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什么是冶金

冶金是指从矿石中提取金属或金属化合物,用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金的技术主要包括火法冶金、湿法冶金以及电冶金。

火法冶金是指矿石或精矿中的部分或全部矿物在高温下经过一系列物理化学变化,生成另一种形态的化合物或单质,分别富集在气体、液体或固体产物中,达到所要提取的金属与脉石及其它杂质分离的目的。湿法冶金是使要提取的金属成某种离子(阳离子或络阴离子)形态进入溶液,从溶液中除去这些杂质后通过置换、还原、电积等方法从净化液中将金属提取出来的过程。电冶金主要有电热冶金和电化学冶金两个方面,电热冶金是指电能转变为热能进行冶炼的方法,电化学冶金主要包括电解和电积:溶液电解使金属从含金属盐类的溶液或熔体中析出。可列入湿法冶金一类;后者称为熔盐电解,不仅利用电能的化学效应,而且也利用电能转变为热能,借以加热金属盐类使之成为熔体,故也可列入火法冶金一类。

材料具有很广阔的外延,根据材料的化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料;根据材料用途可分为结构材料和功能材料。在本课程中提出的材料冶金,是指用冶金的方法去解决材料的问题。提到冶金,范围限定在金属材料上。

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏,决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同,要求的工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。金属材料的机械性能即材料的使用性能,是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

材料中原子间的结合以及排列方式在很大程度上决定了材料所表现出来的宏观性质,原子之间的键合主要有:离子键,共价键,金属键,分子键和氢键;在金属晶体结构中晶体缺陷的形成也是由于在晶体生长,加工等各个环节出现的,使晶体内部的原子排列出现偏离理想位置,或出现排列混乱的区域而引起的。

随着科技的发展,许多单一元素材料的性能已经不能满足要求,因此大多数材料都是由多种元素组成的,不同的元素混合成新的材料时,由于元素间物理的和化学的相互作用,形成具有一定晶体结构和一定成分的相,相是指材料中结构相同,成分与性能均一并以界面相互分开的组成部分,材料中,相的数量、大小等随化学成分,制备工艺等发生变化,影响相结构的因素有:负电性因素,原子尺寸因素,电子浓度因素。

在材料凝固与结晶过程中理论上,材料液态到固态的转变是一个基本的相变过程,其中纯金属的凝固时凝固理论的基础。液态金属的X射线表示,液态金属的近邻原子之间具有某种与晶体结构相近的排列规律,但这种排列的规律性不能向晶体那样延伸至远距离。可见,液相的微小范围内,存在着原子间的紧密接触、规则排列的小集团,称之为短程有序或者近程有序。研究还表明,液态金属的短程有序集团并非固定不动和一成不变的,而是在不断变化之中。高温下原子的热运动较为激烈,短程有序集团只能维持短暂的时间,而新的短程有序原子集团又同时出现。此起彼伏,与那些无序的原子之间形成动态平衡。这种现象称为液态金属的结构起伏或者相起伏。这些结构起伏的短程有序集团为形核提供了条件,晶核都是由这些短程有序集团发展而来。在过冷的液态金属中,晶核一旦形成后伴随的就是晶体的长大。晶核和晶体长大的方式主要与液固两相界面的结构以及液固两相界面前温度分布有关,金属凝固完成后的组织取决于形核与长大两个过程,晶核的多少决定了晶粒的多少或者晶粒的粗细,晶体的长大主要影响组织形态。传统的材料科学中有以下共性规律:晶体学结构规律、材料缺陷与断裂强度、材料的相变原理、材料的形变与断裂规律、材料的强韧化原理(固溶强化、细晶强化、第二相强化、相变增韧、晶界玻璃相析出强韧化。通过对这些规律的研究与把握,来控制制得材料的性能。

在冶金过程中,主要有以下几个环节,就每一个环节的原理与过程,探讨其对材料制备的影响。

干燥:除去原料中的水分,干燥温度一般为400-600℃。焙烧是指将矿石或精矿置于适当的气氛下,加热至低于它们的熔点温度,发生氧化、还原或其他化学变化的冶金过程。其目的是为改变原料中提取对象的化学组成,满足熔炼的要求。按焙烧过程控制的气氛的不同,可分为氧化焙烧、还原焙烧、硫酸化焙烧、氯化焙烧等。煅烧是指将碳酸盐或氢氧化物的矿物原料在空气中加热分解,除去二氧化碳或水分,变成氧化物的过程,也成焙解。烧结和球团,将不同粉矿混匀或造球后加热焙烧,固结成多孔块状或球状的物料,是粉矿造块的主要方法。在以上过程中,发生氧化还原等化学变化,原子间的键合发生了改变,对材料的性质与性能造成影响。

熔炼是指将处理好的矿石或者其他原料,在高温下通过氧化还原反应,使矿石中金属和杂质分离为两个液相层即金属液和熔渣的过程,也叫冶炼。按冶炼条件可分为还原熔炼,造锍熔炼,氧化吹炼等。精炼是进一步处理熔炼所得到的含有少量杂质的粗金属以提高其纯度。吹炼的实质是氧化熔炼,就是将造锍熔炼所得到的锍的熔体,一般在转炉中借助鼓入空气中的氧或者富氧空气使铁硫和其他杂质元素氧化,或造渣或挥发与主体金属分离而得到的金属。蒸馏是指将冶炼的物料在间接加热的条件下,利用在某一温度下各种物质挥发度不同的特点,使冶炼物料中某些组分分离出来的方法。所谓浸出就是将固体物料加到液体溶剂中,使得固体物料中的一种或者几种有价金属溶解到溶液中,而脉石和某些非主要金属入渣,使提取金属与脉石和某些杂质分离。

水溶液电解:是指在水溶液电解质中,插入两个电极-阴极与阳极,通入直流电,使水溶液电解质发生氧化还原反应,这个过程称为水溶液电解。因使用的阳极不同,有可溶阳极和不可溶阳极之分,前者称为电解精炼,后者成为电解沉积。熔盐电解,是用熔融盐作为电解质的电解过程,主要用于提取轻金属。这是由于这些金属的化学活性很大,电解这些金属的水溶液得不到金属。

冶金学是材料学的前身,从冶金的角度寻找解决材料学问题的方法是一种寻溯源的过程,具有更微观,更容易调控的特点,比如对超细金属管的制备,生物材料制备等,材料冶金必将为为材料学的发展提供新的思路。


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点击次数:636  更新时间:2018-05-01  【打印此页】  【关闭