材料的分類與鋼鐵生產(chǎn)

1、第第1章章 材料的分類與鋼鐵生產(chǎn)材料的分類與鋼鐵生產(chǎn)1. 1 材料的分類材料的分類1. 2 鋼鐵生產(chǎn)鋼鐵生產(chǎn)何謂材料？何謂材料？人類用以制造各種有用物品的物質(zhì)。人類用以制造各種有用物品的物質(zhì)。 二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。手手錘錘銼刀銼刀國產(chǎn)渦噴國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機 鐵是人類生產(chǎn)和生活鐵是人類生產(chǎn)和生活 所必須的物質(zhì)基礎所必須的物質(zhì)基礎。材料是人類進化的里程碑。材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來

2、劃分時代。家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史l 石器時代（公元前石器時代（公元前10萬年）萬年）l 青銅器時代（公元前青銅器時代（公元前3000年）年）l 鐵器時代（公元前鐵器時代（公元前1000年年l 水泥時代（公元水泥時代（公元0年）年）l 鋼時代（鋼時代（1800年）年）l 硅時代（硅時代（1950年）年）l 新材料時代（新材料時代（1990年）年）l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器時代，中華年的新石器時代，中華民族的先人就能用黏土民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時燒制成陶器，到東漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。傳海外。

3、4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時期，我年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應星在星在天工開物天工開物一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在金屬材料及熱處理方這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。面就已經(jīng)有了較高的成就。生鐵炒熟鐵圖生鐵炒熟鐵圖宋應星宋應星 龍芯龍芯波音客機波音客

4、機l 按應用領域分類按應用領域分類 1. 機械工程材料機械工程材料 2. 建筑工程材料建筑工程材料 3. 電子工程材料電子工程材料 4. 航空材料等航空材料等l 按性能結(jié)構特點分類按性能結(jié)構特點分類 1. 結(jié)構材料結(jié)構材料（承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構穩(wěn)定的材料（承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構穩(wěn)定的材料） 2. 功能材料功能材料（具有一種或幾種特定功能，用于非承載目的材料（具有一種或幾種特定功能，用于非承載目的材料） l按組成與化學鍵分類按組成與化學鍵分類 1. 金屬材料金屬材料 2. 無機非金屬材料無機非金屬材料 (陶瓷材料）陶瓷材料） 3. 高分子材料高分子材料 4. 復合材料復合材料

5、特點特點l以金屬鍵結(jié)合為主以金屬鍵結(jié)合為主 l良好的導電性、導良好的導電性、導 熱性、延展性和金熱性、延展性和金屬光澤屬光澤 ，熔點較高。，熔點較高。l用量最大、應用最用量最大、應用最廣泛廣泛黑色金屬黑色金屬鐵及鐵合金（鐵及鐵合金（鋼鐵材料鋼鐵材料）有色金屬有色金屬輕金屬輕金屬, ,重金屬重金屬, ,貴金屬貴金屬, ,半金屬，半金屬， 稀有金屬稀有金屬 及其合金及其合金黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達12億噸，億噸，在機械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的在機械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的60%以上。以上。鳥巢鳥巢4.2萬噸萬噸Q460鋼材鋼材2. 無機非金屬

6、材料無機非金屬材料特點：（以陶瓷為例）特點：（以陶瓷為例）l以共價鍵和離子鍵以共價鍵和離子鍵為主為主l熔點高、硬度高、熔點高、硬度高、耐高溫抗氧化、耐耐高溫抗氧化、耐腐蝕、耐磨、脆性腐蝕、耐磨、脆性大大 混凝土、水泥、耐火材混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等料、陶瓷等傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷，是以天然材料，是以天然材料( (如黏土、石英、長石等如黏土、石英、長石等) )為原料的為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發(fā)動機陶瓷發(fā)動機特種陶瓷特種陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），常用作工程上的耐熱、耐蝕、

7、耐磨零件。物），常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。 塑料、橡膠、合成纖維、粘合劑、涂料等塑料、橡膠、合成纖維、粘合劑、涂料等l以分子鍵和共價鍵為主以分子鍵和共價鍵為主l分子量大，無明顯熔點，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性分子量大，無明顯熔點，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小好，密度小 高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應用。中被廣泛應用。 ETFEETFE（聚氟乙烯）耐腐蝕（聚氟乙烯）耐腐蝕性、保溫性俱佳，自清潔性、保溫性俱佳，自清潔能

8、力強能力強 按基體材料可分為按基體材料可分為l金屬基復合材料金屬基復合材料l陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料l高分子復合材料高分子復合材料 l是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構的材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強高分子復合材料玻璃纖維增強高分子復合材料航空發(fā)動機航空發(fā)動機材料發(fā)展的歷程示意圖材料發(fā)展的歷程示意圖隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的進步，對材料的要隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的進步，對材料的要求越來越苛刻，結(jié)構材料向高比強、高剛度、高韌性、求越來越苛刻，結(jié)構材料向高比強、高剛度、高

9、韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。 國產(chǎn)東風國產(chǎn)東風4D-0088內(nèi)燃機車內(nèi)燃機車美國美國F-117隱身飛機隱身飛機新材料在不斷地涌現(xiàn)。新材料在不斷地涌現(xiàn)。機械工業(yè)是材料應用的重要領域。機械工業(yè)是材料應用的重要領域。l隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。 l在產(chǎn)品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材在產(chǎn)品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。料及材料加工方面的問題。 l 工程材料學工程材料學 論述工程上常用材料的論述工程上常用材料的成分、成分、組織結(jié)構組織結(jié)構、加工工藝

10、與性加工工藝與性能能之間關系及其應用的一門學科之間關系及其應用的一門學科 l任務任務 了解工程材料的基本理論知識；了解工程材料的基本理論知識； 掌握化學成分、組織結(jié)構、加工工藝與性能之間的關系掌握化學成分、組織結(jié)構、加工工藝與性能之間的關系 了解常用材料的用途和加工工藝；了解常用材料的用途和加工工藝； 初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝 路線的能力。路線的能力。 化學成分化學成分( (成分成分) )：組成材料各元素在材料中的濃度。組成材料各元素在材料中的濃度。 組織：組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察用肉眼或借助于不同放

11、大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。到的金屬內(nèi)部的情景。鋼錠的宏觀組織鋼錠的宏觀組織顯微組織顯微組織電鏡組織電鏡組織 結(jié)構：結(jié)構：材料中各原子的具體組材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過合狀態(tài)。一般通過X-射線衍射射線衍射或透射電鏡研究?；蛲干潆婄R研究。Al的高分辨透射電鏡象的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的純鐵晶體的X-射線衍射譜射線衍射譜舉例舉例1 1金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前者是自然界中最堅硬的固體，而后者卻很軟者是自然界中最堅硬的固體，而后者卻很軟（因晶體結(jié)構不同，見下圖）（因晶體結(jié)構不同，見下圖） 舉例舉例2 2同樣長的一段

12、鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎同樣長的一段鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同（因兩者成分不同）。（因兩者成分不同）。舉例舉例3 3兩根鋸條，同時加熱（兩根鋸條，同時加熱（800800），然后一根水冷，），然后一根水冷，一根空冷，用手折時，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌一根空冷，用手折時，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌（因加工工藝不同導致組織不同，見下圖）（因加工工藝不同導致組織不同，見下圖） 主線：主線：強化強化 純金屬做為結(jié)構材料其性能特點是強度、硬度低；純金屬做為結(jié)構材料其性能特點是強度、硬度低；塑性、韌性好，做機械零件強度、硬度不足；塑性、塑性

13、、韌性好，做機械零件強度、硬度不足；塑性、韌性有余。因此，強化是本課程的主線，全書都是圍韌性有余。因此，強化是本課程的主線，全書都是圍繞如何強化純金屬來編寫的，如固溶強化、細晶強化、繞如何強化純金屬來編寫的，如固溶強化、細晶強化、形變強化、合金化、馬氏體強化、時效強化等。每一形變強化、合金化、馬氏體強化、時效強化等。每一種強化方法都是為了改善材料內(nèi)部的組織結(jié)構，從而種強化方法都是為了改善材料內(nèi)部的組織結(jié)構，從而改善材料的性能。改善材料的性能。 1.2 鋼鐵材料生產(chǎn)簡介鋼鐵材料生產(chǎn)簡介一、煉鐵一、煉鐵l原料：原料：鐵礦石、焦炭和石灰石鐵礦石、焦炭和石灰石 l設備：設備：高爐高爐l過程：過程：燃料

14、的燃燒、鐵的還原、燃料的燃燒、鐵的還原、 增碳、雜質(zhì)的混入、選渣增碳、雜質(zhì)的混入、選渣l高爐產(chǎn)品：高爐產(chǎn)品：生鐵生鐵 根據(jù)含硅量不同分煉鋼生鐵和根據(jù)含硅量不同分煉鋼生鐵和 鑄造生鐵鑄造生鐵l副產(chǎn)品：副產(chǎn)品：爐渣和高爐煤氣爐渣和高爐煤氣l本質(zhì)：本質(zhì)：利用氧化的方法去利用氧化的方法去除生鐵中的硅、錳、硫、除生鐵中的硅、錳、硫、磷雜質(zhì)和過量的碳，使成磷雜質(zhì)和過量的碳，使成分達到標準規(guī)定的要求，分達到標準規(guī)定的要求，以改善其性能。以改善其性能。 l基本過程：基本過程：氧化過程和脫氧化過程和脫氧過程氧過程l煉鋼方法：煉鋼方法： 轉(zhuǎn)爐煉鋼法轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電爐煉鋼法和電爐煉鋼法a)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐 b）電弧爐）電弧爐l煉好的鋼常澆鑄成鋼錠或連鑄煉好的鋼常澆鑄成鋼錠或連鑄成鋼坯。成鋼坯。l在煉鋼脫氧過程中，通過控制在煉鋼脫氧過程中，通過控制脫氧劑的種類和加入量可以控脫氧劑的種類和加入量可以控制鋼的脫氧程度。通常按脫氧制鋼的脫氧程度。通常按脫氧是否完全把鋼分為鎮(zhèn)靜鋼與沸是否完全把鋼分為鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼。騰鋼。 圖圖1-3鋼的澆注鋼的澆