材料工程基础绪论及第一篇

1、材料工程基础材料工程基础周根树一、研究内容一、研究内容 关于关于材料制备、合成、加工以及改性方法的原理及其与材材料制备、合成、加工以及改性方法的原理及其与材料结构、性能之间关系的知识。料结构、性能之间关系的知识。二、材料工程的地位二、材料工程的地位1.在材料学科中的地位在材料学科中的地位2. 在社会发展中的地位在社会发展中的地位材料服役材料服役材料性能材料性能组织与结构组织与结构制备与合成制备与合成司母戊鼎司母戊鼎越王剑越王剑3d打印手枪打印手枪PCVD零件零件三、现代材料工程发展特点三、现代材料工程发展特点爆发式（速度）多样化（种类）重要性四、该课程目的及四、该课程目的及意义意义 了解关于材

2、料制备、合成的基本原理，为今后从事材料研究、新材料、新工艺开发打下基础。五、课程主要内容五、课程主要内容 钢铁冶金、粉末冶金、材料成形加工、热处理、表面技术、材料制备新技术。六、该课程的特点六、该课程的特点 以材料质量控制为主线。 第一篇第一篇 钢铁冶金钢铁冶金绪论绪论一、冶金方法：一、冶金方法：火法冶金、湿法冶金、粉末冶金火法冶金、湿法冶金、粉末冶金二、钢铁冶金重要性二、钢铁冶金重要性钢铁时代的到来创造了灿烂的人类文明；钢铁时代的到来创造了灿烂的人类文明；第一次产业革命的基础；第一次产业革命的基础；至今仍是材料的主宰；至今仍是材料的主宰；钢铁产量和用量是衡量国家经济实力的重要指标；钢铁产量和

3、用量是衡量国家经济实力的重要指标；钢铁生产是相对成熟的工艺，对其它冶金有借鉴作用；钢铁生产是相对成熟的工艺，对其它冶金有借鉴作用；钢铁生产技术本身也在进步，还需要不断开发。钢铁生产技术本身也在进步，还需要不断开发。钢铁冶金流程材料发展历程材料需求材料需求钢铁材料钢铁材料是最重要是最重要的结构材料的结构材料腐蚀失效腐蚀失效u20-40%/20-40%/金属年产量金属年产量u1 1亿吨金属亿吨金属/ /年年u10-20%/10-20%/钢结构（中国）钢结构（中国）钢材需求量和消费强度各种基础原材料的产量,钢铁最高钢铁材料强度的发展材料的回收利用率项目与目标项目与目标 世界主要产钢大国超级钢铁材料的

4、研发项目世界主要产钢大国超级钢铁材料的研发项目第一章第一章 炼铁炼铁1.元素在地壳中的含量：如图元素在地壳中的含量：如图2.铁冶金简史：铁冶金简史：古代：古代：“海绵铁海绵铁”固相还原固相还原 火法冶金始于春秋时代、火法冶金始于春秋时代、成熟于汉代。成熟于汉代。序序3.现代炼铁方法：高炉炼铁、现代炼铁方法：高炉炼铁、 非高炉炼铁。非高炉炼铁。铁刃铜钺铁刃铜钺铁狮体重约铁狮体重约50吨吨(公元公元953年年)身高身高5.78米，长米，长5.34米米，宽，宽3.17米米，中国古代炼铁技术中国古代炼铁技术1 11 1高炉炼铁的原料及设备高炉炼铁的原料及设备一、原料：一、原料： 铁矿石，焦碳，熔剂1.

5、铁矿石铁矿石种类：Fe3O4（磁铁矿）, Fe2O3（赤铁矿）等。杂质（脉石）：SiO2,Al2O3,CaO,MgO。作用：提供铁元素。要求：品位高，酸性脉石少，粒度均匀合适，强度较高，还原性 好， 成分波动小。2.焦碳焦碳作用：提供热量，还原剂，料柱骨架要求：杂质少，水分稳定，强度好，粒度均匀3.熔剂熔剂组成：石灰石为主作用：造渣要求：碱性氧化物含量高，杂质少，强度高，粒度均匀。二炉渣及其碱度炉渣及其碱度1)按酸碱性分按酸碱性分 酸性氧化物：SiO2, P2O5, V2O5 碱性氧化物：CaO, MgO, FeO, MnO, MnO2 两性氧化物：Al2O3, Fe2O3, Cr2O3 Ca

6、O, FeO, MnO, MgO,CaF2, Fe2O3, Al2O3, SiO2,P2O5 碱性增强 酸性增强 2)按状态分按状态分 简单化合物：CaO, MgO，SiO2 复杂化合物：2 CaO. SiO2，3 CaO. P2O5 复杂化合物比简单化合物稳定性高，活性小。1.炉渣的组成炉渣的组成：以氧化物为主2.炉渣碱度（炉渣碱度（R）：炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的浓度比（常用摩尔分数之比） R=% CaO/% SiO2,；或 R=% CaO/% SiO2+% P2O5 若 R1： 碱性渣R1：酸性渣R=1： 中性渣 高炉组成高炉组成炉体炉体炉缸炉缸储存铁水、储存铁水、炉渣炉渣炉腹炉腹反

7、应、熔化反应、熔化炉身炉身反应、装料反应、装料炉喉炉喉加料，排气加料，排气加料装置加料装置送风装置送风装置实际生产中的炼铁高炉实际生产中的炼铁高炉1 12 2 高炉内基本反应高炉内基本反应铁水常规5元素：C,Si,Mn,P,S一炼铁的实质炼铁的实质：通过还原反应还原出铁、锰、硅、磷、硫以及碳渗入铁水中的过程。二反应二反应：铁、锰、硅、磷的还原，渗硫及脱硫，渗碳。1.铁的还原铁的还原还原剂：CO，C，H2还原过程：Fe2O3Fe3O4FeOFe2. 锰的还原锰的还原 还原过程：MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn CO还原 C还原影响因素： T，Mn R，Mn （ 约40-60%被还原的锰可进

8、入铁水）3.硅的还原硅的还原 还原剂：C 影响因素： T，Si R，Si 4磷的还原磷的还原 1）还原剂：C 2）反应：（CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO-Q 3）影响因素：T，PR，P5脱硫反应脱硫反应 先出现渗硫，再脱硫 1)反应：FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO-Q 2) 影响因素：T，SR，SC, S 3) 硫的分配：炉渣、炉气、铁中 4）硫的控制： 优质低硫原料：洗煤、降低焦比（国际上460公斤焦碳/吨生铁） 高温，高碱度6渗渗碳：碳： 约4%左右。1.3 1.3 高炉炼铁工艺高炉炼铁工艺1 14 4 高炉冶炼产品高炉冶炼产品 1.生铁生铁 炼钢生铁：8

9、0%，1.5% Si 铸造生铁：20%，2.75-3.25% Si 铁合金2.炉渣炉渣 炉渣：生铁=0.6：13.炉气炉气 炉气：生铁=5：1本章重点本章重点1.高炉炼铁的实质（基本反应）2.原料及其作用3.主要概念：炉渣碱度第二章第二章 炼钢炼钢序序一发展概况一发展概况 我国古代：炒钢，“百炼成钢”；卢定桥铁索 国外：1740年，坩埚炼钢 1856年，贝塞麦，酸性转炉 1878年，托马斯，碱性转炉 1950年前，平炉主导 1952年后，LD转炉逐渐取得主导 目前：氧气顶吹转炉主导，电弧炉次之。 各种精炼方法、特殊炼钢方法涌现 二炼钢的实质二炼钢的实质 实质：通过氧化反应降低生铁中碳及其其它杂

10、质的过程。 钢与铁：C：2.1%，生铁；0.008%C Ca Si Mn脱氧剂特点及应用脱氧剂特点及应用锰铁硅铁铝复合脱氧剂脱氧能力弱强更强最强渣排除能力强弱强最强附带作用综合硫、强化细化晶粒应用各类钢镇静钢镇静钢镇静钢3.脱氧方法脱氧方法1)扩散脱氧：依靠氧向炉渣中扩散而被脱去的方法，亦称间接脱氧2)沉淀脱氧：脱氧剂进入钢液内部进行脱氧反应而脱氧的方法，亦称直接脱氧。3)特点及应用速度污染条件应用扩散脱氧慢小还原性气氛电弧炉沉淀脱氧快大无限制各类炼钢方法2.2 2.2 一般炼钢法一般炼钢法转炉、电弧炉一氧气顶吹转炉炼钢法氧气顶吹转炉炼钢法1.原理：铁水热+反应热炼钢2.设备 见图3.原料：铁

11、水、（废钢）+熔剂4.冶炼过程：装料、吹炼、测温、脱氧及出钢5.冶炼特点不需外加热源反应剧烈生产率高 1.11.5万吨/吨.年烟尘大，是装入量的0.81.3%产品品种多6.产品质量特点 1）钢中含气量小 N，H含量低时效敏感性及脆性低，钢塑韧性及焊接性能好 2）P，S含量与电弧炉相当 脱磷率：9095% 脱硫率：7080% 3）夹杂物及外来元素少 冷变形、抗应变时效和焊接性能好 用途：薄板，焊接钢管和无缝钢管等。二电弧炉炼钢法二电弧炉炼钢法1原理：利用电弧与燃料之间产生的电弧进行熔炼2种类 酸性电弧炉：用于铸钢车间。 碱性电弧炉：用于炼钢。3设备 见图4冶炼过程：补炉、装料、熔化、氧化、还原（

12、脱氧、脱硫）、出钢5电弧炉冶炼特点炉温高：3000OC，可熔化任何金属热效率高：体积小，密封好熔池温度易于控制炉内气氛易于控制可用合金、废钢、非高炉生铁熔炼炉内温差大，元素易烧损。生产成本高，生产率较低电离的H、N易进入钢中。6.电弧炉钢质量特点1) P，S含量低2)夹杂物少（扩散脱氧，炉温高，渣易上浮）3)冶炼成分易控制 4)N，H含量高。应用于高合金工具钢、不锈钢及耐热 钢等。2.3 2.3 钢的浇注和钢锭钢的浇注和钢锭一钢锭的浇注钢锭的浇注（自学）二钢锭结构钢锭结构1钢锭类型钢锭类型O%应用镇静钢0.00150.008优质碳素钢半镇静钢0.0040.02沸腾钢0.0150.04普通低碳钢

13、 2. 结构特点结构特点 见图 外 内 镇静钢：激冷层 柱状晶 中心等轴晶 沸腾钢：坚壳层 蜂窝气泡带，中间坚固带 二次气泡带 锭心等轴晶 沸腾钢钢锭结构3.各种钢锭特性比较各种钢锭特性比较钢种钢种力学性能力学性能收得率收得率成本成本表面质量表面质量内部质量内部质量偏析偏析沸腾钢沸腾钢低低90%低低高高气孔多气孔多头部偏析头部偏析大大半镇静钢半镇静钢中中90%较高较高一般一般较多较多头部偏析头部偏析镇静钢镇静钢高高80%高高有发纹有发纹完整完整少少三连续铸钢三连续铸钢定义：采用连续铸机直接把钢液凝固成钢坯定义：采用连续铸机直接把钢液凝固成钢坯1工艺过程工艺过程浇注-结晶器冷凝-二次冷却-矫直-

14、切割2工艺参数工艺参数注温：大于模铸2050OC注速：V=K.L/A，K系数；L周长；A面积冷速：过低拉漏，切漏；过高间隙，裂纹3.连铸工艺特点冷速快、污染小、长度方向质量一致4连铸钢质量特点连铸钢质量特点a 结构致密，均匀;b 偏析小;c夹杂物总量小d易出现表面裂纹;e易出现中心偏析和缩孔（疏松）5技术经济特点技术经济特点a收得率高;b质量优 结晶器结晶器2.4 2.4 钢的冶金质量及控制钢的冶金质量及控制冶金质量：成分、气体、夹杂物、缺陷常存元素：C,Si,Mn,P,S,H,N,O常规5元素：C,Si,Mn,P,S合金元素：为获得一定的组织和性能特意加入的 一一. . 化学成分的影响化学成

15、分的影响1.硅硅益：固溶强化、脱氧、提高淬透性害：夹杂、降低塑韧性2.锰锰 益：固溶强化、综合硫、脱氧、细化晶粒、提高淬透性 害：夹杂、Ms降低 3.硫硫易形成热裂、热脆焊接中易形成气孔及缩松（SO2）降低钢的使用性能各向异性耐蚀性可改善切削性能物质FeSFeS-FeFeS-Fe-FeO熔点（OC）11909899404.磷磷1）易形成热裂、热脆2）加剧偏析3）冷脆4）回火脆性5）抗大气腐蚀6）切削性能 物质Fe-Fe3PFe-Fe3C-Fe3P熔点（OC）1050940二气体二气体1氢氢危害：形成氢脆或白点1)氢脆氢脆 定义：由于氢而导致的在低应力载荷下的脆性断裂 特点：属应变时效型脆性（滞

16、后破坏），即在应力作用一定时间后材料突然发生 断裂 影响因素：形变速率 H Sb、Sn、S等 氢脆工作温度：-100100度 晶粒度组织：塑性 1108钢级螺杆在650MPa应力下延迟断裂2）白点定定义义：纵向断口上出现的圆形或椭圆形的银白色斑点，亦称发裂原原因因：局部氢与应力的综合作用3)改善措施：H ，去氢退火2氮1）影响时效脆性易形成气泡和疏松细化晶粒，扩大奥氏体区2）改善措施减少气体进入，除气合金化三非金属夹杂物三非金属夹杂物1来源来源外来夹杂物 内生夹杂物2种类种类 氧化物, 硫化物, 氮化物, 硅酸盐3影响影响 1）导致应力集中及裂纹产生 2）使塑韧性下降，疲劳强度降低 3）易形成热裂、热脆 4）影响表面质量及模具寿命 5）切削性能下降 6）加剧腐蚀 7）影响热处理性能：淬火开裂、氮化中引起起泡4.减少减少非金属夹杂物的途径非金属夹杂物的途径1）原材料控制夹杂元素含量2）炼钢中的排除3）浇注时的镇静