昆明理工大學材料科學與工程專業(yè)英語

1、第一單元：材料科學與工程歷史看法 材料可能比我們意識的還要根深蒂固的占據在歷史中。運輸、房屋、衣服、通訊、娛樂以及食物產品-事實上我們生活中的每一個部分都或多或少受材料的影響。歷史上，社會的發(fā)展與前進和那些能滿足社會需求的材料的生產及操作能力密切相關。實際上，早起的文明就以材料的發(fā)展程度來命名，如石器時代，青銅器時代，鐵器時代。早期人們能得到的只有一些很有限的天然材料：石頭、木材、粘土以及動物皮毛等。漸漸地，他們通過技術來生產優(yōu)于自然材料的新材料，這些新材料包括陶器和金屬。進一步地，人們發(fā)現(xiàn)材料的性質可以通過熱處理或加入其他物質來改變。由此看來，材料的應用完全是一個選擇的過程，且此過程又是根據

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，科學家才終于了解材料的結構要素與其特性之間的關系。在跨越將近100年的時間獲得的知識被大范圍的賦予符合當代的材料特性。因此，成千上萬的材料通過其特殊的性質來滿足我們現(xiàn)代及復雜的社會需要；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的發(fā)展與適宜材料的獲得密切相關。一種認識的材料的先進程度通常是一種連續(xù)技術進步的預兆。比如，沒有便宜的鋼制品或其他替代品就沒有汽車。在現(xiàn)代，精密的電子器件取決于所謂的半導體材料。材料科學與工程 材料科學作為一個學科而言,涉及到材料的結構和性質的關系。相比之下，材料工程是根據材料的結

3、構和性質的關系,來設計或操縱材料的結構以求制造出一系列可預定的性質。“structure”一詞是個值得解釋的模糊的術語。簡單地說，材料的結構通常與其內在成分的排列有關。亞原子結構包括介于單個原子內部的電子以及相互作用的原子核。在原子水平上，結構圍繞著原子或分子與其他相關的原子或分子的組織。在更大的結構領域上，其包括大的原子團，這些原子團通常聚集在一起，稱為“微觀”結構，意思是可以使用某種顯微鏡直接觀察得到的結構。最后，結構成分可以通過肉眼看到的稱為宏觀結構。 “Property” 一詞的概念值得詳細闡述。在使用中，所有材料對外部的刺激都表現(xiàn)出某種反應。比如，樣品受到壓力作用會引起形變，或者拋光

4、金屬表面會反射光。材料的特征取決于其對明確的外部刺激的反應程度。通常，材料的性質與其形狀及大小無關。實際上，所有固體材料的重要性質可以概括分為六類：機械、電學、熱學、磁學、光學和腐蝕性。對于每一種都有一種對特定刺激引起不同反應的能力。如機械性能與施加負載或壓力下引起的形變有關，包括彈性和強度。對于電性能，如電導性和介電系數(shù)，這種刺激物是電場。 固體的熱學行為則可用熱容和熱導率來表示。磁學性質表示一種材料在磁場中的反應。對于光學性質，刺激物是電磁或光照。用折射和反射來表示光學性質。最后，腐蝕性質是表示材料的化學反應能力。除了結構和性質，材料科學和工程還有其他兩個重要的組成部分，即加工和性能。材料

5、的結構取決于其如何加工并涉及這四個要素的關系。另外，材料的性能是其性質的功能。在圖1.1中，我們現(xiàn)在介紹樣品從加工-結構-性質-性能的原則，這個圖中展示了3個薄的圓盤樣品放在一些印刷品上。這證明了這3種材料的光學性能（即在同一光線下）是不一樣的；在左邊的一個是透明的（即實際是所有的反射光通過它），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，這個高的純度，他可以提高透明度。中心的樣品由無數(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的光，從而致使材料變?yōu)楣鈱W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，這三個樣品的結構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。進一步證明，其他材料通過不同的性能技術生產。當然，如果視覺投射性能是最終應用產品的一個重要部分，則材料的性能將會不同。為什么研究材料科學與工程？ 為什么研究材料？許多應用科學家或工程師，不管他們是機械的、土木的、化學的或電子領域的，都將在某個時候面臨材料的設計問題。如用具的傳動齒輪，上層的建筑、 油的精煉成分、或集成電路芯片。當然，材料科學家和工程師是從事材料研究和設計的專家。很多時候，材料的問題就是從上千個材料中選擇出一個合適的材料

7、。對材料的最終選擇有幾個原則。首先，現(xiàn)場工作條件基本特征，這個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。因此，有必要對材料的性質進行平衡。典型的例子是當考慮材料的強度和延展性時， 而通常材料具有高強度但卻具有低的延展性。這時對這兩種或者更多的性質進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在使用中的磨損問題。如材料強度在高溫或腐蝕環(huán)境中會下降。最后，也許是最重要的原則是經濟問題。最終產品的成本是多少？一種材料的可以有理想的性質，但可能太昂貴。這里，一些這種方案也是不可避免的。產品的成本還包括制造成所需要的形狀的費用。工程師與科學家對材料的各種性質、結構、

8、功能之間的關系以及材料的生產工藝越熟悉，就越能熟練自信地根據這些標準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基本的類型：金屬，陶瓷和聚合物。這個分類是首先基于化學組成和原子結構來分的，大多數(shù)材料落在明顯的一個類別里面，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合材料，半導體材料和生物材料。材料類型的簡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，這些電子不是被約束于某個特定的原子。金屬的許多性質直接歸屬這些自由電子。金屬是十分好的電和熱的導體，它們對可見光不透明；一個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，這個性質解釋了它們廣泛使用在結構方面的應用。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，保溫產品，電子產品等。以及鋁合金的輕型結構以及金屬基復合材料。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)

10、，Si2O3(形成微電子絕緣電子結構)，F(xiàn)e3O4（鐵酸鹽用于電腦磁性儲存內存），硅酸鹽（黏土，水泥，玻璃等）和SiC（研磨劑）。至于機械性能，陶瓷是硬的但是卻很脆。陶瓷是典型的部分結晶態(tài)，部分非晶態(tài)。他們包括離子（經常和原子）和離子鍵以及共價鍵。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)是有機化合物，這些化合物是以化學的方法把碳、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構。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），且分子內部由共價鍵連接，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），且內部是共價鍵形成的網絡結構。非晶態(tài)聚合物少數(shù)具有熱塑性。由于化學鍵，聚合物往往是電和熱絕緣體。然而，通過摻雜可以獲得傳導性聚合物，以及通過使用傳導性填充物可以獲得傳導性聚合基混合物。復合材料 許多復合材料被作用工程使用，它們由至少一種類型的材料組成。玻璃鋼是一個熟悉的例子，玻璃纖維被埋入聚合物材料中。一種復合材料被設計出來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)材料包含了復合材料。通過人工將不同材料合成的復合材料是一種多相材料，這個是單一材料不能獲得的。例如輕質結構性復合材料是通過碳纖維嵌入單向或多向的聚合物基質

12、中。纖維提供了強度以及剛度當聚合物作為粘結劑。另一個例子就是混凝土，一種結構性復合材料，通過水泥（基體，即黏合劑，通過水泥和水之間的水合反應而制得）、沙子（細集料）、碎石（粗集料）以及其他可選用的材料（統(tǒng)稱混合物）結合而成的。其中混合物有諸如短纖維和氣相SiO2（一種細SiO2顆粒）等。通常，復合材料是典型的基體材料。復合材料的主要特點是聚合物基體，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合材料最為常見。除了用以阻震，電子設備，瀝青（柏油瀝青為基體與聚合物復合）和焊接劑替代物之外，聚合物-基體復合材料還用于輕構筑物（如飛機，體育用品，輪椅等）。水泥基復合材

13、料由混凝土（好的粗集料），加固鋼混凝土研缽（好的細集料，而不是粗集料），水泥膏（沒有顆粒）組成用于民用建筑，活動板房，建筑預制品，磚石建筑，垃圾填筑地，熱絕緣和隔音板。碳基體復合材料是十分重要的輕質結構（如航天飛機）和成分（如飛機剎車），這些都要承受高溫，但他們相對較貴因為高的制造成本。碳基體復合材料會受到氧化，由此形成水蒸氣。陶瓷基復合材料的抗氧化性優(yōu)于碳基體復合材料，但他們也不能很好的發(fā)展。金屬基體復合材料以Al作為基體用于輕質結構和低熱膨脹系數(shù)附件，但他們的應用受高成本以及電化學腐蝕的限制。生物材料 生物材料被應用于移植進入人類身體以取代病變的或者損壞的身體部件。這些材料不能產生有毒物質

14、而且必須同人身體器官要相容（比如，不能導致相排斥的生物反應）。所有材料金屬，陶瓷，聚合物，復合材料以及半導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。不幸的是，我們不能精確定義或者精確度量生物相容性。往往沒有性能的定義或者明確的成功案例。因此，對于一個使用不堵塞的人造血管而正常生活的病人來說，幾乎沒有人懷疑這種（輔助）治療是非“生物相容”的。然而，這個操作上的定義使得我們在設計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）應用。事實上，生物材料或許有獨特的定義在其他應用上。先

15、進材料用在高科技中的材料有時被稱作先進材料。借助于高科技，我們預定一個裝置或者產品，這些產品用相對復雜和熟練的原理運轉或者起作用；這些例子包括電子設備（VCRs, CD 播放器），計算機，光纖系統(tǒng)，宇宙飛船，航天飛機和軍事火箭。這些高級材料或是典型的傳統(tǒng)材料，它們的性質被提高，最近開發(fā)出來的，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），通常相對較貴。半導體有電學性能位于電學產品和絕緣體。此外，這些材料的電學性能對于摻雜原子的瞬時集中表現(xiàn)極其敏感，這個可以控制在極小的空間區(qū)域。半導體材料使集成電路的出現(xiàn)，在過去的30年間，這些集成電路革新了電子裝置和計算機工業(yè)（更不

16、用說我們的生活）。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)境的改變和反應這種改變通過固定的方式在活的有機體中才有的特征。此外，這個“smart ”的概念是擴展到包含智能和傳統(tǒng)材料的復雜系統(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。材料必須支持負載,隔離或傳熱和電,接受或拒絕磁通量，傳輸或反射光線，經常敵對的環(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劃使用的材料相匹配。有時這個工藝使得占主導地位的材料和輔助的材料必須是兼

17、容的。這是一個配合。兼容性不容易找到，很多失敗的配合和物質的故障都可能是災難性的，伴隨著責任和賠償問題。這聽起來像食品律師，有時候是：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。但我們在此的目的不是爭辯，而是讓大家對材料世界（因為即使是在遙遠的外星球你也能發(fā)現(xiàn)相同的元素）和加工領域有一個了解，提供選擇材料的方法和工具，以確保上述方面能長期友好地結合起來。隨著不斷增加的先進的性能，經濟性和效率，和必須避免對環(huán)境的破壞，做出正確的選擇是很重要的。創(chuàng)新設計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（單位體積質量）和價格（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的性能力學性能。力學性能 鋼直尺容易彈性彎曲，“elastic”意味著它釋放時彈回。其彈性剛度（在這里，抗彎曲）的影響一部分是通過形狀，如薄帶容易彎曲，一部分是鋼材本身的性質：如彈性模量E。當材料具有高的E時，如鋼，則具有固有硬度；較低的E時則沒有，如聚乙烯。鋼直尺可以彈性彎曲，但如果它是很好，則它很難產生一個永久性彎曲。永久變形和強度有關，不是剛度。難易程度取決于直尺的永久彎曲，其次，它的形狀和對鋼的不同性質，如屈服強度Y。Y大的材料，如鈦合金，即使超過剛度也很難產生永久變形，因為E可能不高；那些低的Y，如鉛，可容易變形。金屬

19、變形時，他們通常會更強（這就是所謂的“加工硬化”），但有一個極限，稱為抗拉強度，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(膠質玻璃、有機玻璃),是不可能永久彎曲。在獲得永久的彎曲之前，毫無預兆的情況下，尺子會突然斷裂。我們這種材料破碎是因為這樣脆性材料,并且材料不能如韌性材料。這里沒有永久變形,所以y不是真實的特性。材料抵抗開裂以及裂縫測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，每單位體積的質量，符號。在尺子中密度是無關緊要的。但對于幾乎任何

20、移動的，權重進行燃料補償，適度的汽車，更大的卡車和火車，更大的飛機，和巨大的空間的車輛也一樣。輕重量有著巧妙的設計，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。如果我們的小飛機是鉛做的，它永遠不會離開地面。這些都不是唯一的機械性能，但它們是最重要的部分。熱學性能 材料的特性隨溫度變化而變化，通常性能會惡化。其強度下降時，它開始“蠕變”（隨著時間的推移慢慢地凹陷），或者氧化，降解或分解。這意味著有一個極限溫度稱之為最高使用溫度，Tm，高于其使用是不切實際的。不銹鋼具有高的溫度,他可以達到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。如果鐵軌加工時未采取相應處理，也會發(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：熱導率和熱容量。第一，熱導率，測量通過材料從熱的一邊流向冷的一邊時熱量傳遞速率。如果你想將熱從一個地方傳到另一個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，低的材料可以室內保溫，減少冰箱和冷凍的能耗，以及使航天器重新進入地球大氣層。這些應用程序都與長期，穩(wěn)定，熱流有關。當時間受到限

22、制時，則其他性能產生影響，如熱容量，CP。它測量熱量是測量由一個給定的量導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，我們已經說過，就是熱導率。有一種微妙的特性，它描述了當熱首次應用于會發(fā)生什么。在冷板材料下面進行加熱上面的杯子中的冰（如干冰）。點火后的瞬間，杯子表面是熱的，但其余的是冷。一段時間后，中間變熱，然后后面的仍然是冷的，頂端開始預熱和冰開始熔化。這個需要多久？對于板坯的給定厚度，該時間與板坯材料的熱擴散能力成反比。不同的電導率是因為材料有不同的熱容量，事實上，它正比于/ CP。電，磁和光學性能 沒有

23、電傳導我們就不能容易的獲得光，熱，電力，控制和通信，我們今天認為理所當然的。金屬傳導性好，如銅和鋁是最好的例子。但傳導性并不總是一件好事。保險絲盒，開關外殼，輸電線路懸架都需要絕緣，除了那些他們還可以承受負荷，一些熱量和產生的火花。我們所涉及的是電阻率，e，和電導率e。大多數(shù)塑料和玻璃有高的電阻率，他們被用來當絕緣材料，但通過特殊處理，它們可以被制成很小的樣子。電學和磁學有著密切的聯(lián)系。電流產生感應磁場; 在附近的任何導體在移動的磁場中產生感應電流。大多數(shù)材料對磁場的響應太小不具有實用價值。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。這些被稱為“硬”磁性材料，因為一旦被磁化，他們很難消

24、磁。它們被用作耳機，馬達和發(fā)電機的永久磁鐵。這里的關鍵特性是頑磁，保留的磁力的強度的度量。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線圈。它們有產生磁場的能力，但不具有永久的保留磁場能力。則這個的關鍵特性是飽和磁化強度，其測量該材料可以產生的磁場大小。因為光本身是一種電磁波，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（顏色）的光但也能讓其他一些光自由通過?；瘜W性能 產品經常要應用在惡劣的環(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、，當然還有比這些更嚴重的環(huán)境。如果產品是為其設計壽命生存必須的材料或至少涂材料,可以容忍他們的運作的周邊環(huán)境。Unit 5對金屬材料的介紹金屬是一種具有良好的導電和導熱性的化學元素，非金屬形成陽離子和離子鍵。在化學中，金屬是一種具有元素，化合物或合金特點的高導電性材料。金屬中，原子容易失去電子形成正離子（陽離子）。這些離子周圍負責導電率的自由電子。固體間因此產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離子排列。根據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。金屬占據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角線。大多在這條線上的元素是類金屬，有時稱其為半導體。這是因為事實上這些元素展現(xiàn)了與導電體和絕緣體具有共同的電學性能。在對角線左下方的元素稱為金屬，但在其對角線右上方的元素稱為非金屬。對金屬的定義選擇用能帶理論解釋?？晌针娮犹畛錆M材料的一個能帶而最高級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備制造的金屬聚合物和其他有機金屬的范疇。這些合成金屬通常具有金屬元素的深銀灰色（光澤）的特點。性能 化學(性能) 金屬通常趨向于通過失去電子形成陽離子，與空氣中的氧氣反應在時間量程范圍內形成氧化物（鐵在數(shù)余年后生銹，鉀瞬間燃燒）。過渡金屬（比如

27、鐵、銅、鋅和鎳）需要更長時間才能氧化。其他的，如鈀，鉑和金，一點也不與空氣反應。一些金屬能在其表面上形成氧化保護層，氧分子不能穿透保護層所以金屬可以保持有光澤的外觀和好的導電性十多年（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。對金屬進行涂色，陽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電池，并且如果其涂層活潑性低于被涂層材料，涂層實際上就是在促進腐蝕。一般來說，金屬具有高導電性、高導熱性、高光澤、高密度和在一定應力狀態(tài)下不斷裂的變形能力。當一些金屬具有低密度、低硬度和低熔點（

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)。在光子學說中，金屬是不透明的，閃耀的和有光澤的。這是因為事實上可見光波并不容易通過它們自己的微觀結構傳輸。它們能永遠不被分類成透明材料是因為在任何典型的金屬固體（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為其緊密的晶格點陣和金屬結構。不同金屬的金屬鍵強度不同，圍繞著并以過渡族為中心金屬鍵達到最大值，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 金屬的導電率和導熱率來源于金屬鍵，金屬原子的外層電子形成緊靠的自由電子氣團，電子氣團向正電荷方向移動形成離子實。對導電率進行精確的數(shù)學預測，由電子對金屬的熱容量和熱導率的貢獻可以得出自由電子模型，不用考慮其詳細的離子點陣結構。 當涉及金屬精確的能帶結構和結合能時，有必要考慮晶體中周期排列的離子實的特定排列所引起的正電勢。周期勢場的重要性是在布里淵區(qū)的邊界上的小能隙的形成。數(shù)學上，離子實的勢場能通過各種模型進行分析，最簡單的是自由電子模型。力學(性能)金屬的力學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)成比例的線性關系。超過彈性極限的更大的力量會造成物體的永久（不可逆的）變形。這就是我們從文獻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）因素產生的結果： 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、彎曲力或扭轉力。后者，最重要的因素是由溫度決定的缺陷結構的流動比如在晶態(tài)和非晶態(tài)中都存在的晶界、點空位、線性和螺旋位錯，堆垛層錯和孿晶。像這種可動缺陷的移動或取代是熱激發(fā)，因此受原子擴散速率的限制。粘性流動靠近晶界，例如能引起金屬內部的滑動、蠕變、疲勞。也由于消除了晶粒間的多孔性而有助于顯

31、微結構中的顆粒長大和局部致密化的顯著變化。螺旋位錯也許能在包括位錯的任何晶面上的任意方向滑動，位錯攀移的主要驅動力是通過晶格的空位的擴散或移動。 此外，金屬鍵的無方向性性質也被認為是對金屬晶體延展性的最大貢獻。當離子鍵滑動過去另一邊界面的時候，在界面內的反應物變化會轉移相同電荷的離子到極為貼近的一邊，導致晶體的解理。這種轉移在發(fā)生斷裂和晶體破碎的共價鍵晶體中沒有發(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。大多數(shù)純金屬在實際應用中要么太軟太易碎要么有化學反應。合金中結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。制造合金的目的一般是減少脆性,使

32、其更堅固，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中，鐵合金（鋼鐵，不銹鋼，鑄鐵，工具鋼，合金鋼）因其質量和商業(yè)價值而占有最大比例。鐵合金與各種各樣的碳比例結合成低碳、中碳和高碳鋼，增加碳含量會使延展性和韌性降低。添加硅可以產生鑄鐵，在碳鋼里邊添加Cr, Ni, Mo（大于10%）的結果是不銹鋼。 其他重要的合金是鋁，鈦，銅和鎂合金。銅合金從青銅時代就開始著名了，在今天也有許多應用，最重要的是在電線的應用。而其他三種金屬合金的發(fā)展與這些金屬的化學反應性相關，需要現(xiàn)代電解提取技術。鋁合金，鈦合金和鎂合金由于高的比強度而被人們熟知認可，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用。 合金是專門為高要求應用設計的，比如噴射發(fā)動機，也許包含了超過十種的元素。分類 賤金屬 化學上，金屬這個術語被非正式地用來描述比較容易被氧化或被侵蝕的金屬，很容易與稀釋的HCl反應形成氫氣。例如鐵，鎳，鉛和鋅。即使銅不與HCl反應，但因其比較容易被氧化而被認為是賤金屬。通常與其作用相反的是惰性金屬。點金術中，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。煉金師的長期目標是賤金屬向貴重金屬的轉變。錢幣學中，硬幣的使用是源于來自貴重金屬含量的價值。大多數(shù)現(xiàn)代貨幣是批準發(fā)行的貨幣，允許用賤

34、金屬制造硬幣。黑色金屬 黑色金屬這個術語來源于現(xiàn)代拉丁語含義是：含鐵的。這個包括了純鐵如熟鐵，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。它們常常由于被認識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）。貴重金屬是經濟價值很高的稀少的金屬化學元素?；瘜W上，貴重金屬很少與大多

35、數(shù)元素反應，具有高的光澤度和電導率。歷史上，貴重金屬作為貨幣是很重要的，但是現(xiàn)在它主要被認為是投資和技術產品。金銀鉑鈀每個都有一個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，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。钚和鈾也可以認為是貴金屬。對貴金屬的需求驅動不僅是因為它們的實用價值,而且也是因為他們作為投資和價值儲備的角色。鈀, 2006年夏天,價值略低于黃金一半價格,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為是貴重金屬。金屬有時被描述為一個陽離子圍繞著離

36、域電子云的排列。他們是與類金屬和非金屬通過電離和成鍵特性來區(qū)別的三組元素之一。 應用 一些金屬和金屬合金具有高單位質量結構強度,使其有用的材料可以攜帶大量負載或抵抗沖擊損傷。金屬合金能被設計為具有有高的抵抗剪切,扭矩和變形的能力。然而相同的金屬經過重復使用或驟加超過承載力的應力失效時也容易造成疲勞破壞。金屬材料強度高，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、機床、管道、非照明式標志和鐵路軌道上。兩種最常用的結構金屬是鐵和鋁，也在地殼中最豐富的金屬。 金屬都是良導體,它們在一段距離內攜帶電流幾乎沒有能量損失使其在電學具有應用價值。電力網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, 因銅良好的導電性能而用銅線接電線。 金屬的熱導率對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保護過熱的敏感設備。一些金屬的高反射率對反射結構材料來說很重要,包括精密的天文儀器。這最后的性能也會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核裂變產生能量。汞在室溫下是液體并且當它流過開關觸點時可用交換器來完成電路。形狀記憶合金用于應用程序(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,碳含量的質量分數(shù)在0.2%到2.1%之間,這取決于等級。碳對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（溶質元素,析出相）來控制最終鋼鐵成品的特性如硬度、延展性和抗拉強度。隨著碳含量的增加鋼鐵的強度和硬度也增加，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興之前就可以用各種低效方法來生產,但它使用變得更普遍更高效的生產方法是在17世紀設計出來的。隨著19世紀中葉貝塞麥煉銅法的發(fā)明,鋼鐵成為了一種相對廉價的大規(guī)模生

39、產材料。進一步精煉過程,如堿性氧氣轉爐煉鋼,進一步降低了生產成本的同時增加了金屬的質量。今天,鋼鐵成為了世界上最普遍的一種材料,是建筑、基礎設施、工具、船舶、汽車、機械、和器具重要組成部分?，F(xiàn)代鋼鐵通常是由各標準組織定義的各種等級來確定。當鐵通過工業(yè)生產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減少碳以到正確的含量,此時可以添加其他元素。這些液體被連續(xù)不斷地鑄造成長板或澆筑成鑄錠。每年有96%的鋼鐵被連續(xù)不斷地鑄造，但每年只有4000個鑄錠被鑄造。這些鑄錠再在均熱爐中加熱進行熱軋成板、鋼坯或坯料。板經過冷軋或熱軋成薄片金屬或板材。坯料經過熱軋或冷軋成棒、桿和

40、線材。鋼坯經過熱軋或冷軋成結構鋼，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。有時在鋼鐵軋制的最后一道工序中要微量強化進行熱處理，不過這是相對罕見的。今天是普遍談論的“鋼鐵行業(yè)”,好像它是一個單一的實體，但從歷史上看,他們是不同的產品。鋼鐵行業(yè)通常被認為是經濟發(fā)展的風向標,因為鋼鐵在基礎設施和整體經濟的發(fā)展中起著決定性作用。 近年來中國和印度的經濟繁榮造成對鋼鐵的需求大量增加。從2000年到2005年,全球鋼鐵需求增長了6%。自2000年以來,一些印度和中國鋼鐵企業(yè)已嶄露頭角像Tata鋼鐵(2007年收購科勒斯鋼鐵集團)、上海寶鋼集團、沙鋼集團。而阿

41、塞洛-米塔爾是全球最大的鋼鐵生產企業(yè)。2005年英國地質調查局報告稱,中國是世界上最大的鋼鐵生產商,約三分之一的份額，緊隨其后的是日本、俄羅斯和美國。2008年,鋼鐵開始作為一種商品在倫敦金屬交易所進行貿易。在2008年底,鋼鐵行業(yè)面臨著急劇下滑的趨勢,導致許多交易量縮減。Unit6 金屬制造方法金屬的制備方法是指使金屬或合金產生變形，或對其進行處理以獲得所需產品的技術。主要包括液態(tài)成形技術（如鑄造）、形變技術（如鍛造、軋制等）、連接技術（如焊接等），以及粉末冶金技術等。這些方法的使用取決于金屬的性質、最終產品的形狀，當然，還有成本。在這個單元，將會對一些典型的金屬理論及它們的優(yōu)缺點進行簡要說

42、明。 液態(tài)成形技術鑄造 鑄造是一個把熔融金屬倒入一個模具，凝固后可獲得具有特定形狀、尺寸和性能的一個半成品的過程。鑄造是最基本的技術之一，適用于那些具有優(yōu)秀的流動性、相對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。以中國為例, 在公元前1310世紀，青銅鑄件在中國的發(fā)展是如此繁榮。 根據不同的模具,這門技術包括了砂型鑄造、熔模鑄造和拉模鑄造等。砂型鑄造 砂型鑄造的特點是經濟和操作簡單。對于砂型鑄造,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)通常是組裝進模具中是為了更流利地把熔融金屬倒入型腔。以便將內部鑄造缺陷最小化。雖然方便,砂鑄有幾

43、個固有的缺點。如相對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)是一種使用低熔點的易熔蠟或塑料模的鑄造方法。熔模鑄造中首先將蠟模浸入陶瓷漿液中，干燥后使蠟模表面涂覆上一層細陶瓷耐火材料，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,準確的尺寸,以及高幾何精度時。這種方法也可以滿足復雜薄壁鑄造零件的要求。 拉模鑄造 拉模鑄造（有時稱為壓鑄）是一個金屬在壓力下鑄造的過程，壓模鑄造可以生產比砂型鑄造更低的孔隙率的鑄件。在凝固過程中,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的方法。在工業(yè)中,更強的和更堅固的金屬,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。形變技術形變技術是通過塑性變形改變金屬件形狀的技術，包括鍛造、軋制、擠壓,拉拔等等。 鍛造 鍛造是用金屬成型機械對一塊熱金屬進行變形的一個過程。鍛造根據鍛造過程中的鑄錠溫度分為冷鍛和熱鍛。對于冷鍛，鑄錠通常保持室溫。對于熱鍛，另一方面，溫度通常高于再鑄錠的結晶溫度。熱鍛更為常見，包括閉模鍛和開式鍛造。對于閉模，力是放置在兩個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的。可塑性金屬通過沖模流

45、入模腔成形，因此改變了最終形狀 (圖1)。開式鍛造在沒有預切外形的平模中執(zhí)行。在鍛造的時候沖模不受旁邊金屬的限制。變形通過工件工作區(qū)和沖模的相對運動來完成。長度達到30m的零件可以用這種方法來鍛打或施加壓力成形。開式鍛造包括了許多演變過程，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性能，可通過應變硬化與細晶組織結合進行強化。例如，多孔性毛坯鑄件可通過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。軋制是由運動的金屬坯料通過兩個運動軋輥之間，同時軋輥對金屬施加壓力，使金屬厚度減小的過程。在大批量生產簡單形狀是，軋制是最經濟的工藝方法。軋制產品包括

46、金屬板、建筑結構型材、軌道和為拉絲或鍛造最準備的半成品。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熱軋來完成的。提高了機械強度和降低了孔隙度。加工金屬趨向于氧化導致氧化層,最終造成鑄件表面不良和尺寸精確度缺失。熱軋產品往往要用酸洗清除氧化層，再進一步冷軋以確保一個給定的應用產品能有良好的表面光潔度和最優(yōu)的機械性能。冷軋通常用于生產的最后階段。板材、帶材和箔材用冷軋可以獲得精確的尺寸和高質量的表面光潔度。擠壓 擠壓是通過對封閉的容器內的金屬施加壓力使材料通過模孔獲得條或棒狀金屬。因為在擠壓中沒有拉應力，所以高形變量可以在不用考慮擠壓材料的斷裂危險的情況下進行。擠壓件擁有

47、理想的小的橫截面和良好的表面質量所以不需要進一步的機加工。擠壓產品包括桿和管類以及橫截面產生大程度復雜變化的產品。熱擠壓大約在0.6Tm的溫度和35700MPa的壓應力范圍內進行。然后，冷擠壓是金屬在遠遠低于其熔點的溫度下進行的擠壓變形，一般是在室溫下。拉拔拉拔是通過拉模用拉力對出料側的金屬片進行拉拔。與橫截面積減少相對應的結果是長度增加。一個完整的拉拔儀器是包括一系列按順序排列的12個拉模，每一個拉模的孔都比前一個沖模的要小。在多拉模機器中，每一個階段的結果都會導致長度的增加因此相對應的在每個階段中間的速度就會增大。對金屬進行拉拔加工比軋制能得到更精密的尺寸。拉拔產品包括金屬絲、棒條和管類產

48、品。形狀尺寸范圍從極細鋼絲到那些幾個平方厘米的橫截面積的產品一般都可以生產。鋼鐵和黃銅的大批量生產是用冷拉拔。當要求無縫管道具有薄壁和非常精確的最終尺寸是可以通過冷拉拔來生產。沖壓 沖壓是用來制造高容量部件如飛機制造業(yè)或汽車面板或電子元件。機械或液壓的驅動壓力用模具對零件進行沖壓形成金屬連續(xù)板或帶有一個空洞的板。將撞擊力附加于上模而下模固定。然而機器機械的所有能量都轉換成迅速的沖擊力，液壓機械的力量傳遞時連續(xù)可控的。焊接 焊接與鉚釘和螺釘?shù)墓潭ǚ绞讲煌?，是在兩個金屬片之間發(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焊接來生產。焊

49、接幾乎在所有的工業(yè)領域都被需要。每年超過60%的鋼鐵產量是通過在某些重要的工業(yè)化國家焊接生產的。 焊接由于其一系列的優(yōu)點已經被廣泛使用。首先，焊接能生產具有優(yōu)異力學性能的零件。焊縫的特點是具有良好的密封性、電導率，耐磨損和耐腐蝕。第二，與鉚接相比，焊接更加經濟。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，這對于運載火箭、船舶和火箭等是相當重要的。最后，焊接的制造工藝可以大大簡化，尤其是對于重的和復雜的工件。 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。氣焊，又稱氣

50、體保護焊，通常使用外加氣體作為電弧介質，并保護電弧區(qū)的熔滴和熔池及高溫的焊縫金屬。保護氣體通常有兩種：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的技術。等離子弧通常往往是在鎢陰極和陽極之間發(fā)生。它是一種高溫，高離子化，高能量密度的離子弧。激光束焊接是相對現(xiàn)代化的連接技術，用高度集中和高強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候產生熱熔連接。激光束的能力密度很高所以金屬可以在極短的時間內熔化。粉末冶金 粉末冶金是以具有高熔點的金屬或合金粉末作為原料制造各種零件的燒結過程。使用粉末冶金加工工藝可以獲得工藝和技術優(yōu)勢。在粉末冶金中，

51、金屬粉末通過放置的封閉金屬腔（沖模）施加壓力壓緊。壓緊的粉末放置在爐內然后在高溫可控制氣氛下燒結，金屬粉末結合形成固體。粉末冶金作為冶金的分支一般用來生產難以通過熔鑄實現(xiàn)大批量生產的材料。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且只有一點點材料的消耗。實際上可以消除二次機械加工。與成本效率結合其獨特的技術特點，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，青銅燒結和含鐵鋼及碳素工具鋼。第七單元固體材料可以根據與該原子或離子相對于彼此的排列規(guī)律性進行分類。晶體材料是指原子在較大范圍內按一定規(guī)律周期性重復排列。換

52、句話說，晶體一旦凝固后存在長程有序，原子在重復性三維空間點陣的位置被固定，每一個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構。對于那些不結晶的，這種遠距離原子順序不存在。一些固體晶體的性質取決于材料的晶體結構，是指原子，離子，或分子在空間的排布方式。有相當多的晶體結構也是長程有序的，但他們既不同于金屬的簡單結構，也不同于陶瓷和聚合物材料非常復雜的結構。目前的討論涉及幾種常見的金屬晶體結構。當描述的晶體結構，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、。在這個特殊的情況下，所有的原子是相同的。有時在晶體結構的用點陣表示，在這個意義上說''點陣''是指三維點與原子位置（或球體中心）重合的陣列。在固態(tài)晶體中原子規(guī)律表明小原子團形成一種重復模式。因此，在描述晶體結構時，它通常是很方便將結構細分成小重復實體，這個結構稱為晶胞。大多數(shù)晶體結構的晶胞是平行六面體或具有三組平行面的棱柱;一個是球的集合體（圖7.1c），而在這種情況下，恰好是一個立方體內繪制。晶胞用來表示晶體結構的對稱性。晶體中所有原子的位置可由沿晶胞每個邊的距離矢量來表示。因此晶胞是晶體最基本的結構單元，通過幾何格架和內部原子位置的定義了晶體結構。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)單獨的晶胞可以被選擇用于特定的晶體結構;然而，我們通常使用具有幾何對稱的最高級別的晶胞。在這個組的材料的原子鍵合是金屬鍵，因此在性質上是無方向性的。此外，在最近鄰原子的數(shù)量以及方向上沒有任何限制;這導致對大多數(shù)金屬晶體結構有相對大量的近鄰和原子堆積密度。另外，對于金屬，使用硬球模型做晶體結構，每個球體表示離子核