绪论(2h).ppt

1、1,武汉理工大学 材料学院 School of Materials Science and Engineering, WUT,金属材料学,叶卫平,2,武汉理工大学 材料学院 School of Materials Science and Engineering, WUT,绪论,金属材料的过去、现在和将来,上午6时4分 Weiping YE,3,Cahn R W, Physical Metallurgy ，4rd Ed, Elsevier Science BV, 1996.,Cahn-剑桥教授，英皇家学会会士(FRS)，现中科院外藉院士,.叙述了金属材料发展。指出金属材料发展史简单地可分为四个阶

2、段.,原始金属材料生产,金属材料学科基础,微观理论大发展,微观理论深入研究,上午6时4分 Weiping YE,4,0.1 金属材料发展简史,第一阶段原始金属材料生产 公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺 公元前2800年：铁的熔炼 公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国） 东汉时：反复锻打钢最原始形变热处理工艺。 淬火技术:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” 现代的水淬、油淬。,上午6时4分 Weiping YE,5,上图：江陵楚墓越王勾践宝剑 右上：青铜鼎 右下：商代青铜纵目人面像,上午6时4分 Weiping YE,6,世界音乐史上的奇迹湖北省随州市曾侯乙编钟,25

3、00年前战国时代，共有65件，2500公斤,上午6时4分 Weiping YE,7,上图 沧州铁狮子 铸于953年，重40余吨。 右图 当阳铁塔 铸于1061年，八棱13层， 塔体分段铸造,上午6时4分 Weiping YE,8,0.1 金属材料发展简史,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,中国古代铁器的金相组织,上午6时4分 Weiping YE,9,0.1 金属材料发展简史,第二阶段金属材料学科的基础(19世纪) 金属学、金相学、相变和合金钢等发展 1864年，Sorby 摄制人类第一张金相照片 19世纪末Fe-Fe3C系的平衡相图 这一阶段新合金钢 1820年Berthier成功研制了铁铬合金；

4、 1857年Jacob发明了钨钢，Mushet发展了钨钢，为高速钢开发应用打下了基础； 1871年Robert Hadfield研究成功了锰钢和硅钢。,上午6时4分 Weiping YE,10,0.1 金属材料发展简史,这一阶段对金属学发展有突出贡献的人 英国金属学家Austen，奥氏体(Austenite) 美国科学家Bain，贝氏体(Bainite) 英国科学家Sorby，索氏体(Sorbite) 德国金属学家Marten，马氏体(Martensite) 法国化学家Troost，托氏体(Troostite) 德国学者Ledebur，莱氏体(Ledeburite),上午6时4分 Weipin

5、g YE,11,0.1 金属材料发展简史,Voelklingen Ironworks founded in 1883, closure in 1986. In 1994 it was awarded the status of a World Cultural Heritage by UNESCO.,上午6时4分 Weiping YE,12,0.1 金属材料发展简史,第三阶段微观理论大发展（19001940） 大学设置冶金系（Cambridge大学Cottrell 把该校冶金系改名材料与冶金系） 发现了X射线点阵类型、原子尺寸、电化学因素证实()-Fe是bcc，-Fe是fcc；固溶体规律 打破

6、了晶体是完整性观念位错理论（解释钢塑性变形） 这一阶段新合金钢 Strauss 1910年发明了奥氏体不锈钢，Brearly在1912年发明了铁素体不锈钢,上午6时4分 Weiping YE,13,0.1 金属材料发展简史,第四阶段微观理论深入研究（ 1940年 电子显微镜发明(1938年)（第二相沉淀析出，位错的滑移，亚结构） 扩散驱动力本质研究，钢TTT曲线 贝氏体、马氏体 转变形成了比较完整的理论 得利于新仪器发明和性能提高 电子探针分析器、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜(STEM)、扫描隧道显微镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)等,上午6时4分 Weiping Y

7、E,14,Basic Oxygen Furnace（BOF）,Accounts for 70% of steel production in U.S,上午6时4分 Weiping YE,15,BOF Sequence,charging of scrap,blowing,tapping the molten steel,pouring off the slag,charging of pig iron,上午6时4分 Weiping YE,16,BOF sequence,tapping the molten steel,上午6时4分 Weiping YE,17,现 代 钢 铁 生 产,上午6时4分

8、 Weiping YE,18,0.2 现代金属材料,先进结构材料的研究与开发是永恒的主题 开发高性能结构材料：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。 改造传统结构材料：重要途径是组织更细更均匀，材料更纯洁 关键是工艺。“新一代钢铁材料” 强度相当于现有钢铁材料两倍。美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 开发高强热轧耐火耐候钢。 先进制备工艺：如MIT的Flemings金属半固态加工技术，铝镁合金技术成熟，已在工业中应用。,上午6时4分 Weiping YE,19,0.2 现代金属材料,先

9、进结构材料的研究与开发是永恒的主题 开发其他高性能钢：由于各种低温技术的温度、应力等的服役条件不同，因此对所需结构材料的性能要求也不同；需要开发各种系列用途的低温奥氏体钢。 利用各种新工艺新方法：制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。,上午6时4分 Weiping YE,20,现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向,上午6时4分 Weiping YE,21,水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车,材料发展使汽车和飞机等性能发生了突变,上午6时4分 Weiping YE,22,0.3 金属材料的可持续

10、发展与趋势,2004年 “循环型社会材料产业材料产业可持续发展”。 微生物冶金:无废物生产，在许多国家进行了工业性生产。美用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%，日本人工培植海鞘以提取钒。海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中提取镁、铀等元素，世界生产的镁约20%来自海水，美国靠这种镁已满足着需求量的80%。 我国资源短缺：资源浪费严重；污染严重。,上午6时4分 Weiping YE,23,0.3 金属材料的可持续发展与趋势,循环材料产业：把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料的利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。 代替含稀缺合金元素的新型合金材料和不含毒

11、害元素的材料，充分利用再生资源需解决的科技问题，发展形成资源材料环境良性循环的产业。 合金发展的主流方向:少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。研究开发绿色材料以及环境友好材料。,上午6时4分 Weiping YE,24,0.3 金属材料的可持续发展与趋势,有色金属 钛合金被称为“空间金属”、“未来钢铁”。 钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。 有色金属精深加工技术 开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如铝锂合金、快速凝固铝合金等。有色金属功能材料也是发展方向.,上午6时4分 Weiping YE,25,0.3 金属

12、材料的可持续发展与趋势,用非金属(non-metal)代替金属，有色(non-ferrous)代替钢铁 提高材料的利用率(utilization ratio) 高性能(high performance)材料的采用 新材料新工艺的采用(e.g. PVD，CVD),上午6时4分 Weiping YE,26,2004年中国各种材料总产量及排名,工程院院士：左铁镛,上午6时4分 Weiping YE,27,0.4 学习方法,Synthesis & Processing composition, crystal growth, thermal treatment, etc.,Composition &

13、Structure,Properties electronic mechanical optical, etc.,Performance,来源：MIT主编材料科学与工程百科全书1986,Tetrahedron,上午6时4分 Weiping YE,28,0.4 学习方法及参考书,抓典型 典型材料(typical materials) 合金化特点(alloying) 工艺(technique)特点组织(microstructure)特点性能特点 。 典型零件(typical working pieces) 服役(service)条件对性能(performance)要求合理选材加工(processing)路线合适工艺。,上午6时4分 Weiping YE,29,0.4 学习方法及参考书,参考书 张联盟材料学高等教育出版社，2005年 吴承建金属材料学机械工业出版社，2001年 王晓敏工程材料学机械工业出版社，1999年 王笑天金属材料学机工版，93 崔昆钢铁材料及有色金属材料机工版，80 章守华合金钢冶金工业出版社，1981 Kenneth G. Budinski, Engineering Materials properties & selections, 7th Edition， 20