金属材料学 绪论.pdf

金属材料学金属材料学 戴起勋戴起勋 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 20052005 一 课程特点和要求一 课程特点和要求 课程特点 综合性 应用性 经验性 金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程 课程特点 综合性 应用性 经验性 金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程 课程要求课程要求 掌握合金化理论的基本知识掌握合金化理论的基本知识 了解材料成分设计 的基本依据 熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺 组织 性能之间的关系 根据零件技术要求 能正确地 选择材料和制订工艺 了解材料成分设计 的基本依据 熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺 组织 性能之间的关系 根据零件技术要求 能正确地 选择材料和制订工艺 二 课程要点及思路二 课程要点及思路 主线 材料成分 工艺 组织 性能 应用之间的有机关系 核心 合金化原理 主线 材料成分 工艺 组织 性能 应用之间的有机关系 核心 合金化原理 思想思想 作用的辨证与矛盾的转化 作用的辨证与矛盾的转化 三 教学安排三 教学安排 教学 详略 有的内容自学 实践 课堂讨论 小论文 综合性实验 思考题 考试 考试 平时 课堂讨论与实验 教学 详略 有的内容自学 实践 课堂讨论 小论文 综合性实验 思考题 考试 考试 平时 课堂讨论与实验 图材料学主线示意图图材料学主线示意图 绪论绪论 金属材料的过去 现在和将来金属材料的过去 现在和将来 0 1 金属材料发展简史0 1 金属材料发展简史 1 第一阶段1 第一阶段 原始钢铁生产原始钢铁生产 公元前4300年 自然的金 铜及锻打等工艺公元前4300年 自然的金 铜及锻打等工艺 公元前2800年 铁的熔炼公元前2800年 铁的熔炼 公元前2000年 青铜器兴盛 编钟与武器 商 公元前2000年 青铜器兴盛 编钟与武器 商 周 春秋战国 周 春秋战国 东汉时 反复锻打钢 最原始形变热处理工艺 东汉时 反复锻打钢 最原始形变热处理工艺 淬火技术 淬火技术 浴以五牲之溺 淬以五牲之脂浴以五牲之溺 淬以五牲之脂 现代的水淬 油淬 现代的水淬 油淬 上图 吴王夫差矛和越王勾践剑 右上 商周时期的青铜敦和尊 盘 国家一级文物 右下 商代青铜纵目人面像 上图 吴王夫差矛和越王勾践剑 右上 商周时期的青铜敦和尊 盘 国家一级文物 右下 商代青铜纵目人面像 擂鼓礅二号墓编钟复制件 1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套 音律准确 音色 优美 其件数和规模仅次于曾侯乙编钟 总音域达5个8度以上 可 自己转调 奏出五声 六声 七声音阶构成的各种乐曲 须五人合 作演出 众声齐发 交响叠鸣 无愧为古代音乐之绝响 擂鼓礅二号墓编钟复制件 1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套 音律准确 音色 优美 其件数和规模仅次于曾侯乙编钟 总音域达5个8度以上 可 自己转调 奏出五声 六声 七声音阶构成的各种乐曲 须五人合 作演出 众声齐发 交响叠鸣 无愧为古代音乐之绝响 2 第二阶段2 第二阶段 金属材料学科的基础金属材料学科的基础 奠定金属材料学科基础奠定金属材料学科基础 金属学 金相学 相变和合金钢等 金属学 金相学 相变和合金钢等 1803年 道尔顿提出年 道尔顿提出原子学说原子学说 阿伏加德罗提出阿伏加德罗提出分子论分子论 1830年 年 Hessel提出提出32种种晶体类型晶体类型 普及普及晶体指数晶体指数 1891年 俄 德 英等国科学家分别独立地创立了年 俄 德 英等国科学家分别独立地创立了点阵结点阵结 构理论构理论 1864年 年 Sorby制备第一张制备第一张金相照片金相照片 9倍 但意义重大 倍 但意义重大 1827年 年 Karsten从钢中分离出了从钢中分离出了Fe3C 1888年年Abel证明了证明了 这是这是Fe3C 1861年 俄契尔诺夫提出了钢的年 俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度临界转变温度的概念的概念 19世纪末 马氏体研究已成为时髦 世纪末 马氏体研究已成为时髦 Gibbs得到了得到了相律相律 Robert Austen发现了发现了奥氏体固溶特性奥氏体固溶特性 Roozeboom建建 立了立了Fe Fe3C系的平衡图 系的平衡图 钢的组织命名钢的组织命名 Austenite 英金属学家 英金属学家Austen Bainite 美科学家 美科学家Bain Sorbite 英科学家 英科学家Sorby Martensite 德科学家 德科学家Marten Troostite 法化学家 法化学家Troost Ledeburite 德学者 德学者Ledebur 新合金钢发明新合金钢发明 1820年 铁年 铁 铬合金 铬合金 1857年 钨钢 年 钨钢 1898年年 含钨高速钢雏形含钨高速钢雏形 1871年 锰钢和硅钢年 锰钢和硅钢 开始了合金钢的新纪元开始了合金钢的新纪元 3 第三阶段3 第三阶段 微观组织理论大发展微观组织理论大发展 合金相图 合金相图 X射线发明及应用 位错理论的建立射线发明及应用 位错理论的建立 1912年 发现年 发现X射线 证实 射线 证实 Fe是是bcc Fe是是 fcc 固溶体规律 固溶体规律 1931年 发现合金元素的扩大和缩小 区作用年 发现合金元素的扩大和缩小 区作用 1934年 俄国年 俄国Polanyi 匈牙利 匈牙利Orowan和英国和英国Taylor各自各自 独立地提出了位错理论 解释钢的塑性变形 马氏独立地提出了位错理论 解释钢的塑性变形 马氏 体转变的晶体学 体转变的晶体学 1938年 发明了电子显微镜 年 发明了电子显微镜 1910年 发明年 发明A不锈钢 不锈钢 1912年发明了年发明了F不锈钢等 不锈钢等 1990年 发明了布氏硬度计 年 发明了布氏硬度计 Griffith提出了应力集中会导提出了应力集中会导 致产生微裂纹 致产生微裂纹 4 第四阶段4 第四阶段 微观理论的深入研究微观理论的深入研究 微观理论的深入研究微观理论的深入研究 原子扩散及其本质的研究 钢原子扩散及其本质的研究 钢TTT曲线测定 曲线测定 贝氏体 马氏体转变理论形成了比较完整的理论 贝氏体 马氏体转变理论形成了比较完整的理论 位错理论建立位错理论建立 电子显微镜的发明 看到了钢中第二相沉淀析出 位错电子显微镜的发明 看到了钢中第二相沉淀析出 位错 滑移 发现了不全位错 层错 位错墙 亚结构 滑移 发现了不全位错 层错 位错墙 亚结构 Cottrell 气团等现象 位错理论 气团等现象 位错理论 新科学仪器不断发明新科学仪器不断发明 电子探针 场离子发射显微镜和场电子发射显微镜 扫电子探针 场离子发射显微镜和场电子发射显微镜 扫 描透射电镜 描透射电镜 STEM 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜 STM 原子 原子 力显微镜 力显微镜 AFM 等 等 0 2 现代金属材料0 2 现代金属材料 先进结构材料的研究与开发是永恒的主题 先进结构材料的研究与开发是永恒的主题 开发高性能结构材料开发高性能结构材料 高比强度 耐高温 耐腐蚀 耐磨 损 降低机械重量 提高性能 延长使用寿命的关键 复合材料 结构材料 广泛应用 如铝基复合材料 开 发各种系列用途的低温奥氏体钢 高比强度 耐高温 耐腐蚀 耐磨 损 降低机械重量 提高性能 延长使用寿命的关键 复合材料 结构材料 广泛应用 如铝基复合材料 开 发各种系列用途的低温奥氏体钢 改造传统结构材料改造传统结构材料 重要途径是组织更细更均匀 材料更 纯洁 关键是工艺 重要途径是组织更细更均匀 材料更 纯洁 关键是工艺 新一代钢铁材料新一代钢铁材料 强度相当于现 有钢铁材料两倍 强度相当于现 有钢铁材料两倍 美美 9 119 11 事件 暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 开发高强热轧耐火耐候钢 事件 暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 开发高强热轧耐火耐候钢 开发其他高性能钢开发其他高性能钢 利用各种新工艺新方法制造出韧性 和耐磨性都很好的新型工具钢 经济合金化是高速钢的 一个发展方向 工具材料的各种表面处理技术开发 在 新型工具材料的开发上具有重要的意义 利用各种新工艺新方法制造出韧性 和耐磨性都很好的新型工具钢 经济合金化是高速钢的 一个发展方向 工具材料的各种表面处理技术开发 在 新型工具材料的开发上具有重要的意义 先进制备工艺先进制备工艺 如金属半固态加工技术 铝镁合金技术成 熟 已应用 如金属半固态加工技术 铝镁合金技术成 熟 已应用 现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向 水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车 水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车 材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变 美国飞行汽车将于2009年上市销售美国飞行汽车将于2009年上市销售 MX 400空中汽车MX 400空中汽车 美国莫勒潜心研究 被誉为美国莫勒潜心研究 被誉为 汽车演变 的里程碑 汽车演变 的里程碑 飞机外形像一辆新颖别致的小汽车 空中飞行 依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇 飞机外形像一辆新颖别致的小汽车 空中飞行 依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇 自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后 各种飞机不断地在快速发展 对制造飞机各类零部件的材料要求也越来 越高 主要是比强度高 重量轻 耐高温 耐疲劳等性能 自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后 各种飞机不断地在快速发展 对制造飞机各类零部件的材料要求也越来 越高 主要是比强度高 重量轻 耐高温 耐疲劳等性能 世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的 在在 9 11 事件中 该双子大楼 遭到袭击 毁于一旦 但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将 永远载入史册 事件中 该双子大楼 遭到袭击 毁于一旦 但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将 永远载入史册 泰坦尼克号快速沉没的原因泰坦尼克号快速沉没的原因 小问题引大灾难 泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没小问题引大灾难 泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没 经查明是 因为含有9 矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架 经查明是 因为含有9 矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架 0 3 金属材料的可持续发展与趋势0 3 金属材料的可持续发展与趋势 2004年提出了2004年提出了 循环型社会的材料产业循环型社会的材料产业 材料产业材料产业 的可持续发展的可持续发展 微生物冶金 微生物冶金 无废物的生产 已在许多国家进行了工无废物的生产 已在许多国家进行了工 业性生产 美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的业性生产 美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的 10 日本人工培植海鞘以提取钒 海水是一种液态矿 海10 日本人工培植海鞘以提取钒 海水是一种液态矿 海 水中含有的合金元素量超过100亿吨 现在已可从海水中提水中含有的合金元素量超过100亿吨 现在已可从海水中提 取镁 铀等元素 全世界生产的镁大约有20 来自海水 美取镁 铀等元素 全世界生产的镁大约有20 来自海水 美 国靠这种镁已满足着需求量的80 国靠这种镁已满足着需求量的80 我国资源短缺 资源浪费严重 污染严重 我国资源短缺 资源浪费严重 污染严重 循环材料产业循环材料产业 适应时代需要 把生态环境意适应时代需要 把生态环境意 识贯穿于产品和生产工艺的设计之中 提高材料利识贯穿于产品和生产工艺的设计之中 提高材料利 用率 降低生产和使用过程中环境的负担 发展形用率 降低生产和使用过程中环境的负担 发展形 成成资源资源 材料材料 环境环境良性循环的产业 良性循环的产业 合金发展的主流方向是合金发展的主流方向是少合金化与通用合金少合金化与通用合金 形成绿色 生态材料体系 有利于材料的回收与再形成绿色 生态材料体系 有利于材料的回收与再 生利用 要研究开发与人民生活密切相关的生利用 要研究开发与人民生活密切相关的绿色材绿色材 料料以及以及环境友好材料环境友好材料 钛合金钛合金 被称为被称为 空间金属空间金属 未来钢铁未来钢铁 钛合金比强度是最高的 在高温和低温下都能钛合金比强度是最高的 在高温和低温下都能 保持高强度 耐蚀性也是无可匹敌的 保持高强度 耐蚀性也是无可匹敌的 钛在地球中含量不少 钛在地球中含量不少 0 6 但是提炼工艺 但是提炼工艺 复杂 成本高 广泛应用受到限制 复杂 成本高 广泛应用受到限制 钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金 属材料之一 属材料之一 世界上第一个载人宇宙飞船世界上第一个载人宇宙飞船 世界上第一个世界上第一个 太空人太空人 有色金属 有色金属 资源面临着不可持续发展的严重问 题 主要是资源破坏严重和利用率很低 浪费惊 人 精深加工技术落后 高档产品缺乏 创新成 果少 高新技术成果产业化程度不高 开发高性 能结构材料及其先进工艺方法是主流 如 铝锂 合金 快速凝固铝合金等 资源面临着不可持续发展的严重问 题 主要是资源破坏严重和利用率很低 浪费惊 人 精深加工技术落后 高档产品缺乏 创新成 果少 高新技术成果产业化程度不高 开发高性 能结构材料及其先进工艺方法是主流 如 铝锂 合金 快速凝固铝合金等 有色金属功能材料也是发展方向 有色金属功能材料也是发展方向 未来对材料和技术的要求未来对材料和技术的要求 环境