昆明理工大学 材料科学与工程 专业英语要点

第一单元：材料科学与工程 历史看法

材料可能比我们意识的还要根深蒂固的占据在历史中。运输、房屋、衣服、通讯、娱乐以及食物产品----事实上我们生活中的每一个部分都或多或少受材料的影响。历史上，社会的发展与前进和那些能满足社会需求的材料的生产及操作能力密切相关。实际上，早起的文明就以材料的发展程度来命名，如石器时代，青铜器时代，铁器时代。

早期人们能得到的只有一些很有限的天然材料：石头、木材、粘土以及动物皮毛等。渐渐地，他们通过技术来生产优于自然材料的新材料，这些新材料包括陶器和金属。进一步地，人们发现材料的性质可以通过热处理或加入其他物质来改变。由此看来，材料的应用完全是一个选择的过程，且此过程又是根据材料的性能从许多的而不是有限的材料中选择一种最适于某种用途的材料。直到最近，科学家才终于了解材料的结构要素与其特性之间的关系。在跨越将近100年的时间获得的知识被大范围的赋予符合当代的材料特性。因此，成千上万的材料通过其特殊的性质来满足我们现代及复杂的社会需要；它们包括金属，塑料，玻璃和纤维。

很多使我们生活舒适的技术的发展与适宜材料的获得密切相关。一种认识的材料的先进程度通常是一种连续技术进步的预兆。比如，没有便宜的钢制品或其他替代品就没有汽车。在现代，精密的电子器件取决于所谓的半导体材料。 材料科学与工程

材料科学作为一个学科而言,涉及到材料的结构和性质的关系。相比之下，材料工程是根据材料的结构和性质的关系,来设计或操纵材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。

“structure”一词是个值得解释的模糊的术语。简单地说，材料的结构通常与其内在成分的排列有关。亚原子结构包括介于单个原子内部的电子以及相互作用的原子核。在原子水平上，结构围绕着原子或分子与其他相关的原子或分子的组织。在更大的结构领域上，其包括大的原子团，这些原子团通常聚集在一起，称为“微观”结构，意思是可以使用某种显微镜直接观察得到的结构。最后，结构成分可以通过肉眼看到的称为宏观结构。 “Property” 一词的概念值得详细阐述。在使用中，所有材料对外部的刺激都表现出某种反应。比如，样品受到压力作用会引起形变，或者抛光金属表面会反射光。材料的特征取决于其对明确的外部刺激的反应程度。通常，材料的性质与其形状及大小无关。

实际上，所有固体材料的重要性质可以概括分为六类：机械、电学、热学、磁学、光学和腐蚀性。对于每一种都有一种对特定刺激引起不同反应的能力。如机械性能与施加负载或压力下引起的形变有关，包括弹性和强度。对于电性能，如电导性和介电系数，这种刺激物是电场。 固体的热学行为则可用热容和热导率来表示。磁学性质表示一种材料在磁场中的反应。对于光学性质，刺激物是电磁或光照。用折射和反射来表示光学性质。最后，腐蚀性质是表示材料的化学反应能力。

除了结构和性质，材料科学和工程还有其他两个重要的组成部分，即加工和性能。材料的结构取决于其如何加工并涉及这四个要素的关系。另外，材料的性能是其性质的功能。

在图1.1中，我们现在介绍样品从加工--结构--性质--性能的原则，这个图中展示了3个薄的圆盘样品放在一些印刷品上。这证明了这3种材料的光学性能（即在同一光线下）是不一样的；在左边的一个是透明的（即实际是所有的反射光通过它），然而在中心以及右边的圆盘分别是半透明和不透明。

这些所有的样品都是相同的氧化铝材料，但是最左边的我们称之为单晶体，这个高的纯度，他可以提高透明度。中心的样品由无数相连的微小单晶体所组成，这些微小晶体之间的界面散射了一部分从纸面折射来的光，从而致使材料变为光学半透明。最后，在右边的样品不仅由许多微小相连的晶体组成，也由大量小的气孔或者空位组成。这些气孔也显著的分散反射光并形成不透明的材料。

因此，这三个样品的结构在晶界与气孔方面是不同的，这两方面影响视觉的透视性能。进一步证明，其他材料通过不同的性能技术生产。当然，如果视觉投射性能是最终应用产品的一个重要部分，则材料的性能将会不同。

为什么研究材料科学与工程？ 为什么研究材料？许多应用科学家或工程师，不管他们是机械的、土木的、化学的或电子领域的，都将在某个时候面临材料的设计问题。如用具的传动齿轮，上层的建筑、 油的精炼成分、或集成电路芯片。当然，材料科学家和工程师是从事材料研究和设计的专家。

很多时候，材料的问题就是从上千个材料中选择出一个合适的材料。对材料的最终选择有几个原则。首先，现场工作条件基本特征，这个将决定材料的性能需求。只有在少数情况下材料在具有最优或理想的综合性质。

因此，有必要对材料的性质进行平衡。典型的例子是当考虑材料的强度和延展性时， 而通常材料具有高强度但却具有低的延展性。这时对这两种或者更多的性质进行折中考虑很有必要。

其次，选择的原则是要考虑材料的性质在使用中的磨损问题。如材料强度在高温或腐蚀环境中会下降。

最后，也许是最重要的原则是经济问题。最终产品的成本是多少？一种材料的可以有理想的性质，但可能太昂贵。这里，一些这种方案也是不可避免的。

产品的成本还包括制造成所需要的形状的费用。工程师与科学家对材料的各种性质、结构、功能之间的关系以及材料的生产工艺越熟悉，就越能熟练自信地根据这些标准选择出最适合的材料 第二单元

固体材料被便利的分为三个基本的类型：金属，陶瓷和聚合物。这个分类是首先基于化学组成和原子结构来分的，大多数材料落在明显的一个类别里面，尽管有许多中间品。除此之外， 有三类其他重要的工程材料－复合材料，半导体材料和生物材料。材料类型的简明解释以及下面代表特征的介绍。 金属和合金

金属材料通常由金属元素组成。它们有大量自由电子。也就是说，这些电子不是被约束于某个特定的原子。金属的许多性质直接归属这些自由电子。金属是十分好的电和热的导体，它们对可见光不透明；一个抛光的金属表面有光泽的外表。除此之外，金属是十分硬的，也是可变形的，这个性质解释了它们广泛使用在结构方面的应用。在元素周期表中有许多元素属于金属。如合金，Cu-Zn(黄铜),Fe-C（钢）以及Sn-Pb（焊锡）。合金是典型的通过多数元素组成。主要的合金是基于铁合金的建筑，铜合金的水管，器具，保温产品，电子产品等。以及铝合金的轻型结构以及金属基复合材料。合金也总是多晶体。 陶瓷

陶瓷是介于金属和非金属元素之间的化合物；它们通常是氧化物，氮化物和碳化物。落在这个分类种类中的宽的材料范围包括陶瓷，它们由粘土矿物，水泥和玻璃组成。

这些材料是典型的电和热的绝缘体，并且它们比金属和聚合物更加耐高温和耐苛刻的环境。例如Al2O3(形成火花塞以及微电子的物质)，Si2O3(形成微电子绝缘电子结构)，Fe3O4（铁酸盐用于电脑磁性储存内存），硅酸盐（黏土，水泥，玻璃等）和SiC（研磨剂）。至于机械性能，陶瓷是硬的但是却很脆。陶瓷是典型的部分结晶态，部分非晶态。他们包括离子（经常和原子）和离子键以及共价键。

聚合物

聚合物包括常见的塑料和橡胶材料。它们中的大多数是有机化合物，这些化合物是以化学的方法把碳、氢和其他非金属元素组合而成。因此，它们有非常大的分子结构。这些材料通常有低的密度并且可能十分柔软。聚合物以热塑性高分子的形式存在（如尼龙，聚乙烯，氯乙烯，橡胶等），且分子内部由共价键连接，并且分子间存在范德华力。聚合物以热固性高分子的形式存在（如环氧基树脂，酚醛塑料等），且内部是共价键形成的网络结构。非晶态聚合物少数具有热塑性。由于化学键，聚合物往往是电和热绝缘体。然而，通过掺杂可以获得传导性聚合物，以及通过使用传导性填充物可以获得传导性聚合基混合物。 复合材料

许多复合材料被作用工程使用，它们由至少一种类型的材料组成。玻璃钢是一个熟悉的例子，玻璃纤维被埋入聚合物材料中。一种复合材料被设计出来为了显示每一种组分材料最好的特性。玻璃丝从玻璃中获得强度并且从聚合物中获得柔软性。最近发展中的绝大多数材料包含了复合材料。

通过人工将不同材料合成的复合材料是一种多相材料，这个是单一材料不能获得的。例如轻质结构性复合材料是通过碳纤维嵌入单向或多向的聚合物基质中。纤维提供了强度以及刚度当聚合物作为粘结剂。另一个例子就是混凝土，一种结构性复合材料，通过水泥（基体，即黏合剂，通过水泥和水之间的水合反应而制得）、沙子（细集料）、碎石（粗集料）以及其他可选用的材料（统称混合物）结合而成的。其中混合物有诸如短纤维和气相SiO2（一种细SiO2颗粒）等。通常，复合材料是典型的基体材料。复合材料的主要特点是聚合物基体，水泥基体，金属基体，碳基体和陶瓷基体。因其制造成本低，以聚合物和水泥为基体的复合材料最为常见。除了用以阻震，电子设备，沥青（柏油沥青为基体与聚合物复合）和焊接剂替代物之外，聚合物-基体复合材料还用于轻构筑物（如飞机，体育用品，轮椅等）。水泥基复合材料由混凝土（好的粗集料），加固钢混凝土研钵（好的细集料，而不是粗集料），水泥膏（没有颗粒）组成用于民用建筑，活动板房，建筑预制品，砖石建筑，垃圾填筑地，热绝缘和隔音板。碳基体复合材料是十分重要的轻质结构（如航天飞机）和成分（如飞机刹车），这些都要承受高温，但他们相对较贵因为高的制造成本。碳基体复合材料会受到氧化，由此形成水蒸气。陶瓷基复合材料的抗氧化性优于碳基体复合材料，但他们也不能很好的发展。金属基体复合材料以Al作为基体用于轻质结构和低热膨胀系数附件，但他们的应用受高成本以及电化学腐蚀的限制。

生物材料

生物材料被应用于移植进入人类身体以取代病变的或者损坏的身体部件。这些材料不能产生有毒物质而且必须同人身体器官要相容（比如，不能导致相排斥的生物反应）。所有材料——金属，陶瓷，聚合物，复合材料以及半导体材料——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学。不幸的是，我们不能精确定义或者精确度量生物相容性。往往没有性能的定义或者明确的成功案例。因此，对于一个使用不堵塞的人造血管而正常生活的病人来说，几乎没有人怀疑这种（辅助）治疗是非“生物相容”的。然而，这个操作上的定义使得我们在设计或提高人造血管功能上具有很小的可能性。生物材料或许有具体的定义在软组织，硬组织和心脏血管类（血的相容性）应用。事实上，生物材料或许有独特的定义在其他应用上。 先进材料

用在高科技中的材料有时被称作先进材料。借助于高科技，我们预定一个装置或者产品，这些产品用相对复杂和熟练的原理运转或者起作用；这些例子包括电子设备（VCRs, CD 播放器），计算机，光纤系统，宇宙飞船，航天飞机和军事火箭。这些高级材料或是典型的传统材料，它们的性质被提高，最近开发出来的，高性能材料。除此之外，它们可能是所有材料类型（比如，金属、陶瓷和聚合物），通常相对较贵。半导体有电学性能位于电学产品和绝缘体。此外，这些材料的电学性能对于掺杂原子的瞬时集中表现极其敏感，这个可以控制在极小的空间区域。半导体材料使集成电路的出现，在过去的30年间，这些集成电路革新了电子装置和计算机工业（更不用说我们的生活）。智能材料是一种在现在发展的新的工艺水平材料，将在我们的科技上有重要影响。“智能的”暗示这些材料可能能感知环境的改变和反应这种改变通过固定的方式——在活的有机体中才有的特征。此外，这个“smart ”的概念是扩展到包含智能和传统材料的复杂系统。 第三单元

材料，工艺，选择 工程师要做的事情。他们做出他们的材料。材料必须支持负载,隔离或传热和电,接受或拒绝磁通量，传输或反射光线，经常敌对的环境中生存，而要做到这一切，而不破坏环境或成本太高。 在这所有的合作伙伴。你需要一种工艺去制造一种材料。不是所有你选择的工艺都和你计划使用的材料相匹配。有时这个工艺使得占主导地位的材料和辅助的材料必须是兼容的。这是一个配合。兼容性不容易找到，很多失败的配合和物质的故障都可能是灾难性的，伴随着责任和赔偿问题。这听起来像食品律师，有时候是：一些专家，使他们的生活作为专家证人在法庭案件失败的材料。但我们在此的目的不是争辩，而是让大

家对材料世界（因为即使是在遥远的外星球你也能发现相同的元素）和加工领域有一个了解，提供选择材料的方法和工具，以确保上述方面能长期友好地结合起来。

随着不断增加的先进的性能，经济性和效率，和必须避免对环境的破坏，做出正确的选择是很重要的。创新设计是指由材料性能的想象力的开发。 材料特性

所以，这些特性是什么？一些，如足够熟悉的密度（单位体积质量）和价格（每单位体积或重量的成本），但其他人都不知道他们是最基本的特性。先想想那些都与承载性能安全有关的性能——力学性能。 力学性能

钢直尺容易弹性弯曲，“elastic”意味着它释放时弹回。其弹性刚度（在这里，抗弯曲）的影响一部分是通过形状，如薄带容易弯曲，一部分是钢材本身的性质：如弹性模量E。当材料具有高的E时，如钢，则具有固有硬度；较低的E时则没有，如聚乙烯。钢直尺可以弹性弯曲，但如果它是很好，则它很难产生一个永久性弯曲。永久变形和强度有关，不是刚度。难易程度取决于直尺的永久弯曲，其次，它的形状和对钢的不同性质，如屈服强度σY。σY大的材料，如钛合金，即使超过刚度也很难产生永久变形，因为E可能不高；那些低的σY，如铅，可容易变形。金属变形时，他们通常会更强（这就是所谓的“加工硬化”），但有一个极限，称为抗拉强度，σTS，超出该材料承受值。

到目前为止一切顺利。如果作为透明的尺子不是钢制造的而是玻璃或PMMA(胶质玻璃、有机玻璃),是不可能永久弯曲。在获得永久的弯曲之前，毫无预兆的情况下，尺子会突然断裂。我们这种材料破碎是因为这样脆性材料,并且材料不能如韧性材料。这里没有永久变形,所以σy不是真实的特性。材料抵抗开裂以及裂缝测量被断裂韧性所代替,K1c。钢是韧性材料,许多(钢被制造成脆性)具有很高的K1c。玻璃集中体现了脆性;它有非常低的K1c。

我们开始研究材料密度，每单位体积的质量，符号ρ。在尺子中密度是无关紧要的。但对于几乎任何移动的，权重进行燃料补偿，适度的汽车，更大的卡车和火车，更大的飞机，和巨大的空间的车辆也一样。轻重量有着巧妙的设计，我们将在以后得到，以及材料选择。铝合金具有密度低，铅密度高。如果我们的小飞机是铅做的，它永远不会离开地面。这些都不是唯一的机械性能，但它们是最重要的部分。

热学性能 材料的特性随温度变化而变化，通常性能会恶化。其强度下降时，它开始“蠕变”（随着时间的推移慢慢地凹陷），或者氧化，降解

或分解。这意味着有一个极限温度称之为最高使用温度，Tm，高于其使用是不切实际的。不锈钢具有高的温度,他可以达到800°C；大多数聚合物具有低的Tmax，他很少使用的150°C以上. 大多数材料受热膨胀，但不同的膨胀量取决于它们的热膨胀系数。虽然膨胀系数很小，但其结果可能大。如果，例如，一杆受到约束然后加热，膨胀力作用于杆抵抗约束力，使其变形。如果铁轨加工时未采取相应处理，也会发生这样的弯曲。

一些材料感觉是冷的，如金属；还有一些感觉是温的，如木头。这种感觉跟材料的两种热性能有关：热导率和热容量。第一，热导率，λ，测量通过材料从热的一边流向冷的一边时热量传递速率。如果你想将热从一个地方传到另一个地方是要用高λ的材料，如烹饪锅，散热器和热交换器。但低的λ也是有用的，低λ的材料可以室内保温，减少冰箱和冷冻的能耗，以及使航天器重新进入地球大气层。

这些应用程序都与长期，稳定，热流有关。当时间受到限制时，则其他性能产生影响，如热容量，CP。它测量热量是测量由一个给定的量导致材料的温度上升的热量。高热容材料，如铜需要大量的热来改变它们的温度;低热容材料，如聚合物泡沫材料，则需要少量的热。稳定的热流，我们已经说过，就是热导率。有一种微妙的特性，它描述了当热首次应用于会发生什么。在冷板材料下面进行加热上面的杯子中的冰（如干冰）。点火后的瞬间，杯子表面是热的，但其余的是冷。一段时间后，中间变热，然后后面的仍然是冷的，顶端开始预热和冰开始熔化。这个需要多久？对于板坯的给定厚度，该时间与板坯材料的热扩散能力成反比。不同的电导率是因为材料有不同的热容量，事实上，它正比于λ/ CP。 电，磁和光学性能 没有电传导我们就不能容易的获得光，热，电力，控制和通信，我们今天认为理所当然的。金属传导性好，如铜和铝是最好的例子。但传导性并不总是一件好事。保险丝盒，开关外壳，输电线路悬架都需要绝缘，除了那些他们还可以承受负荷，一些热量和产生的火花。我们所涉及的是电阻率，ρe，和电导率κe。大多数塑料和玻璃有高的电阻率，他们被用来当绝缘材料，但通过特殊处理，它们可以被制成很小的样子。

电学和磁学有着密切的联系。电流产生感应磁场; 在附近的任何导体在移动的磁场中产生感应电流。大多数材料对磁场的响应太小不具有实用价值。

但也有少数所谓的铁磁体和亚铁磁体，有永久性陷阱磁场。这些被称为“硬”磁性材料，因为一旦被磁化，他们很难消磁。它们被用作耳机，马达和发电机的永久磁铁。这里的关键特性是顽磁，保留的磁力的强度的度量。除此之外是软磁性材料，他们很容易磁化和退磁。它们是变压器芯的材料和电视管的偏转线圈。它们有产生磁场的能力，但不具有永久

的保留磁场能力。则这个的关键特性是饱和磁化强度，其测量该材料可以产生的磁场大小。

因为光本身是一种电磁波，所以电和磁很难回答材料的光不足为奇。不透明的材料能使光发生反射；半透明的材料能使光发生折射，其中一些材料还能吸收某些波长（颜色）的光但也能让其他一些光自由通过。 化学性能 产品经常要应用在恶劣的环境，或暴露于腐蚀性的液体，气体或辐射热中。潮湿的空气是腐蚀性的，如水；你手上的汗也是有腐蚀性的，当然还有比这些更严重的环境。如果产品是为其设计寿命生存必须的材料或至少涂材料,可以容忍他们的运作的周边环境。

Unit 5对金属材料的介绍

金属是一种具有良好的导电和导热性的化学元素，非金属形成阳离子和离子键。在化学中，金属是一种具有元素，化合物或合金特点的高导电性材料。金属中，原子容易失去电子形成正离子（阳离子）。这些离子周围负责导电率的自由电子。固体间因此产生了离子和电子云之间的静电相互作用而紧握在一起，被称为金属键。

定义 金属往往被描述为被离域电子云包围的阳离子排列。根据金属的电子特性和成键特性可以将金属与类金属和非金属区别开来。 金属占据了大部分的元素周期表，非金属元素只能出现在元素周期表的右手边。从非金属硼到金属钋绘出了一条对角线。大多在这条线上的元素是类金属，有时称其为半导体。这是因为事实上这些元素展现了与导电体和绝缘体具有共同的电学性能。在对角线左下方的元素称为金属，但在其对角线右上方的元素称为非金属。

对金属的定义选择用能带理论解释。可吸收电子填充满材料的一个能带而最高级能带只是部分填充的材料是金属。这种定义打开了研究员们用高科技设备制造的金属聚合物和其他有机金属的范畴。这些合成金属通常具有金属元素的深银灰色（光泽）的特点。 性能 化学(性能)

金属通常趋向于通过失去电子形成阳离子，与空气中的氧气反应在时间量程范围内形成氧化物（铁在数余年后生锈，钾瞬间燃烧）。 过渡金属（比如铁、铜、锌和镍）需要更长时间才能氧化。其他的，如钯，铂和金，一点也不与空气反应。一些金属能在其表面上形成氧化保

护层，氧分子不能穿透保护层所以金属可以保持有光泽的外观和好的导电性十多年（像铝，一些钢铁和钛）。金属氧化物通常基本上与酸性的非金属氧化物是相反的。

对金属进行涂色，阳极氧化或电镀是防止金属腐蚀的好方法。然而，更多的一些电化学系列的活性金属必须选择涂层，尤其是用碎屑涂层被期望。水和两种金属形成电化学电池，并且如果其涂层活泼性低于被涂层材料，涂层实际上就是在促进腐蚀。

一般来说，金属具有高导电性、高导热性、高光泽、高密度和在一定应力状态下不断裂的变形能力。当一些金属具有低密度、低硬度和低熔点（碱及碱土金属）是极其活泼的，并且很少遇到它们的自然金属形态。在光子学说中，金属是不透明的，闪耀的和有光泽的。这是因为事实上可见光波并不容易通过它们自己的微观结构传输。它们能永远不被分类成透明材料是因为在任何典型的金属固体（元素或合金）中都有大量的自由电子。

大多数金属具有比大多数非金属高的密度。尽管如此，金属密度也可以有很广的变化；锂是密度最小的金属元素而锇是密度最高的。1A族和2A族金属作为轻金属因它们异于普通金属而被提及。大多数金属具有高密度是因为其紧密的晶格点阵和金属结构。不同金属的金属键强度不同，围绕着并以过渡族为中心金属键达到最大值，这些元素的金属键中有大量的离域电子。然而，其他因素（如原子半径、轨道能带的重叠和晶体形态）也被涉及到。

电学 金属的导电率和导热率来源于金属键，金属原子的外层电子形成紧靠的自由电子气团，电子气团向正电荷方向移动形成离子实。对导电率进行精确的数学预测，由电子对金属的热容量和热导率的贡献可以得出自由电子模型，不用考虑其详细的离子点阵结构。 当涉及金属精确的能带结构和结合能时，有必要考虑晶体中周期排列的离子实的特定排列所引起的正电势。周期势场的重要性是在布里渊区的边界上的小能隙的形成。数学上，离子实的势场能通过各种模型进行分析，最简单的是自由电子模型。 力学(性能)

金属的力学性能包括它们的延展性，很大程度上是由于其固有的塑性变形能力。因此，金属的弹性可以用胡克定律描述为抵抗能力，压力和张力呈现成比例的线性关系。超过弹性极限的更大的力量会造成物体的永久（不可逆的）变形。这就是我们从文献中所得知的塑性变形——塑性。原子的排列中的不可逆变化可能是由下面的一种（或两种）因素产生的结果： 1.外力作用（工作力）

2.温度（加热）的变化

前者，外力有可能是拉力，压力，剪切力、弯曲力或扭转力。后者，最重要的因素是由温度决定的缺陷结构的流动比如在晶态和非晶态中都存在的晶界、点空位、线性和螺旋位错，堆垛层错和孪晶。像这种可动缺陷的移动或取代是热激发，因此受原子扩散速率的限制。

粘性流动靠近晶界，例如能引起金属内部的滑动、蠕变、疲劳。也由于消除了晶粒间的多孔性而有助于显微结构中的颗粒长大和局部致密化的显著变化。螺旋位错也许能在包括位错的任何晶面上的任意方向滑动，位错攀移的主要驱动力是通过晶格的空位的扩散或移动。 此外，金属键的无方向性性质也被认为是对金属晶体延展性的最大贡献。当离子键滑动过去另一边界面的时候，在界面内的反应物变化会转移相同电荷的离子到极为贴近的一边，导致晶体的解理。这种转移在发生断裂和晶体破碎的共价键晶体中没有发现。 合金

合金是由两种或两种以上的元素的混合物在固溶下组成且主要成分是金属的物质。大多数纯金属在实际应用中要么太软太易碎要么有化学反应。合金中结合不同比率的金属可以更改纯金属的性能从而得到所期望的性质。制造合金的目的一般是减少脆性,使其更坚固，能抗腐蚀，或者具有更多想得到的颜色和光泽。在今天我们使用是所有金属合金当中，铁合金（钢铁，不锈钢，铸铁，工具钢，合金钢）因其质量和商业价值而占有最大比例。铁合金与各种各样的碳比例结合成低碳、中碳和高碳钢，增加碳含量会使延展性和韧性降低。添加硅可以产生铸铁，在碳钢里边添加Cr, Ni, Mo（大于10%）的结果是不锈钢。

其他重要的合金是铝，钛，铜和镁合金。铜合金从青铜时代就开始著名了，在今天也有许多应用，最重要的是在电线的应用。而其他三种金属合金的发展与这些金属的化学反应性相关，需要现代电解提取技术。铝合金，钛合金和镁合金由于高的比强度而被人们熟知认可，至于镁合金，还具有提供电磁屏蔽的能力。这些材料在比强度比体积成本更重要的情况下是理想的，比如在航空宇宙和某些汽车中的应用。 合金是专门为高要求应用设计的，比如喷射发动机，也许包含了超过十种的元素。 分类 贱金属

化学上，金属这个术语被非正式地用来描述比较容易被氧化或被侵蚀的金属，很容易与稀释的HCl反应形成氢气。例如铁，镍，铅和锌。即使铜不与HCl反应，但因其比较容易被氧化而被认为是贱金属。通常与其作用相反的是惰性金属。

点金术中，贱金属是普通的和便宜的金属，与其相反的是珍贵的金属，主要是金和银。炼金师的长期目标是贱金属向贵重金属的转变。 钱币学中，硬币的使用是源于来自贵重金属含量的价值。大多数现代货币是批准发行的货币，允许用贱金属制造硬币。 黑色金属

黑色金属这个术语来源于现代拉丁语含义是：含铁的。这个包括了纯铁如熟铁，或者是合金如钢铁。黑色金属通常是有磁性的但不是没有例外。 贵金属 贵金属是抗腐蚀或氧化的金属，不像大多数贱金属。它们常常由于被认识到稀少而趋向于贵重金属。例如钽, 金，铂，银和铑。贵金属是在潮湿中抗腐蚀和氧化的金属钌，铑，钯，银，锇，铱，铂，金。 其他贵金属资源像水银甚至是铼。另一方面，尽管事实是它们有很好的抗腐蚀性，但它们被称为既不是Ti,也不是Ni,也不是Ta的贵金属。不应该把惰性金属与贵重金属混淆（即便许多惰性金属也是贵重金属）。 贵重金属是经济价值很高的稀少的金属化学元素。

化学上，贵重金属很少与大多数元素反应，具有高的光泽度和电导率。历史上，贵重金属作为货币是很重要的，但是现在它主要被认为是投资和技术产品。金银铂钯每个都有一个ISO4217货币代码。最著名的贵重金属是金和银。两者都具有工业用途，它们因在艺术，珠宝和货币上的用途而比较出名。其他贵金属包括铂族金属:钌、铑、钯、锇、铱、铂,铂是最广泛的交易。钚和铀也可以认为是贵金属。

对贵金属的需求驱动不仅是因为它们的实用价值,而且也是因为他们作为投资和价值储备的角色。钯, 2006年夏天,价值略低于黄金一半价格,而铂是黄金的两倍左右。银是比这些更便宜的金属,但往往是传统上因其硬币和珠宝角色而被认为是贵重金属。

金属有时被描述为一个阳离子围绕着离域电子云的排列。他们是与类金属和非金属通过电离和成键特性来区别的三组元素之一。 应用 一些金属和金属合金具有高单位质量结构强度,使其有用的材料可以携带大量负载或抵抗冲击损伤。金属合金能被设计为具有有高的抵抗剪切,扭矩和变形的能力。然而相同的金属经过重复使用或骤加超过承载力的应力失效时也容易造成疲劳破坏。金属材料强度高，韧性好而常用于高层建筑和桥梁建筑，也可用于众多交通工具、仪表、机床、管道、非照明式标志和铁路轨道上。

两种最常用的结构金属是铁和铝，也在地壳中最丰富的金属。 金属都是良导体,它们在一段距离内携带电流几乎没有能量损失使其在电学具

有应用价值。电力网依赖金属电缆分配电能。家庭用电系统,在大多数情况下, 因铜良好的导电性能而用铜线接电线。 金属的热导率对于在火焰上加热的材料容器是有用的。金属业可以作为热沉材料来保护过热的敏感设备。

一些金属的高反射率对反射结构材料来说很重要,包括精密的天文仪器。这最后的性能也会使金属首饰具有审美吸引力。

一些金属有专门的用途；放射性金属铀和钚用于核电站通过核裂变产生能量。汞在室温下是液体并且当它流过开关触点时可用交换器来完成电路。形状记忆合金用于应用程序(如管道、紧固件和血管支架)。 钢铁

钢是一种合金主要由铁组成,碳含量的质量分数在0.2%到2.1%之间,这取决于等级。碳对于铁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,如锰、铬、钒、钨。碳和其他元素作为固化剂,防止铁原子中发生晶格滑过去另一边的混乱。不同数量的合金元素在钢铁中形成不同的存在形式（溶质元素,析出相）来控制最终钢铁成品的特性如硬度、延展性和抗拉强度。随着碳含量的增加钢铁的强度和硬度也增加，但其韧性降低。

含碳量高的铁合金由于具有低熔点和低的铸造性能而被称为铸铁。钢铁也有区别与熟铁，熟铁只含有少量的碳，但包括了以熔渣夹杂物的形式存在的碳。两个判别因素是钢铁具有更高的抗腐蚀性和更好的可焊接性。 虽然钢铁早在文艺复兴之前就可以用各种低效方法来生产,但它使用变得更普遍更高效的生产方法是在17世纪设计出来的。随着19世纪中叶贝塞麦炼铜法的发明,钢铁成为了一种相对廉价的大规模生产材料。进一步精炼过程,如碱性氧气转炉炼钢,进一步降低了生产成本的同时增加了金属的质量。今天,钢铁成为了世界上最普遍的一种材料,是建筑、基础设施、工具、船舶、汽车、机械、和器具重要组成部分。现代钢铁通常是由各标准组织定义的各种等级来确定。

当铁通过工业生产化工程从矿石中熔炼，它的含碳量比期望中的要多。要成为钢铁,它必须融化和再加工来减少碳以到正确的含量,此时可以添加其他元素。这些液体被连续不断地铸造成长板或浇筑成铸锭。每年有96%的钢铁被连续不断地铸造，但每年只有4000个铸锭被铸造。这些铸锭再在均热炉中加热进行热轧成板、钢坯或坯料。板经过冷轧或热轧成薄片金属或板材。坯料经过热轧或冷轧成棒、杆和线材。钢坯经过热轧或冷轧成结构钢，比如横梁和铁路。在现代铸造厂中这些工序通常发生在一条装配线上，有矿石输入和钢铁成品输出。有时在钢铁轧制的最后一道工序中要微量强化进行热处理，不过这是相对罕见的。

今天是普遍谈论的“钢铁行业”,好像它是一个单一的实体，但从历史上看,他们是不同的产品。钢铁行业通常被认为是经济发展的风向标,因为钢铁在基础设施和整体经济的发展中起着决定性作用。 近年来中国和印度的经济繁荣造成对钢铁的需求大量增加。从2000年到2005年,全球钢铁需求增长了6%。自2000年以来,一些印度和中国钢铁企业已崭露头角像Tata钢铁(2007年收购科勒斯钢铁集团)、上海宝钢集团、沙钢集团。而阿塞洛-米塔尔是全球最大的钢铁生产企业。

2005年英国地质调查局报告称,中国是世界上最大的钢铁生产商,约三分之一的份额，紧随其后的是日本、俄罗斯和美国。

2008年,钢铁开始作为一种商品在伦敦金属交易所进行贸易。在2008年底,钢铁行业面临着急剧下滑的趋势,导致许多交易量缩减。 Unit6 金属制造方法

金属的制备方法是指使金属或合金产生变形，或对其进行处理以获得所需产品的技术。主要包括液态成形技术（如铸造）、形变技术（如锻造、轧制等）、连接技术（如焊接等），以及粉末冶金技术等。这些方法的使用取决于金属的性质、最终产品的形状，当然，还有成本。在这个单元，将会对一些典型的金属理论及它们的优缺点进行简要说明。 液态成形技术——铸造

铸造是一个把熔融金属倒入一个模具，凝固后可获得具有特定形状、尺寸和性能的一个半成品的过程。铸造是最基本的技术之一，适用于那些具有优秀的流动性、相对较低的收缩率的金属等等。铸造也是最古老的金属热加工技术。以中国为例, 在公元前13~10世纪，青铜铸件在中国的发展是如此繁荣。 根据不同的模具,这门技术包括了砂型铸造、熔模铸造和拉模铸造等。 砂型铸造

砂型铸造的特点是经济和操作简单。对于砂型铸造,普通砂一直是用作模具材料。两件套模具通常是由充填砂在模型中以得到所需的形状。此外,浇注系统通常是组装进模具中是为了更流利地把熔融金属倒入型腔。以便将内部铸造缺陷最小化。虽然方便,砂铸有几个固有的缺点。如相对高次品率和高的表面粗糙度。 熔模铸造

熔模铸造(也称为脱蜡铸造)是一种使用低熔点的易熔蜡或塑料模的铸造方法。熔模铸造中首先将蜡模浸入陶瓷浆液中，干燥后使蜡模表面涂覆上一层细陶瓷耐火材料，得到围模。然后，再将围模加热，使腊模熔化

并流掉，剩下的即为所得模具。此时将熔融金属倒入耐高温模具中，则可得到所需铸件。熔模铸造适用于要求表面光滑,准确的尺寸,以及高几何精度时。这种方法也可以满足复杂薄壁铸造零件的要求。 拉模铸造

拉模铸造（有时称为压铸）是一个金属在压力下铸造的过程，压模铸造可以生产比砂型铸造更低的孔隙率的铸件。在凝固过程中,保持压力。通常钢模具或冲模用于拉模铸造。拉模铸造的特征是一般都具有良好的表面光洁度和尺寸精度。此外,拉模铸造由于其迅速的铸造速度和低次品率是一种廉价的方法。在工业中,更强的和更坚固的金属,如铁和钢不能压铸。相反,铝、锌和铜合金材料主要用于拉模铸造。 形变技术

形变技术是通过塑性变形改变金属件形状的技术，包括锻造、轧制、挤压,拉拔等等。 锻造

锻造是用金属成型机械对一块热金属进行变形的一个过程。锻造根据锻造过程中的铸锭温度分为冷锻和热锻。对于冷锻，铸锭通常保持室温。对于热锻，另一方面，温度通常高于再铸锭的结晶温度。热锻更为常见，包括闭模锻和开式锻造。对于闭模，力是放置在两个或更多模具中间的支撑金属小块或粗加工的成品的模具所带来的。可塑性金属通过冲模流入模腔成形，因此改变了最终形状 (图1)。开式锻造在没有预切外形的平模中执行。在锻造的时候冲模不受旁边金属的限制。变形通过工件工作区和冲模的相对运动来完成。长度达到30m的零件可以用这种方法来锻打或施加压力成形。开式锻造包括了许多演变过程，允许制造形状和尺寸范围极其广泛的零件（图6.1.b）。锻造件具有很好的力学性能，可通过应变硬化与细晶组织结合进行强化。例如，多孔性毛坯铸件可通过锻造变形从而移除孔隙。 轧制

轧制是使用范围最广泛的变形加工方法之一。轧制是由运动的金属坯料通过两个运动轧辊之间，同时轧辊对金属施加压力，使金属厚度减小的过程。在大批量生产简单形状是，轧制是最经济的工艺方法。轧制产品包括金属板、建筑结构型材、轨道和为拉丝或锻造最准备的半成品。圆形钢，工字钢和铁轨都是用带槽轧辊制造的。

最初的钢锭或连铸厚板是通过热轧来完成的。提高了机械强度和降低了孔隙度。加工金属趋向于氧化导致氧化层,最终造成铸件表面不良和尺寸精确度缺失。热轧产品往往要用酸洗清除氧化层，再进一步冷轧以确保

一个给定的应用产品能有良好的表面光洁度和最优的机械性能。冷轧通常用于生产的最后阶段。板材、带材和箔材用冷轧可以获得精确的尺寸和高质量的表面光洁度。 挤压

挤压是通过对封闭的容器内的金属施加压力使材料通过模孔获得条或棒状金属。因为在挤压中没有拉应力，所以高形变量可以在不用考虑挤压材料的断裂危险的情况下进行。挤压件拥有理想的小的横截面和良好的表面质量所以不需要进一步的机加工。挤压产品包括杆和管类以及横截面产生大程度复杂变化的产品。

热挤压大约在0.6Tm的温度和35~700MPa的压应力范围内进行。然后，冷挤压是金属在远远低于其熔点的温度下进行的挤压变形，一般是在室温下。 拉拔

拉拔是通过拉模用拉力对出料侧的金属片进行拉拔。与横截面积减少相对应的结果是长度增加。一个完整的拉拔仪器是包括一系列按顺序排列的12个拉模，每一个拉模的孔都比前一个冲模的要小。在多拉模机器中，每一个阶段的结果都会导致长度的增加因此相对应的在每个阶段中间的速度就会增大。

对金属进行拉拔加工比轧制能得到更精密的尺寸。拉拔产品包括金属丝、棒条和管类产品。形状尺寸范围从极细钢丝到那些几个平方厘米的横截面积的产品一般都可以生产。钢铁和黄铜的大批量生产是用冷拉拔。当要求无缝管道具有薄壁和非常精确的最终尺寸是可以通过冷拉拔来生产。 冲压

冲压是用来制造高容量部件如飞机制造业或汽车面板或电子元件。机械或液压的驱动压力用模具对零件进行冲压形成金属连续板或带有一个空洞的板。将撞击力附加于上模而下模固定。然而机器机械的所有能量都转换成迅速的冲击力，液压机械的力量传递时连续可控的。 焊接

焊接与铆钉和螺钉的固定方式不同，是在两个金属片之间发生原子成键的连接方法。焊接主要用于制造五金器具。例如锅炉、喷涂压料罐、输油管、船舶、车辆、飞行器等等都是通过焊接来生产。焊接几乎在所有的工业领域都被需要。每年超过60%的钢铁产量是通过在某些重要的工业化国家焊接生产的。 焊接由于其一系列的优点已经被广泛使用。首

先，焊接能生产具有优异力学性能的零件。焊缝的特点是具有良好的密封性、电导率，耐磨损和耐腐蚀。第二，与铆接相比，焊接更加经济。大约10~20%的金属材料可以被节省如果用焊接代替铆接。第三，焊接可以减少五金器具的重量，这对于运载火箭、船舶和火箭等是相当重要的。最后，焊接的制造工艺可以大大简化，尤其是对于重的和复杂的工件。 焊接理论有很多种，包括弧焊、气体焊、等离子体焊接和激光束焊接。 弧焊一般是用电子弧作为热源去熔化焊丝。这是最基本和最广泛的焊接技术。气焊，又称气体保护焊，通常使用外加气体作为电弧介质，并保护电弧区的熔滴和熔池及高温的焊缝金属。保护气体通常有两种：一种是惰性气体（如氩气和氦气），一种是高密度的气体（如二氧化碳）。等离子弧焊接是另外一种先进的技术。等离子弧通常往往是在钨阴极和阳极之间发生。它是一种高温，高离子化，高能量密度的离子弧。激光束焊接是相对现代化的连接技术，用高度集中和高强度的激光束作为热源。激光束将焊接熔化，然后再接近凝固的时候产生热熔连接。激光束的能力密度很高所以金属可以在极短的时间内熔化。 粉末冶金

粉末冶金是以具有高熔点的金属或合金粉末作为原料制造各种零件的烧结过程。使用粉末冶金加工工艺可以获得工艺和技术优势。在粉末冶金中，金属粉末通过放置的封闭金属腔（冲模）施加压力压紧。压紧的粉末放置在炉内然后在高温可控制气氛下烧结，金属粉末结合形成固体。粉末冶金作为冶金的分支一般用来生产难以通过熔铸实现大批量生产的材料。粉末冶金也可以用于制造难以加工的具有不规则曲线或凹槽的零件。它适用于大批量生产且只有一点点材料的消耗。实际上可以消除二次机械加工。与成本效率结合其独特的技术特点，粉末冶金零件在各行各业的使用数量在不断增加。典型的不见可以被制造加工包括凸轮，单向齿轮，链齿，青铜烧结和含铁钢及碳素工具钢。 第七单元

固体材料可以根据与该原子或离子相对于彼此的排列规律性进行分类。晶体材料是指原子在较大范围内按一定规律周期性重复排列。换句话说，晶体一旦凝固后存在长程有序，原子在重复性三维空间点阵的位置被固定，每一个原子和其最近邻原子成键。在正常凝固条件下，所有金属，许多陶瓷材料，和某些聚合物形成晶体结构。对于那些不结晶的，这种远距离原子顺序不存在。

一些固体晶体的性质取决于材料的晶体结构，是指原子，离子，或分子在空间的排布方式。有相当多的晶体结构也是长程有序的，但他们既不同于金属的简单结构，也不同于陶瓷和聚合物材料非常复杂的结构。目前的讨论涉及几种常见的金属晶体结构。

当描述的晶体结构，原子（或离子）被看作是具有明确直径的固体球体。这被称为钢球模型，其中球表示彼此接触的近邻原子。钢球模型中一些常见的金属元素的原子排列如图7.1c。在这个特殊的情况下，所有的原子是相同的。有时在晶体结构的用点阵表示，在这个意义上说''点阵''是指三维点与原子位置（或球体中心）重合的阵列。

在固态晶体中原子规律表明小原子团形成一种重复模式。因此，在描述晶体结构时，它通常是很方便将结构细分成小重复实体，这个结构称为晶胞。大多数晶体结构的晶胞是平行六面体或具有三组平行面的棱柱;一个是球的集合体（图7.1c），而在这种情况下，恰好是一个立方体内绘制。晶胞用来表示晶体结构的对称性。晶体中所有原子的位置可由沿晶胞每个边的距离矢量来表示。因此晶胞是晶体最基本的结构单元，通过几何格架和内部原子位置的定义了晶体结构。通常规定了平行六面体的拐角与钢球原子的中心重合。此外，大多数单独的晶胞可以被选择用于特定的晶体结构;然而，我们通常使用具有几何对称的最高级别的晶胞。

在这个组的材料的原子键合是金属键，因此在性质上是无方向性的。此外，在最近邻原子的数量以及方向上没有任何限制;这导致对大多数金属晶体结构有相对大量的近邻和原子堆积密度。另外，对于金属，使用硬球模型做晶体结构，每个球体表示离子核心。表7.1给出了一些金属的原子半径。三个相对简单的晶体结构被发现在最常见的金属中：面心立方，体心立方，和密排六方。

面心立方晶体结构 对于许多金属晶体结构发现具有立方几何形状的晶胞，以及原子位于所有的立方体面的每个角和中心。它被恰当地称为面心立方（FCC）晶体结构。一些具有这种晶体结构的熟悉金属是铜，铝，银，和金。图7.1A示出了FCC晶胞的钢球模型，而在图7.1b的原子中心由小圆圈表示，以提供更好的透视原子位置。原子的聚集在图7.1c表示晶体由许多FCC晶胞组成。这些球或离子核心通过对角线彼此触碰;立方体边缘长度a和原子半径R，通过相关计算：a=2R

在面心立方晶体结构中，每一顶角原子为八个晶胞共有，而位于面心上的原子属于两个相邻晶胞。因此八个顶角原子中每个原子的八分之一和六个晶面上每个原子的二分之一，共计四个原子属于这个晶胞。图7.1A描绘，其中仅有一部分球在立方体的范围内表示。所述晶胞包括立方体的体积，这是从角原子的中心产生的，如该图所示。

角落和表面位置是相等的;也就是说，从原始的角落原子到面原子的中心平移的立方角不会改变晶胞结构。

晶体结构的两个其它重要的特征是配位数和致密度（APF）。对于金属，每个原子有相同数目的最近邻或接触原子，其就是配位数。对于面心立方，配位数为12。这可以通过检查图7.1A进行确定;正面原子具有四个

角落近邻原子在其周围，以及其他四个相等面原子与接下来的晶胞接触，未示出原子。

将APF是在一个晶胞中实心球体体积的分数，从而假定原子钢球模型，或 of atoms in a unit cell total unit cell volume 对于FCC结构，致密度是0.74，这是对于球体最大的填充可能拥有的相同直径。该APF的计算还包括作为例子的问题。典型地金属具有相对大的致密度未来最大化得由自由电子云提供屏蔽。

体心立方结构 另一种常见的金属结晶结构是具有与位于所有八个角，并在立方体中心的单一原子的立方晶胞。这就是所谓的体心立方（BCC）的晶体结构。球体集合描绘这种晶体结构被示于图7.2C，而图7.2A和7.2b是BCC晶胞的原子分别由钢球和小球模型所表示的示意图。中心和角落原子彼此沿着立方体对角线接触，并且晶胞的长度a和原子半径R，通过相关a=4R/√3

铬，铁，钨，以及表7.1显示的几个其他金属都是BCC结构。 两个原子与其他BCC晶胞相结合：来自八个角的原子以及单个中心原子是相等的，其中完全包含在晶胞内部。此外，角部和中心原子的位置是相等的。BCC晶体结构的配位数为8;每个中心原子有作为近邻的八个角的原子。由于BCC配位数比FCC少，所以BCC中的致密度0.68相对于0.74也低 。

密排六方结构 不是所有的金属具有晶胞是立方对称，最后一种金属结晶结构将要讨论的晶胞是六边形。图7.3a示出了用于这样的结构的小球，其中被称为六方紧密堆积（HCP）;几个HCP晶胞的聚集如图7.3B。晶胞的顶面和底面由六个原子组成，形成正六边形以及环绕着单个中心的原子。提供三个附加原子的晶胞的另一平面位于顶部和底部的平面之间。在此中段平面中的原子作为近邻原子在两个相邻的面。六个原子的量被包含在每个单元电池;12个顶部和底部的面角原子各占六分之一；的每个2个中

心面的原子占二分之一，并且所有的3个平面内的原子。如果a和c分别表示短和长的晶胞大小在图7.3A的，所述的c / a比应为1.633;然而，对于一些HCP金属此比率偏离理想值。

HCP晶体结构的配位数和致密度是与FCC相同的：12和0.74。HCP金属包括镉，镁，钛和锌;其中的一些列于表7.1。

以上描述利用光学技术，特别是光学显微镜。然而，在晶体中原子的绝对配置，不能用这种方法测定。这种限制是克服了在二十世纪的最初几年，当人们发现被分散的X射线，或衍射之前，通过这种方式的晶体可

以被解释和得到在晶体，晶体结构原子的绝对配置。 X射线衍射仍然是测定结构最普遍的技术，但电子和中子衍射也是非常重要的，因为这些揭示功能是弥补X射线的观察。

由晶体的已详细制定的衍射的物理。据发现，入射辐射以特有的方式被散射，称为衍射图。衍射束的位置与强度是原子的空间排列和原子序数等性质的函数。因此如果纪录衍射束的强度和位置，就可以推算出原子在晶体中的排列和它们的化学特性。

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