材料工程基礎(chǔ)緒論

材料工程基礎(chǔ)緒論第1頁/共64頁司母戊鼎越王劍3d打印手槍PCVD零件第2頁/共63頁第2頁/共64頁三、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)。第3頁/共63頁第3頁/共64頁五、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4頁/共63頁第4頁/共64頁第一篇鋼鐵冶金緒論鋼鐵時(shí)代的到來創(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)。第5頁/共63頁第5頁/共64頁第6頁/共63頁第6頁/共64頁第7頁/共63頁第7頁/共64頁材料需求材料的回收利用率各種基礎(chǔ)原材料的產(chǎn)量,鋼鐵最高鋼材需求量和消費(fèi)強(qiáng)度鋼鐵材料強(qiáng)度的發(fā)展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)）第8頁/共63頁第8頁/共64頁第9頁/共63頁第9頁/共64頁第10頁/共63頁第10頁/共64頁項(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11頁/共63頁第11頁/共64頁第一章煉鐵序1.元素在地殼中的含量：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。3.現(xiàn)代煉鐵方法：高爐煉鐵、非高爐煉鐵第12頁/共63頁第12頁/共64頁鐵刃銅鉞第13頁/共63頁第13頁/共64頁鐵獅身高5.78米，長(zhǎng)5.34米，寬3.17米，體重約50噸(公元953年)第14頁/共63頁第14頁/共64頁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。第15頁/共63頁第15頁/共64頁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。第16頁/共63頁第16頁/共64頁二．爐渣及其堿度1.爐渣的組成：以氧化物為主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。第17頁/共63頁第17頁/共64頁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：中性渣第18頁/共63頁第18頁/共64頁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)裝置第19頁/共63頁第19頁/共64頁第20頁/共63頁第20頁/共64頁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)：通過還原反應(yīng)還原出鐵、錳、硅、磷、硫以及碳滲入鐵水中的過程。二．反應(yīng)：鐵、錳、硅、磷、的還原，滲硫及脫硫，滲碳。第21頁/共63頁第21頁/共64頁1.鐵的還原還原劑：CO，C，H2還原過程：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe2.錳的還原

還原過程：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↑第22頁/共63頁第22頁/共64頁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。第23頁/共63頁第23頁/共64頁1.3高爐煉鐵工藝第24頁/共63頁第24頁/共64頁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第25頁/共63頁第25頁/共64頁本章重點(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26頁/共63頁第26頁/共64頁第2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)第27頁/共63頁第27頁/共64頁二．煉鋼的實(shí)質(zhì)

通過氧化反應(yīng)降低生鐵中碳及其其它雜質(zhì)的過程。C：>2.1%，生鐵；0.008%<C<2.1%，鋼P(yáng)，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（%）0.0500.0350.0250.015第28頁/共63頁第28頁/共64頁2．1煉鋼過程基本反應(yīng)氧化劑：[O]，O2，F(xiàn)e2O3一．脫碳反應(yīng)1.反應(yīng)：2.脫碳反應(yīng)的附帶效應(yīng)：升溫、攪拌、攜帶（夾雜物上?。┒璧难趸?.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↓第29頁/共63頁第29頁/共64頁四．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+Q2）影響因素T↓,P↓R↑,P↓FeO↑,P↓FeO過高，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)性第30頁/共63頁第30頁/共64頁2.回磷現(xiàn)象

1)概念：煉鋼過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：溫度不要過高加石灰提高堿度采用堿性盛鋼桶第31頁/共63頁第31頁/共64頁五脫硫反應(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第32頁/共63頁第32頁/共64頁六．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第33頁/共63頁第33頁/共64頁錳鐵硅鐵鋁復(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)靜鋼脫氧劑特點(diǎn)及應(yīng)用第34頁/共63頁第34頁/共64頁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限制各類煉鋼方法第35頁/共63頁第35頁/共64頁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）+熔劑冶煉過程：裝料、吹煉、測(cè)溫、脫氧及出鋼第36頁/共63頁第36頁/共64頁第37頁/共63頁第37頁/共64頁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，焊接鋼管和無縫鋼管等。第38頁/共63頁第38頁/共64頁二．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．冶煉過程：補(bǔ)爐、裝料、熔化、氧化、還原（脫氧、脫硫）、出鋼第39頁/共63頁第39頁/共64頁第40頁/共63頁第40頁/共64頁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?。┮睙挸煞忠卓刂芅，H含量高應(yīng)用于高合金工具鋼、不銹鋼及耐熱鋼等。第41頁/共63頁第41頁/共64頁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普通低碳鋼第42頁/共63頁第42頁/共64頁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)第43頁/共63頁第43頁/共64頁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)紋完整少第44頁/共63頁第44頁/共64頁三．連續(xù)鑄鋼

采用連續(xù)鑄機(jī)直接把鋼液凝固成鋼坯1．工藝過程澆注-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：過低→拉漏，切漏；過高→間隙，裂紋3．連鑄鋼質(zhì)量特點(diǎn)結(jié)構(gòu)致密，均勻偏析小夾雜物總量小易出現(xiàn)表面裂紋易出現(xiàn)中心偏析和縮孔（疏松）4．技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)收得率高質(zhì)量?jī)?yōu)結(jié)晶器第45頁/共63頁第45頁/共64頁第46頁/共63頁第46頁/共64頁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第47頁/共63頁第47頁/共64頁一.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

第48頁/共63頁第48頁/共64頁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）1190989940第49頁/共63頁第49頁/共64頁4.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第50頁/共63頁第50頁/共64頁二．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：-100~100度晶粒度組織：塑性

1108鋼級(jí)螺桿在650MPa應(yīng)力下延遲斷裂第51頁/共63頁第51頁/共64頁2）白點(diǎn)定義：縱向斷口上出現(xiàn)的圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，亦稱發(fā)裂原因：局部氫與應(yīng)力的綜合作用3)改善措施：[H]，去氫退火第52頁/共63頁第52頁/共64頁2．氮1）影響時(shí)效脆性易形成氣泡和疏松細(xì)