材料工程基礎(chǔ)-緒論及第一篇

材料工程基礎(chǔ)周根樹一、研究?jī)?nèi)容

關(guān)于材料制備、合成、加工以及改性方法的原理及其與材料結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系的知識(shí)。二、材料工程的地位1.在材料學(xué)科中的地位2.在社會(huì)發(fā)展中的地位材料服役材料性能組織與結(jié)構(gòu)制備與合成司母戊鼎越王劍3d打印手槍PCVD零件三、現(xiàn)代材料工程發(fā)展特點(diǎn)爆發(fā)式（速度）↑多樣化（種類）↑重要性↑四、該課程目的及意義

了解關(guān)于材料制備、合成的基本原理，為今后從事材料研究、新材料、新工藝開發(fā)打下基礎(chǔ)。五、課程主要內(nèi)容鋼鐵冶金、粉末冶金、材料成形加工、熱處理、表面技術(shù)、材料制備新技術(shù)。六、該課程的特點(diǎn)

以材料質(zhì)量控制為主線。第一篇鋼鐵冶金緒論一、冶金方法：火法冶金、濕法冶金、粉末冶金二、鋼鐵冶金重要性鋼鐵時(shí)代的到來(lái)創(chuàng)造了燦爛的人類文明；第一次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)；至今仍是材料的主宰；鋼鐵產(chǎn)量和用量是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要指標(biāo)；鋼鐵生產(chǎn)是相對(duì)成熟的工藝，對(duì)其它冶金有借鑒作用；鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)本身也在進(jìn)步，還需要不斷開發(fā)。鋼鐵冶金流程材料發(fā)展歷程材料需求鋼鐵材料是最重要的結(jié)構(gòu)材料腐蝕失效20-40%/金屬年產(chǎn)量1億噸金屬/年10-20%/鋼結(jié)構(gòu)（中國(guó)）鋼材需求量和消費(fèi)強(qiáng)度各種基礎(chǔ)原材料的產(chǎn)量,鋼鐵最高鋼鐵材料強(qiáng)度的發(fā)展材料的回收利用率項(xiàng)目與目標(biāo)

世界主要產(chǎn)鋼大國(guó)超級(jí)鋼鐵材料的研發(fā)項(xiàng)目第一章煉鐵1.元素在地殼中的含量：如圖2.鐵冶金簡(jiǎn)史：古代：“海綿鐵”——固相還原

火法冶金始于春秋時(shí)代、成熟于漢代。序3.現(xiàn)代煉鐵方法：高爐煉鐵、

非高爐煉鐵。鐵刃銅鉞鐵獅體重約50噸(公元953年)身高5.78米，長(zhǎng)5.34米，寬3.17米，中國(guó)古代煉鐵技術(shù)1．1高爐煉鐵的原料及設(shè)備一、原料：

鐵礦石，焦碳，熔劑 1.鐵礦石種類：Fe3O4（磁鐵礦）,Fe2O3（赤鐵礦）等。雜質(zhì)（脈石）：SiO2,Al2O3,CaO,MgO。作用：提供鐵元素。要求：品位高，酸性脈石少，粒度均勻合適，強(qiáng)度較高，還原性好，成分波動(dòng)小。2.焦碳作用：提供熱量，還原劑，料柱骨架要求：雜質(zhì)少，水分穩(wěn)定，強(qiáng)度好，粒度均勻3.熔劑組成：石灰石為主作用：造渣要求：堿性氧化物含量高，雜質(zhì)少，強(qiáng)度高，粒度均勻。二．爐渣及其堿度1)按酸堿性分酸性氧化物：SiO2,P2O5,V2O5堿性氧化物：CaO,MgO,FeO,MnO,MnO2兩性氧化物：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3CaO,FeO,MnO,MgO,CaF2,Fe2O3,Al2O3,SiO2,P2O5堿性增強(qiáng)←→酸性增強(qiáng)2)按狀態(tài)分簡(jiǎn)單化合物：CaO,MgO，SiO2復(fù)雜化合物：2CaO.SiO2，3CaO.P2O5復(fù)雜化合物比簡(jiǎn)單化合物穩(wěn)定性高，活性小。1.爐渣的組成：以氧化物為主2.爐渣堿度（R）：

爐渣中堿性氧化物和酸性氧化物的濃度比（常用摩爾分?jǐn)?shù)之比）

R=%CaO/%SiO2,；或R=%CaO/%SiO2+%P2O5

若R〉1：堿性渣 R〈1：酸性渣 R=1：中性渣高爐組成爐體爐缸儲(chǔ)存鐵水、爐渣爐腹反應(yīng)、熔化爐身反應(yīng)、裝料爐喉加料，排氣加料裝置送風(fēng)裝置實(shí)際生產(chǎn)中的煉鐵高爐1．2高爐內(nèi)基本反應(yīng)

鐵水常規(guī)5元素：C,Si,Mn,P,S一．煉鐵的實(shí)質(zhì)：通過(guò)還原反應(yīng)還原出鐵、錳、硅、磷、硫以

及碳滲入鐵水中的過(guò)程。二．反應(yīng)：鐵、錳、硅、磷的還原，滲硫及脫硫，滲碳。1.鐵的還原還原劑：CO，C，H2還原過(guò)程：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe2.錳的還原還原過(guò)程：MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→MnCO還原C還原影響因素：

T↑，Mn↑R↑，Mn↑（約40-60%被還原的錳可進(jìn)入鐵水）3.硅的還原還原劑：C

影響因素：

T↑，Si↑R↓，Si↑4．磷的還原1）還原劑：C2）反應(yīng)：（CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO-Q3）影響因素：T↑，P↑R↓，P↑5．脫硫反應(yīng)

先出現(xiàn)滲硫，再脫硫1)反應(yīng)：[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q2)影響因素：T↑，S↓R↑，S↓C↑,S↓

3)硫的分配：爐渣、爐氣、鐵中

4）硫的控制：優(yōu)質(zhì)低硫原料：洗煤、降低焦比（國(guó)際上460公斤焦碳/噸生鐵）高溫，高堿度6．滲碳：約4%左右。1.3高爐煉鐵工藝1．4高爐冶煉產(chǎn)品

1.生鐵煉鋼生鐵：80%，1.5%Si鑄造生鐵：20%，2.75-3.25%Si

鐵合金2.爐渣

爐渣：生鐵=0.6：13.爐氣

爐氣：生鐵=5：1本章重點(diǎn)1.高爐煉鐵的實(shí)質(zhì)（基本反應(yīng)）2.原料及其作用3.主要概念：爐渣堿度第二章煉鋼

序一．發(fā)展概況我國(guó)古代：炒鋼，“百煉成鋼”；盧定橋鐵索國(guó)外：1740年，坩堝煉鋼1856年，貝塞麥，酸性轉(zhuǎn)爐1878年，托馬斯，堿性轉(zhuǎn)爐1950年前，平爐主導(dǎo)1952年后，LD轉(zhuǎn)爐逐漸取得主導(dǎo)目前：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐主導(dǎo)，電弧爐次之。各種精煉方法、特殊煉鋼方法涌現(xiàn)二．煉鋼的實(shí)質(zhì)

實(shí)質(zhì)：通過(guò)氧化反應(yīng)降低生鐵中碳及其其它雜質(zhì)的過(guò)程。鋼與鐵：C：>2.1%，生鐵；0.008%<C<2.1%，鋼鋼的質(zhì)量分類：P，S含量決定鋼的質(zhì)量三．本章主要內(nèi)容

基本反應(yīng)、一般方法、鋼的澆注結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、特殊方法普通鋼質(zhì)量鋼優(yōu)質(zhì)鋼高級(jí)鋼P(yáng)（%）0.0450.0350.0250.025S（%）0.0500.0350.0250.0152．1煉鋼過(guò)程基本反應(yīng)氧化劑：[O]，O2，F(xiàn)e2O3一．脫碳反應(yīng) 1.反應(yīng)：2[C]+O2=2CO 2.脫碳反應(yīng)的附帶效應(yīng)：升溫、攪拌、攜帶（夾雜物上?。┒璧难趸? 1.反應(yīng)： 2．影響因素：

T↓，Si↓ R↑，Si↓

氧化劑↑，Si↓三．錳的氧化 1．反應(yīng)： 2．影響因素：

T↓，Mn↓ R↓，Mn↓

氧化劑↑，Mn↓四、脫磷反應(yīng)和回磷現(xiàn)象

1.脫磷反應(yīng) 1）反應(yīng)：P→P2O5→4CaO.P2O5或3CaO.P2O5+Q 2）影響因素T↓,P↓R↑,P↓FeO↑,P↓FeO過(guò)高，則不利，見圖(C,Si,Mn)↑,P↓及時(shí)排渣，P↓ 3）脫磷措施造堿性渣加氧化劑提高渣流動(dòng)性2.回磷現(xiàn)象

1)概念：煉鋼過(guò)程中已脫去的磷又從渣中進(jìn)入鋼液中的現(xiàn)象。

2)形成條件：煉鋼末期：溫度上升，脫氧劑加入盛鋼桶中：SiO2進(jìn)入，堿度下降3)改善措施：溫度不要過(guò)高加石灰提高堿度采用堿性盛鋼桶五、脫硫反應(yīng)爐渣脫硫氣化脫硫

1．爐渣脫硫

鋼液中[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q

渣中（FeS）+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q

影響因素見煉鐵一章

2．氣化脫硫

[S]→SO2↑

高溫有利

3．脫硫措施造新渣提高渣流動(dòng)性采用堿性盛鋼桶造堿性渣爐外脫硫六．脫氧反應(yīng)1.脫氧目的得到正常的鋼錠表面和結(jié)構(gòu)提高合金元素的收得率減少氧化物夾雜數(shù)量得到細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的鋼2.脫氧劑錳鐵，硅鐵，鋁，碳粉，復(fù)合脫氧劑（硅鈣，鋁鈣，硅錳，硅錳鈣）脫氧能力：Al>Ca>Si>Mn脫氧劑特點(diǎn)及應(yīng)用錳鐵硅鐵鋁復(fù)合脫氧劑脫氧能力弱強(qiáng)更強(qiáng)最強(qiáng)渣排除能力強(qiáng)弱強(qiáng)最強(qiáng)附帶作用綜合硫、強(qiáng)化細(xì)化晶粒應(yīng)用各類鋼鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼3.脫氧方法 1)擴(kuò)散脫氧：依靠氧向爐渣中擴(kuò)散而被脫去的方法，亦稱間接脫氧 2)沉淀脫氧：脫氧劑進(jìn)入鋼液內(nèi)部進(jìn)行脫氧反應(yīng)而脫氧的方法，亦稱直接脫氧。 3)特點(diǎn)及應(yīng)用速度污染條件應(yīng)用擴(kuò)散脫氧慢小還原性氣氛電弧爐沉淀脫氧快大無(wú)限制各類煉鋼方法2.2一般煉鋼法轉(zhuǎn)爐、電弧爐一．氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法原理：鐵水熱+反應(yīng)熱→煉鋼設(shè)備見圖原料：鐵水、（廢鋼）+熔劑冶煉過(guò)程：裝料、吹煉、測(cè)溫、脫氧及出鋼5.冶煉特點(diǎn)不需外加熱源反應(yīng)劇烈生產(chǎn)率高1.1~1.5萬(wàn)噸/噸.年煙塵大，是裝入量的0.8~1.3%產(chǎn)品品種多6.產(chǎn)品質(zhì)量特點(diǎn)1）鋼中含氣量小

N，H含量低→時(shí)效敏感性及脆性低，鋼塑韌性及焊接性能好

2）P，S含量與電弧爐相當(dāng)脫磷率：90~95%

脫硫率：70~80%3）夾雜物及外來(lái)元素少冷變形、抗應(yīng)變時(shí)效和焊接性能好用途：薄板，焊接鋼管和無(wú)縫鋼管等。二．電弧爐煉鋼法1．原理：利用電弧與燃料之間產(chǎn)生的電弧進(jìn)行熔煉2．種類酸性電弧爐：用于鑄鋼車間。堿性電弧爐：用于煉鋼。3．設(shè)備見圖4．冶煉過(guò)程：補(bǔ)爐、裝料、熔化、氧化、還原（脫氧、脫硫）、出鋼5．電弧爐冶煉特點(diǎn)爐溫高：~3000OC，可熔化任何金屬熱效率高：體積小，密封好熔池溫度易于控制爐內(nèi)氣氛易于控制可用合金、廢鋼、非高爐生鐵熔煉爐內(nèi)溫差大，元素易燒損。生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)率較低電離的H、N易進(jìn)入鋼中。6.電弧爐鋼質(zhì)量特點(diǎn)

1)

P，S含量低 2)夾雜物少（擴(kuò)散脫氧，爐溫高，渣易上浮） 3)冶煉成分易控制4)N，H含量高。應(yīng)用于高合金工具鋼、不銹鋼及耐熱鋼等。2.3鋼的澆注和鋼錠

一．鋼錠的澆注（自學(xué)）二．鋼錠結(jié)構(gòu) 1．鋼錠類型O%應(yīng)用鎮(zhèn)靜鋼0.0015~0.008優(yōu)質(zhì)碳素鋼半鎮(zhèn)靜鋼0.004~0.02沸騰鋼0.015~0.04普通低碳鋼

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

見圖外

內(nèi)鎮(zhèn)靜鋼：激冷層柱狀晶中心等軸晶沸騰鋼：堅(jiān)殼層蜂窩氣泡帶，中間堅(jiān)固帶二次氣泡帶錠心等軸晶

沸騰鋼鋼錠結(jié)構(gòu)3.各種鋼錠特性比較

鋼種力學(xué)性能收得率成本表面質(zhì)量?jī)?nèi)部質(zhì)量偏析沸騰鋼低90%低高氣孔多頭部偏析大半鎮(zhèn)靜鋼中90%較高一般較多頭部偏析鎮(zhèn)靜鋼高~80%高有發(fā)紋完整少三．連續(xù)鑄鋼

定義：采用連續(xù)鑄機(jī)直接把鋼液凝固成鋼坯1．工藝過(guò)程澆注-結(jié)晶器冷凝-二次冷卻-矯直-切割2．工藝參數(shù)注溫：大于模鑄20~50OC注速：V=K.L/A，K—系數(shù)；L—周長(zhǎng)；A—面積冷速：過(guò)低→拉漏，切漏；過(guò)高→間隙，裂紋3.連鑄工藝特點(diǎn)冷速快、污染小、長(zhǎng)度方向質(zhì)量一致4．連鑄鋼質(zhì)量特點(diǎn)a結(jié)構(gòu)致密，均勻;b偏析小;c夾雜物總量小d易出現(xiàn)表面裂紋;e易出現(xiàn)中心偏析和縮孔（疏松）5．技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)a收得率高;b質(zhì)量?jī)?yōu)結(jié)晶器2.4鋼的冶金質(zhì)量及控制冶金質(zhì)量：成分、氣體、夾雜物、缺陷常存元素：C,Si,Mn,P,S,H,N,O常規(guī)5元素：C,Si,Mn,P,S合金元素：為獲得一定的組織和性能特意加入的一.化學(xué)成分的影響1.硅益：固溶強(qiáng)化、脫氧、提高淬透性害：夾雜、降低塑韌性2.錳益：固溶強(qiáng)化、綜合硫、脫氧、細(xì)化晶粒、提高淬透性害：夾雜、Ms降低

3.硫易形成熱裂、熱脆焊接中易形成氣孔及縮松（SO2）降低鋼的使用性能各向異性耐蝕性可改善切削性能物質(zhì)FeSFeS-FeFeS-Fe-FeO熔點(diǎn)（OC）11909899404.磷1）易形成熱裂、熱脆2）加劇偏析3）冷脆4）回火脆性5）抗大氣腐蝕6）切削性能

物質(zhì)Fe-Fe3PFe-Fe3C-Fe3P熔點(diǎn)（OC）1050940二．氣體1．氫危害：形成氫脆或白點(diǎn)1)氫脆定義：由于氫而導(dǎo)致的在低應(yīng)力載荷下的脆性斷裂特點(diǎn)：屬應(yīng)變時(shí)效型脆性（滯后破壞），即在應(yīng)力作用一定時(shí)間后材料突然發(fā)生斷裂影響因素：形變速率

[H]Sb、Sn、S等氫脆工作溫度：-1