《材料学知识讲座》ppt课件

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1、大理州经委工业经济基础知识讲座,材料基础知识,州经委：郑巍黎,2006年7月,1,绪 论,材料（Material）是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。 材料、信息和能源是现代国民经济的三大支柱 勘探、采矿、选矿、冶金与材料的关系。,2,材料学知识,晶体学(空间点阵） 晶体缺陷（点、线、面、体） 固体材料热力学和平衡态理论（相图） 固体动力学理论（扩散与相变） 固体材料的结构理论（原子结构、能级、结合键等） 固体电子论（分子轨道理论和能带理论）,3,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,4,人类发展的历史证

2、明，材料是社会进步的物质基础 和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：,材料发展简史,石器时代,高分子时代,陶器时代,青铜时代,铁器时代,陶瓷时代,复合材料时代,5,旧石器时代早在100万年以前，人类开始以石头做工具,1.1 材料发展简史石器时代,新石器时代1万年前，人类对石头进行加工,孟津妯娌新石器时代聚落遗址,金坛三星村新石器时代遗址,6,1.2 材料发展简史陶器时代,新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶（公元前8000年左右）；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元

3、前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。,彩陶 釉陶,7,烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。 古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。,1.3 材料发展简史青铜时代,8,人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼

4、铁的技术之后，铁器时代就到来了。世界上最早是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国晋国（大致公元前700年），铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,长沙战国凹形铁锄 湖北当阳宋代铁塔 沧州铁狮,1.4 材料发展简史铁器时代,9,高分子时代20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂（胶木），1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龙等，并发展十分迅速。如今，世界年产量

5、已超过钢 陶瓷时代20世纪50年代后，通过一些特殊制备方法，制造出一系列先进陶瓷，由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途，用途在不断扩展。 复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。,1.5 材料发展简史新材料时代,10,特点： 1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等） 2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关 。 3.更新换代快，式样多变。 4.发展和理论的关系比传统材料更密切。,1.6 新材料的特点、趋势,趋势： 1.从均质材料 复合材料 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展. 4.由被动

6、性材料 具有主动性的智能材料 5.通过仿生途径来发展新材料.,11,主要讲述内容,一、材料发展简史,二、材料的分类,三、一些新材料技术的介绍,四、材料的展望,12,材 料 的 分 类,材料的组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料. 材料的特性和用途：结构材料、功能材料 结构材料：利用力学性能承受载荷 功能材料：利用特殊的物理性能（电、热、磁等） 材料尺寸：一维、二维、三维 材料内部原子排布：晶态与非晶态 材料热力学状态：稳态与亚稳态,13,2.1.1 金属材料黑色金属铁,铸铁 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，它含有比碳钢更多的硅、锰、硫、磷等杂质。根据铸铁中碳的存在形式

7、不同： 白口铸铁断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件。主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛坯. 灰口铸铁断口呈暗灰色，灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在。 根据石墨存在形式可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。,14,2.1.2 金属材料黑色金属钢,钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。 碳钢含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金. 按含碳量分 ：低碳钢（0.25%） 、中碳钢、高碳钢（0.60%） 按质量分：普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢 按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢 合金钢 按用途 ：合金结构钢 、合金工具钢

8、 、特殊性能钢。 按合金元素总含量 ：低合金钢（5% ）、中合金钢、高合金钢 （10% ）,15,有色金属种类繁多，结合我州与周边的一些重大矿产，讲3种有色金属及其合金的基本性质与目前国内外发展趋势。 （一）铜及铜合金（德钦羊拉、中甸普朗） （二）锌及锌合金（兰坪铅锌矿） （三）铂族金属 （大理弥渡金宝山）,2.2 有色金属及其合金,16,铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,2.2.1 铜及铜合金,铜具有许多可贵的物理化学特性例如其热导率都很高，化学稳

9、定性强，抗张强度大，易熔接且抗蚀性、可塑性、延展性均好。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金.,17,工业上使用的铜有电解铜（含铜99.999.95）和精铜（含铜99.099.7）两种。前者用于电器工业上，用于制造特种合金、金属丝及电线。后者用于制造其他合金、铜管、铜板、轴等。 铜的冶炼仍以火法治炼为主，其产量约占世界铜总产量的85%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。,2.2.1.1 铜,18,在纯铜中加入某些合金元素（如锌、锡、铝、铍、锰、硅、镍、磷等），就形成了铜合金。铜合金具有较好的导电性、导热性和耐腐蚀性，同时具有较高强度和耐磨性。 根

10、据成分不同，铜合金分为黄铜、青铜和白铜我们重点介绍黄铜、青铜。,2.2.1.1 铜 合 金,19,黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金: 普通黄铜 普通黄铜是铜锌二元合金。由于塑性好，适于制造板材、棒材、线材、管材及深冲零件，如冷凝管、散热管及机械、电器零件等,2.2.1.1 铜 合 金黄铜,特殊黄铜 为了获得更高的强度、抗蚀性和良好的铸造性能在铜锌合金中加入铝、硅、锰、铅、锡等元素，就形成了特殊黄铜。如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜等。,20,青铜原指铜锡合金，但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜。主要有： 锡青铜以锡为主要合金元素的铜基合金。工业中使用的锡青铜，锡含量

11、大多在3%14%之间,2.2.1.1 铜 合 金青铜,铝青铜以铝为主要合金元素的铜基合金。铝青铜的力学性能比黄铜和锡青铜高。实际应用的铝青铜的铝含量在5%12%之间，含铝为5%7%的铝青铜塑性最好。 铍青铜以铍为基本元素的铜合金。铍青铜的含铍量为1.7%2.5%。,21,铜最大的使用市场是电器和电子市场，约占总数的28%,回收时限较长，尤其大型设备(30-50年) 交通设备是铜的第三大市场，约占总数的13%，散热器和配线（回收1015年） 工业机器和设备是另外一个主要的应用市场，回收时间一般也比较长。 硬币和军火， 回收较少。,2.2.1.2 铜的消费与回收年限,22,（1）供需矛盾。1.20

12、02年世界经济全面复苏，对铜的需求增大，库存大减。2.主要生产国智利、赞比亚和扎伊尔政治局势不稳，劳资纠纷严重。3.环保问题，促使国际大量铜矿停产。国内目前也出台了一系列要求重视资源、能源与环保的政策和措施，促使产量暂时性减少。 （2）国际炒家的介入。国际投机基金疯狂的针对中国套利盘展开了挤空行情，铜价与现货升水纷纷创出新高，投机基金的兴风作浪已经改变了铜市场由供求本身所决定的运行规律。基金挤仓从目前还看不到完结的迹象。,2.2.1.3 铜的价格影响主要因素,23,(1)国内铜冶炼产能将过剩。目前总能力在205万吨,预计2007年产能将达到370万吨,远超全国铜精矿资源保障能力和国际可提供的精

13、铜矿量。 (2)全球经济增长趋势减弱，消费增长逐渐降低。 (3)全球资源回收工作的加强。 (4)国际炒家资金链问题。铜价上涨越猛烈说明基金本身交易成本的不断提升，持仓成本、融资成本，越来越高，操作难度越来越大。 结论：铜价近期增减幅渐平稳，价格逐步降低，间有反复，但降低趋势不变，突降几率较大。,2.2.1.4 铜的价格趋势,24,锌是一种蓝白色金属。密度为7.14克/厘米3熔点为419.5。在室温下，性较脆；100-150时，变软，超过200后，又变脆。 锌的化学性质活泼。在常温下的空气中，表面生民一层薄而致密的碱式碳酸锌膜，可阻止进一步氧化。当温度达到225，锌氧化激烈。燃烧时，发出蓝绿色火

14、焰。锌易溶于酸，也易从溶液中置换金、银、铜等。锌在自然界中，多以硫化物状态存在。主要含锌矿物是闪锌矿。也有少量氧化矿，如菱锌矿和异极矿,2.2.2 锌及锌合金,闪锌矿,菱锌矿,异极矿,25,（一）镀锌工业约50%。 （二）合金制造约17.5% 与铝、铜等组成的合金用于压铸件；与铜、锡、铅等合金用于机械制造业 （三）电池工业, 锌锰干电池。 (四）锌肥、医药。锌对人体蛋白质的合成、物质代谢、生长发育、免疫功能和智力健美有重要作用。 (五）橡胶、油漆、颜料等工业,2.2.2.1 锌的用途,26,（1）按合金成分分： ZnA1系：含少量Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性； ZnCu系：是抗蠕变合金，一

15、般还含Ti； ZnPb系：电池壳，小五金及体育运动器材等； ZnPbA1合金：镀锌 。 （2）按加工方式分：铸造合金，变形合金，热镀锌合金 （3）按性能和用途分：抗蠕变锌合金、超塑性锌合金 、阻尼锌合金 、模具锌合金 、耐磨锌合金 、防腐锌合金 、结构锌合金。,2.2.2.2 锌合金分类,27,目前：（1）国际锌冶炼破产、整合、关闭。 （2）世界锌消费因汽车市场扩大而增加。 （3）国内外锌资源枯竭，世界储备的减少。 （4）近几年来世界勘探费用的降低。 趋势 ：（1）世界一些重大矿将正常运作。 （2）世界消费能力的减弱汽车。 （3）世界勘探费用的增加，原矿增产。 （4) 中国环保加强与产业的调控

16、。 价格趋于平缓，利润减薄，不排除“铜”现象出现拥有资源与核心能力的炼锌企业能发展壮大。,2.2.2.3 锌价格影响因素及趋势,28,铂族金属是指铂、钯、铑、铱、钌、锇 六种元素 六种元素彼此之间广泛存在类质同象置换现象，所以混合在一起。铂族元素均为等轴晶系，单晶体极少见。矿物一般呈不规则粒状、葡萄状、树枝状或块状形态。颜色和条痕为银户色至钢灰色，金属光泽，不透明。,2.2.3 铂族金属,铂,钯,铑,29,世界上已发现铂族金属矿物约200种，我国有115种，其中主要工业矿物为砂钥矿和共生硫化矿，目前约98%的铂族金属来自这类资源。 世界铂族金属可采储量3.67万吨，总储量为10.02万吨。主要产于南非、前苏联、美国、加拿大、哥伦比亚等国家。其中南非(阿扎尼亚)的铂金可采储量约为1.2万吨，前苏联的可采铂金储量为1866吨，两者占世界总储