燃气轮机材料基础课件：工程材料概述

燃气轮机材料基础工程材料概述

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。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。

公元前10万年石器时代

公元前3000年青铜器时代

公元前1500年铁器时代

17世纪钢(铁)时代

公元前6000年(陶)瓷器时代新材料时代：信息材料、新能源材料，以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料材料发展是人类社会进步发展的标志最早的模铸件—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铁的发现铁制车轮机身材料的变迁:

钢--铝合金--钛材料--各种复合材料材料的分类

主要按材料的性质分:金属材料

钢铁材料（铁基材料）:钢、铁有色（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Ｃ、Ｈ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。1.1金属材料的发展

中国冶金发展史的我国冶金技术的发展，经历了漫长的岁月和曲折的道路，到中华人民共和国建立以前，大致可以分为以下四个发展时期：荣辱兴衰公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生（一）青铜冶铸业兴起→鼎盛时期（二）钢铁冶铸业兴起→发展→繁荣（三）冶金技术纵深发展（四）冶金技术衰落时期石器时代陶器时代公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（一）青铜冶铸业兴起→鼎盛时期

Cu的熔点1085℃

～公元前2100年

原始社会末期：开始使用简单铜器奴隶社会建立：兴起青铜冶铸技术商代和西周：青铜业达到鼎盛时期夏公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（二）钢铁冶铸业兴起→发展→繁荣

Fe的熔点1538℃

春秋末期(奴隶制崩溃、封建制产生):

─兴起钢铁冶炼技术春秋末期的生铁冶铸技术比世界各国要早一千九百多年

春秋战国时期：

─铁器的使用和冶金技术兴起、发展战国初期的生铁柔化处理技术比西方要早二千三百多年

秦汉至南北朝时期：

─中央集权的封建国家，使发展达到新的高峰，标志着炼铁技术史上的一个繁荣时期。具有中华民族特色的古代冶炼铁技术体系基本建立起来，并保持着世界领先的水平。公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（三）冶金技术纵深发展隋唐以后（隋唐五代宋元时期）：

冶金技术进入纵深发展时期有色金属及其合金的生产有很大的发展钢铁产量大幅度上升对科学技术进行系统整理

系统的科学技术著作（宋代沈括《梦溪笔谈》问世）材料种类有色黑色冶金方法火法水法系统整理科学技术公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生

（四）冶金技术衰落时期在欧洲，产业革命促进了冶金技术的巨大发展。由于我国古代冶金技术没有超出封建手工业的水平，我国冶金技术终于从明末以前的世界领先地位逐渐落后到西方资本主义近代冶金技术的后边。

1840年鸦片战争以后，民族冶金工业处于风雨飘摇之中。到全国解放前夕，我国的冶金工业已经处于奄奄一息的状态。公元元年50010001500公元前200050010001500公元1900公元前2100三国西晋东晋

隋五代

元南北朝唐宋明清夏商西周东周春秋战国秦西汉东汉奴隶制崩溃封建制产生高技术新材料研究(863、973)

洁净钢超高强度超纯净钢超级性能现只用到理论强度的七分之一

元素

黑色金属

Fe,Cr,Mn

有色金属

Cu,Zn,Pb,Ni,Co,Sb(重)

Al,Mg(轻)

Au,Ag,Pt,Pd(贵)

Ti,Ta,Nb,W,Mo(稀)

非金属

C,Si,O,…

金属材料金属结构材料铁金属：碳钢、低合金钢、合金钢、高温合金、铸铁非铁金属：铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、锆合金金属间化合物：Ni3Al,Fe3Al,Ti3Al,Al3Ti,Al3Nb,Fe3Si金属基复合材料：基体─铝基,镁基,钛基,钢基,铜基增强体─碳纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，氮化硅金属功能材料磁性材料：Fe,Fe-Si,Fe-Ni(软),Sm-Co(硬),Fe-Al-Ni-Co(永),Nd-Fe-B(永)电性材料：Nb-Ti(超导合金),Nb3Ge(金属间化合物)弹性材料：高弹─Cu基，Fe基，Ni基，Co基恒弹─Fe-Ni,Co-Fe,Fe-Mn减振材料：铸铁，Fe-Cr-Al强磁性减振合金形状记忆合金：Ti-Ni,Cu-Zn,Cu-Al-Ni,Fe-Mn-Si储氢合金：Ti,LaNi5,ZrMn2191952.4:BIISI1988:→USTB20WhereAreMetalsinthisKindofFigures?21KLU,Science,16April,2010TheFutureofMetals金属材料特点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。

8.钢铁具有很大的市场需求

WhystillIronandSteelsevennowadays？

－ShareofMarketAnalysis29China'ssteeloutputisNo.1intheworldfor15yearssofar1996–2010:15yearsLIShijun,Xining,Aug.6,20119.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:①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；②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；③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。34K.Lu,Science328,319(2010)2.T.W.Eagar,WeldingJ.70(6),69(1991)2723.M.F.Ashby,MaterialsSelectioninMechanicalDesign,3rdedn.268(Elsevier,Amsterdam,2005)269

1.2研究对象

相互关系、变化规律？金属学是关于金属材料（金属和合金）的科学，它的中心内容是研究金属和合金的成分、结构、组织和性能，以及它们之间的相互关系和变化规律。成分、结构、组织性能从创造和应用金属材料开始性能基础知识成分相互联系金属学的加工处理变化规律基本内容质量检验改进工艺金属学的发展积累金属材料的

十九世纪后期显微镜的应用+

揭开金属材料内部的一些秘密物理化学分析方法形成现代金属学的新领域：金相学

二十世纪三十年代

X射线技术电子显微镜场离子显微镜电子探针由宏观到微观、直至原子组态、电子结构方面的秘密及其和性能方面的相互联系、变化规律都初步揭示出来，金属学更加趋于完善。金相学+物理化学+材料力学→金属学

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法相互关系、变化规律？成分、结构、组织性能分析成分、测定结构、观察组织测试性能金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）偏析气孔裂纹断口形式细微组织微裂纹纳米相（0.2μm）→2万倍→20万倍→100万倍（10Å～100Å）

1.3

金属学的研究方法

金属学实验研究方法观察组织测定结构分析成分

测试性能

金属学理论研究方法宏观分析:低倍组织,化学、物理不均匀性微观分析:光学显微镜,显微组织（1000-1500倍）电子显微镜,电镜组织（10-7～10-6cm）（0.2μm）→2万倍→20万倍