金屬材料學(xué)第0章緒論

2023/2/6工程材料學(xué)曹志強教授電話：84706169手機-mail:caozq@大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/6參考書《金屬材料學(xué)》戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》文九巴主編，機械工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》吳承建機械工業(yè)出版社2001年《金屬材料學(xué)》王笑天機械工業(yè)出版社1987年《合金鋼》章守華冶金工業(yè)出版社1981年WilliamF.Smith.StructureandPropertiesofEngineeringAlloys–2ndedition.McGraw-HillEducation,1993.Schweitzer,PhilipA.，MetallicMaterials.NewYork：MarcelDekker,Inc，20032023/2/6本課的特點

核心課程――專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中占很重要位置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識最多最直接的課程―――課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗性的特點。2023/2/6本課的特點綜合性是內(nèi)容涉及知識面比較廣，涉及所有以前學(xué)過的專業(yè)知識；應(yīng)用性是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正在廣泛使用的材料和技術(shù)；經(jīng)驗性是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗總結(jié)，在實際應(yīng)用中可變性還比較大。2023/2/6本課的目的掌握金屬合金化的原理，合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律；理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點、組織形貌和力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能之間的關(guān)系；經(jīng)過對常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合理選用材料，引導(dǎo)學(xué)生運用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識來解決金屬材料使用過程中的實際問題。2023/2/6

本課的內(nèi)容:緒論（2學(xué)時）鋼鐵材料（34學(xué)時）（包括工程構(gòu)件用鋼、機器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強度鋼）鑄鐵（4學(xué)時）（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）有色金屬及合金(8學(xué)時)（鋁合金、銅合金、鈦合金）2023/2/60金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來△0.1金屬材料發(fā)展簡史

0.2現(xiàn)代金屬材料

0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2023/2/60．1金屬材料發(fā)展簡史?0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(chǎn)0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)0.1.3第三階段――微觀理論大發(fā)展0.1.4第四階段――微觀理論的深入研究2023/2/6世界上最早使用鐵是小亞細亞的赫梯人在公元前1400年左右。古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前1000年。中國最早在春秋戰(zhàn)國－晉國（大致公元前700年）。0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(chǎn)2023/2/6

鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進入了一個全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進入了封建社會。

東漢時期出現(xiàn)鍛打―――原始形變熱處理，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”―――水淬和油淬2023/2/6我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中就記載了古代的煉鋼和熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。

宋應(yīng)星高爐鐵水流入煉鋼爐（方塘），人急速攪動，利用空氣氧化鐵水中的碳，用潮濕泥灰做氧化劑加速脫碳（低碳鋼，高碳鋼）2023/2/6

0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)

1803年—原子學(xué)說

1830年--32種晶體類型

1839年--Miller指數(shù)

1861年--鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度

1864年--金相照片

1888年--滲碳體

1891年--點陣理論十九世紀末—相律、固溶體、平衡相圖2023/2/61863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對材料的認識是逐步深入的。2023/2/61912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀2023/2/6

0.1.3第三階段――微觀理論大發(fā)展

1900－1940年Tammann建立相圖，Vonlaue發(fā)現(xiàn)X射線，Bragg證實α、β、γ相的存在，

Wever發(fā)現(xiàn)擴大縮小奧氏體區(qū)元素，Laves發(fā)現(xiàn)金屬間化合物。Strauss發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，Brinell布氏硬度計，Griffith斷裂理論等。AusteniteBainiteSorbiteMartensiteTroostiteLedeburite英美英德法德2023/2/60.1.4第四階段――微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）

透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

2023/2/61934年位錯理論的提出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認識材料的力學(xué)性能及設(shè)計高強度材料具有劃時代的意義。金屬鈦中的位錯2023/2/61938年，提出TTT曲線、擴散、位錯滑移、第二相沉淀析出理論，Cottrell氣團。發(fā)明了TEM、SEM、STM（掃描隧道顯微鏡）、AFM（原子力顯微鏡）、EPMA等。2023/2/6緒論——金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來

0.1金屬材料發(fā)展簡史?0.2現(xiàn)代金屬材料

0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2023/2/6哥倫比亞號航天飛機材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。0.2.1材料2023/2/6材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手錘銼刀“神舟”四號飛船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機2023/2/6前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料。前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運載火箭2023/2/6材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會進步的里程碑和劃時代的標志。材料和能源、信息被稱為人類社會的“三大支柱”。第一次工業(yè)革命（18世紀）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命（20世紀中頁以來）：單晶硅材料對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。2023/2/6材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。

龍芯聯(lián)想計算機沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術(shù)。

2023/2/6沒有高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

飛機發(fā)動機葉片波音客機在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片2023/2/60.2.2.材料科學(xué)?材料科學(xué)主要是研究材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。

材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。2023/2/6使用性能成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)合成與加工MSE四要素使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工2023/2/60.2.4現(xiàn)代金屬材料傳統(tǒng)金屬材料:Fe、Cu、Al、Ni、Mg、Ti。金屬間化合物:NiAl、AlNi3、AlFe3、AlFe、Al3Ti、AlTi、AlTi3等?，F(xiàn)代金屬材料:（1）先進結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料（3）新型工具鋼（4）金屬功能材料2023/2/6（1）先進結(jié)構(gòu)材料我國鋼鐵世界第一，但27％依賴進口，8％不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。需要高比強度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化的鋼，超細鋼、純、均、細組織。低合金高強度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金。9.11之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。2023/2/6(2)高溫合金材料耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達到750-850℃，對于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他難熔金屬為基體的合金航空發(fā)動機渦輪盤

2023/2/6（3）新型工具鋼

HIP（熱等靜壓），CPM（坩堝粉末冶金法），CVD、PVD、離子滲入法涂覆TiC、TiN、TiCN、Al2O3等高速鋼。（4）金屬功能材料

光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、生物醫(yī)用材料、儲氫材料、電性材料、智能材料等。2023/2/6緒論——金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來

0.1金屬材料發(fā)展簡史

0.2現(xiàn)代金屬材料0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2023/2/60.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢0.3.1結(jié)構(gòu)材料的高性能化(超級鋼)日本1997年出臺了超級鋼研究工程(STX-21)項目。其目的是開發(fā)對社會和經(jīng)濟影響最大的新型結(jié)構(gòu)材料,減輕環(huán)境負擔(dān)和通過將超級鋼的強度和壽命提高1倍來降低超級鋼的總成本。1998年10月我國在“九七三”項目中批準了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”項目,并作為我國第一批“九七三”啟動的項目之一。2023/2/61998年3月,在國際鋼鐵協(xié)會(IISI)主持下,由歐洲和北美35家鋼廠和汽車廠聯(lián)合的“超輕鋼車身”項目出籠(ultralightsteelbodyproject,ULSAB),它要求車身強度提高80%,車重減輕25%,車重可由平均1300kg/輛降至900kg/輛,達到百公里燃耗可降0.17L/輛,這項計劃預(yù)計2003年底結(jié)束,實際鋼材面板屈服強度提高1倍。2023/2/6中國超級鋼的研究

國家973項目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項目由國家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項目的有五個大專院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽金屬所等），九個鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠），三個汽車廠。涉及品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等。2023/2/6鋼類組織現(xiàn)有強度（MPa）目標強度（MPa）超細晶尺寸（mm）低碳鋼鐵素體＋珠光體200400(a)5低（微）合金鋼低碳貝氏體或針狀鐵素體400800(a)1-2合金結(jié)構(gòu)鋼回火馬氏體或貝/馬復(fù)相鋼8001500(g)5研究目標0.3.2我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢

鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達國家已進入衰退階段，原因就是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。而鋼鐵在我國還在成熟階段，2012年我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破7億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由2004年的26.3%上升到2012年的48.7%。萬元GDP能耗20.5t標準煤，是西方的10倍。2003年中國消耗全球30%原材料和能源，GDP占世界4％。我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢2023/2/62023/2/6我們?nèi)匀幻媾R諸多問題，最明顯的有三個一，每年我們需要進口優(yōu)質(zhì)鋼2000萬噸以上。二、每年鐵礦石價格定價上，中國缺乏發(fā)言權(quán)。三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大。我國每萬元的工業(yè)增加值中取水量是90立方，是發(fā)達國家的3－7倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52％，比發(fā)達國家低35％，單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達國家水平（2003年CO2

世界第二；有機污水全球第一）每百萬美元GDP的能耗2023/2/6（1）開發(fā)高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度、高使用要求的鋼材，如轎車用面板、家電外用板、彩電電子儀器用板、不銹鋼光亮板、石化用板、國防軍工用板、橋梁用板、耐候鋼板、海洋與石油用板。0.3.3我國材料的發(fā)展對策2023/2/6(2)盡量采用地球儲