无机非金属材料学
第一章玻璃材料
第一节概述
一、玻璃的种类和特性
1、玻璃的概念
1）狭义上：玻璃是无机非晶态固体。
2）广义上：玻璃是非晶态固体。
2、玻璃的广泛应用及其原因
1）应用广泛重要：涉及各领域、各个角落，现代社会中不可或缺，并被广泛依赖。没有玻璃的世界是黑暗落后和愚昧的。
2）广泛应用的原因：
a、性能优异，能满足不同使用要求；
b、易加工成各种大小和形状；
c、性质容易调整，以适应不同需求；
d、原料丰富、价廉、成本低。
3、玻璃的分类
1）按玻璃的主要组成氧化物不同来分
a、Na-Ca-Si玻璃
b、B-Si玻璃
c、Pb-Ba玻璃
d、其他种类
2）按用途不同来分
a、建筑玻璃
b、日用玻璃：瓶罐玻璃；仪器玻璃；器皿玻璃；保温容器玻璃；艺术玻璃
c、玻璃纤维
d、光学玻璃
e、特种玻璃
4、玻璃材料的发展历史
1）天然玻璃的历史
早在二千万到六千万年前地球上就已经出现天然玻璃，按其形成原因可分为两类：
a、黑曜岩：由岩浆喷发而形成。
b、雷公石：由陨石坠落而形成
天然玻璃被人们用来做工具或装饰品。
人工玻璃的历史
a、一般认为，五千多年前，古埃及人首先制造出了玻璃材料。主要是钠钙硅玻璃。
b、公元一世纪左右，罗马人发明了吹制工艺。
c、十一到十五世纪，玻璃制造中心在威尼斯。
d、十六世纪后，玻璃制造工艺传播发展。
e、二十世纪以来，玻璃工艺成为专门学科，工艺自动化程度越来越高，新品种层出不穷。中国在西周时代开始制造玻璃，主要是铅晶质玻璃。
g、玻璃一词来源于古梵文spotika.
h、民国期间，建立建立机械化玻璃厂生产窗玻璃和瓶罐玻璃（淄博、上海）。
i、新中国成立特别是改革开放以后，发展迅速，但水平有待提高。
j、山东玻璃工业历史与发展。
5、玻璃态物质的特性
1）各向同性：任何方向的物理化学性质都相同。
2）无固定熔点。
3）亚稳性：相比其晶态内能较高，有结晶倾向。
4）性质变化的连续性和可逆性。
二、硅酸盐玻璃的组成与结构
1、硅酸盐玻璃的组成
硅酸盐玻璃是以SiO2为主要成分的玻璃。普通的硅酸盐玻璃的化学组成一般是在Na2O-CaO-SiO2三元系统的基础上适量引入B2O3、Al2O3、MgO、BaO、ZnO、PbO、K2O及Li2O等以改善玻璃的性能，防止析晶及降低熔化温度。
根据各种氧化物在玻璃结构中所起的作用不同，可将其分为三类：
1）玻璃形成体：能单独生成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系。如SiO2、B2O3等。
2）玻璃外体：不能单独生成玻璃，一般处于网络之外，调节玻璃结构。如Na2O、CaO、BaO、K2O及Li2O等。
3）玻璃中间体：一般不能单独生成玻璃，作用介于以上两种氧化物之间。如MgO、ZnO、Al2O3等。
2、玻璃结构
由于玻璃微观结构的复杂性以及研究手段的局限性，对于玻璃结构至今尚未有一个完全一致的结论。主要结构学说有晶子学说、无规则网络学说、聚合物学说等。比较公认的主要是前两种。
这两种主要学说的要点如下：
1）晶子学说：认为玻璃中有无数晶子。晶子是具有晶格变形的微小的有序排列区，晶子分散在无定形介质中，从晶子到无定形部分是逐渐过渡的，两者之间无明显界限。
这种学说主要强调玻璃结构的有序性、不均匀性和不连续性。
这种学说首先有列别捷夫提出，并被X-射线结构分析证实。可以解释玻璃的析晶现象。2）无规则网络学说：认为石英玻璃是以硅氧四面体为基本结构单元，相互连接成为三度空间的网络，但硅氧四面体的排列是无序的，缺乏对称性和周期性的重复。
这种学说主要强调玻璃结构的的无序性、均匀性和连续性。
首先由查哈里阿森提出，也被X-射线分析证实，可以解释玻璃各向同性等性能。
综合这两种学说，可以认为，在宏观上玻璃结构表现为无序、连续和均匀性；而在微观上表现为有序、不连续和不均匀。或者说玻璃具有长程无序和短程有序的结构特点。
3）结构实例
a、石英玻璃结构：基本结构单元为硅氧四面体，它们之间以顶角相连形成三维无规则网络。有序区大约为7~8°埃。由于硅氧键强相当大，石英玻璃整体结构连接相当紧密，所以其性能非常优异：机械强度高、硬度大、粘度大、介电性能好，热稳定性和化学稳定性也很好。一般可以认为，在普通硅酸盐玻璃中氧化硅含量越高，以上性能越好。但石英玻璃结构比较开放，内部有许多空隙，因此在高温高压下有明显透气性。
b、碱硅玻璃结构：
碱硅玻璃是含有碱金属氧化物和二氧化硅二组分的玻璃，它相当于在熔融石英玻璃中加入了碱金属氧化物。此时，玻璃中硅氧比下降，玻璃中的每个氧不再可能都为两个硅所共用，开始出现了一些只与一个硅键合的氧，即非桥氧，从而使原来石英玻璃的紧密的三维结构受到破坏。钠离子处于结构空隙中，平衡非桥氧过剩的电荷，维持局部的电中性。但由于Na-O 键较弱，所以钠离子在结构中有较强的活动性，使玻璃析碱，离子交换，玻璃电导等性质得
到反映。由于碱金属氧化物的加入，造成某些Si-O键断开，使三维网络解体，结构疏松，性能变坏。一般此类玻璃无实用价值。但碱金属氧化物降低了石英玻璃的熔化温度。
c、钠钙硅玻璃结构：
在碱硅玻璃中加入氧化钙，虽然也能提供游离氧，使网络断开，但由于钙离子电荷比钠离子多一倍（半径大小差不多），所以钙离子电场强度比钠离子大很多，因此，氧化钙的加入能起到一定的连接断网的作用，使玻璃结构得到重新加强，性能重新变好，而其熔化温度又不是很高，这就使钠钙硅玻璃成为一切实用玻璃的基础。
d、硼硅玻璃结构：
单组分B2O3可以形成玻璃，其基本结构单元是硼氧三角体，在玻璃中存在以此三角体互相连接的硼氧组团。
低温下，硼氧组团和硼氧三角体以桥氧连接成为二维无序网络，结构松散。
较高温度下，形成链状结构。
更高温度下，只形成短链。
性能差，不具备实用性。
在氧化硼玻璃中加入碱金属氧化物，其所提供的游离氧并不象在石英玻璃中那样使网络断开，而是使硼氧三角体转变成硼氧四面体，从而使层状结构转变成架状结构，使结构网络加强，紧密，从而使其性能变好，这种现象称为硼氧反常性。
在钠钙硅玻璃中加入氧化硼，成为纳硼硅玻璃或简称硼硅玻璃。由于适量的氧化钠的存在，使玻璃形成统一的架状结构。
3、氧化物在玻璃中的作用
1）碱金属氧化物的作用：总的来说，碱金属氧化物起断网作用，使结构和性能遭到破坏。在含有两种及两种以上碱金属氧化物时，玻璃中会发生―混合碱效应‖，即当逐步用一种碱金属氧化物来取代另一种碱金属氧化物时，玻璃的某些性质会出现明显的非线性变化，从而产生极值。
这是因为当玻璃中存在两种碱金属离子时，各自的扩散系数都要下降。
利用此效应可制取高化学稳定性高电阻率的低熔点玻璃。
玻璃中常用的碱金属氧化物有钠、钾和锂的氧化物。其中氧化钾和氧化钠作用类似，在玻璃中起断网作用，破坏玻璃性能，降低玻璃熔化温度。一般在玻璃中他们含量越高，玻璃物理化学性能越低。
锂离子属惰性气体型离子，半径小、场强大，玻璃中适量引入氧化锂，其助熔作用比氧化钠和氧化钾要强烈，另外氧化锂还有提高化学稳定性的作用，但引入过量易导致分相或析晶。2）二价金属氧化物的作用
总的来讲，氧化钙、氧化镁、氧化钡等碱土金属氧化物在玻璃中起断网作用，但比碱金属氧化物作用弱。
压制效应：二价金属氧化物具有使碱金属离子活度降低的能力，且表现比混合碱效应要强。这是因为二价金属离子更能阻挡一价金属离子的扩散所致。二价金属离子半径越大，压制效应越明显。从而导致玻璃的某些性质发生变化。如密度，热膨胀系数，电阻率等等。
氧化钙
属于玻璃外体氧化物，但在钠钙硅玻璃中起连网作用，加强结构，提高性能。在工艺上可降低高温粘度，低温时增加粘度，具有调节料性的作用，可据此作用调节成型速度。氧化钙特别还能提高玻璃的化学稳定性和绝缘性。
氧化镁
有连网作用，加强玻璃结构，提高其性能。还有调节料性的作用，使料性变长，还可以降低玻璃的析晶倾向。但氧化镁易使玻璃产生―脱片‖，从而降低其化学稳定性。
氧化钡
玻璃外体，钡离子半径大，碱性强，在钠钙硅玻璃中主要起断网作用，从而减弱玻璃结构的紧密性，降低玻璃的化学稳定性，使玻璃的熔化温度下降，有助熔作用，还能增长玻璃的料性，并能使玻璃的密度、光泽度和折射率增大，降低色散，还可提高玻璃的X射线吸收率。氧化锌
玻璃中间体，当碱金属氧化物较多时，形成四面体进入结构网络（常发生在硼玻璃或铅玻璃中）。形成四面体时玻璃结构较为疏松，而以玻璃外体形式时结构较为致密。
氧化锌可以降低玻璃的热膨胀系数，提高热稳定性和化学稳定性，在氟乳浊玻璃中可以增加乳白度及光泽度，在Se-Cd着色玻璃中可以减轻Se的挥发，在含BaO的光学玻璃中可以提高折射率，降低色散能力。
氧化铅
玻璃中间体，含铅玻璃具有密度大，介电损耗小，电阻率大，折射率高，色散能力强，吸收短波射线等特性。铅还能显著降低玻璃的熔化温度。
高铅玻璃中存在―金属桥‖(1/2Pb4++1/2Pb0)，具有特殊作用，如在金红玻璃中可以使金原子处于高分散状态，增强着色效果（紫红色），否则，若金原子结晶颗粒过大，会使玻璃出现难看的猪肝色。
3）三价金属氧化物的作用
氧化铝
在硅酸盐玻璃中，氧化铝是玻璃中间体，形成四面体进入结构网络时可使结构增强，性能提高。氧化铝可增加玻璃强度、热稳定性、化学稳定性、密度、折射率、介电常数和弹性模量，工艺中可使玻璃熔化温度上升，粘度增大，容易导致玻璃中出现条纹、结石等缺陷。
氧化硼
玻璃形成体，可单独生成玻璃。引入到硅酸盐玻璃中，可使玻璃的一系列性能提高，尤其是对热稳定性和化学稳定性有较强的提高作用，氧化硼还能使玻璃具有吸收慢中子的特性，并能提高玻璃的X射线透过率，增强玻璃的电绝缘性，降低玻璃熔化温度，氧化硼可以作为玻璃焊接剂和粘接剂。
4）其他氧化物的作用
氧化钛
可以提高玻璃的折射率、密度、色散能力和电阻率，在一定范围内可降低玻璃的热膨胀系数，提高热稳定性，在玻璃中其光学常数与氧化铅相似，但密度较低，化学稳定性较高。
氧化钛常用于制造高折射率的光学玻璃、耐酸釉、玻璃微珠及防辐射玻璃等。也是制造微晶玻璃常用的成核剂。
氧化锆
可以使玻璃具有较高的化学稳定性，特别能提高玻璃的抗碱性，还能使玻璃粘度、硬度和折射率提高，热膨胀系数下降，并可作为成核剂或乳浊剂使用。
5）玻璃性能对成分的依赖性
玻璃性能主要取决于其化学组成，化学组成是通过影响结构来决定性能的。
玻璃性质可以分为动态性质（或称迁移性质或非加和性质如粘度、化学稳定性等）及静态性质（或称非迁移性质或加和性质如密度、硬度等）两大类。
三、玻璃热历史对玻璃性能的影响
1、玻璃热历史的概念
玻璃热历史是指玻璃液冷却中，通过特定的温度区域的经历，包括在该区域内停留的时间和
冷却速度。
2、热历史对玻璃结构的影响
固态玻璃的结构是与玻璃在冷却过程中在Tf---Tg内的热历史有密切关系的（Tf称为软化温度，相当于粘度为108-10Pa.S时玻璃所对应的温度；Tg相当于粘度为1012.4Pa.S时所对应的温度。玻璃冷却到室温时，将保持与这一温度区间内某一温度所对应的平衡结构（图尔假想温度）。如果在这一温度区间内停留时间长，冷却速度慢，则玻璃结构较为紧密；反之疏松。
热历史对玻璃性能的影响
快冷（淬火）时，玻璃的粘度小，密度小，热膨胀系数大，电导率大，介电损耗大，化学稳定性差。
慢冷（退火）时，与以上性能表现相反。
四、玻璃的形成方法和制造工艺简介
1、玻璃的形成方法简介
1）熔融冷却法将粉状物料加热至液态，再冷却到固态，是一种传统并至今通用的方法。2）气相沉积法将四氟化硅、四氟化锗等在氢氧焰中热分解，气相生成物沉积在基版上，形成超高纯的玻璃态物质，可用于光纤玻璃制备。
真空蒸发法在真空中加热或用电子束轰击结晶材料到其蒸发温度，使之蒸发并沉积在基版上，形成在光学和电学性能上有特殊要求的玻璃膜。可用于光学玻璃，激光玻璃及光电子玻璃制备。
超急冷却法将不易玻璃化的物质熔融后以极快的速度（可达106℃/S）冷却，形成所谓金属玻璃，可用于电容器制备。
溶胶-凝胶法将含有组成玻璃必要的原子的液体有机物用乙醇等作为溶媒制成溶胶，再加水制成凝胶，加热（大大低于传统玻璃熔化温度）形成玻璃。
热分解法是经加热酚醛树脂和糖醇碳化制成，可在低温下制成具有玻璃外观的无气孔的玻璃碳。
中子照射法晶态石英在高速中子照射下可转变为玻璃态。
2、玻璃制造工艺简介
1）基本制造工艺流程
设计玻璃化学组成——计算配合料方——选择及加工原料———制备配合料——熔制——成型——处理——退火——处理——检验包装。
2）具体制造工艺根据玻璃品种、质量要求、产量和实际经济技术水平不同分为多种形式。根据熔化设备不同可分为坩埚窑式和池窑式；根据加热方式不同可分为燃煤式、燃油式、燃气式和电加热式；根据成型方式不同可分为手工式和机械化式；机械化式又可分为吹制、拉制、压制及混合式等。
第二节玻璃配合料的制备
一、玻璃原料
玻璃原料通常可以分为主要原料和辅助原料两大类。
主要原料主要原料是指引入玻璃各种组成氧化物的原料，它们决定了玻璃的基本物理化学性质。包括引入玻璃形成体、玻璃中间体和玻璃外体成分的原料。
辅助原料是使玻璃获得某些必要性质和加速熔制过程的原料，根据作用不同分为澄清剂、助熔剂、着色剂、乳浊剂脱色剂、氧化剂、还原剂等。
1）澄清剂：加入玻璃配合料或玻璃熔体中，在高温下分解或气化形成气体以促进玻璃液中气泡排除的物质。常用澄清剂有：白砒、氧化锑、氟化物、二氧化铈、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等。
2）助熔剂：能促使玻璃熔制过程加速的原料。如氟化物、硼化合物、硝酸盐、钡化合物等。3）着色剂：使玻璃着色的物质。可分为离子着色剂，硫、硒及其化合物着色剂和金属胶体着色剂三大类。
4）脱色剂：能减弱铁及其它杂质离子或化合物对玻璃着色影响的物质，主要是消除铁离子的着色。分为物理脱色剂和化学脱色剂两类。
5）乳浊剂：在玻璃中溶解度不大，随着温度下降，重新以微粒状从玻璃中析出，使玻璃产生乳浊现象的物质。
最常用的乳浊剂有氟化物，也可以使用磷酸盐、锡、砷、锰的化合物等。
6）氧化剂和还原剂：在玻璃熔制中能释放出或夺取氧的物质，可以形成特定的氧化或者还原熔制条件。
属于氧化剂的原料主要有硝酸盐、氧化铈、五氧化二砷等。
属于还原剂的原料主要有碳、氧化锡、金属锑粉、酒石酸等。
二、玻璃组成设计
玻璃生产中，组成设计对玻璃的性质、工艺和成本有着重要的意义。改变组成可以改变玻璃的结构，从而使玻璃性质发生变化。生产中往往通过改变改变组成来调整性质和控制生产。对于新品种玻璃的开发和原有品种的改良，都首先要从设计和确定它们的组成开始。
1、设计玻璃组成时应注意的原则是：
1）首先考虑玻璃的组成——性质——结构之间的关系，使设计的玻璃组成能满足预定的性能要求。
2）根据玻璃形成图、相图及玻璃结构等理论依据，使设计组成析晶倾向小，易于形成玻璃。3）根据生产条件使设计的组成能满足工艺的实际条件，并使所用原料价格低廉，原料易于获得。
2、设计和确定玻璃组成的步骤
1）列出玻璃的性能要求：针对玻璃的用途不同，列出玻璃的主要性能要求，作为设计组成的指标。
2）拟定玻璃组成：根据性能要求，参考相图和玻璃形成图，拟定出玻璃的原始组成，然后进行性能计算，不合要求时再调整组成，反复计算、调整，直至初步合乎要求，即作为试验组成。
3）试验、测试、确定组成：按照拟定的玻璃试验组成，制备配合料，熔制，测试性能，经多次调整修改，直至设计玻璃达到预定性能的要求。
首先根据性能要求选择确定玻璃的主要组成，通常主要组成氧化物为3~4种，总量往往达到90%。在此基础上假如其它可以调节性质的必要氧化物。
三、配合料的制备
玻璃配合料的制备工艺过程如下：料方计算——称量——混合——输送——窑头料仓
1、配合料的计算
根据给定的玻璃组成和原料组成，计算出一付配合料的组成。
1）基本计算法
a 、将各原料引进玻璃中的氧化物的百分比乘以原料加入量，求出个成分氧化物的数量。
b 、求出全部组成氧化物量的总和，就是从从配合料中所得到的玻璃量。
c 、每个氧化物的量除以全部成分氧化物的的总量，再乘以100，便得出各成分氧化物的百分比。
d 、将各组成氧化物百分比相加，验算总和是否在100±1以内。
2）按给定值计算配合料组成
对于含有两种以上氧化物成分的原料，用下述方法计算。
a、以100千克玻璃为计算基准。
b 、选择含有两种主要氧化物成分的原料，列出二元一次联立方程，求出各原料的需要量。
c 、碱性成分的用量，应将从纯碱以外的其他引进的碱量扣除，然后根据其差额计算纯碱用量。
d 、关于氧化钙和氧化镁的用量，应将从硅沙和长石等引入的钙和镁的量扣除，然后根据其差额利用二元一次联立方程求出石灰石和白云石的用量。
e 、对于芒硝、硝酸钠等的用量应从技术角度确定其用量。
f 、熔制含氧化硼的玻璃时，一般使用硼砂。但熔制低碱玻璃时，由于硼砂含碱，不能满足氧化硼的需要量，这时需使用硼酸。
2、玻璃原料的一般处理加工工艺
1）石英沙——干燥——筛选——上仓
2）纯碱——粉碎——过筛——上仓
3）矿石——粗碎——细碎——过筛——上仓
4）本炉碎玻璃——粉碎——过筛——上仓
5）外购碎玻璃——拣选——清洗——粉碎——除铁——过筛——上仓
3、配合料的称量、混合及输送
称量准确是制备合格配合料的先决条件。现代生产中多采用带斗的自动称量器，称量方式有两种：一次称量和减量称量。
影响混合均匀度的因素主要有：原料的配比；原料的颗粒度和表面形态；原料的比重；混合的时间；加水量；加料顺序；加料量；碎玻璃加入方式；混合机的结构等。
固体粉料粒度及不同组分之间平均粒度的匹配是能否混合均匀的主要决定因素。粒度分散性小，各原料的平均粒度匹配好，混合均匀度就好。对主要原料而言，希望90%~95%都在0.1~0.5mm粒径范围内。
辅助原料在配合料中较难混合均匀，可以先与某一种大宗原料或几种小料一道预混，以增大其分散量。
加料顺序一般是先加入石英原料，加水湿润，然后依次加入纯碱、长石、石灰石、小料。大多数混合机不许碎玻璃加入与粉料一起混合，因为那样磨损太大。一般是在配合料送到窑头料仓的途中掺入。
配合料的输送方式有多种。批量大时用皮带运输机或斗式提升机，批量小时用料罐或小车输送。输送中要防止分层，结块，飞料及污染。
配合料的质量要求及质量检验
1）质量要求
a、组成准确、稳定
b、适当含水（纯碱料3%~5%，芒硝料3%~7%）。有助于湿润配合料，防止分层，结块，飞料。
c、有适当的气体率。是指在熔制过程中释放出的总气体重量和配合料重量之比的百分数。配合料保持适当的气体率有助于提高料的活性，加快对流及澄清。
钠钙硅玻璃气体率一般为15%~20%，硼硅玻璃为9%~15%。
d、混合均匀
2）质量检验
a、组成测定：利用化学分析法，取一个平均试样，分析其各组成氧化物含量，与给定玻璃组成比较，以确定组成的正确性。
b、含水率：失重法
c、均匀度：最常用的是滴定法和电导法。
滴定法是在配合料的不同地点取试样三个，每个试样约2g左右溶于水，然后用标准盐酸进行滴定，把滴定总碱度换算成纯碱来表示，将三个试样的结果加以比较，如果标准误差不超过0.5%，可以认为均匀度合格。
电导法较快，它是利用碳酸钠、硫酸钠等在水溶液中能够电离形成电解质溶液的原理，在电场作用下离子移动，是溶液导电。根据电导率的变化来估计均匀度，也是取试样三个，进行测定。
第三节玻璃的熔制
玻璃的熔制：将配合料经高温加热，形成均匀的符合成型温度要求的玻璃液的过程。
一、熔制过程
1、硅酸盐形成阶段
配合料各组分进行固体反应，盐类分解，二氧化硅及其他组分相互作用，形成烧结物，出现少量液相，生成低共熔物，进一步形成由硅酸盐和游离二氧化硅组成的不透明烧结物，一般在800~900摄氏度基本结束。
2、玻璃形成阶段
继续加热下，烧结物进一步熔融，直至全部固相转化为玻璃液相，成为有大量可见气泡的不均匀的透明玻璃液。
玻璃形成的速度实际上取决于石英颗粒的溶解扩散速度。其中扩散速度最慢，所以石英颗粒的溶解速度决定于扩散速度。
玻璃形成的速度也与石英颗粒的大小有关，越小玻璃形成速度越快。但若很小时可能结团，影响反应速度。
3、澄清阶段
玻璃配合料释放的气体只有少部分以气泡形式存在于玻璃液中。澄清的目的就是排除玻璃液中的可见气泡，降低溶解气体的浓度，以防止出现再生气泡。
澄清过程中，可见气泡的排除，按以下两种方式进行：
1）使大气泡变得更大，加速上升排出液面。
2）使小气泡气体溶解于玻璃液中，气泡被吸收而消失。
影响澄清过程的因素主要有气氛、压力、粘度、澄清方法等。
配合料中加入澄清剂是加速澄清的最常用的方法。还可以采用物理方法加速澄清，如鼓泡、超声波振动等。
4、均化阶段
使玻璃液达到化学均匀状态的过程叫玻璃液的均化。
促进均化的主要因素是：
1）熔体中的浓度差，提高温度降低粘度可以使扩散加剧。
2）表面张力低且密度大的玻璃液易于在熔体表面散流下沉。
3）玻璃液的流动能促进均化
强化均化的方法有：升温；搅拌等。
5、冷却阶段
将玻璃液均匀冷却到成型温度。
此阶段要防止出现二次气泡。
二、影响玻璃熔制过程的主要因素
1、配合料的化学组成
配合料的化学组成对熔融速度有着决定性影响，熔融速度关键取决于组成中二氧化硅及其他
难溶氧化物的组成量与碱金属氧化物和碱土金属氧化物总量的比值，根据玻璃熔化速度常数τ的计算结果，可以衡量玻璃的熔融难易程度：
τ=(SiO2+Al2O3)/(R2O+RO+0.5B2O3+0.125PbO)
式中为各氧化物重量百分含量
此值越小，越易熔制。
此值与熔化温度相对应，见P113表4-3
2、原料的性质
原料的性质及种类的选择对熔制的影响很大。原料的颗粒度、颗粒组成、颗粒形状，所含杂质的难熔程度，气体率，碎玻璃质量、用量等。
石英砂较适宜的颗粒度为0.15~0.8mm,其中0.25~0.5mm的颗粒不应少于90%.
碎玻璃应与生产的玻璃组成相同，一般用量为配合料的25%~30%，采用中等粒度。3、配料的调制与加料方式
配合料的均匀度与熔制质量和速度有极大的关系，配合料输送和储存中易于飞料、分层、结块，影响成分稳定和熔制，将配合料预处理（粒化，压块，烧结）可以避免以上现象。
配合料的润湿能改善均匀性，减少分层，提高反应速度，促进均化。
加料方式也影响到熔化，应采用薄层加料。
4、助熔剂的应用
助熔剂加速反应速度，降低玻璃粘度，有利于熔制。要注意品种和用量。
5、熔制的温度及气氛及窑压制度
熔制温度在1450~1500℃时，每提高1℃，熔化率可提高1%，但对耐火材料的侵蚀也成倍增长。
温度制度要求是正确、稳定。
气氛影响澄清和颜色，要求正确、稳定。
窑压影响澄清和温度制度，也要求正确稳定，一般是零压或微正压。
6、液面制度及泡界线制度
液面要求稳定，否则导致温度波动和不正常的玻璃液流动，从而干扰玻璃的熔制。
液面测控仪与加料机联动控制液面稳定。
泡界线是在熔化池中熔化澄清好的玻璃液与未澄清好的玻璃液之间的界线，要求正确、清晰、稳定。泡界线的稳定与加料、温度制度，玻璃液的流动等有关。
三、玻璃体的缺陷
玻璃的缺陷种类很多，有在熔制过程中产生的，也有在成型及加工中产生的。其中以在熔制中产生的最常见。在熔制过程中，玻璃的物理、化学均一性受到破坏而产生的缺陷称为玻璃体的缺陷。它会使玻璃的强度和外观质量严重下降。按状态不同，玻璃体的缺陷可以分成三大类：气泡，结石，条纹和节瘤。
1、气泡（气态夹杂物）
玻璃中的气泡是可见气体夹杂物。按其尺寸大小可以分为灰泡（直径小于0.8mm）和气泡（直径大于0.8mm)两种。
根据气泡产生的原因不同，可以分为以下几种：
1）一次气泡（配合料残余气泡）
玻璃澄清阶段过后，若还有气泡没有排除，残留于玻璃中，就称称为一次气泡。
一次气泡产生的主要原因是澄清不良，解决的主要办法是适当提到澄清温度和适当调节澄清剂的种类和用量。
2）二次气泡
当玻璃液所处的条件发生变化，如温度、压力、气氛变化时，则可能在已经澄清好的玻璃液
中再次出现气泡，这类气泡称为二次气泡。
这类气泡一般很小，此时玻璃液粘度很大，气泡很难排除，就会残留在玻璃中。
造成二次气泡的原因有物理的和化学的两种。
降温后的再次生温会使已经溶解与玻璃中的气体再次析出，这是物理原因。
化学原因主要与玻璃组成和使用原料有关，如含钡玻璃由于过氧化钡分解易于产生二次气泡。在电熔窑和辅助电熔中，电极附近的玻璃液电解会产生二次气泡。
3）外界空气气泡
由配合料和成型操作带入的空气没有排除而残留于玻璃中的气泡称为外界空气气泡。
配合料和颗粒间隙中和碎玻璃表面吸附的气体，都会引入到玻璃中，如果没有完全排除，就会残留在玻璃中。成型中夹入气体造成气泡是常见的。要做好澄清和成型操作。
4) 耐火材料气泡
玻璃和耐火材料间的物理化学作用引起的气泡。
耐火材料气孔中气体被玻璃液排挤出来进入到玻璃液中，气泡量是相当可观的。
耐火材料中所含铁的化合物，对于玻璃液内残余盐类的分解起催化作用也会引起气泡。
还原焰中烧成的耐火材料，其表面和气孔中存在碳素，碳素的燃烧也会引起气泡。
耐火材料受到玻璃液侵蚀时，玻璃液中硅、铝氧化物含量增加，促进碳酸钠分解。同时对玻璃液中比较不稳定的含二氧化碳及二氧化硫化合物产生排挤作用，产生气泡。
为防止耐火材料气泡的产生，必须提高耐火材料质量。接近成型部应选择不易与玻璃反应形成气泡的筑炉材料。操作上，要稳定作业制度，如温度不要太高，以免加剧侵蚀。玻璃液面的稳定对减少侵蚀也有重要意义。
5）金属铁引起的气泡
窑炉操作中，不慎把铁带入玻璃液中，铁中的碳与玻璃中的残余气体相互作用排出气体，形成气泡。这种气泡周围常常有一层为氧化铁所着色而成的褐色玻璃膜，有时出现褐色条纹。为防止这种气泡的产生，除了注意配合料中不能含有金属铁之外，成型工具的质量、特别是浸入玻璃液中的部件质量要好，使用要得当。
2、结石（晶态夹杂物）
结石是玻璃体中最危险的缺陷，结石的存在不仅破坏了产品的外观和光学均匀性，而且降低了玻璃的使用价值。结石与周围玻璃的膨胀系数相差越大，产生的局部应力也越大，从而降低了玻璃的机械强度和热稳定性，甚至使之自行破裂。
根据产生的原因，结石可以分为以下几类：
1）配合料结石
是配合料中没有熔化的组分颗粒，也就是未完全熔化的物料残留物。大多数情况下，配合料结石就是石英颗粒。
结石中的石英颗粒常呈白色颗粒状，其边缘由于逐渐溶解而变圆。除了石英结石外，氧化铝的颗粒也可能生成结石。配合料结石的产生与原料的选择与加工、配合料的制备、加料操作及熔制条件等因素有关。
2）耐火材料结石
由于耐火材料被侵蚀而造成的结石。
大碹和胸墙侵蚀后形成的液滴状结石。
耐火材料侵蚀后剥落进入玻璃中形成的结石。
耐火材料结石的主要原因有以下几方面：
a 、耐火材料质量差。
b 、耐火材料使用不当。
c 、熔化温度过高。
d 、助熔剂用量过大。
e 、易起反应的耐火材料砌在一起。
3）析晶结石
在一定温度范围内，玻璃析晶造成的结石。
玻璃液长期停留在有利于析晶的温度条件下，玻璃中的化学不均匀部分是造成析晶的主要因素。消除的主要办法有：增加组分，降低析晶温度；提高机速；减少再加热次数；供料道保温。
4）硫酸盐夹杂物
熔体中硫酸盐以浮渣形式分离出来形成。
5）污染物
由配合料或操作引起的污染物。
3、条纹和结瘤
玻璃主体内存在的异类玻璃夹杂物称为条纹和结瘤。可以分为以下几种：
1）熔制不均匀引起的条纹和结瘤
若均化进行的不够完善，玻璃体内必将存在不同程度的不均匀性。与此有关的因素如配合料均匀度不够、飞料、碎玻璃使用不当等。
当熔制温度制度不稳定时，破坏了均化的温度制度，引起冻凝区的玻璃液参与液流，导致条纹和结瘤的出现。窑内气体对此也有影响，还原气体下，玻璃表面张力较大，可以促使玻璃液翻动，减少条纹和结瘤。
熔制不均匀引起的条纹和结瘤往往富含二氧化硅，而且大都伴随有一次气泡和熔制不良引起的结石。
2）窑碹玻璃滴引起的条纹和结瘤
碹滴进入到玻璃中，都富含二氧化硅或氧化铝，粘度很大，在玻璃中扩散很慢，往往来不及溶解，就会形成条纹和结瘤。
3）耐火材料被侵蚀引起的条纹和结瘤
这种条纹和结瘤是最常见的一种。玻璃熔体侵蚀耐火材料，被破坏的部分可能以结晶态进入玻璃体内形成结石，也可能形成玻璃态物质成为条纹和结瘤。
解决的主要办法是提高耐火材料质量。避免温度过高也是一种办法。
4）结石熔化引起的条纹和结瘤
有时，结石熔化后没有扩散开，会形成条纹和结瘤。在实际生产中，有时几种缺陷会同时发生，只有正确分析判断其产生的原因，才能及时加以解决。缺陷的判断及检测需根据经验以及借助各种检测仪器和方法，如气体分析、化学分析、岩相分析、光学及电子显微观察、X 射线分析等。进行综合分析。
第四节玻璃的成型与退火
一、玻璃的成型
1、成型与定型
玻璃的成型是指熔融的玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过程。
玻璃制品的成型过程分为成型和定型两个阶段。第一阶段是赋予制品一定的形状，第二阶段是把制品的形状固定下来。
决定成型阶段的因素是玻璃的流变性，即粘度、表面张力、弹性及其与温度的的变化特征。决定定型阶段的因素是玻璃的热性质和周围介质影响下玻璃的硬化速度。
2、玻璃的主要成型性质
1）粘度
玻璃的粘度随温度下降而增大的的特性是玻璃成型和定型的基础。
玻璃的粘度温度梯度大的叫快凝玻璃（短性玻璃），反之称为慢凝玻璃（长性玻璃）。
玻璃的成型温度范围一般选择在接近粘度-温度曲线的弯曲处，以保证玻璃具有自动成型的某种速度。玻璃制品成型开始和终结时的粘度变化随玻璃的组成、成型方法、制品尺寸和重量而异。一般为102~6PaS.通过控温来控制粘度，从而调节流变性达到成型与定型。
2）表面张力
玻璃液有较大的表面张力，在成型时可使玻璃料滴自动形成球型，不用模型即可吹制圆形料泡；在玻璃纤维和玻璃管拉制中能自然得到圆形截面；在爆口和烘口时，表面张力能使原来锐利的边缘变的圆滑。
表面张力对成型也有不利之处，如引上平板玻璃时会使原版发生收缩，造成厚度不均匀；压制制品时制品的锐棱会自动变圆，难以得到清晰的花纹。
3）弹性
玻璃在高温下是粘滞性液体，低温下是弹性固体。玻璃由液体变为弹性体的范围成为粘-弹性范围。玻璃只要是在粘滞流动状态，就不会产生永久应力，也不会产生微裂纹等缺陷。在大多数玻璃制品的成型过程中，可能已经达到了弹性发生作用的温度，从而可能产生裂纹等缺陷。
4）热学性能
玻璃成型时的冷却速度和玻璃自身的比热、导热率、表面辐射强度和透热性有关。
比热决定成型中放出的热量，随着温度下降玻璃比热减小，高温下硅酸盐玻璃的比热变化不大。
玻璃的导热率、表面辐射强度与透热性越大，玻璃的冷却速度越大，成型速度也就越快。无色玻璃虽然导热率不高，但透明性好，透过辐射线的能力强，所以高温传热较好。有色玻璃的透热性差，中间的热量不易传到表面，所以成型时间长。
3、成型制度的制定
玻璃的成型制度是指成型各阶段的粘度-时间或温度-时间制度。在每一个具体的成型情况下需要确定的工艺参数是：成型温度范围；各个操作工序的持续时间；冷却介质或模型的温度。合理的成型制度应使玻璃在成型各个工序的温度和持续时间同玻璃液的流变性及表面热性质协调一致，即在需要变形的工序，玻璃有充分的流动度，使其迅速充满模具，表面得到迅速冷却，出模时不变形，表面不产生裂纹等缺陷。
首先要了解玻璃在不同成型方法中的热传递状况，计算其冷却速度，在得出硬化速率，最后根据硬化曲线和冷却曲线，确定每个工序的温度和持续时间。
1) 成型中的热传递
重热：玻璃液与模具表面接触时，骤冷体积收缩，制品脱离模具，与模具间形成空气层，玻璃热量由内部传向表面，而表面向空气传热很小，致使玻璃表面迅速升温软化。
在吹制压力下，制品重新涨大，玻璃又与模具接触，再次出现强烈的热传递，接着又再次收缩，重新膨胀。如此反复。
玻璃传递到模型的热主要决定于玻璃表面的温度、模型内表面的温度以及玻璃与模型间的热阻。而这种热阻又与玻璃的粘度及成型压力有关，也与模型表面粗糙度和沉积物有关。要控制好这种热传递，就要稳定玻璃的性质（粘度、热性能），控制玻璃表面温度、模具表面温度和模具内表面的性能以及成型压力。
2）玻璃冷却速度计算
3）确定成型制度
a 、成型粘度范围一般工业玻璃的成型粘度范围为102~6Ps。
成型开始的粘度与成型方法、玻璃颜色、组成、外形和重量等有关。
b 、成型各阶段的持续时间
理论上可根据玻璃的粘度—时间曲线来确定。实际较复杂，与玻璃热传递密切相关，需经反复测试后确定。
c 、模型的温度制度
成型前模具应加热到适当的温度。为了稳定操作制度，模型从玻璃中吸收的热量和散失到冷却介质中的热量必须相等。
4、玻璃的成型方法
玻璃成型经历了手工——半机械化——机械化的转变。现在很多制品已经达到全自动化程度。根据成型制品种类和数量以及生产工艺水平不同，可以选择不同的成型方法。
主要的机械成型的方法有以下几种：
1）吹制法
机械吹制法可以分为压—吹法、吹—吹法、转—吹法及带式吹制法等。用于成型各类空心制品。
压—吹法：压吹法的特点是先用压制的方法制成制品的口部和雏形，然后再移入成型模中吹制成制品。压吹法主要用于生产大口瓶。
吹—吹法：先在带有口模的雏形模中吹制成口部和雏形，再将雏形移入到成型模中吹成制品。
此法主要用于生产小口瓶。
转—吹法：是吹吹法的一种，但在吹制时料泡不停地旋转。主要用于吹制薄壁器皿、灯泡、瓶胆等。
带式吹制法：液流供料，用辊筒压成带状，在有孔链带上形成料炮，再由旋转的成型模吹成制品。主要用于生产灯泡和水杯。生产能力很大。
2）压制法
压制法能生产各种实心和空心的制品。压制法的特点是制品形状比较准确，能压出外面带花纹的制品，工艺简便，生产能力较高。但压制法也有不足，内腔形状不能向下扩大，侧壁不能有凹凸，不宜生产薄壁和内腔在垂直方向上较长的制品。
3）拉制法
用于成型各种平板玻璃及玻璃管。
4）浮法生产平板玻璃
玻璃液漂浮在熔融金属表面上生产平板玻璃。优点是玻璃表面质量高，速度快，产量大。
5）压延法
厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹丝玻璃等都可以用压延法来制造。有三种方式：平面压延，辊间压延和连续压延。
6）浇铸法
将熔好的玻璃液注入模子或铸铁平台上，经过退火后即成。离心浇铸法是将玻璃液注入到高速旋转的模子中，由于离心力使玻璃熔体紧贴到模子壁上，不断旋转，硬化成型。
二、玻璃的退火
1、退火的定义和目的
消除玻璃制品在成型或热加工后残留在制品内的永久应力的过程称为退火。
目的是防止炸裂和提高玻璃的机械强度。
2、玻璃的热应力
玻璃制品中的应力有三种：热应力，结构应力和机械应力。
结构应力是由于玻璃制品结构不均匀导致的应力。
机械应力是玻璃制品受到外界机械作用力产生的应力。
热应力是由于温差导致的应力。
1）暂时热应力：在温度低于应变点时，玻璃处于弹性变形温度范围（脆性状态），当经受不均匀的温度变化时，会产生热应力，当温差消失，应力也消失。这种应力叫暂时热应力。2）永久热应力：玻璃从高于应变点温度开始降温，由于玻璃内外层或局部产生温差，导致热膨胀收缩不一致而引起的应力。它在玻璃到达室温时温差消失后仍然存在。这种应力称为永久热应力，又称残余应力。
3、玻璃中应力的消除
玻璃在应变点附近属粘—弹性体，因此可以通过应力松弛来消除应力。
4、各种玻璃制品的允许应力
要在玻璃制品中完全消除应力是不可能的，因为在应变点附近降温时，制品内外层不可能一点不产生温差。只要有温差存在，到完全冷却后或多或少都会存在永久热应力。
可以根据制品的用途不同，制定一个允许存在的永久应力标准，根据此标准来掌握退火要求的高低。
5、玻璃的退火工艺制度
1）玻璃的退火温度范围
为了消除玻璃中的永久热应力，需要把玻璃加热到低于转变温度附近的某温度，使应力松弛。这个选定的保温均热温度称为退火温度。
玻璃的最高退火温度是指在此温度下经过3分钟能消除应力的95%，一般相当于退火点（η=1012PaS）的温度。也叫做退火上限温度。
最低退火温度是指在此温度下经3分钟只能消除5%的应力，也叫退火下限温度。
最高退火温度至最低退火温度之间称为退火温度范围。
大部分器皿玻璃最高退火温度为570~530℃，平板玻璃为550~570 ℃，瓶罐玻璃为550~600 ℃，铅玻璃为460~490 ℃，硼玻璃为600~610 ℃。
实际上，一般采用的退火温度都比最高退火温度低20~30 ℃。最低退火温度低于最高退火温度50~150 ℃。
2）退火工艺过程
玻璃制品的退火工艺包括加热—保温—慢冷—快冷四个阶段。
加热阶段：把制品加热到退火温度。
加热速度可以较快，但要防止加热中由于温差造成的暂时热应力与固有永久热应力之和超过玻璃的抗张强度极限，否则会发生制品破裂。
最大加热速度为：h1=130/a2(℃/min)
式中：a为制品厚度。空心制品为总厚度，实心的为厚度之半。
为了安全起见，一般技术玻璃取最大加热速度的15%~20%，光学玻璃取5%以下。
保温阶段：主要目的是消除快速加热时制品存在的温度梯度，并消除制品中固有的内应力。这阶段的主要参数是退火温度和在此温度下的保温时间，退火温度可由计算或测定求得。保温时间t可由下式求得：t=520a2/Δn
式中：Δn为允许永久应力的双折射值（nm/cm)。
慢冷阶段：在玻璃中原有应力消除后，必须防止在降温过程中由于温差而产生新的应力。主要靠正确地制定并严格控制玻璃在退火温度范围内的冷却速度来实现。
这个阶段的冷却速度应当很低，尤其在温度较高的阶段。因为这时由温差产生的应力松弛速度很大，转变为永久应力的趋势大，所以，初冷速度应最低。
慢冷速度主要由制品所允许的永久应力决定。慢冷阶段的结束温度必须低于应变点，即要使玻璃冷却到玻璃结构完全固定以后，才不会有永久应力产生的可能。
最初的慢冷速度h2=δ/13a2(℃/min)
式中：δ为玻璃的最大允许应力（nm/cm)
快冷阶段：是指应变温度到室温这段温度区间。在本阶段内，只能引起暂时应力，在保证制品不致因热应力而破坏的前提下，可以尽快冷却。
一般玻璃的最大冷却速度为：
h3= 65/a2(℃/min)
第五节玻璃的着色及深加工
一、玻璃的着色
1、概述
玻璃的着色不仅关系到各种颜色玻璃的生产，而且也是一种研究玻璃结构的手段，由于离子的电价、配位、极化以及化学键的性质等结构因素灵敏地影响着玻璃的颜色和光谱特性，因此可通过玻璃的着色（或光谱特性）来探讨玻璃的结构，以及它随玻璃成分的递变规律。颜色的产生是物质与光作用的结果。物质显示颜色的根本原因在于光吸收和光散射。白光投射到透明物体上，若全部通过，则呈无色；若吸收某些波长的光，而透过另一部分的波长的光，则呈与透过部分相应的颜色（互补色）。
物质之所以能吸收光，是由于原子中的电子（主要是价电子）受到光能的激发，从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，即从基态跃迁到激发态所致。只要基态和激发态之间的能量差处于可见光的能量范围时，相应波长的光就可以被吸收，从而呈现颜色。
2、玻璃着色剂
玻璃的着色剂可以分为离子着色剂，硫硒及其化合物着色剂及金属胶体着色剂三类
3、颜色玻璃的分类
1）离子着色
可使玻璃着色的离子包括第四周期过渡金属离子和稀土金属离子，这些离子中有的在外围电子轨道上有空位或未配对的电子。当这些离子处于玻璃结构中时，总是处于氧离子的包围之中，形成不同的配位状态。在与之配位的氧离子电场的作用下，使着色离子原来能量相等的3d（对第四周期过渡金属离子而言）轨道或4f轨道（对稀土金属离子而言）发生能级分裂，过渡金属离子的d电子在3d轨道产生d—d电子跃迁，稀土金属离子的f电子在4f轨道产生f—f电子跃迁。随着电子跃迁，伴随着在可见光区发生选择性光吸收，从而使玻璃产生颜色。利用配位场理论可以解释离子着色的本质。
根据量子力学计算，影响过渡金属离子配位场分裂能的因素可由下式表示：
八面体配位时Δ（10Dq)=(5eqr4)/(3R5)。
四面体配位时只有八面体时的4/9。
式中：e为电子电荷；r为3d电子离原子核的平均距离；q为配位体电荷或电矩；R为金属离子中心至配位体中心的距离。
由上式可知，影响Δ的主要因素有离子场强、阳离子半径、着色离子价态及其配位状态和所处的温度，而它们又受到基础玻璃成分及熔制工艺因素的影响。
同一种着色离子在不同的工艺条件下，由于Δ值改变，吸收的光能量不同，从而呈现不同的颜色。所以在颜色玻璃生产中要考虑各种工艺因素的影响。
2）硫硒及其化合物着色
单质硫只是在含硼很高的玻璃中才是稳定的，使玻璃着蓝色。单质硒可以在中性条件下使玻璃着淡紫红色，氧化条件下，其紫色更纯美，但不可氧化过分，否则失色。
硫硒化合物主要是硫、硒化镉着色。这类玻璃着色是由于经特殊处理—显色工艺而形成CdS 或CdS-CdSe固溶体胶体粒子。玻璃的色调主要决定于固溶体中CdS与CdSe的混合比，而与胶体粒子大小无关。
硫碳—着色
硫碳—着色玻璃颜色棕而透红，色似琥珀，广泛用于瓶罐玻璃和器皿玻璃。
硫碳—着色是由S2-和Fe3+共同实现的，玻璃中Fe2+/ Fe3+和S2-/SO42-的比值，对玻璃的着色有重要意义。一般说S2-和Fe3+ 含量越高，着色越深。
碳仅起还原剂作用，不直接参与着色。
3）金属胶体着色
玻璃可以通过细分散状态的金属颗粒对光的选择性吸收而着色。一般认为选择性吸收是由于均匀分散在玻璃中的胶态金属的微小粒子（小于可见光波长）对光的吸收和散射为基础的。这种颜色玻璃需经过适当的热处理以便析出胶体。
玻璃的颜色与散射粒子的类别、大小、浓度和形状有关。例如金红玻璃，金粒子<20nm为弱黄，20~150nm为蓝色，>150nm发生金粒子沉析。浓度（胶粒的数目）决定色泽的强弱。用于玻璃着色的金属胶体有金、银、铜等贵金属。金和铜使玻璃着成红色，银着成黄色。为了实现着色，玻璃要经过从熔化到显色的过程，金属胶体在玻璃中均匀析出的过程有以下几个步骤：
a 、金属离子溶解在玻璃中；
b 、金属离子还原为原子态金属；
c 、生成金属晶核；
d 、金属晶体生长。
其中，第一步是在高温下进行的，其他过程是从玻璃的转变点附近到软化点附近的适当温度范围内进行的。
金属离子充分溶解于玻璃熔体中是金属胶体着色的前提。不同的金属要求不同的气氛，铜红玻璃必须在还原条件下熔制，金红玻璃必须在氧化条件下熔制，银黄玻璃要在中性条件下熔制，以便使这些金属在高温下均以离子状态均匀分布于玻璃熔体中，而不至于难以还原或还原过度。
通过热还原法和光化学还原法将金属离子还原成原子状态后，必须进行适当的热处理（显色），使金属原子聚集、成核并长大为胶体。还原过程与显色过程往往同时进行。
在热处理显色过程中，金属颗粒常常由于成长过大，而使玻璃发生乳浊（肝色）现象。为防止这种现象，除了适当控制显色工艺制度外，一般在玻璃中加入适量的氧化亚锡，利用金属桥，防止乳浊。
二、玻璃的加工
玻璃制品的加工可以分为冷加工、热加工和表面处理三大类。
1、冷加工
通过机械方法改变玻璃制品的外形和表面状态，称为冷加工。基本方法有研磨、抛光、切割、喷砂、钻孔和切削。
2、热加工
利用玻璃粘度随温度改变的特性以及表面张力与导热系数可以对玻璃制品进行进行热加工。热加工可以进行成型，也可以改善制品性能和外观质量。可以进行切割、钻孔、焊接、火抛光和烧口。
热加工时要防止析晶，焊接时二者的膨胀系数要―匹配‖。同时，应慢冷防止炸裂或产生大的永久热应力。
3、表面处理
可以归纳为三类：一是形成光滑面或散光面，通过表面处理控制表面的凹凸，如化学蚀刻，化学抛光等。二是改变玻璃的薄层组成，改善表面性质，以得到新的性能，如表面着色，改善化学稳定性等。三是表面涂层，如镀银，表面导电玻璃，憎水玻璃等。
1）化学蚀刻
是用氢氟酸溶掉玻璃表面层的硅氧，根据残余盐类的溶解度不同，得到有光泽表面或无光泽表面。即蚀刻后的玻璃的表面性质决定于氢氟酸与玻璃作用后所生成的盐类的性质、溶解度大小、结晶的大小以及是否容易从玻璃表面清除。若反应物不断被清除，腐蚀作用均匀，可以得到非常光滑或有光泽的表面。反应产物溶解度小，得到粗糙无光泽表面。结晶大使表面无光泽。玻璃的组成影响蚀刻表面的性质，如玻璃中含铅较多会形成细粒的表面。蚀刻液的组成也影响蚀刻表面。蚀刻液中若含有能溶解反应物的成分则可以得到光泽的表面。
2）化学抛光
利用氢氟酸破坏玻璃表面原有的硅氧膜生成一层新的硅氧膜，使玻璃得到很高的光洁度与透光度。化学抛光有两种。
一种是单纯的化学侵蚀作用，一种是化学侵蚀与机械研磨结合。前者大多用于器皿，后者用于平板玻璃。
3）表面着色（扩散着色）
高温下用着色离子的金属、熔盐、盐类糊膏涂覆在玻璃表面，使着色离子与玻璃中的离子进行交换，扩散到玻璃表层中，使玻璃表面着色，有些金属离子还需要还原为原子，原子聚集成胶体而着色。
通常是把着色离子的盐类加入填充剂（载体—ZrO2、粘土等）、粘结剂（糊精、阿拉伯胶、松节油等）配成糊状物，涂于玻璃表面，放入马弗炉热处理。
应用电浮法可以连续生产表面着色玻璃。
此外，还可以利用表面金属涂层制造反射镜、热反射玻璃、膜层导电玻璃、保温瓶等。
4、玻璃的钢化
为了提高玻璃的强度，对退火后的玻璃进行热钢化（物理钢化），也叫淬火。即把玻璃加热到一定温度，在冷却介质中急剧均匀冷却，玻璃内外层产生很大的温度梯度，所产生的应力由于玻璃处于粘滞流动状态而被松弛，成为有温度梯度而无应力的状态，当玻璃温度梯度消失，原松弛应力转为永久应力，使玻璃表面产生一层压应力，增强了玻璃表面的抗张强度。化学钢化是基于玻璃表面离子的迁移（扩散），把加热的含碱玻璃浸入溶融盐浴中处理，通过玻璃与熔盐的离子交换改变玻璃表面的化学组成，使玻璃表面形成均匀分布的压应力层。从而提高玻璃的表面抗张强度。
5、夹层玻璃和中空玻璃
第二章水泥材料
第一节概述
一、水泥的定义和分类
胶凝材料（胶结料）：在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固石状体，并能胶结其他物料，制造具有一定的机械强度的复合固体的物质。
水泥：加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂、石或纤维材料等牢固得胶结在一起的细粉状无机非金属水硬性胶凝材料。
按用途和性能可分为：通用水泥，专用水泥和特性水泥三大类。
通用水泥为大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。
专用水泥是指具有专门用途的水泥，如油井水泥，砌筑水泥等。
特性水泥是指某些性能比较突出的一类水泥，如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、中热水泥、自应力水泥等。
通常习惯于把专用水泥和特性水泥统称为特种水泥。
按熟料所含的主要水硬性矿物可分为硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等。
还有以工业矿渣和地方材料为主要组分的少熟料或无熟料水泥
二、水泥的性能和应用
水泥是一种主要的建筑材料，随着生态水泥的开发，水泥工业将为环保作出重要贡献。
水泥有很多优良性能：
1、水泥浆有很好的可塑性，可制成各种形状和尺寸的混凝土构件。
2、适应性强，可广泛用于海上、地下或干热、严寒地区以及耐腐蚀、防辐射等特殊工程的要求。
3、耐久性好，水泥混凝土既没有钢材的锈蚀问题，也没有塑料的老化和污染问题。
4、水硬性，熟料水化物析出，相互结合使水泥浆稠化而凝结变硬，并与集料结成一体，逐渐产生硬度，并随龄期延长而增加，早期更快。
5、相对能耗低，虽然制造水泥本身能耗较高，但水泥与砂石等骨料制成的混凝土却是一种低能耗的建筑材料。
水泥除应用于传统的建筑以及农田水利和港行工程外，宇航，核工业及其他新兴工业建设所需无机非金属材料，最基本的都是以水泥基为主的新兴复合材料。
三、硅酸盐水泥的生产方法和主要工艺流程
在我国，硅酸盐水泥既指采用硅酸盐水泥熟料制成的一大类通用水泥，又可指我国水泥标准GB175-1999中所定义的硅酸盐水泥这一种通用水泥。该标准规定：凡由硅酸盐水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥Portland cement）。这种硅酸盐水泥又分为两种类型：
不掺混合材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为P. Ⅰ；掺加不超过5%混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为P. Ⅱ.
硅酸盐水泥传统的生产过程可以概括为―两磨一烧‖即把生产过程分为三个阶段：
第一阶段——生料制备：
把石灰质原料、粘土质原料及少量校正原料经处理（破碎或烘干）后按一定比例配合、磨细、均化，调制成化学成分合适且分布均匀的的生料——第一―磨‖。
第二阶段——熟料煅烧：
将适当成分的配合生料在窑内煅烧至部分熔融，冷却后得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料（简称熟料）——即为―烧‖。
第三阶段——水泥制成：
将熟料、适量石膏，有时加入适量混合材料共同磨细成水泥——第二―磨‖。
现代水泥工业的窑外分解技术，则在传统的―两磨一烧‖基础上，加强了原料预均化技术、以计算机应用为主的自动化控制技术和增设水泥窑尾的预热器及预分解炉系统。
水泥的生产方法按生料制备方式的不同分为―干法‖与―湿法‖两大类。
将原料经破碎、烘干、配合、磨成生料粉，然后喂入窑内煅烧成熟料的方法称为―干法‖。
将生料粉加适量水制成生料球，再喂入窑内煅烧成熟料的方法称为―半干法‖。此法也可归为干法。在我国窑外分解生产技术又称为新型干法生产技术。
将原料加水粉磨成生料浆再喂入回转窑内煅烧成熟料的方法称为―湿法‖。
将生料浆先脱水再进窑煅烧，称为―半湿法‖，亦可归为湿法。
按水泥工业窑炉的不同，水泥生产可分为立窑生产和回转窑生产，回转窑生产又可分为干法窑、湿法窑、立波尔窑、带窑外分解的预分解窑等。
窑外分解窑干法水泥厂生产流程图
机械化立窑水泥厂生产流程
第二节硅酸盐水泥熟料的组成和配料
硅酸盐水泥的水硬性来源于其熟料的水硬性，熟料的水硬性又因其含有水硬性矿物。熟料矿
物是由生料高温煅烧，各氧化物化合而成。
一、硅酸盐水泥熟料的化学成分
一般以氧化物表示熟料的化学成分。为了获得合理的熟料矿物组成，必须将生料中相应氧化物的质量百分含量控制在一定范围内。在CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3相图中，硅酸盐水泥熟料的组成都是落在高钙区。四种主要氧化物含量的波动范围为：CaO62%~67%；SiO220%~24%；Al2O34%~7%；Fe2O32.5~6.0%.
在熟料中，这四种氧化物通常占95%左右，另外约含有5%的其他少量氧化物，如MgO，SO3，TiO2，P2O5以及R2O等。
二、熟料的矿物组成
在水泥熟料中，氧化钙、氧化硅、氧化铝和氧化铁以两种或两种以上氧化物反应生成多种矿物集合体存在。这些矿物结晶细小，通常为30μm~60μm。因此，水泥熟料是一种多种矿物组成的，结晶细小的人造岩石。
在硅酸盐水泥熟料中主要形成四种矿物：硅酸三钙3CaO·SiO2，简写为C3S；硅酸二钙2CaO·SiO2，简写为C2S；铝酸三钙3CaO·Al2O3，简写为C3A；铁相固溶体，通常以铁铝酸四钙4CaO · Al2O3·Fe2O3 作为其表达式，简写为C4AF.
通常，熟料中的C3S和C2S合称为硅酸盐矿物，二者含量占75%左右；C3A和C4AF含量占22%左右，它们在煅烧过程中，与氧化镁、碱等在高于1250~1280℃会逐渐熔融成液相以促进C3S的顺利形成，故称为熔剂型矿物。此外，熟料中还有少量游离氧化钙、方镁石、含碱矿物及玻璃体等。
三、熟料率值
熟料率值是水泥生产中用以表示熟料化学或矿物组成相对含量的比率系数。
它们与熟料质量和生料易烧性有较好的相关性，是生产控制的重要指标。
1、硅率或硅酸率
表示熟料化学成分中氧化硅的百分含量与氧化铝和氧化铁百分含量之和的比率，用SM表示：
SM=SiO2/（Al2O3+ Fe2O3 )
通常硅酸盐水泥熟料的硅率在1.7~2.7之间。
2、铝率或铁率
通常用IM表示：
IM= Al2O3/ Fe2O3
通常铝率在0.9~1.7之间。
3、石灰公式
KH=（CaO-1.65 Al2O3 –0.35 Fe2O3)/2.8 SiO2.
石灰饱和系数表示熟料中全部SiO2生成硅酸钙所需的CaO量与全部SiO2 理论上全部生成硅酸三钙所需的CaO量之比，亦即表示熟料中SiO2被CaO饱和成硅酸三钙的程度。
一般此值在0.82~0.94之间。
《金属和金属材料》复习学案 班级：姓名： 一、【复习目标】 1．了解金属的物理特征，知道生铁和钢等重要的合金。 2．掌握金属的化学性质，能灵活应用金属活动性顺序表解决实际问题。3．了解金属锈蚀条件及防锈措施，增强节约金属资源的意识。 二、【复习重点、难点】 1．金属的化学性质 2．金属活动性顺序表的应用 三、【复习方法指导】 整理本单元“学教案”的知识点并把错题归纳总结；记忆金属活动顺序表。 四、【复习过程】 （一）（知识整理） 几种常见的金属：、、 纯金属共性：常温下，大多是体，色，有金属光泽， 为电和热的，有延展性，密度，物理性质熔点。 金属特性：铜色，金呈色；常温下，为液体。材料几种常见的合金： 合金 合金与纯金属的性质比较：硬度：熔点： 1、与氧气的反应：、在常温下就能反应；但、在 高温下才与氧气反应；即使高温也不反应。 金属的2、与酸的反应：（镁、铁、锌、铝与盐酸、稀硫酸） 化学性质 3、与化合物溶液反应：（铁、铝与硫酸铜溶液和铜与硝酸银溶液） 4、金属活动性顺序： 1、原料： 1、生铁的冶炼 2、原理（方程式）： 金属资源的3、设备： 利用和保护1、金属的腐蚀与防护： 2、金属资源保护：铁锈蚀条件： 防锈措施： 2、保护的途径：
1.2010年上海世博会中国馆—“东方之冠”给人强烈的视觉冲击，它的主体结构为四根巨型钢 筋混凝上制成的陔心筒。其中钢属于（ ） A ．金属材料 B ．合成材料 C ．天然材料 D ．复合材料 2. 铝、铜、铁、金四种金属具有相似的性质是（ ） A ．都是银白色的固体 B ．有导电性 C ．能和稀硫酸反应 D ．通常状况下能与氧气反应 3. “金银铜铁锡”俗称五金。在这五种金属中，金属活动性最强的是（ ） A ．铁 B ．金 C ．银 D ．铜 4. 将甲、乙两种金属片分别放入丙的硫酸盐溶液中，甲表面有金属丙析出，乙表面没有任 何变化。据此判断，三种金属的活动性顺序是 （ ） A ．甲>丙>乙 B ．丙>甲>乙 C ．乙>甲>丙 D ．甲>乙>丙 5.下列反应中，属于置换反应的是（ ） A. 2H 2O 2 ＝ 2H 2O+ O 2↑ B. CuO+CO ＝ Cu+CO 2 C. H 2+CuO ＝ Cu+H 2O D. CO 2+H 2O ＝ H 2CO 3 6.下列化学方程式书写正确的是（ ） A. 4Fe+3O 22Fe 2O 3 B ．2Fe+6HCl=2FeCl 3+3H 2↑ C ．Al + CuS04== AlSO 4 + Cu D. Fe 2O 3+3CO 2Fe+3CO 2 7.判断下列物质能否发生反应？若能，写出相关化学方程式。 （1）银与稀盐酸 （2）锌与硫酸铜溶液 （3）铜与硫酸锌溶液 （4）铝与硝酸银溶液 （5）银与氯化铜溶液 （6）镁与硫酸亚铁溶液 8. 某钢铁厂高炉炼铁的主要反应过程如下： 焦炭 (1)请在方框内填入相应物质的化学式。 (2)写出步骤①②③的化学方程式：① ② ③ (3)从高炉上排出的废气叫高炉废气，请推测高炉废气的主要成份为 。 9．根据你的生活经验，回答下列问题： （1）家用铁锅除了硬度较大外，还利用了铁具有 这一性质； （2）在木材上钉钉一般用铁钉，在水泥墙上钉钉一般用钢钉，这是由于铁和钢的 不同； （3）铜的导电性强于铝，而高压输电一般用铝线不用铜线的原因是（只要能答出一个理由 就可以） ； （4）灯泡中的灯丝一般用的是 ，你能说出不用锡制的原因吗？ ； （5）区分两块金属材料硬度的大小时，一般采用的方法是 ； （6）铜合金和金的颜色基本相似，为什么在制作装饰品时用金而不用铜的合金？ ； 过量空气、高温 ① 焦炭、高温 ② 赤铁矿、高温 ③ 生铁
金属材料的基本知识综合测试 一、判断题（正确的填√，错误的填×） 1、导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器等零件。（） 2、一般，金属材料导热性比非金属材料差。（） 3、精密测量工具要选用膨胀系数较大的金属材料来制造。（） 4、易熔金属广泛用于火箭、导弹、飞机等。（） 5、铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等。（） 6、δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。（） 7、维氏硬度测试手续较繁，不宜用于成批生产的常规检验。（） 8、布氏硬度不能测试很硬的工件。（） 9、布氏硬度与洛氏硬度实验条件不同，两种硬度没有换算关系。（） 10、布氏硬度试验常用于成品件和较薄工件的硬度。 11、在F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径的大小有关，直径愈小，硬度值愈大。（） 12、材料硬度越高，耐磨性越好，抵抗局部变形的能力也越强。（） 13、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 14、20钢比T12钢的含碳量高。（） 15、金属材料的工艺性能有铸造性、锻压性，焊接性、热处理性能、切削加工性能、硬度、强度等。（） 16、金属材料愈硬愈好切削加工。（） 17、含碳量大于0.60%的钢为高碳钢，合金元素总含量大于10%的钢为高合金钢。（） 18、T10钢的平均含碳量比60Si2Mn的高。（） 19、一般来说低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢最差。（） 20、布氏硬度的代号为HV，而洛氏硬度的代号为HR。（） 21、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 22、某工人加工时，测量金属工件合格，交检验员后发现尺寸变动，其原因可能是金属材料有弹性变形。（） 二、选择题 1、下列性能不属于金属材料物理性能的是（）。 A、熔点 B、热膨胀性 C、耐腐蚀性 D、磁性 2、下列材料导电性最好的是（）。 A、铜 B、铝 C、铁烙合金 D、银 3、下列材料导热性最好的是（）。 A、银 B、塑料 C、铜 D、铝 4、铸造性能最好的是（）。 A、铸铁 B、灰口铸铁 C、铸造铝合金 D、铸造铝合金 5、锻压性最好的是（）。
九年级化学金属和金属材料讲学案及思维导图公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
金属和金属材料讲学案 【本课思想导图】 课题1 金属材料教学 【教学设计思路】 根据课程标准要求，关于金属材料的学习，在认知领域的教学属于知道和了解水平，且学生已有关于金属和合金的不少生活常识，学习难度不大。为维护课标的严肃性，教学忌拔高知识难度，但在教学中，对于过程与方法，情感态度与价值观可考虑加强一些。使学生在学习过程中去深刻感知金属的物理性质及合金的巨大使用价值。从方法和情感层面获得加强和熏陶，不失为一种教学创新。这样做对知识学习而言，可以变枯燥为生动；对过程与方法而言，可以获得实验探究、调查研究、归纳分析等训练；还可透过关于中国冶金发展史的学习对爱国情感的熏陶等等。同时，本课题教材联系学生生活常识较多。为扩大学习成果，在课前、课中及课后力求安排一些学生活动，以激发化学学习的持久兴趣及升华科学情结。因此，本课题的教学，以指导学生探究学习、发展学生认知能力为出发点及归宿而设计。 【教学目标】 知识与技能： 1、通过日常生活中广泛使用金属材料等具体事例，认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 2、了解常见金属的物理性质，知道物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但同时还需考虑如价格、资源以及废料是否易于回收等其他因素。 3、认识在金属中加热熔合某些金属或非金属可以制得合金，知道生铁和钢等重要合金，以及合金比纯金属具有更广泛的用途。
过程与方法： 1、引导学生自主实验探究金属的物理性质（重点探究导电、导热性等）。 2、通过讨论探究物质的性质与用途的关系，培养学生综合分析问题的能力。 3、通过查阅合金的资料，培养学生独立获取知识的能力。 情感态度与价值观： 1、通过实验探究活动让学生体验成功的喜悦，逐步养成在学习过程中敢于质疑敢于探究的良好品质。 2、通过调查考察认识化学科学的发展在开发新材料提高人类生存质量方面的重大意义和贡献。 【教学重点】1、引导自主探究金属的物理性质。 2、在交流学习中认识常见的合金并了解其广泛的用途。 【教学方法】引导探究；指导调察，收集资料整理归纳；组织小组讨论交流及分享等。【仪器、药品及其它】 1、学生收集日常生活中的金属材料。 2、学生查阅有关金属材料发展前景资料。 3、酒精灯、火柴、干电池、导线、小灯泡、砂纸、铜丝、铁丝、铝丝、铁架台、黄铜、铜、焊锡、锡、铁片、铅、铝片、铝合金。 4、教师制作多媒体课件。 课时安排：2课时
无机非金属材料科学前沿 姓名：薛燕红学号：201120181037 班级：SJ1159 摘要:无机非金属新材料是发展现代工业、农业、国防和科学技术不可缺少的基础材料,随全球经济复苏及进一步发展,无机非金属新材料进入了一个重要发展规划机遇期本文阐述了无机非金属新材料的现状和发展，在国民经济中的地位和作用，国际上发展的现状和动向，我国的成就和差距。 关键词:无机非金属新材料现状发展 1 引言 无机非金属材料研究领域支持针对以无机非金属体系为主体的各类材料的基础和应用基础研究。随着材料设计理论和制备与表征技术的不断创新，一大批新型无机非金属材料，如陶瓷超导体、智能陶瓷材料、各类无机非金属基能源材料和生物医用材料、纳米材料等不断涌现，使该领域的科学研究日趋活跃。目前，无机非金属材料研究中，功能材料向着高性能、高可靠性、高灵敏、智能化、多功能化以及功能集成化的方向发展；结构陶瓷材料向着复合化、高强度、高韧性、耐磨损、抗腐蚀、耐高温、低能耗、低成本和高可靠性方向发展。在发展新材料的同时，传统材料也不断地得到改造、更新和发展。无机非金属材料在信息、生命、能源与环境等领域的应用以及和相关科学领域的交叉也越来越受到重视。从近三年的受理情况看，无机非金属材料的研究涉及内容逐渐扩展，交叉性越来越强，申请项目数量逐年增加。 无机非金属新材料已广泛用于军事装备和设施，如军用飞机、火箭、导弹、核武器及侦察、通讯、制导、隐身及防御系统。其水平的高低直接关系到国家安全。如没有高性能微光夜视仪，战士夜间作战就看不清目标;没有高性能激光测距和制导，大炮、火箭就成“盲人”;应用高空侦察卫星，可以将敌方的兵力部署，调动情况了如指掌等。这些都是以无机非金属新材料为基础的。体现当代最
第二章工程结构钢 1.叙述构件用钢一般的服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：①工程结构件长期受静载；②互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；③有些构件受疲劳冲击；④一般在-50~100℃范围内使用； 加工特点：焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺。 性能要求：①足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；②良好的焊接性和成型工艺性； ③良好的耐腐蚀性； 2.低碳钢中淬火时效和应变时效的机理是什么对构件有何危害 答：构件用钢加热到Ac1以上淬火或塑性变形后，在放置过程中，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，韧脆转变温度上升，这种现象分别称为淬火时效和应变时效。 产生的原因：C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。 危害：在生产中的弯角、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑形变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。 3.为什么普低钢中基本上都含有不大于%w(Mn) 答：加入Mn有固溶强化作用，每1%Mn能够使屈服强度增加33MPa。但是由于Mn能降低A3温度，使奥氏体在更低的温度下转变为铁素体而有轻微细化铁素体晶粒的作用。Mn的含量过多时，可大为降低塑韧性，所以Mn控制在<%。 4.为什么贝氏体型普低钢多采用%w(Mo)和微量B作为基本合金化元素 答：钢中的主要合金元素是保证在较宽的冷却速度范围内获得以贝氏体为主的组织。当Mo 大于%时，能显着推迟珠光体的转变，而微量的B在奥氏体晶界上有偏析作用，可有效推迟铁素体的转变，并且对贝氏体转变推迟较少。因此Mo、B是贝氏体钢中必不可少的元素。 5.什么是微合金化钢微合金化元素的主要作用是什么 答：微合金化钢是指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素的钢中。作用：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 6.在汽车工业上广泛应用的双相钢，其成分、组织和性能特点是什么为什么能在汽车工业上得到大量应用，发展很快 答：主要成分：~%C，~%Si，~%Mn，~%Cr，~%Mo，少量V 、Nb、Ti。（质量分数） 组织：F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M（<20%）。 F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中. 性能特点：低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可达500~700MPa。 因为双相钢具有足够的冲压成型性，而且具备良好的塑性、韧度，一定的马氏体还可以保证提高钢的强度。 7.在低合金高强度工程结构钢中大多采用微合金元素（Nb、V、Ti等），它们的主要作用是什么 答：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 8.什么是热机械控制处理工艺为什么这种工艺比相同的成分普通热轧钢有更高的力学综合
烧结范围：软化温度与烧结温度之差(2分)。 触变性：黏土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，（1分）黏度会降低而流动性增加，静止后逐渐恢复原状。（1分） 粉体团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成的由多个颗粒形成的较大的颗粒团簇的现象。 粒度分布：粉体中不同粒度区间的颗粒含量。 实心注浆：泥浆中的水分被模型吸收，注件在两模之间形成，没有多余泥浆排出的一种注浆方法。 空心注浆：是将泥浆注入模型，当注件达到要求的厚度时排出多余的泥浆而形成空心注件的方法。（2分） 釉下装饰：在生坯或素坯上加彩后，施以透明釉经高温1200）一次烧成的装饰方法。 釉上装饰：在烧成后的制品上进行彩饰加工的方法。（1分）通过彩绘、贴花等方法加彩后，进行低温烧成（750-850℃），获得丰富多采的效果。（1分） 熔块釉 一般来说，凡烧成温度有较大幅度降低（如降低幅度在80～100℃以上者）且产品性能与通常烧成的性能相近的烧成方法可称为低温烧成。 快速烧成指的是产品性能无变化，而烧成时间大量缩短的烧成方法。 由高岭石分解物形成的粒状或鳞片状莫来石成为一次莫来石。 由长石熔体形成的针状莫来石称为二次莫来石。 相界：不同成分晶粒间的交界处或不同相间的交界处称为相界面。 晶界：结晶方向不同的、直接接触的同成分晶粒间的交界处，称为晶界（晶粒间界或粒界）。（2分） 黏土：是自然界中硅酸盐岩石经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块壮矿物（1分），是多种微细矿物和杂质的混合体（1分）。 坯釉适应性 坯釉适应性是指熔融性能良好的釉熔液，冷却后与坯体紧密结合成完美的整体，不开裂也不剥落的能力。 （1）釉的膨胀系釉与坯的膨胀行为是决定两者之间能否良好固着的因素。如果釉的膨胀系数大于坯的膨胀系数，则在冷却过程中，釉层收缩比坯层大，釉中便保留下永久张应力。釉的膨胀系数小于坯的膨胀系数，釉中便保留下永久压应力。要使坯釉适应性好则须使釉中保持压应力。因此釉的膨胀系数要小于坯体的膨胀系数。 （2）坯釉的弹性和抗张强度。一般弹性和抗张强度越大则坯釉适应性就越好。影响因素：网络程度高、键力大，膨胀系数小，抗张强度大，硬度大。 （3）中间层的形成。釉附着与坯体表面，在烧成过程中，必然与坯相互作用。其结果是坯、釉之间形成一个中间层，厚度一般为15~20um。由于中间层不仅在化学组成上，而且在性质上介于坯、釉两者之间，因此使坯、釉紧密地结合在一起。 （4）釉层的厚度。一般釉层的厚度越薄则弹性越大。要求釉层的厚度<0.5mm。 预烧的目的 （1）改变结晶的形态。Al2O3、TiO2、ZrO2（立方）稳定的高温形态性能最优良。 Al2O3 ：希望得到α-Al2O3，要预烧到：1300~1600℃；添加H3BO3 使Na2O形成挥发性盐类逸出，使坯体密度提高。 TiO2 ：钛电容器陶瓷 ---金红石相要预烧 Zr-Ti-Pb 压电陶瓷 ----形成固溶体，不需预烧。 ZrO2 ：高温耐火材料 ---预烧稳定晶型。加入CaO、MgO、Y2O3等降低预烧温度（由2300降到1500℃）增韧陶瓷 --------不用预烧。 （2）改变物性
专题复习 《金属和金属材料》导学案 古城街道北洛初中 张敏 一、【复习目标】 1、了解金属的物理特征，知道生铁和钢等重要的合金。 2、掌握金属的化学性质，能灵活应用金属活动性顺序表解决实际问题。 3、了解金属锈蚀条件及防锈措施，增强节约金属资源的意识。 二、【复习重点、难点】 1、金属的化学性质 2、金属活动性顺序表的应用 三、【知识梳理】 一、构建网络 请同学们回顾、归纳知识，独立完成知识网路图。（化学性质用化学方程式表示） 几种常见的金属： 、 、 纯金属 共性：常温下，大多是 体， 色，有金属光泽 物理性质 为电和热的 ，有延展性，密度 ，熔点 金属材料 特性：铜 色，金呈 色；常温下 为液体。 几种常见的合金： 合金 合金与纯金属的性质比较：硬度： 熔点： 1、与氧气的反应： 、 在常温下就能反应；但 、 在高温下才与氧气反应； 即使高温也不反应。 金属的 2、与酸的反应：（锌、铁与盐酸、稀硫酸为例） 化学性质 3、与化合物溶液反应：（铁、铝与硫酸铜溶液和铜与硝酸银溶液） 4、金属活动性顺序： 1、原料: 1、铁的冶炼： 2、原理（方程式）： 金属资源的 3、计算:含杂质物质的有关计算 利用和保护 1、金属的腐蚀与防护： 2、金属资源保护： 铁锈蚀条件： 防锈措施： 2、保护金属资源的途径： 金属和 金属材料 知识要点梳理我最行！
二、聚焦考点 考点剖析1金属材料 【反馈训练】 1、下列说法错误的是( ) A.金属材料包括纯金属和它们的合金 B.金属在常温下大多是固态 C.物质的用途完全由其性质决定，与其它因素无关 D.合金是金属与金属或金属与非金属熔合在一起制成的 2、（2011．宿迁市）下列应用在高铁列车上的材料，不属于 ．．．金属材料的是（）A．不锈钢 B．玻璃 C．铝合金 D．铜线 3、（2011·苏州)下列关于合金的说法正确的是( ) A．合金不属于金属材料 B．合金的硬度一般比各成分金属大 C．合金属于金属单质 D．多数合金的熔点高于组成它的成分金属 考点剖析2 金属的化学性质 【反馈训练】 4、（2011.黄石市）下列各组实验，不能说明铁和铜的金属活动性强弱的是（） A. 铁丝和铜丝分别插入稀硫酸 B.铁丝和铜丝分别插入氢氧化钠溶液中 C. 铜丝插入硫酸亚铁溶液中 D.铁丝和铜丝分别在氧气中点燃 5、下列物质中，不能用金属与稀盐酸直接反应得到的是 ( ) A．FeCl2 B．ZnCl2 C．MgCl2 D．AgCl 6、（20XX年广东肇庆）把X、Y、Z三种金属片分别加入稀硫酸中，X、Y表面有气泡产生，Z无变化；把X加入Y的硫酸盐溶液中，X表面折出Y。则三种金属活动顺序为（） A.Y＞ X＞ Z B.X ＞Y＞ Z C.Z＞Y＞X D. X ＞Z＞Y 7、室温下，等质量的镁片和铝片分别与足量的稀硫酸反应，产生氢气的质量(m)与时间(t)的关系图正确的是（）
第一章 1、为什么钢中的硫和磷一般情况下总是有害的？控制硫化物形态的方法有哪些？ 答：S与Fe形成FeS，会导致钢产生热脆；P与形成Fe3P，使钢在冷加工过程中产生冷脆性，剧烈降低钢的韧性，使钢在凝固时晶界处发生偏析。 硫化物形态控制：a、加入足量的锰，形成高熔点MnS；b、控制钢的冷却速度；c、改善其形态最好为球状，而不是杆状，控制氧含量大于0.02%；d、加入变形剂，使其在金属中扩散开防止聚焦产生裂纹。 2、钢的强化机制有哪些?为什么一般钢的强化工艺采用淬火加回火？答：a、固溶强化（合金中形成固溶体、晶格畸变、阻碍位错运动、强化） b、细晶强化（晶粒细化、晶界增多、位错塞积、阻碍位错运动、强化） c、加工硬化（塑性变形、位错缠绕交割、阻碍位错运动、强化） d、弥散强化（固溶处理的后的合金时效处理、脱溶析出第二相、弥散分布在基体上、与位错交互作用、阻碍位错运动、强化） 淬火处理得到强硬相马氏体，提高钢的强度、硬度，使钢塑性降低；回火可有效改善钢的韧性。淬火和回火结合使用提高钢的综合性能。 3、按照合金化思路，如何改善钢的韧性？ 答：a、加入可细化晶粒的元素Mo、W、Cr； b、改善基体韧性，加Ni元素；
c、提高冲击韧性，加Mn、Si元素； d、调整化学成分； e、形变热处理； f、提高冶金质量； g、加入合金元素提高耐回火性，以提高韧性。 4、试解释40Cr13属于过共析钢，Cr12钢中已出现共晶组织，属于莱氏体钢。 答、Cr元素使共析点左移，当Cr量达到一定程度时，共析点左移到碳含量小于0.4%，所以40Cr13属于过共析钢；Cr12中含有高于12%的Cr元素，缩小Fe-C平衡相图的奥氏体区，使共析点右移。 5、试解释含Mn钢易过热，而含Si钢高淬火加热温度应稍高，且冷作硬化率高，不利于冷变性加工。 答：Mn在一定量时会促使晶粒长大，而过热就会使晶粒长大。 6、合金钢中碳化物形成规律①②③④⑤⑥⑦ 答：①、K类型：与Me的原子半径有关；②、相似相容原理；③、强碳化物形成元素优先于碳结合形成碳化物；④、NM/NC比值决定了K类型；⑤、碳化物稳定型越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。 第二章 1、简述工程钢一般服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：静载、无相对运动、受大气腐蚀。 加工特点：简单构件是热轧或正火状态，空气冷却，有焊接、剪切、
无机非金属材料学 第一章玻璃材料 第一节概述 一、玻璃的种类和特性 1、玻璃的概念 1）狭义上：玻璃是无机非晶态固体。 2）广义上：玻璃是非晶态固体。 2、玻璃的广泛应用及其缘故 1）应用广泛重要：涉及各领域、各个角落，现代社会中不可或缺，并被广泛依靠。没有玻璃的世界是黑暗落后和愚昧的。2）广泛应用的缘故： a、性能优异，能满足不同使用要求； b、易加工成各种大小和形状； c、性质容易调整，以适应不同需求；
d、原料丰富、价廉、成本低。 3、玻璃的分类 1）按玻璃的要紧组成氧化物不同来分 a、Na-Ca-Si玻璃 b、B-Si玻璃 c、Pb-Ba玻璃 d、其他种类 2）按用途不同来分 a、建筑玻璃 b、日用玻璃：瓶罐玻璃；仪器玻璃；器皿玻璃；保温容器玻璃；艺术玻璃 c、玻璃纤维 d、光学玻璃 e、特种玻璃 4、玻璃材料的进展历史 1）天然玻璃的历史 早在二千万到六千万年前地球上就差不多出现天然玻璃，按其形成缘故可分为两类： a、黑曜岩：由岩浆喷发而形成。
b、雷公石：由陨石坠落而形成 天然玻璃被人们用来做工具或装饰品。 人工玻璃的历史 a、一般认为，五千多年前，古埃及人首先制造出了玻璃材料。要紧是钠钙硅玻璃。 b、公元一世纪左右，罗马人发明了吹制工艺。 c、十一到十五世纪，玻璃制造中心在威尼斯。 d、十六世纪后，玻璃制造工艺传播进展。 e、二十世纪以来，玻璃工艺成为专门学科，工艺自动化程度越来越高，新品种层出不穷。 中国在西周时代开始制造玻璃，要紧是铅晶质玻璃。 g、玻璃一词来源于古梵文spotika. h、民国期间，建立建立机械化玻璃厂生产窗玻璃和瓶罐玻璃（淄博、上海）。 i、新中国成立特不是改革开放以后，进展迅速，但水平有待提高。 j、山东玻璃工业历史与进展。 5、玻璃态物质的特性 1）各向同性：任何方向的物理化学性质都相同。
第一章 1. 粘土的定义：是一种颜色多样，细分散的多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。 粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密的土状或致密块状矿物，是多种微细矿物和杂质的混合体。 2. 粘土的成因：各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化，水解，热液蚀变等作用可变为粘土。一次粘土（原生粘土）风化残积型：母岩风化后残留在原地所形成的粘土。（深层的岩浆岩（花岗岩、伟晶岩、长石岩）在原产地风化后即残留在原地，多成为优质高岭土的矿床，一般称为一次粘土）。 二次粘土（次生粘土）沉积型：风化了的粘土矿物借雨水或风力的迁移作用搬离母岩后，在低洼地方沉积而成的矿床，成为二次粘土。 一次粘土与二次粘土的区别： 分类化学组成耐火度成型性 一次粘土较纯较高塑性低 二次粘土杂质含量高较低塑性高 3. 高岭土、蒙脱土的结构特点： 高岭土晶体结构式：Al4[Si4O10](OH)8，1:1型层状结构硅酸盐，Si-O四面体层和Al-(O,OH)八面体层通过共用氧原子联系成双层结构，构成结构单元层。层间以氢键相连，结合力较小，所以晶体解理完全并缺乏膨胀性。 蒙脱土（叶蜡石）是2:1型层状结构，两端[SiO4]四面体，中间夹一个[AlO6]八面体，构成单元层。单元层间靠氧相连，结合力较小，水分子及其它极性分子易进入晶层中间形成层间水，层间水的数量是可变的。 4. 粘土的工艺特性：可塑性、结合性、离子交换性、触变性、收缩、烧结性。 1)可塑性：粘土—水系统形成泥团，在外力作用下泥团发生变形，形变过程中坯泥不开裂， 外力解除后，能维持形变，不因自重和振动再发生形变，这种现象称为可塑性。 表示方法：可塑性指数、可塑性指标 可塑性指数（w）：W=W2-W1W降低——泥浆触变厚化度大，渗水性强，便于压滤榨泥。 W1塑限：粘土或（坯料）由粉末状态进入塑性状态时的含水量。 W2液限：粘土或（坯料）由粉末状态进入流动状态时的含水量。 塑限反映粘土被水润湿后，形成水化膜，使粘土颗粒能相对滑动而出现可塑性的含水量。 塑限高，表明粘土颗粒的水化膜厚，工作水分高，但干燥收缩也大。 液限反映粘土颗粒与水分子亲和力的大小。W2上升表明颗粒很细，在水中分散度大，不易干燥，湿坯强度低。 可塑性指标：在工作水分下，粘土（或坯料）受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积，也可以以这时的相应含水率表示。 反应粘土的成型性能：应力大，应变小——挤坯成型；应力小，应变大——旋坯成型根据粘土可塑指数或可塑指标分类： i.强塑性粘土：指数＞15或指标＞3.6 ii.中塑性粘土：指数7～15，指标2.5～3.6 iii.弱塑性粘土：指数l～7，指标<2.5 iv.非塑性粘土：指数<1。 2)结合性：粘土的结合性是指粘土能够结合非塑性原料而形成良好的可塑泥团，并且有一
九年级化学金属和金属材料讲学案及思维导图 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
金属和金属材料讲学案 【本课思想导图】 课题1 金属材料教学 【教学设计思路】 根据课程标准要求，关于金属材料的学习，在认知领域的教学属于知道和了解水平，且学生已有关于金属和合金的不少生活常识，学习难度不大。为维护课标的严肃性，教学忌拔高知识难度，但在教学中，对于过程与方法，情感态度与价值观可考虑加强一些。使学生在学习过程中去深刻感知金属的物理性质及合金的巨大使用价值。从方法和情感层面获得加强和熏陶，不失为一种教学创新。这样做对知识学习而言，可以变枯燥为生动；对过程与方法而言，可以获得实验探究、调查研究、归纳分析等训练；还可透过关于中国冶金发展史的学习对爱国情感的熏陶等等。同时，本课题教材联系学生生活常识较多。为扩大学习成果，在课前、课中及课后力求安排一些学生活动，以激发化学学习的持久兴趣及升华科学情结。因此，本课题的教学，以指导学生探究学习、发展学生认知能力为出发点及归宿而设计。 【教学目标】 知识与技能： 1、通过日常生活中广泛使用金属材料等具体事例，认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 2、了解常见金属的物理性质，知道物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但同时还需考虑如价格、资源以及废料是否易于回收等其他因素。 3、认识在金属中加热熔合某些金属或非金属可以制得合金，知道生铁和钢等重要合金，以及合金比纯金属具有更广泛的用途。 过程与方法： 1、引导学生自主实验探究金属的物理性质（重点探究导电、导热性等）。
2、通过讨论探究物质的性质与用途的关系，培养学生综合分析问题的能力。 3、通过查阅合金的资料，培养学生独立获取知识的能力。 情感态度与价值观： 1、通过实验探究活动让学生体验成功的喜悦，逐步养成在学习过程中敢于质疑敢于探究的良好品质。 2、通过调查考察认识化学科学的发展在开发新材料提高人类生存质量方面的重大意义和贡献。 【教学重点】1、引导自主探究金属的物理性质。 2、在交流学习中认识常见的合金并了解其广泛的用途。 【教学方法】引导探究；指导调察，收集资料整理归纳；组织小组讨论交流及分享等。【仪器、药品及其它】 1、学生收集日常生活中的金属材料。 2、学生查阅有关金属材料发展前景资料。 3、酒精灯、火柴、干电池、导线、小灯泡、砂纸、铜丝、铁丝、铝丝、铁架台、黄铜、铜、焊锡、锡、铁片、铅、铝片、铝合金。 4、教师制作多媒体课件。 课时安排：2课时
第一章答案 1、为什么说钢中的S、P杂质元素总是有害的？ 答：S容易和Fe结合成熔点为989℃的FeS相，会使钢产生热脆性；P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相使钢在冷加工过程中产生冷脆性。 2、合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：凡是扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni; 凡是封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo。E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小；S点左移意味着共析碳含量减小。 3、那些合金元素能够显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有什么作用？ 答：B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni等元素能够显著提高钢的淬透性。提高钢的淬透性一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求;另一方面在淬火时，可以选用比较缓和的冷却介质以减小零件的变形和开裂的倾向。 4、为什么说合金化的基本原则是“复合加入”？举二例说明合金复合作用的机 理。 答：1.提高性能，如淬透性；2.扬长避短，合金元素能对某些方面起积极作用，但往往还有些副作用，为了克服不足，可以加入另一些合金元素弥补，如Si-Mn，Mn-V;3.改善碳化物的类型和分布，某些合金元素改变钢中碳化物的类型和分布或改变其他元素的存在形式和位置，从而提高钢的性能，如耐热钢中Cr-Mo-V,高速钢中V-Cr-W。 5、合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？ 答：1.细化A晶粒；2.提高钢的回火稳定性；3.改善机体韧度；4.细化碳化物；5.降低或消除钢的回火脆性；6.在保证强度水平下适当降低碳含量；7.提高冶金质量；8.通过合金化形成一定量的残余A，利用稳定的残余A提高钢的韧度。 6、钢的强化机制有那些？为什么一般的强化工艺都采用淬火-回火？ 答：固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化。因为一般的钢的强化都要求它有一定的强度的同时又要保持一定的任性，淬火后钢中能够形成M,这给了钢足够的强度，但是带来的后果就是韧度不够，而回火能够在强度降低不大的情况下给淬火钢以足够的韧性，这样能够得到综合力学性能比较优良的材料，所以一般钢的强化工艺都采用淬火加回火。 7、铁置换固溶体的影响因素？ 答：1.溶剂与溶质的点阵结构；2.原子尺寸因素；3.电子结构。 第二章 1、叙述构件用钢一般的服役条件、加工特点、性能要求? 答：服役条件：工程结构件长期受静载荷；互相无相对运动；受大气（海水）侵蚀；
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面 是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,， 晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平 面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ； （2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能
无机非金属材料知识点 一、重要概念 1、无机非金属材料 ①以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。 ②是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。 2、陶瓷 ①从制备上开看，陶瓷是由粉状原料成型后在高温作用下硬化而形成的制品。 ②从组分上来看，陶瓷是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。 3、玻璃 ①狭义：熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质 ②一般：若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有的各种特征性质，则不管其组成如何都可称为玻璃（具有玻璃转变温度 Tg）。 玻璃转变温度：热膨胀系数和比热等物理性质的突变温度。 具有Tg的非晶态材料都是玻璃。 4、水泥 凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石、钢筋等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。 5、耐火材料 耐火度不低于1580℃的无机非金属材料 6、复合材料 复合材料是两种或两种以上物理、化学性质不同的物质组合而成的一种新的多相固体材料。 通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能。 二、陶瓷知识点 1、陶瓷制备的工艺步骤 原材料的制备→坯料的成型→坯料的干燥→制品的烧成或烧结 2、陶瓷的天然原料 ①可塑性原料：黏土质陶瓷成瓷的基础（高岭石、伊利石、蒙脱石） ②弱塑性原料：叶蜡石、滑石 ③非塑性原料：减塑剂：石英助熔剂：长石
3、坯料的成型的目的 将坯料加工成一定形状和尺寸的半成品，使坯料具有必要的机械强度和一定的致密度 4、陶瓷的成型方法 ①可塑成型：在坯料中加入水或塑化剂，制成塑性泥料，然后通过手工、挤压或机加工成型；（传统陶瓷） ②注浆成型：将浆料浇注到石膏模中成型 ③压制成型：在金属模具中加较高压力成型；（特种陶瓷） 5、烧结 将初步定型密集的粉块（生坯）高温烧成具有一定机械强度的致密体。 固相烧结：烧结发生在单纯的固体之间 液相烧结：有液相参与，加助溶剂产生液相 好处：降低烧结温度，促进烧结 6、陶瓷的组织结构：晶相、玻璃相、气相 ①晶相：陶瓷的主要组成；分为主晶相和次晶相 ②玻璃相：玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热性等不利，不能成为陶瓷的主导组成部分。 玻璃相在陶瓷中的作用：粘结：粘结晶粒，填充空隙，提高致密度 降低烧成温度，促进烧结 ③气相：气孔；降低强度，造成裂纹。 7、陶瓷力学性能的特点 ①硬度：高②强度：抗拉强度很低、抗压强度非常高 ③塑性：塑性极差④韧性：韧性差、脆性大 8、陶瓷热学性能的特点 ①导热性：差，良好的绝热材料 ②热稳定性（抗热震性）：概念：材料承受温度的急剧变化而不至于被破坏的能力。陶瓷抗热震性一般较差 9、结构陶瓷 ①概念：能作为工程结构材料使用的陶瓷，一般具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境。 ②常见种类：Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4…陶瓷 ③应用：…… 10、陶瓷增韧技术：【机理：阻碍裂纹的扩展】 ①相变增韧：相变可吸收能量；体积膨胀可松弛裂纹尖端的拉应力，甚至产生
1 金属材料，教学设计Metal materials, instructional design
1 金属材料，教学设计 前言：小泰温馨提醒，化学是自然科学的一种，主要在分子、原子层面，研究物质的组成、性质、结构与变化规律，创造新物质。是一门以实验为基础在原子层次上研究物质的组成、结构、性质、及变化规律的自然科学。本教案根据化学课程标准的要求和针对教学对象是 初中生群体的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划、并以启 迪发展学生智力为根本目的。便于学习和使用，本文下载后内容可随意修改调整及打印。【--思路】 根据课程标准要求，关于金属材料的学习，在认知领域的教 学属于知道和了解水平，且学生已有关于金属和合金的不少生活 常识，学习难度不大。为维护课标的严肃性，教学忌拔高知识难度，但在教学中，对于过程与方法，情感态度与价值观可考虑加 强一些。使学生在学习过程中去深刻感知金属的物理性质及合金 的巨大使用价值。从方法和情感层面获得加强和熏陶，不失为一 种教学创新。这样做对知识学习而言，可以变枯燥为生动；对过 程与方法而言，可以获得实验探究、调查研究、归纳分析等训练；还可透过关于中国冶金发展史的学习对爱国情感的熏陶等等。同时，本课题教材联系学生生活常识较多。为扩大学习成果，在课前、课中及课后力求安排一些学生活动，以激发化学学习的持久 兴趣及升华科学情结。因此，本课题的教学，以指导学生探究学习、发展学生认知能力为出发点及归宿而设计。 【教学目标】
知识与技能： 1、通过日常生活中广泛使用金属材料等具体事例，认识金 属材料与人类生活和社会发展的密切关系。 2、了解常见金属的物理性质，知道物质的性质在很大程度 上决定了物质的用途，但同时还需考虑如价格、资源以及废料是 否易于回收等其他因素。 3、认识在金属中加热熔合某些金属或非金属可以制得合金，知道生铁和钢等重要合金，以及合金比纯金属具有更广泛的用途。 过程与方法： 1、引导学生自主实验探究金属的物理性质（重点探究导电、导热性等）。 2、通过讨论探究物质的性质与用途的关系，培养学生综合 分析问题的能力。 3、通过查阅合金的资料，培养学生独立获取知识的能力。 情感态度与价值观： 1、通过实验探究活动让学生体验成功的喜悦，逐步养成在 学习过程中敢于质疑敢于探究的良好品质。 2、通过调查考察认识化学科学的发展在开发新材料提高人 类生存质量方面的重大意义和贡献。
1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？有什么特点？简单点阵结构和复杂点阵结构简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好；复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。 3.简述合金钢中碳化物形成规律。①当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构；②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。 4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移意味着共析碳量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳量降低。 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？Ti、Nb、V等强碳化物形成元素（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。 7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。作用：一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；另一方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。 8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些。 9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？第一类回火脆性:脆性特征：①不可逆；②与回火后冷速无关；③断口为晶界脆断。产生原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C 薄膜在奥氏体晶界形成，削弱了晶界强度；杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。防止措施：①降低钢中杂质元素的含量；②用Al脱氧或加入Nb（铌）、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒；③加入Cr、Si调整温度范围；④采用等温淬火代替淬火回火工艺。第二类回火脆性：脆性特征：①可逆；②回火后满冷产生，快冷抑制；③断口为晶界脆断。产生原因：钢在450-650℃回火时，杂质元素Sb、S、As或N、P等偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度。高于回火脆性温度，杂质元素扩散离开了晶界或化合物分解了；快冷抑制了杂质元素的扩散。防止措施：①降低钢中的杂质元素；②加入能细化A晶粒的元素（Nb、V、Ti）③加入适量的Mo、W元素；④避免在第二类回火脆性温度范围回火 14.合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？钒和碳、氨、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在时，降低淬透性。 19.试解释40Cr13已属于过共析钢，而Cr12钢中已经出现共晶组织，属于莱氏体钢。①因为Cr属于封闭y相区的元素，使S点左移，意味着共析碳量减小，所以钢中含有Cr12%时，共析碳量小于0.4%，所以含0.4%C、13%Cr的40Cr13不锈钢就属于过共析钢。②Cr使E点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减小。在Fe-C相图中，E点是钢和铁的分界线，在碳钢中是不存在莱氏体组织的。但是如果加入了12%