金属学及热处理绪论教案课件

金属学及热处理绪论绪论材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。按物理化学属性，材料可以分为：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，以及不同类型材料组成的复合材料。（一）材料的定义及分类第1页/共37页绪论按应用领域，材料可以分为：电子材料，航空航天材料，核材料，建筑材料，能源材料，生物材料等。按使用用途，材料可以分为：结构材料和功能材料。按先进性，材料可以分为：传统材料和新材料（先进材料）。（一）材料的定义及分类第2页/共37页绪论一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以用石头作工具。一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头加工成器皿和工具，在8000年前，开始人工烧成陶器，用于器皿和装饰品。（二）材料的发展与人类的进步材料的发展是人类进步程度的重要标志，是人类社会发展的里程碑。第3页/共37页绪论五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜浇铸成型，人类开始大量使用金属，河南安阳的鼎，湖北隋县的编钟，西安的青铜车马等。二千年以前，人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水利和军事的发展和人类社会进步，直至18世纪进入近代工业快速发展时代。（二）材料的发展与人类的进步材料的发展是人类进步程度的重要标志，是人类社会发展的里程碑。第4页/共37页我国春秋战国时期《周礼。考工记》中总结了“六齐”规律：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”。是世界上最早的合金化工艺总结。汉代的“先炼铁后炼钢”的技术已居世界领先位置。西汉《史记。天官书》中有“水与火合为淬”。《汉书。王褒传》中有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”我国明朝科学家宋应星著《天工开物》一书中，记载了冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、退火、淬火、渗碳等多种金属成形和改性方法及生产经验,是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一。第5页/共37页绪论十八世纪发明了蒸汽机，十九世纪发明了电动机，对金属材料要求提高。1854年发明了转炉炼钢，1864年发明了平炉炼钢，1890年年产2800万吨钢。十九世纪末开始电炉炼钢，各种特殊钢相继问世：1987年的高锰钢、1890年的高速钢（W18Cr4V）、1903年的硅钢、1910年的奥氏体不锈钢。（二）材料的发展与人类的进步金属材料的近代发展历程：第6页/共37页绪论二十世纪初铜和铝开始大量应用，二十世纪中叶镁和钛开始工业应用。金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主体地位。（二）材料的发展与人类的进步金属材料的近代发展历程：年份产量，亿吨第7页/共37页绪论二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世：1909年的酚醛树脂（电木）、1920年的聚苯乙烯、1931年的聚氯乙烯和1941年的尼龙。二十世纪中叶，通合成及其它方法，制备出各种类型的先进陶瓷材料，如：Si3N4,SiC,ZrO2等。（二）材料的发展与人类的进步其它材料的近代发展历程：第8页/共37页绪论二十世纪中叶开始出现先进复合材料：树脂基已经得到广泛应用，金属基复合材料在汽车和航天航空领域开始应用，陶瓷基复合材料在1000－2000℃高温环境得到应用，C/C和C/SiC复合材料在2000℃以上超高温环境得到应用。功能材料近50年发展速度很快：磁性材料、半导体材料、光纤材料和硅材料－－以硅片为代表的电子材料时代。（二）材料的发展与人类的进步其它材料的近代发展历程：第9页/共37页绪论（三）材料科学与工程的内涵材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、制备与加工工艺、材料性能与使用效能以及他们之间的关系.结构/成分性质合成/制备效能性质成分组织结构效能（使用性能）合成/制备理论、材料设计与工艺设计受环境影响（气氛、温度、受力）材料科学与工程要素图(a)四要素图(b)五要素图第10页/共37页绪论（三）材料科学与工程的内涵材料科学的三个重要属性：

多学科交叉---它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学以及计算科学相互融合和交叉的结果。与实际使用结合非常紧密---发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等。正在发展中的科学---不像物理学和化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。第11页/共37页绪论（四）材料科学与技术发展的重点开发先进材料---材料制备新技术的开发；新材料的设计与制备。改进现有材料---传统材料的改性；先进复合材料的研制。材料的应用---材料的应用要考虑的主要因素有：材料的使用性能；材料的使用寿命及可靠性；材料制备、加工与使用期间与环境的适应性；价格。第12页/共37页绪论（五）金属学及热处理的主要研究内容成分-----组成材料的元素种类及其含量。结构-----原子在三维空间中的排列方式。相-----合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。组织-----在显微镜下可以直接观察到的形貌特征。45#钢含碳0.45%，含铁99.55%体心立方和复杂正交结构铁素体和渗碳体铁素体和珠光体四个基本概念：体心立方结构珠光体铁素体珠光体=铁素体+渗碳体45#钢的微观组织第13页/共37页绪论（五）金属学及热处理的主要研究内容金属学的主要内容：金属的晶体结构纯金属晶体结构面心立方体心立方合金的晶体结构固溶体金属化合物金属晶体的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷金属的结晶合金相的凝固平衡结晶不平衡结晶纯金属的结晶热力学形核长大二元合金相图铁碳合金Fe-Fe3C相图分析平衡结晶过程典型相图匀晶相图共晶相图包晶相图金属的塑性变形和再结晶塑性变形组织变化性能变化变形后加热回复再结晶晶体的形成晶体中的相塑性变形对晶体的影响金属学主要研究内容：晶体的表示方法、形成规律和变化规律。晶体的结构和组织与晶体性能的关系。第14页/共37页绪论（五）金属学及热处理的主要研究内容热处理的主要内容：热处理热处理工艺退火正火淬火回火热处理原理冷却转变珠光体转变回火转变马氏体转变贝氏体转变加热转变奥氏体转变合金的时效铝合金的时效热处理主要研究金属的微观组织结构和性能在不同加热和冷却条件下的变化规律和变化机制，以及实现的工艺方法和工艺条件。第15页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况金属学理论的发展为热处理技术的进步提供了基础和保障。金属材料的化学成分影响其性能，但同一成分的金属材料的性能可以通过热处理进行改变。热处理的特点是不改变金属材料的形状和整体化学成分，而是通过改变工件材料内部的微观组织结构，赋予或改善工件的使用性能。金属热处理是机械制造领域最重要的技术之一，钢铁是机械工业中应用最广泛的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁热处理是金属热处理的主要内容。第16页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况十九世纪以前的民间技艺阶段对金属材料的认识：早在人类开始炼制和使用金属材料的青铜器时代，人类就初步掌握了合金成分配比与性能的经验关系。西周时期，青铜材料便得到了普遍应用。河南安阳晚商遗址出土的巨型司母戊鼎和湖北江陵楚墓中发掘的越王勾践的精致宝剑，堪称是我国青铜器的杰出代表。战国时期，已经开始大量生产与使用铁器。从西汉到明代，我国钢铁生产的技术和其它金属材料的工艺水平居世界领先地位。第17页/共37页铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了闻名于世的以泥范(砂型)、铁范

(金属型)和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。据考证,早在3000年前的商周时期,我国已发明了古代失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎，重875kg，体积庞大，花纹精巧，造型精美。湖北江陵楚墓中发现的越王勾践青铜宝剑，地下埋藏了2000多年，但依然刃口锋利，寒光闪闪，可一次割透叠在一起的十多层纸张。第18页/共37页西汉时期曾大量使用的“透光”铜镜，被西方人称为“中国魔镜”，就是我国古代工匠们巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变形的原理而制成的。现存于北京大钟寺内的明朝永乐年间铸造的大铜钟，重46．5t，钟身内外遍铸经文20余万字，是世界上铸字最多的大钟，其钟声浑厚虽在悦耳，远传百里。我国河北沧州的五代铁狮、湖北当阳的北宋铁塔等，都是世界著名的巨型铸件。北京故宫、颐和园内精美的铜狮、铜鹤、铜龟和铜亭构件等，则是我国明清时期失蜡铸造的代表作。第19页/共37页第20页/共37页越王勾践剑，春秋晚期，距今2400多年第21页/共37页

永乐大钟通高5.5米，口径3.3米，重约46吨，以“五绝”荣获“钟王”之誉：

1.形大量重、历史悠久、历史内涵最为丰富；

2.钟身内外整齐地铸有23万多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟；

3.有世界第一流的声学特性,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮,钟声悠雅感人,益寿延年,钟声可传40～50公里；

4.钟体力学结构设计合理。

5.铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一，是中华民族精神的象征,中华民族的骄傲。第22页/共37页

沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨第23页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况十九世纪以前的民间技艺阶段对金属材料的认识：早期人类对金属内部组织的认识主要来自工匠的长期实践，如根据金属材料的断口色泽与纹理判断其纯度和性能，并用以指导成分配比、冶炼和其它工艺方法的改进。因此，在十九世纪以前，人类对金属材料的认识还只停留在民间技艺阶段。第24页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况十九世纪以前的民间技艺阶段对热处理工艺的认识：在从石器时代进入铜器和铁器时代过程中，热处理的作用就逐渐开始被人们所认识。早在公元前七世纪，中国人就发现铜和铁的性能受温度和变形的影响；公元前六世纪，钢铁兵器的淬火工艺就得到了迅速发展，同时人们也逐渐发现了冷却剂对淬火质量的影响。从战国到明清以前出土的大量金属制品可以看出，中国古代热处理水平在世界是领先的。第25页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况十九世纪后期的实验技术阶段十九世纪后期，随着光学显微镜在金属微观组织分析中的应用，人们发现钢经加热和冷却后，其内部发生组织变化，同时伴随着硬度的变化。为了纪念英国科学家RobertAusten对建立Fe-C相图所做出的贡献，将钢在高温时呈现的相命名为奥氏体；为了纪念德国冶金学家AdolphMartens在利用光学显微镜观察钢的内部组织方面所做的先驱工作，将淬火后得到的相命名为马氏体。第26页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况十九世纪后期的实验技术阶段

由于光学显微镜的出现，使人们可以从材料微观组织变化的角度认识和指导钢铁材料的热处理，因此使金属学与热处理成为一门实验技术和科学得到发展。第27页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况近代的理论科学阶段本世纪初期，X射线衍射技术和电子显微分析方法的出现，为探索金属中原子排列的晶体结构和观察金属组织的精细结构奠定了基础。随着实验检测技术的不断提高以及热力学、物理化学、固体物理和材料力学等各学科间的相互渗透，人们对金属和合金的微观结构与性能的关系有了日趋深入地认识，形成了近代金属学体系。第28页/共37页绪论（六）金属学及热处理的发展概况近代的理论科学阶段

近几十年来，以马氏体相变为核心的固态相变理论得到了迅速发展，固态相变理论日臻成熟。成熟的热处理工艺已经广泛应用于工业领域，并且随着金属物理的发展和其它新技术的移植应用，各种先进的热处理技术不断出现并得到应用。第29页/共37页绪论（七）本课程的任务及在科研生产中的地位任务：学习金属材料微观组织结构及其变化规律学习金属材料微观组织结构与性能的内在关系学习热处理对金属材料微观组织结构及性能的影响机制学习金属材料热处理理论在工业生产中的应用第30页/共37页绪论（七）本课程的任务及在科研生产中的地位地位：为研制和开发新材料提供理论基础是提高产品质量和寿命的关键工序是充分发