后加熱，膨脹力作用于桿抵抗約束力，使其變形。如果鐵軌加工時(shí)未采取相應(yīng)處理，也會(huì)發(fā)生這樣的彎曲。一些材料感覺是冷的，如金屬；還有一些感覺是溫的，如木頭。這種感覺跟材料的兩種熱性能有關(guān)：熱導(dǎo)率和熱容量。第一，熱導(dǎo)率，測(cè)量通過(guò)材料從熱的一邊流向冷的一邊時(shí)熱量傳遞速率。如果你想將熱從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方是要用高的材料，如烹飪鍋，散熱器和熱交換器。但低的也是有用的，低的材料可以室內(nèi)保溫，減少冰箱和冷凍的能耗，以及使航天器重新進(jìn)入地球大氣層。這些應(yīng)用程序都與長(zhǎng)期，穩(wěn)定，熱流有關(guān)。當(dāng)時(shí)間受到限

22、制時(shí)，則其他性能產(chǎn)生影響，如熱容量，CP。它測(cè)量熱量是測(cè)量由一個(gè)給定的量導(dǎo)致材料的溫度上升的熱量。高熱容材料，如銅需要大量的熱來(lái)改變它們的溫度;低熱容材料，如聚合物泡沫材料，則需要少量的熱。穩(wěn)定的熱流，我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)，就是熱導(dǎo)率。有一種微妙的特性，它描述了當(dāng)熱首次應(yīng)用于會(huì)發(fā)生什么。在冷板材料下面進(jìn)行加熱上面的杯子中的冰（如干冰）。點(diǎn)火后的瞬間，杯子表面是熱的，但其余的是冷。一段時(shí)間后，中間變熱，然后后面的仍然是冷的，頂端開始預(yù)熱和冰開始熔化。這個(gè)需要多久？對(duì)于板坯的給定厚度，該時(shí)間與板坯材料的熱擴(kuò)散能力成反比。不同的電導(dǎo)率是因?yàn)椴牧嫌胁煌臒崛萘?，事?shí)上，它正比于/ CP。電，磁和光學(xué)性能 沒(méi)有

23、電傳導(dǎo)我們就不能容易的獲得光，熱，電力，控制和通信，我們今天認(rèn)為理所當(dāng)然的。金屬傳導(dǎo)性好，如銅和鋁是最好的例子。但傳導(dǎo)性并不總是一件好事。保險(xiǎn)絲盒，開關(guān)外殼，輸電線路懸架都需要絕緣，除了那些他們還可以承受負(fù)荷，一些熱量和產(chǎn)生的火花。我們所涉及的是電阻率，e，和電導(dǎo)率e。大多數(shù)塑料和玻璃有高的電阻率，他們被用來(lái)當(dāng)絕緣材料，但通過(guò)特殊處理，它們可以被制成很小的樣子。電學(xué)和磁學(xué)有著密切的聯(lián)系。電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng); 在附近的任何導(dǎo)體在移動(dòng)的磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流。大多數(shù)材料對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)太小不具有實(shí)用價(jià)值。但也有少數(shù)所謂的鐵磁體和亞鐵磁體，有永久性陷阱磁場(chǎng)。這些被稱為“硬”磁性材料，因?yàn)橐坏┍淮呕麄兒茈y消

24、磁。它們被用作耳機(jī)，馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的永久磁鐵。這里的關(guān)鍵特性是頑磁，保留的磁力的強(qiáng)度的度量。除此之外是軟磁性材料，他們很容易磁化和退磁。它們是變壓器芯的材料和電視管的偏轉(zhuǎn)線圈。它們有產(chǎn)生磁場(chǎng)的能力，但不具有永久的保留磁場(chǎng)能力。則這個(gè)的關(guān)鍵特性是飽和磁化強(qiáng)度，其測(cè)量該材料可以產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小。因?yàn)楣獗旧硎且环N電磁波，所以電和磁很難回答材料的光不足為奇。不透明的材料能使光發(fā)生反射；半透明的材料能使光發(fā)生折射，其中一些材料還能吸收某些波長(zhǎng)（顏色）的光但也能讓其他一些光自由通過(guò)?；瘜W(xué)性能 產(chǎn)品經(jīng)常要應(yīng)用在惡劣的環(huán)境，或暴露于腐蝕性的液體，氣體或輻射熱中。潮濕的空氣是腐蝕性的，如水；你手上的汗也是有腐蝕性的

25、，當(dāng)然還有比這些更嚴(yán)重的環(huán)境。如果產(chǎn)品是為其設(shè)計(jì)壽命生存必須的材料或至少涂材料,可以容忍他們的運(yùn)作的周邊環(huán)境。Unit 5對(duì)金屬材料的介紹金屬是一種具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性的化學(xué)元素，非金屬形成陽(yáng)離子和離子鍵。在化學(xué)中，金屬是一種具有元素，化合物或合金特點(diǎn)的高導(dǎo)電性材料。金屬中，原子容易失去電子形成正離子（陽(yáng)離子）。這些離子周圍負(fù)責(zé)導(dǎo)電率的自由電子。固體間因此產(chǎn)生了離子和電子云之間的靜電相互作用而緊握在一起，被稱為金屬鍵。定義 金屬往往被描述為被離域電子云包圍的陽(yáng)離子排列。根據(jù)金屬的電子特性和成鍵特性可以將金屬與類金屬和非金屬區(qū)別開來(lái)。金屬占據(jù)了大部分的元素周期表，非金屬元素只能出現(xiàn)在元素周期表

26、的右手邊。從非金屬硼到金屬釙繪出了一條對(duì)角線。大多在這條線上的元素是類金屬，有時(shí)稱其為半導(dǎo)體。這是因?yàn)槭聦?shí)上這些元素展現(xiàn)了與導(dǎo)電體和絕緣體具有共同的電學(xué)性能。在對(duì)角線左下方的元素稱為金屬，但在其對(duì)角線右上方的元素稱為非金屬。對(duì)金屬的定義選擇用能帶理論解釋。可吸收電子填充滿材料的一個(gè)能帶而最高級(jí)能帶只是部分填充的材料是金屬。這種定義打開了研究員們用高科技設(shè)備制造的金屬聚合物和其他有機(jī)金屬的范疇。這些合成金屬通常具有金屬元素的深銀灰色（光澤）的特點(diǎn)。性能 化學(xué)(性能) 金屬通常趨向于通過(guò)失去電子形成陽(yáng)離子，與空氣中的氧氣反應(yīng)在時(shí)間量程范圍內(nèi)形成氧化物（鐵在數(shù)余年后生銹，鉀瞬間燃燒）。過(guò)渡金屬（比如

27、鐵、銅、鋅和鎳）需要更長(zhǎng)時(shí)間才能氧化。其他的，如鈀，鉑和金，一點(diǎn)也不與空氣反應(yīng)。一些金屬能在其表面上形成氧化保護(hù)層，氧分子不能穿透保護(hù)層所以金屬可以保持有光澤的外觀和好的導(dǎo)電性十多年（像鋁，一些鋼鐵和鈦）。金屬氧化物通常基本上與酸性的非金屬氧化物是相反的。對(duì)金屬進(jìn)行涂色，陽(yáng)極氧化或電鍍是防止金屬腐蝕的好方法。然而，更多的一些電化學(xué)系列的活性金屬必須選擇涂層，尤其是用碎屑涂層被期望。水和兩種金屬形成電化學(xué)電池，并且如果其涂層活潑性低于被涂層材料，涂層實(shí)際上就是在促進(jìn)腐蝕。一般來(lái)說(shuō)，金屬具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高光澤、高密度和在一定應(yīng)力狀態(tài)下不斷裂的變形能力。當(dāng)一些金屬具有低密度、低硬度和低熔點(diǎn)（

28、堿及堿土金屬）是極其活潑的，并且很少遇到它們的自然金屬形態(tài)。在光子學(xué)說(shuō)中，金屬是不透明的，閃耀的和有光澤的。這是因?yàn)槭聦?shí)上可見光波并不容易通過(guò)它們自己的微觀結(jié)構(gòu)傳輸。它們能永遠(yuǎn)不被分類成透明材料是因?yàn)樵谌魏蔚湫偷慕饘俟腆w（元素或合金）中都有大量的自由電子。大多數(shù)金屬具有比大多數(shù)非金屬高的密度。盡管如此，金屬密度也可以有很廣的變化；鋰是密度最小的金屬元素而鋨是密度最高的。1A族和2A族金屬作為輕金屬因它們異于普通金屬而被提及。大多數(shù)金屬具有高密度是因?yàn)槠渚o密的晶格點(diǎn)陣和金屬結(jié)構(gòu)。不同金屬的金屬鍵強(qiáng)度不同，圍繞著并以過(guò)渡族為中心金屬鍵達(dá)到最大值，這些元素的金屬鍵中有大量的離域電子。然而，其他因素（

29、如原子半徑、軌道能帶的重疊和晶體形態(tài)）也被涉及到。電學(xué) 金屬的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率來(lái)源于金屬鍵，金屬原子的外層電子形成緊靠的自由電子氣團(tuán)，電子氣團(tuán)向正電荷方向移動(dòng)形成離子實(shí)。對(duì)導(dǎo)電率進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)，由電子對(duì)金屬的熱容量和熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)可以得出自由電子模型，不用考慮其詳細(xì)的離子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 當(dāng)涉及金屬精確的能帶結(jié)構(gòu)和結(jié)合能時(shí)，有必要考慮晶體中周期排列的離子實(shí)的特定排列所引起的正電勢(shì)。周期勢(shì)場(chǎng)的重要性是在布里淵區(qū)的邊界上的小能隙的形成。數(shù)學(xué)上，離子實(shí)的勢(shì)場(chǎng)能通過(guò)各種模型進(jìn)行分析，最簡(jiǎn)單的是自由電子模型。力學(xué)(性能)金屬的力學(xué)性能包括它們的延展性，很大程度上是由于其固有的塑性變形能力。因此，金屬的彈性可以

30、用胡克定律描述為抵抗能力，壓力和張力呈現(xiàn)成比例的線性關(guān)系。超過(guò)彈性極限的更大的力量會(huì)造成物體的永久（不可逆的）變形。這就是我們從文獻(xiàn)中所得知的塑性變形塑性。原子的排列中的不可逆變化可能是由下面的一種（或兩種）因素產(chǎn)生的結(jié)果： 1.外力作用（工作力） 2.溫度（加熱）的變化前者，外力有可能是拉力，壓力，剪切力、彎曲力或扭轉(zhuǎn)力。后者，最重要的因素是由溫度決定的缺陷結(jié)構(gòu)的流動(dòng)比如在晶態(tài)和非晶態(tài)中都存在的晶界、點(diǎn)空位、線性和螺旋位錯(cuò)，堆垛層錯(cuò)和孿晶。像這種可動(dòng)缺陷的移動(dòng)或取代是熱激發(fā)，因此受原子擴(kuò)散速率的限制。粘性流動(dòng)靠近晶界，例如能引起金屬內(nèi)部的滑動(dòng)、蠕變、疲勞。也由于消除了晶粒間的多孔性而有助于顯

31、微結(jié)構(gòu)中的顆粒長(zhǎng)大和局部致密化的顯著變化。螺旋位錯(cuò)也許能在包括位錯(cuò)的任何晶面上的任意方向滑動(dòng)，位錯(cuò)攀移的主要驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)晶格的空位的擴(kuò)散或移動(dòng)。 此外，金屬鍵的無(wú)方向性性質(zhì)也被認(rèn)為是對(duì)金屬晶體延展性的最大貢獻(xiàn)。當(dāng)離子鍵滑動(dòng)過(guò)去另一邊界面的時(shí)候，在界面內(nèi)的反應(yīng)物變化會(huì)轉(zhuǎn)移相同電荷的離子到極為貼近的一邊，導(dǎo)致晶體的解理。這種轉(zhuǎn)移在發(fā)生斷裂和晶體破碎的共價(jià)鍵晶體中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。合金 合金是由兩種或兩種以上的元素的混合物在固溶下組成且主要成分是金屬的物質(zhì)。大多數(shù)純金屬在實(shí)際應(yīng)用中要么太軟太易碎要么有化學(xué)反應(yīng)。合金中結(jié)合不同比率的金屬可以更改純金屬的性能從而得到所期望的性質(zhì)。制造合金的目的一般是減少脆性,使

32、其更堅(jiān)固，能抗腐蝕，或者具有更多想得到的顏色和光澤。在今天我們使用是所有金屬合金當(dāng)中，鐵合金（鋼鐵，不銹鋼，鑄鐵，工具鋼，合金鋼）因其質(zhì)量和商業(yè)價(jià)值而占有最大比例。鐵合金與各種各樣的碳比例結(jié)合成低碳、中碳和高碳鋼，增加碳含量會(huì)使延展性和韌性降低。添加硅可以產(chǎn)生鑄鐵，在碳鋼里邊添加Cr, Ni, Mo（大于10%）的結(jié)果是不銹鋼。 其他重要的合金是鋁，鈦，銅和鎂合金。銅合金從青銅時(shí)代就開始著名了，在今天也有許多應(yīng)用，最重要的是在電線的應(yīng)用。而其他三種金屬合金的發(fā)展與這些金屬的化學(xué)反應(yīng)性相關(guān)，需要現(xiàn)代電解提取技術(shù)。鋁合金，鈦合金和鎂合金由于高的比強(qiáng)度而被人們熟知認(rèn)可，至于鎂合金，還具有提供電磁屏蔽

33、的能力。這些材料在比強(qiáng)度比體積成本更重要的情況下是理想的，比如在航空宇宙和某些汽車中的應(yīng)用。 合金是專門為高要求應(yīng)用設(shè)計(jì)的，比如噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，也許包含了超過(guò)十種的元素。分類 賤金屬 化學(xué)上，金屬這個(gè)術(shù)語(yǔ)被非正式地用來(lái)描述比較容易被氧化或被侵蝕的金屬，很容易與稀釋的HCl反應(yīng)形成氫氣。例如鐵，鎳，鉛和鋅。即使銅不與HCl反應(yīng)，但因其比較容易被氧化而被認(rèn)為是賤金屬。通常與其作用相反的是惰性金屬。點(diǎn)金術(shù)中，賤金屬是普通的和便宜的金屬，與其相反的是珍貴的金屬，主要是金和銀。煉金師的長(zhǎng)期目標(biāo)是賤金屬向貴重金屬的轉(zhuǎn)變。錢幣學(xué)中，硬幣的使用是源于來(lái)自貴重金屬含量的價(jià)值。大多數(shù)現(xiàn)代貨幣是批準(zhǔn)發(fā)行的貨幣，允許用賤

34、金屬制造硬幣。黑色金屬 黑色金屬這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)源于現(xiàn)代拉丁語(yǔ)含義是：含鐵的。這個(gè)包括了純鐵如熟鐵，或者是合金如鋼鐵。黑色金屬通常是有磁性的但不是沒(méi)有例外。貴金屬 貴金屬是抗腐蝕或氧化的金屬，不像大多數(shù)賤金屬。它們常常由于被認(rèn)識(shí)到稀少而趨向于貴重金屬。例如鉭, 金，鉑，銀和銠。貴金屬是在潮濕中抗腐蝕和氧化的金屬釕，銠，鈀，銀，鋨，銥，鉑，金。其他貴金屬資源像水銀甚至是錸。另一方面，盡管事實(shí)是它們有很好的抗腐蝕性，但它們被稱為既不是Ti,也不是Ni,也不是Ta的貴金屬。不應(yīng)該把惰性金屬與貴重金屬混淆（即便許多惰性金屬也是貴重金屬）。貴重金屬是經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的稀少的金屬化學(xué)元素?；瘜W(xué)上，貴重金屬很少與大多

35、數(shù)元素反應(yīng)，具有高的光澤度和電導(dǎo)率。歷史上，貴重金屬作為貨幣是很重要的，但是現(xiàn)在它主要被認(rèn)為是投資和技術(shù)產(chǎn)品。金銀鉑鈀每個(gè)都有一個(gè)ISO4217貨幣代碼。最著名的貴重金屬是金和銀。兩者都具有工業(yè)用途，它們因在藝術(shù)，珠寶和貨幣上的用途而比較出名。其他貴金屬包括鉑族金屬:釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑,鉑是最廣泛的交易。钚和鈾也可以認(rèn)為是貴金屬。對(duì)貴金屬的需求驅(qū)動(dòng)不僅是因?yàn)樗鼈兊膶?shí)用價(jià)值,而且也是因?yàn)樗麄冏鳛橥顿Y和價(jià)值儲(chǔ)備的角色。鈀, 2006年夏天,價(jià)值略低于黃金一半價(jià)格,而鉑是黃金的兩倍左右。銀是比這些更便宜的金屬,但往往是傳統(tǒng)上因其硬幣和珠寶角色而被認(rèn)為是貴重金屬。金屬有時(shí)被描述為一個(gè)陽(yáng)離子圍繞著離

36、域電子云的排列。他們是與類金屬和非金屬通過(guò)電離和成鍵特性來(lái)區(qū)別的三組元素之一。 應(yīng)用 一些金屬和金屬合金具有高單位質(zhì)量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,使其有用的材料可以攜帶大量負(fù)載或抵抗沖擊損傷。金屬合金能被設(shè)計(jì)為具有有高的抵抗剪切,扭矩和變形的能力。然而相同的金屬經(jīng)過(guò)重復(fù)使用或驟加超過(guò)承載力的應(yīng)力失效時(shí)也容易造成疲勞破壞。金屬材料強(qiáng)度高，韌性好而常用于高層建筑和橋梁建筑，也可用于眾多交通工具、儀表、機(jī)床、管道、非照明式標(biāo)志和鐵路軌道上。兩種最常用的結(jié)構(gòu)金屬是鐵和鋁，也在地殼中最豐富的金屬。 金屬都是良導(dǎo)體,它們?cè)谝欢尉嚯x內(nèi)攜帶電流幾乎沒(méi)有能量損失使其在電學(xué)具有應(yīng)用價(jià)值。電力網(wǎng)依賴金屬電纜分配電能。家庭用電系統(tǒng),在

37、大多數(shù)情況下, 因銅良好的導(dǎo)電性能而用銅線接電線。 金屬的熱導(dǎo)率對(duì)于在火焰上加熱的材料容器是有用的。金屬業(yè)可以作為熱沉材料來(lái)保護(hù)過(guò)熱的敏感設(shè)備。一些金屬的高反射率對(duì)反射結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)很重要,包括精密的天文儀器。這最后的性能也會(huì)使金屬首飾具有審美吸引力。一些金屬有專門的用途；放射性金屬鈾和钚用于核電站通過(guò)核裂變產(chǎn)生能量。汞在室溫下是液體并且當(dāng)它流過(guò)開關(guān)觸點(diǎn)時(shí)可用交換器來(lái)完成電路。形狀記憶合金用于應(yīng)用程序(如管道、緊固件和血管支架)。鋼鐵 鋼是一種合金主要由鐵組成,碳含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%到2.1%之間,這取決于等級(jí)。碳對(duì)于鐵是最具成本效益的合金材料,但很多其他合金元素也被使用,如錳、鉻、釩、鎢。

38、碳和其他元素作為固化劑,防止鐵原子中發(fā)生晶格滑過(guò)去另一邊的混亂。不同數(shù)量的合金元素在鋼鐵中形成不同的存在形式（溶質(zhì)元素,析出相）來(lái)控制最終鋼鐵成品的特性如硬度、延展性和抗拉強(qiáng)度。隨著碳含量的增加鋼鐵的強(qiáng)度和硬度也增加，但其韌性降低。含碳量高的鐵合金由于具有低熔點(diǎn)和低的鑄造性能而被稱為鑄鐵。鋼鐵也有區(qū)別與熟鐵，熟鐵只含有少量的碳，但包括了以熔渣夾雜物的形式存在的碳。兩個(gè)判別因素是鋼鐵具有更高的抗腐蝕性和更好的可焊接性。 雖然鋼鐵早在文藝復(fù)興之前就可以用各種低效方法來(lái)生產(chǎn),但它使用變得更普遍更高效的生產(chǎn)方法是在17世紀(jì)設(shè)計(jì)出來(lái)的。隨著19世紀(jì)中葉貝塞麥煉銅法的發(fā)明,鋼鐵成為了一種相對(duì)廉價(jià)的大規(guī)模生

39、產(chǎn)材料。進(jìn)一步精煉過(guò)程,如堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼,進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)增加了金屬的質(zhì)量。今天,鋼鐵成為了世界上最普遍的一種材料,是建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、工具、船舶、汽車、機(jī)械、和器具重要組成部分?，F(xiàn)代鋼鐵通常是由各標(biāo)準(zhǔn)組織定義的各種等級(jí)來(lái)確定。當(dāng)鐵通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)化工程從礦石中熔煉，它的含碳量比期望中的要多。要成為鋼鐵,它必須融化和再加工來(lái)減少碳以到正確的含量,此時(shí)可以添加其他元素。這些液體被連續(xù)不斷地鑄造成長(zhǎng)板或澆筑成鑄錠。每年有96%的鋼鐵被連續(xù)不斷地鑄造，但每年只有4000個(gè)鑄錠被鑄造。這些鑄錠再在均熱爐中加熱進(jìn)行熱軋成板、鋼坯或坯料。板經(jīng)過(guò)冷軋或熱軋成薄片金屬或板材。坯料經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋成棒、桿和

40、線材。鋼坯經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋成結(jié)構(gòu)鋼，比如橫梁和鐵路。在現(xiàn)代鑄造廠中這些工序通常發(fā)生在一條裝配線上，有礦石輸入和鋼鐵成品輸出。有時(shí)在鋼鐵軋制的最后一道工序中要微量強(qiáng)化進(jìn)行熱處理，不過(guò)這是相對(duì)罕見的。今天是普遍談?wù)摰摹颁撹F行業(yè)”,好像它是一個(gè)單一的實(shí)體，但從歷史上看,他們是不同的產(chǎn)品。鋼鐵行業(yè)通常被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo),因?yàn)殇撹F在基礎(chǔ)設(shè)施和整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著決定性作用。 近年來(lái)中國(guó)和印度的經(jīng)濟(jì)繁榮造成對(duì)鋼鐵的需求大量增加。從2000年到2005年,全球鋼鐵需求增長(zhǎng)了6%。自2000年以來(lái),一些印度和中國(guó)鋼鐵企業(yè)已嶄露頭角像Tata鋼鐵(2007年收購(gòu)科勒斯鋼鐵集團(tuán))、上海寶鋼集團(tuán)、沙鋼集團(tuán)。而阿

41、塞洛-米塔爾是全球最大的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)。2005年英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告稱,中國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)商,約三分之一的份額，緊隨其后的是日本、俄羅斯和美國(guó)。2008年,鋼鐵開始作為一種商品在倫敦金屬交易所進(jìn)行貿(mào)易。在2008年底,鋼鐵行業(yè)面臨著急劇下滑的趨勢(shì),導(dǎo)致許多交易量縮減。Unit6 金屬制造方法金屬的制備方法是指使金屬或合金產(chǎn)生變形，或?qū)ζ溥M(jìn)行處理以獲得所需產(chǎn)品的技術(shù)。主要包括液態(tài)成形技術(shù)（如鑄造）、形變技術(shù)（如鍛造、軋制等）、連接技術(shù)（如焊接等），以及粉末冶金技術(shù)等。這些方法的使用取決于金屬的性質(zhì)、最終產(chǎn)品的形狀，當(dāng)然，還有成本。在這個(gè)單元，將會(huì)對(duì)一些典型的金屬理論及它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)

42、明。 液態(tài)成形技術(shù)鑄造 鑄造是一個(gè)把熔融金屬倒入一個(gè)模具，凝固后可獲得具有特定形狀、尺寸和性能的一個(gè)半成品的過(guò)程。鑄造是最基本的技術(shù)之一，適用于那些具有優(yōu)秀的流動(dòng)性、相對(duì)較低的收縮率的金屬等等。鑄造也是最古老的金屬熱加工技術(shù)。以中國(guó)為例, 在公元前1310世紀(jì)，青銅鑄件在中國(guó)的發(fā)展是如此繁榮。 根據(jù)不同的模具,這門技術(shù)包括了砂型鑄造、熔模鑄造和拉模鑄造等。砂型鑄造 砂型鑄造的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)和操作簡(jiǎn)單。對(duì)于砂型鑄造,普通砂一直是用作模具材料。兩件套模具通常是由充填砂在模型中以得到所需的形狀。此外,澆注系統(tǒng)通常是組裝進(jìn)模具中是為了更流利地把熔融金屬倒入型腔。以便將內(nèi)部鑄造缺陷最小化。雖然方便,砂鑄有幾

43、個(gè)固有的缺點(diǎn)。如相對(duì)高次品率和高的表面粗糙度。熔模鑄造 熔模鑄造(也稱為脫蠟鑄造)是一種使用低熔點(diǎn)的易熔蠟或塑料模的鑄造方法。熔模鑄造中首先將蠟?zāi)＝胩沾蓾{液中，干燥后使蠟?zāi)１砻嫱扛采弦粚蛹?xì)陶瓷耐火材料，得到圍模。然后，再將圍模加熱，使臘模熔化并流掉，剩下的即為所得模具。此時(shí)將熔融金屬倒入耐高溫模具中，則可得到所需鑄件。熔模鑄造適用于要求表面光滑,準(zhǔn)確的尺寸,以及高幾何精度時(shí)。這種方法也可以滿足復(fù)雜薄壁鑄造零件的要求。 拉模鑄造 拉模鑄造（有時(shí)稱為壓鑄）是一個(gè)金屬在壓力下鑄造的過(guò)程，壓模鑄造可以生產(chǎn)比砂型鑄造更低的孔隙率的鑄件。在凝固過(guò)程中,保持壓力。通常鋼模具或沖模用于拉模鑄造。拉模鑄造的特

44、征是一般都具有良好的表面光潔度和尺寸精度。此外,拉模鑄造由于其迅速的鑄造速度和低次品率是一種廉價(jià)的方法。在工業(yè)中,更強(qiáng)的和更堅(jiān)固的金屬,如鐵和鋼不能壓鑄。相反,鋁、鋅和銅合金材料主要用于拉模鑄造。形變技術(shù)形變技術(shù)是通過(guò)塑性變形改變金屬件形狀的技術(shù)，包括鍛造、軋制、擠壓,拉拔等等。 鍛造 鍛造是用金屬成型機(jī)械對(duì)一塊熱金屬進(jìn)行變形的一個(gè)過(guò)程。鍛造根據(jù)鍛造過(guò)程中的鑄錠溫度分為冷鍛和熱鍛。對(duì)于冷鍛，鑄錠通常保持室溫。對(duì)于熱鍛，另一方面，溫度通常高于再鑄錠的結(jié)晶溫度。熱鍛更為常見，包括閉模鍛和開式鍛造。對(duì)于閉模，力是放置在兩個(gè)或更多模具中間的支撐金屬小塊或粗加工的成品的模具所帶來(lái)的?？伤苄越饘偻ㄟ^(guò)沖模流

45、入模腔成形，因此改變了最終形狀 (圖1)。開式鍛造在沒(méi)有預(yù)切外形的平模中執(zhí)行。在鍛造的時(shí)候沖模不受旁邊金屬的限制。變形通過(guò)工件工作區(qū)和沖模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。長(zhǎng)度達(dá)到30m的零件可以用這種方法來(lái)鍛打或施加壓力成形。開式鍛造包括了許多演變過(guò)程，允許制造形狀和尺寸范圍極其廣泛的零件（圖6.1.b）。鍛造件具有很好的力學(xué)性能，可通過(guò)應(yīng)變硬化與細(xì)晶組織結(jié)合進(jìn)行強(qiáng)化。例如，多孔性毛坯鑄件可通過(guò)鍛造變形從而移除孔隙。軋制軋制是使用范圍最廣泛的變形加工方法之一。軋制是由運(yùn)動(dòng)的金屬坯料通過(guò)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軋輥之間，同時(shí)軋輥對(duì)金屬施加壓力，使金屬厚度減小的過(guò)程。在大批量生產(chǎn)簡(jiǎn)單形狀是，軋制是最經(jīng)濟(jì)的工藝方法。軋制產(chǎn)品包括

46、金屬板、建筑結(jié)構(gòu)型材、軌道和為拉絲或鍛造最準(zhǔn)備的半成品。圓形鋼，工字鋼和鐵軌都是用帶槽軋輥制造的。最初的鋼錠或連鑄厚板是通過(guò)熱軋來(lái)完成的。提高了機(jī)械強(qiáng)度和降低了孔隙度。加工金屬趨向于氧化導(dǎo)致氧化層,最終造成鑄件表面不良和尺寸精確度缺失。熱軋產(chǎn)品往往要用酸洗清除氧化層，再進(jìn)一步冷軋以確保一個(gè)給定的應(yīng)用產(chǎn)品能有良好的表面光潔度和最優(yōu)的機(jī)械性能。冷軋通常用于生產(chǎn)的最后階段。板材、帶材和箔材用冷軋可以獲得精確的尺寸和高質(zhì)量的表面光潔度。擠壓 擠壓是通過(guò)對(duì)封閉的容器內(nèi)的金屬施加壓力使材料通過(guò)模孔獲得條或棒狀金屬。因?yàn)樵跀D壓中沒(méi)有拉應(yīng)力，所以高形變量可以在不用考慮擠壓材料的斷裂危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行。擠壓件擁有

47、理想的小的橫截面和良好的表面質(zhì)量所以不需要進(jìn)一步的機(jī)加工。擠壓產(chǎn)品包括桿和管類以及橫截面產(chǎn)生大程度復(fù)雜變化的產(chǎn)品。熱擠壓大約在0.6Tm的溫度和35700MPa的壓應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行。然后，冷擠壓是金屬在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行的擠壓變形，一般是在室溫下。拉拔拉拔是通過(guò)拉模用拉力對(duì)出料側(cè)的金屬片進(jìn)行拉拔。與橫截面積減少相對(duì)應(yīng)的結(jié)果是長(zhǎng)度增加。一個(gè)完整的拉拔儀器是包括一系列按順序排列的12個(gè)拉模，每一個(gè)拉模的孔都比前一個(gè)沖模的要小。在多拉模機(jī)器中，每一個(gè)階段的結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)度的增加因此相對(duì)應(yīng)的在每個(gè)階段中間的速度就會(huì)增大。對(duì)金屬進(jìn)行拉拔加工比軋制能得到更精密的尺寸。拉拔產(chǎn)品包括金屬絲、棒條和管類產(chǎn)

48、品。形狀尺寸范圍從極細(xì)鋼絲到那些幾個(gè)平方厘米的橫截面積的產(chǎn)品一般都可以生產(chǎn)。鋼鐵和黃銅的大批量生產(chǎn)是用冷拉拔。當(dāng)要求無(wú)縫管道具有薄壁和非常精確的最終尺寸是可以通過(guò)冷拉拔來(lái)生產(chǎn)。沖壓 沖壓是用來(lái)制造高容量部件如飛機(jī)制造業(yè)或汽車面板或電子元件。機(jī)械或液壓的驅(qū)動(dòng)壓力用模具對(duì)零件進(jìn)行沖壓形成金屬連續(xù)板或帶有一個(gè)空洞的板。將撞擊力附加于上模而下模固定。然而機(jī)器機(jī)械的所有能量都轉(zhuǎn)換成迅速的沖擊力，液壓機(jī)械的力量傳遞時(shí)連續(xù)可控的。焊接 焊接與鉚釘和螺釘?shù)墓潭ǚ绞讲煌窃趦蓚€(gè)金屬片之間發(fā)生原子成鍵的連接方法。焊接主要用于制造五金器具。例如鍋爐、噴涂壓料罐、輸油管、船舶、車輛、飛行器等等都是通過(guò)焊接來(lái)生產(chǎn)。焊

49、接幾乎在所有的工業(yè)領(lǐng)域都被需要。每年超過(guò)60%的鋼鐵產(chǎn)量是通過(guò)在某些重要的工業(yè)化國(guó)家焊接生產(chǎn)的。 焊接由于其一系列的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛使用。首先，焊接能生產(chǎn)具有優(yōu)異力學(xué)性能的零件。焊縫的特點(diǎn)是具有良好的密封性、電導(dǎo)率，耐磨損和耐腐蝕。第二，與鉚接相比，焊接更加經(jīng)濟(jì)。大約1020%的金屬材料可以被節(jié)省如果用焊接代替鉚接。第三，焊接可以減少五金器具的重量，這對(duì)于運(yùn)載火箭、船舶和火箭等是相當(dāng)重要的。最后，焊接的制造工藝可以大大簡(jiǎn)化，尤其是對(duì)于重的和復(fù)雜的工件。 焊接理論有很多種，包括弧焊、氣體焊、等離子體焊接和激光束焊接。 弧焊一般是用電子弧作為熱源去熔化焊絲。這是最基本和最廣泛的焊接技術(shù)。氣焊，又稱氣

50、體保護(hù)焊，通常使用外加氣體作為電弧介質(zhì)，并保護(hù)電弧區(qū)的熔滴和熔池及高溫的焊縫金屬。保護(hù)氣體通常有兩種：一種是惰性氣體（如氬氣和氦氣），一種是高密度的氣體（如二氧化碳）。等離子弧焊接是另外一種先進(jìn)的技術(shù)。等離子弧通常往往是在鎢陰極和陽(yáng)極之間發(fā)生。它是一種高溫，高離子化，高能量密度的離子弧。激光束焊接是相對(duì)現(xiàn)代化的連接技術(shù)，用高度集中和高強(qiáng)度的激光束作為熱源。激光束將焊接熔化，然后再接近凝固的時(shí)候產(chǎn)生熱熔連接。激光束的能力密度很高所以金屬可以在極短的時(shí)間內(nèi)熔化。粉末冶金 粉末冶金是以具有高熔點(diǎn)的金屬或合金粉末作為原料制造各種零件的燒結(jié)過(guò)程。使用粉末冶金加工工藝可以獲得工藝和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在粉末冶金中，

51、金屬粉末通過(guò)放置的封閉金屬腔（沖模）施加壓力壓緊。壓緊的粉末放置在爐內(nèi)然后在高溫可控制氣氛下燒結(jié)，金屬粉末結(jié)合形成固體。粉末冶金作為冶金的分支一般用來(lái)生產(chǎn)難以通過(guò)熔鑄實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的材料。粉末冶金也可以用于制造難以加工的具有不規(guī)則曲線或凹槽的零件。它適用于大批量生產(chǎn)且只有一點(diǎn)點(diǎn)材料的消耗。實(shí)際上可以消除二次機(jī)械加工。與成本效率結(jié)合其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，粉末冶金零件在各行各業(yè)的使用數(shù)量在不斷增加。典型的不見可以被制造加工包括凸輪，單向齒輪，鏈齒，青銅燒結(jié)和含鐵鋼及碳素工具鋼。第七單元固體材料可以根據(jù)與該原子或離子相對(duì)于彼此的排列規(guī)律性進(jìn)行分類。晶體材料是指原子在較大范圍內(nèi)按一定規(guī)律周期性重復(fù)排列。換

52、句話說(shuō)，晶體一旦凝固后存在長(zhǎng)程有序，原子在重復(fù)性三維空間點(diǎn)陣的位置被固定，每一個(gè)原子和其最近鄰原子成鍵。在正常凝固條件下，所有金屬，許多陶瓷材料，和某些聚合物形成晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于那些不結(jié)晶的，這種遠(yuǎn)距離原子順序不存在。一些固體晶體的性質(zhì)取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)，是指原子，離子，或分子在空間的排布方式。有相當(dāng)多的晶體結(jié)構(gòu)也是長(zhǎng)程有序的，但他們既不同于金屬的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，也不同于陶瓷和聚合物材料非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。目前的討論涉及幾種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)描述的晶體結(jié)構(gòu)，原子（或離子）被看作是具有明確直徑的固體球體。這被稱為鋼球模型，其中球表示彼此接觸的近鄰原子。鋼球模型中一些常見的金屬元素的原子排列如圖7.1c

53、。在這個(gè)特殊的情況下，所有的原子是相同的。有時(shí)在晶體結(jié)構(gòu)的用點(diǎn)陣表示，在這個(gè)意義上說(shuō)''點(diǎn)陣''是指三維點(diǎn)與原子位置（或球體中心）重合的陣列。在固態(tài)晶體中原子規(guī)律表明小原子團(tuán)形成一種重復(fù)模式。因此，在描述晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，它通常是很方便將結(jié)構(gòu)細(xì)分成小重復(fù)實(shí)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)稱為晶胞。大多數(shù)晶體結(jié)構(gòu)的晶胞是平行六面體或具有三組平行面的棱柱;一個(gè)是球的集合體（圖7.1c），而在這種情況下，恰好是一個(gè)立方體內(nèi)繪制。晶胞用來(lái)表示晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。晶體中所有原子的位置可由沿晶胞每個(gè)邊的距離矢量來(lái)表示。因此晶胞是晶體最基本的結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)幾何格架和內(nèi)部原子位置的定義了晶體結(jié)構(gòu)。通常規(guī)定了平行六面體的拐角與鋼球原子的中心重合。此外，大多數(shù)單獨(dú)的晶胞可以被選擇用于特定的晶體結(jié)構(gòu);然而，我們通常使用具有幾何對(duì)稱的最高級(jí)別的晶胞。在這個(gè)組的材料的原子鍵合是金屬鍵，因此在性質(zhì)上是無(wú)方向性的。此外，在最近鄰原子的數(shù)量以及方向上沒(méi)有任何限制;這導(dǎo)致對(duì)大多數(shù)金屬晶體結(jié)構(gòu)有相對(duì)大量的近鄰和原子堆積密度。另外，對(duì)于金屬，使用硬球模型做晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)球體表示離子核