1-金属材料制备原理与技术-概论1

金属材料制备原理与技术,李小明E-mail:xmli88,课程内容,材料概论2学时,金属材料的基本理论2学时,钢铁材料概述2学时,1,2,3,4,主要冶金方法及原理（讨论）2学时,4,5,第一部分：金属材料基本知识及其基本理论,第二部分：钢铁材料的冶金制备原理及技术,典型钢铁材料的冶金制备原理与技术8+4,讨论题,1.汽车用钢生产及应用技术（高强钢）2.高铁用钢生产及技术进展（车轴钢、弹簧钢、车轴钢、钢轨钢、道钉钢、车轮钢等）3.核电用钢生产及发展分三组进行，要求全部参与（材料搜集、PPT制作、课堂汇报、回答问题等）,压水堆核电站的用钢情况,教材及参考书,合金结构钢，项程云主编，冶金工业出版社，1999金属材料学，吴承建等主编，冶金工业出版社，2000金属材料先进制备技术，严彪等主编，化学工业出版社，2006特种熔炼与金属功能材料，崔雅茹等编，冶金工业出版社，2010有色金属及合金的熔炼与铸锭，王文礼等编，冶金工业出版社，2009感应炉冶炼，王振东等编，冶金工业出版社，2007高温合金，黄乾尧主编，冶金工业出版社，2000精密合金材料学，何开元主编，冶金工业出版社，1991现代电炉炼钢工艺及设备，阎立懿等编，冶金工业出版社，2011MetallicMaterialsPhysical,Mechanical,andCorrosionProperties，MarcelDekker,INC.2003MaterialsScienceandEngineering:anintroduction，WilliamD.CallisterJr.,JohnWiley&sons,Inc.2003现代冶金学，朱苗勇主编，冶金工业出版社，2005,1材料概论,1.1材料基本概念1.2材料的发展与人类文明1.3材料的分类1.4材料的要素及发展趋势1.5金属材料的分类及发展热点,什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。,1.1材料基本概念,一定的组成和配比；成型加工性形状保持性；经济性回收和再生性,注意:,材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。例如用铁矿石和焦炭炼成钢铁，铁矿石和焦炭是原料，而钢铁是材料，可用于制成各种机械、汽车、飞机等。大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料，如玻璃的制备。材料制备两个过程：材料合成，即通过原料的化学反应过程实现；材料化过程，保证它的物性、强度、形状。,1.2材料的发展与人类文明,第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料；第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料；第三代材料：高分子材料，从石油、煤等矿物资源中来；第四代材料：复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，而复合材料以各向异性为特征；第五代材料：材料的特征随环境和时间而变化的复合材料；,旧石器时代,新石器时代,石器时代公元前10000-公元前4000年,金属材料发展历史回顾,铜器时代,铁器时代,公元前一千二百年,金属材料发展历史回顾,十九世纪末到二十世纪中叶,低合金高强度钢,超高强度钢,合金工具钢,高速钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,电工用钢,铝合金,铜合金,钛合金,钨合金,钼合金,人类的四次技术革命，开创了高炉、转炉、电炉制造优质钢材和优质合金的工业化，促进了材料的发展。在相当一段时间里，金属有过辉煌的地位，直到20世纪50年代，以钢铁为代表的金属材料仍居统治地位。随着无机非金属材料(尤其是特种陶瓷)、高分子材料（第三代）及先进复合材料（第四代）的出现和发展，钢铁老人的地位受到了挑战。,材料与技术革命,1.3材料的分类,按物态划分：气态、液态和固态。按物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。（按成分、功能、应用来划分）按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料、核材料、航空航天材料等。按照尺寸（维数）和结晶状态分类；,1.3.1大材料分类,1.3.2金属材料的分类,1.3.3材料的性能已经发现的材料达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工业价值的也有8万余种；表14各种材料的主要物性,性质和现象（properties）赋予了材料的价值和应用性。材料功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)的定量度量和描述。也表示了其对外界刺激(如电场、磁场、温度场、力场等)的整体响应；使用性能（performance）是材料在使用条件下应用性能的度量，用于制造各种器件和物品。结构与成分(composition-structure)包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式。合成、制备和加工(synthesis-processing）实现了特定原子排列。,1.4材料4要素,材料四面体（tetrahedron）,材料科学研究材料的结构和性质之间的关系,材料工程通过结构设计和加工以达到利用材料的某一特殊性质的目的,合成/制备结构/成份性质和现象使用性能,固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等,用于制造各种结构和功能器件或物品,同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。,性质材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述材料对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应是合成或加工后材料结构和成分所产生的结果,使用性能包括可靠性、有效寿命、速度、能量利用率、安全性和寿命期费用等材料在最终使用状态时的行为材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素取决于材料的基本性能，也应注意加工工艺技术的影响,结构与成分每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系大多数材料结构尺度上的化学成分和分布是立体变化的结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材料性质,合成和加工指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程合成：指原子和分子组合在一起制造新材料的物理和化学方法，包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成加工：除了上述三个方面外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。合成和加工的区别已变得模糊,1）从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2）金属矿储量中，铁矿资源虽较丰富和集中，但地壳中非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1，钛为0.6。3）非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4）非铁金属所创造的价值高，并且有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度（按单位质量计算的材料的强度）高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。,1.5金属材料的应用情况,美国8个工业部门对材料的要求,超导电缆,由光导纤维构成的光缆,机械手柔性三维运动,形状记忆合金,生物金属材料,金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长,期安全服役的却不多。经过长期研究和临床筛选而得到广泛应用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及其合金、形状记忆合金和贵金属，此外还有钽、铌、锆和磁性合金等。,记忆型镍钛牙弓丝,人工髋关节,城域光纤宽带网，适用于电信、网通、广电等数据网络运营商多媒体传输：图像、话音、数据综合传输、适用于远程教学、会议电视、可视电话等应用实时监控：实时控制信号、图像及数据同时传输抗恶劣环境：适用于强电磁干扰、远距离的恶劣环境下组网；,单纤双向光纤收发器,1.6材料的发展1.6.1材料的未来发展趋势复合化、功能化、智能化、低维化；建立定量的结构与性能关系；分子设计；先进制造技术：低成本、高质量、高效率；节省资源、节约能源、回收