工程材料導(dǎo)論

工程材料導(dǎo)論第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一參考書《金屬材料學(xué)》戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社《工程材料學(xué)》王曉敏主編，機(jī)械工業(yè)出版社第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一前言本課的內(nèi)容、目的學(xué)習(xí)本課程的意義及重點(diǎn)第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一本課的內(nèi)容、目的材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會進(jìn)步的里程碑和劃時(shí)代的標(biāo)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(jì)）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)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(jì)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。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一本課的內(nèi)容、目的

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(yàn)性的特點(diǎn)。第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一本課的內(nèi)容、目的綜合性是內(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(yàn)性是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中可變性還比較大。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一本課的內(nèi)容、目的目的是培養(yǎng)學(xué)生合理選材用材、開發(fā)新型材料的能力。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一材料學(xué)科金屬材料與熱處理鋼鐵冶金有色金屬冶金冶金物理化學(xué)金屬壓力加工無機(jī)非金屬材料硅酸鹽工程高分子材料與工程粉末冶金復(fù)合材料腐蝕與防護(hù)材料科學(xué)與工程復(fù)合材料鑄造焊接第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會進(jìn)步的里程碑和劃時(shí)代的標(biāo)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(jì)）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)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(jì)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。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一研究材料組分、結(jié)構(gòu)、性能相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)，是一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科。使用性能成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)制備與加工MSE四要素使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工材料的切削：車、銑、刨、磨、切、鉆材料的成型：鑄造、拉、拔、擠、壓鍛材料的改性：合金化、熱處理材料的聯(lián)接：焊接、粘接第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一材料的分類凡與工程相關(guān)的材料均可稱為工程材料。按性能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料；按化學(xué)方法分為金屬材料，陶瓷材料，高分子材料和復(fù)合材料。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一金屬元素在周期表中的位置和金屬的分類輕金屬貴金屬低熔金屬黑色金屬稀有金屬重金屬第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鋼鐵是怎樣煉成的？金屬會得哪些病？氫病、中毒、冷脆、疲勞、磨損、腐蝕、斷裂等一顆螺絲釘使泰塔尼克號沉沒。能給人體治病的金屬Ti空間金屬Ti綠色環(huán)保金屬M(fèi)g會飛的金屬Al中國能造宇宙飛船而造不了航空飛機(jī)。中國為何不能造航空母艦。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一金屬之最

密度最大的金屬──鋨(22.48克/立方厘米,1立方米的鋨就有22.48噸重

)

地殼中含量最高的金屬元素──鋁目前世界年產(chǎn)量最高的金屬──鐵導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好的金屬──銀人體中含量最高的金屬元素──鈣硬度最高的金屬──鉻熔點(diǎn)最高的金屬──鎢(3380℃)

熔點(diǎn)最低的金屬──汞（-38.87℃)密度最小的金屬──鋰(0.534克/厘米3)

第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一新材料：相對于傳統(tǒng)的材料而言。經(jīng)過新工藝新技術(shù)制造的整合原有材料的功能的材料。新材料：對高科技和新技術(shù)的發(fā)展具有非常關(guān)鍵的作用；是發(fā)展高科技的物質(zhì)基礎(chǔ)；是國家在科技領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的標(biāo)志之一。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鋼鐵材料:鋼的合金化原理，工程結(jié)構(gòu)鋼，機(jī)器零件用鋼，工模具鋼，不銹鋼，耐熱鋼，鑄鐵。有色金屬合金:鋁合金，銅合金，鈦合金，其他有色金屬合金。新型金屬材料:金屬功能材料，金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料，金屬基復(fù)合材料。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一灰鐵發(fā)動機(jī)飛輪球鐵管道接口鋁合金輪轂鎂合金外殼銅合金軸承部件鈦合金人造骨和心臟支架鐵銅鋁鎂鈦第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一緒論——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)展與趨勢第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一石器時(shí)代高分子時(shí)代陶器時(shí)代青銅時(shí)代鐵器時(shí)代陶瓷時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代0．1金屬材料發(fā)展簡史

冶金史也就是金屬材料史，幾乎與人類文明史并進(jìn)。

第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一0．1金屬材料發(fā)展簡史0.1.1第一階段――原始鋼鐵生產(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第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一古希臘大約在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中國是夏代（公元前2000年左右），編鐘就是當(dāng)時(shí)輝煌成就之一；公元前金銅存在鍛打、熱加工。歐洲是公元前1800年前后進(jìn)入青銅器時(shí)代。這是人類大量利用金屬的開始，是人類文明發(fā)展的重要里程碑。0.1.1第一階段――原始鋼鐵生產(chǎn)第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一世界上最早使用鐵是小亞細(xì)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）。鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進(jìn)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(jìn)入了封建社會。

東漢時(shí)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”―――水淬和油淬第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一金金之所以那么早就被人們發(fā)現(xiàn)，主要是由于在大自然中金礦就是純金(也有極少數(shù)是碲化金)，再加上金子金光燦爛，很容易被人們找到。在古代，歐洲的煉丹家們用太陽來表示金，因?yàn)榻鹱酉筇栆粯樱W耀著金色的光輝。在我國古代，則用黃金、白銀、赤銅、青鉛、黑鐵這樣的名字，鮮明地區(qū)別各種金屬在外觀上的不同。

不過，雖然說金的自然狀態(tài)大都是游離狀的純金，但自然界中的純金卻很少是真正純凈的，它們大都含金達(dá)99％以上，但總含有少量銀，另外還含有微量的鈀、鉑、汞、銅、鉛等。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一銅煉銅的原料是銅礦石。銅礦石可分為三類：（1）硫化礦，如黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)和輝銅礦(Cu2S)等。（2）氧化礦，如赤銅礦(Cu2O)、孔雀石[CuCO3Cu(OH)2]、藍(lán)銅礦[2CuCO3Cu(OH)2]、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。（3）自然銅。a.火法煉銅：通過熔融冶煉和電解精煉生產(chǎn)出陰極銅，也即電解銅，一般適于高品位的硫化銅礦。b.濕法煉銅：一般適于低品位的氧化銅，生產(chǎn)出的精銅稱為電積銅。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鐵煉鐵過程實(shí)質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)——礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)CO、H2、C；適宜溫度等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。高爐冶煉用的原料主要由鐵礦石、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）三部分組成。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1825年，丹麥的奧斯特分離出少量的純鋁。1827年，德國化學(xué)家維勒用金屬鉀與無水氯化鋁反應(yīng)而制得了鋁。又過了27年，法國化學(xué)家德維爾用金屬鈉與無水氯化鋁一起加熱而獲得閃耀金屬光澤的小鋁球。1884年，在美國奧伯林學(xué)院化學(xué)系，有一位叫做查爾斯·馬丁·霍爾的青年學(xué)生發(fā)明了電解鋁技術(shù)。電解鋁工藝：采用冰晶石――氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁是溶質(zhì)被溶解，以碳素作為陽極（預(yù)焙陽極塊），鋁液作為陰極，通入直流電流后，在940℃～970℃下，電解槽兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，即電解。鋁第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鎂原鎂的冶煉方法主要分為兩種：一是硅熱還原法;二是電解法。目前國內(nèi)的原鎂廠家大都采用硅熱還原法中的皮江法，皮江法生產(chǎn)金屬鎂是以煅燒白云石或菱鎂礦石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑，進(jìn)行計(jì)量配料。粉磨后壓制成球，稱為球團(tuán)。將球團(tuán)裝入還原罐中，加熱到1200℃，內(nèi)部抽真空至13.3Pa或更高，則產(chǎn)生鎂蒸氣。鎂蒸氣在還原罐前端的冷凝器中形成結(jié)晶鎂，亦稱粗鎂。再經(jīng)加熔劑精煉，產(chǎn)出商品鎂錠，即精鎂。第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鈦鈦在1791年被發(fā)現(xiàn)，而第一次制得純凈的鈦卻是在1910年，中間經(jīng)歷了一百余年。原因在于：鈦在高溫下性質(zhì)十分活潑，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件。工業(yè)上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法制取二氧化鈦，再由二氧化鈦制取金屬鈦。工業(yè)上制金屬鈦采用金屬熱還原法還原成四氯化鈦。然后用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦，這種海綿鈦經(jīng)過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最后制成各種鈦材。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一鋅現(xiàn)代煉鋅方法分為火法煉鋅與濕法煉鋅兩大類，以濕法冶煉為主，約占世界鋅總產(chǎn)量的80%?；鸱掍\包括焙燒、還原蒸餾和精煉三個主要過程，主要有平罐煉鋅、豎罐煉鋅、密閉鼓風(fēng)爐煉鋅及電熱法煉鋅。濕法煉鋅包括傳統(tǒng)的濕法煉鋅和全濕法煉鋅兩類。傳統(tǒng)的濕法煉鋅實(shí)際上是火法與濕法的聯(lián)合流程。全濕法煉鋅是在硫化鋅精礦直接加壓浸出的技術(shù)基礎(chǔ)上形成的，該工藝省去了傳統(tǒng)濕法煉鋅工藝中的焙燒和制酸工序。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

長沙戰(zhàn)國凹形鐵鋤湖北當(dāng)陽宋代鐵塔滄州鐵獅高分子時(shí)代——20世紀(jì)初，人工合成高分子材料問世，如1909年的酚醛樹脂（膠木），1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龍等，并發(fā)展十分迅速。如今，世界年產(chǎn)量已超過鋼陶瓷時(shí)代——20世紀(jì)50年代后，通過一些特殊制備方法，制造出一系列先進(jìn)陶瓷，由于其資源豐富、比重小、耐高溫、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，很有發(fā)展前途，用途在不斷擴(kuò)展。復(fù)合材料時(shí)代——

最具有發(fā)展前途的是復(fù)合材料，因?yàn)檫@類材料具有每種單質(zhì)材料所不具備的性能。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一材料的分類材料的組成：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料.材料的特性和用途：結(jié)構(gòu)材料、功能材料

—結(jié)構(gòu)材料：利用力學(xué)性能—承受載荷

—功能材料：利用特殊的物理性能（電、熱、磁等）材料尺寸：一維、二維、三維材料內(nèi)部原子排布：晶態(tài)與非晶態(tài)材料熱力學(xué)狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)

1788年鐵橋

1818年鐵船

1825年鐵路

1830年32中晶體類型

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(diǎn)陣?yán)碚?/p>

1900年相律、固溶體、平衡相圖第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

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(shí)α、β、γ相的存在，

Wever發(fā)現(xiàn)擴(kuò)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(jì)，Griffith斷裂理論等。AusteniteBainiteSorbiteMartensiteTroostiteLedeburite英美英德法德第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一0.1.4第四階段――微觀理論的深入研究1938年發(fā)明電子顯微鏡，提出TTT曲線、擴(kuò)散、位錯滑移、第二相沉淀析出理論，Cottrell氣團(tuán)。發(fā)明了TEM、SEM、STM（掃描隧道顯微鏡）、AFM（原子力顯微鏡）、EPMA等。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一緒論——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)展與趨勢第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一0.2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(jìn)結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料（3）低溫鋼（4）新型工具鋼第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料我國鋼鐵世界第一，但27％依賴進(jìn)口，8％不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。萬元GDP能耗20.5t標(biāo)準(zhǔn)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％。需要高比強(qiáng)度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化的鋼，超細(xì)鋼、純、均、細(xì)組織。低合金高強(qiáng)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。第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一（2）高溫合金材料汽車節(jié)油37％靠輕量化，40％發(fā)動機(jī)改進(jìn)Al3Ti、AlTi、AlTi3等金屬間化合物。MMS、Cf碳復(fù)合材料。（3）低溫鋼

高氮奧氏體不銹鋼、高性能鋼，泰特尼克號的啟事。（4）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。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一緒論——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)展與趨勢第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一03金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)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，2005年我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破3億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由2004年的26.3%上升到2005年的30.9%。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一我們?nèi)匀幻媾R諸多問題，最明顯的有三個一，每年我們需要進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼2000萬噸以上。二、每年鐵礦石價(jià)格定價(jià)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(dá)國家的3－7倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52％，比發(fā)達(dá)國家低35％，礦產(chǎn)資源總回收率為30％，比發(fā)達(dá)國家低20％；單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達(dá)國家水平（CO2

世界第二；有機(jī)污水全球第一）每百萬美元GDP的能耗第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2004年北京：“國際新材料與加工、應(yīng)用博覽會曁研討會，主題：循環(huán)型社會的材料產(chǎn)業(yè)―――材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展”。Fe、Mn、Cr、Cu、Ni、Al短缺，資源利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。礦產(chǎn)資源總回收率30－50％，比西方低20％。環(huán)境惡化:材料經(jīng)歷了采礦、提取、制備、生產(chǎn)加工、使用和廢棄。第42頁，共48頁，2023年，2月