第0章 绪论-0904.ppt

金属材料学,绪论,一材料发展是人类社会进步发展的标志,新材料使用对社会发展起着重要的推动作用。钢铁材料孕育了产业革命；半导体材料促进了现代信息技术的建立和发展；复合材料及新型超合金材料为空间技术的发展奠定了物质基础；光导纤维的出现又为现代数字信息技术及网络技术带来了无限美好前景。,材料、能源和信息已经成为现代文明的三大支柱，而材料则是其中的物质基础。进入21世纪以来，信息、新材料、生物技术被视为21世纪新技术的主要标志。材料科学水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民经济水平及综合国力的重要标志。许多国家都把新材料的研究开发放在了优先发展的地位。,二.材料的分类主要按材料的性质分:金属材料钢铁材料（铁基材料）:钢、铁非铁金属材料:Al、Mg、Cu、Ti及其合金无机非金属材料包括陶瓷材料、水泥、玻璃、搪瓷等有机高分子化合物基于、基础上具有大分子结构的有机化合物复合材料多种材料的复合体。,按使用性能分类结构材料和功能材料按结构分类晶态、非晶态、准晶态材料按物理性质分类导电、绝缘、半导体、高温、高强度、磁性、超导、透光材料等。按用途分类电子、研磨、电工、光学、建筑、结构、感光、耐酸、包装材料等。,材料科学与工程材料工程技术范畴目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。侧重于工艺与使用性能间关系。材料科学科学范畴包括材料本质的发现，分析和了解等方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料内在的组织、结构与性能之间的关系。,什么是材料科学与工程？MSE：MaterialsScienceandEngineering材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。材料的成份、结构、制造工艺、性能及使用性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。材料科学与工程也是一门跨学科的学科，它与许多工程学科，如机械工程、化学工程、电子工程等相重叠。,三.金属材料特点与发展历史金属有比高分子材料更高的强度、模量、耐热性；金属有比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；金属材料的发展历史是悠久的，进入19世纪后呈现出异乎寻常的发展速度，出现了前所未有的辉煌;金属材料工业属于夕阳工业的说法是不正确的。,钢铁仍将是21世纪中国结构材料的支柱1.钢铁具有丰富的矿产资源在世界发现的200种矿产中，铁矿石储藏量在1500亿t左右，其中中国约64.4亿t，即使按现在4%8%年开采量增长率计算，世界铁矿石至少可开采到2050年；在有色金属中，铝土矿储藏量约300亿t，其他金属如铜、钛、钒、钴等总贮藏量不足30亿t。石油作为塑料等高分子材料的重要资源，全世界储量约1117.7亿t，其中中国约18.98亿t，如果考虑到其他行业的需求，其实际可利用资源是极其有限的。钢铁的另一资源优势，特别是和塑料、陶瓷相比，是其良好的循环再生能力，目前世界废钢回收率早已超过55%，随着电炉炼钢技术的不断进步和完善，将来几乎所有钢铁制品废弃物最终将返回钢厂再生。,2.钢铁生产能源消耗低钢铁生产具有较低能源消耗。矿石炼钢能耗仅为矿石炼铝的1/4，塑料的1/3，仅高于水泥；二次冶炼技术的进步，钢铁从传统的钢锭模铸技术逐渐被连铸连轧技术所代替，大大缩短了工艺流程，降低了能源消耗并节约成本；随着薄板坯近终形连铸连轧技术的日益成熟，钢铁的能耗和成本还会进一步降低。3.钢铁可大批量生产在所有结构材料中，钢铁在品种、规格和产量方面具有无可比拟的优势。在产量上能与钢铁相比拟的仅有水泥和高分子材料。尽管钢铁生产受到如能源危机等的影响和来自其他材料的挑战，钢铁生产仍以年增长1%的速率递增，由于基数大，每年钢铁增长的绝对值非常可观。,4.钢铁具有低廉的生产成本和销售价格丰富的矿产资源，先进的制造技术和大批量生产，使钢铁具有远较其他结构材料优越的成本和价格优势。钢铁矿石冶炼成本仅为相应铝的1/10。在世界钢铁市场上，钢铁价格远低于其他材料制品价格。新的钢铁生产技术的涌现和发展，将进一步降低钢铁生产成本，提高生产效率，钢铁的价格优势将更加显著。,5.钢铁是与环境相对友好的材料目前，几乎所有原材料生产工业均是污染大户，相对而言，钢铁的环境协调性更好些。1）钢铁及其副产品可以再生;2）钢铁废物排放量小，而且随着无焦炼铁法、直接还原铁法(DRI)等新工艺的应用，以及各种短流程生产工艺的优化，减少了能源消耗和各种与之相关的气体、固体、液体排放量，使钢铁生产与环境更为协调。3）钢铁对环境友好，可以自然降解。钢铁在2000年的历史中对环境的影响远好于塑料在20年中对环境的污染。,6.钢铁具有优异的使用性能一个材料的使用性能，既包括力学、物理和化学性能，也包括安全性、耐用性、可靠性及便利性等，在这些方面钢铁远优于其他材料。钢铁具有远较陶瓷优越的塑性和韧性，又没有塑料难于弥补的低温脆化和高温软化缺点。,7.钢铁具有良好的加工性能钢铁具有远优于陶瓷、塑料及复合材料的加工性能冷加工、铸、锻、焊等技术手段粉末冶金方法拉制成高强钢丝，轧制成板材；冲压成汽车壳体，锻造成大型发电机转子；焊接成巨大船体、核电站压力壳，铆接、紧固联接及焊接组合建造大跨度桥梁热处理改变整体组织和性能，也能通过感应淬火、化学热处理、激光淬火等表面处理技术改变局部组织与性能可通过粒子注入、物理及化学气相沉积等表面工程因此钢铁具有采用广泛的加工手段来满足各种用途要求的能力,8.钢铁具有很大的市场需求,9.对经济发展、社会进步仍有重大推动作用尽管钢铁在最近一二十年来遇到来自先进材料的挑战，钢铁对经济发展和社会进步仍起着举足轻重的作用;举两例:汽车:面对日益严重的环境压力，钢铁在减轻汽车重量，降低油耗，减少废气排放，推动汽车产业进步方面的作用是无可替代的;火力发电是我国主要的供电方式，发电机组效率的提高依赖于蒸汽参数(压力、温度)的提高，而要提高蒸汽参数就需要高温强度高、性能可靠的耐热钢。,10.钢铁已达到先进材料的要求所谓“先进材料”一般公认具有3个特点:综合利用现代的科学技术成就，多学科交叉，知识密集，投资量大；往往在一定特定的条件下(如高温、真空、急冷、纯净等)才能生产；难度大，更新换代快，技术保密性强。现代化的钢铁生产已经能完全满足“先进材料”的上述条件。电渣重熔、真空脱气、炉外精炼及控轧控冷技术的不断进步和完善，可以精确地控制钢材的化学成分、夹杂物含量及形状、晶粒尺寸及力学性能等。,11.钢铁具有最完备的理论基础和知识体系化学冶金、物理冶金和力学冶金都是以钢铁为主体发展来的。到本世纪50年代，金属与陶瓷、高分子、电子和光学材料等汇合在一起，才形成材料科学和工程大学科。长期以来，钢铁曾是无数科学家的主要研究对象，有关钢的相变、塑变、相结构和合金理论是最为完整的。在钢铁生产、加工和应用等方面，也积累了大量的实践经验，有的已形成国家标准和规范，并且已走向国际化。所有这些都是人类共有的精神财富，也是支撑钢铁工业健康发展的理论基础。但这并不意味着钢铁已经没有什么可以研究的了，老学科仍然有很多新的生长点。,12.钢铁还有巨大的发展潜力近来，晶界工程已成为降低成本获得优良性能结构材料的强有力手段，实验表明，利用晶界工程，一些超耐热不锈钢的腐蚀抗力几乎提高10倍，高温蠕变抗力提高15倍，疲劳抗力提高2倍；IF钢冷加工脆化抗力提高4倍；利用新的热机械加工方法及其他制造技术;利用加压融熔凝固技术或气体雾化与粉末冶金技术的结合，已开发出氮含量1%的超极限含氮不锈钢，实现了高强度与高腐蚀抗力的结合;利用计算机技术可有效地进行钢材成分设计优化、组织性能预测、应力分布及变形估计，设计出性能优良的结构钢材。,四.金属材料的发展现状与发展趋势新金属材料已取得长足进展，并正在发展。1.高纯材料2.高强度及超高强度金属材料通常典型超高强度材料包括超高强度钢、高强度铝合金、高强度钛合金等3.超易切削钢和超高易切削钢,4.硬质合金与金属陶瓷金属陶瓷(cemet)5.高温合金与难熔合金目前可用于高温合金的材料主要由铁、镍、钴组成，其中当含铁量大于50%时称耐热钢，当小于50%时称高温合金.,6.纤维增强金属基复合材料制备各种比强度、比弹性模量高的材料。7.共晶合金定向凝固材料在特殊条件下制备出来的复合材料，目前已研制出的典型材料有Cu-Cr共晶合金(Cr为晶须，Cr1.6)、A1-Al3Ni共晶合金(Al3Ni为晶须)，可广泛用于涡轮叶片等耐热材料原生复合(insitucomposite),8.快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝技术产生了一系列非平衡态的金属合金，包括:非晶、微晶、纳米晶、准晶;9.有序金属间化合物介于高温合金与陶瓷材料之间的一类新型高温结构材料,具有高温强度高、抗氧化性好、弹性模量高、密度低、疲劳强度和蠕变性能也较好等特点.对某些金属间化合物的屈服强度还有随温度升高面提高的反常特性.,10.超细纳米颗粒金属材料超细金属颗粒是泛指颗粒直径小于100nm（纳米）的金属颗粒，大于100nm的金属颗粒称为粉末，小于2nm的金属颗粒则称为原子簇（Cluster）强度大幅度提高，导热性良好，有超导性，有较大表面能（有利各种活化反应等）用途广泛，超细金属颗粒的分散、存储、运输等方面尚存在不少问题有待研究,五.学习金属材料学的基础金属学（材料科学基础）晶体学、结晶学（凝固理论）、相图学、扩散理论与固态相变、材料的变形与断裂理论、各类材料概论金属材料与热处理热处理原理热处理工艺“四把火”+表面热处理+化学热处理,Fe-C相图,加热转变,钢的热处理工艺示意图,珠光体（P）727-500一般珠光体P索氏体S屈氏体T贝氏体（B）：230-550上贝氏体：羽毛状，550-350下贝氏体：黑色针状，350-230马氏体（M）,冷却转变,图示：共析碳钢的TTT曲线,共析碳钢的连续冷却转变曲线(CCT),0.3%碳钢连续冷却转变曲线(CCT曲线),六、关于本课程的教与学,本课程的教学目的,材料研究的诸多要素,本课程的主要内容1）钢（铁）材料的合金化原理2）各类钢铁材料工程结构钢机械制造结构钢工具钢不锈钢;耐热钢；高强钢3）有色金属材料铝合金；镁合金；铜合金；钛合金。,最早的模铸件一个铜制杖头,4000BC金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。,3000BC青铜的使用-制造合金青铜：第一种合金,1450BC铁的发现铁制车轮,钛结构自行车,钛结构自行车架的断面结构,钛合金的焊接,LandmarkTower,HigherStrength,HigherSafety,ADamage