《金屬學與造船材料》

金屬學與造船材料(1)一、課程介紹三、金屬的組織、結(jié)構(gòu)與性能特點四、造船材料的分類二、材料科學的發(fā)展第1章緒論一、課程介紹《金屬學與造船材料》是高等工科院校船舶設(shè)計與制造專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，主要包含金屬學、金屬的熱處理工藝、造船用鋼鐵材料、其它造船材料等四部分第1章緒論 1.1材料科學的發(fā)展

1.2金屬的組織、結(jié)構(gòu)與性能特點1.3造船材料的分類第2章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1金屬及合金的結(jié)構(gòu)2.2金屬結(jié)晶的條件2.3晶核的形成和長大第3章合金相圖* 3.1二元合金相圖 3.2鐵碳合金的組元及基本相3.3Fe-Fe3C碳合金相圖分析

第4章金屬的熱處理工藝 4.1鋼在加熱和冷卻時的轉(zhuǎn)變4.2金屬的熱處理工藝

第5章造船用鋼鐵材料5.1船用鋼材的冶煉、分類和編號5.2船用碳素結(jié)構(gòu)鋼5.3船用合金鋼5.4船用特種鋼第6章其它造船材料 6.1造船用有色金屬材料 6.2造船用非金屬材料

學習目的掌握有關(guān)金屬材料學科的基本概念、基本原理和基本方法為合理地選材和制訂船舶材料的熱加工工藝規(guī)程奠定堅實基礎(chǔ)。

1、了解金屬學的基本知識。2、掌握鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及其相圖。3、掌握常用船用金屬材料的編號、性能及用途。4、了解造船用非金屬材料。教學基本要求

任務：使學生掌握金屬學與造船材料的基本知識，為學習船舶與海洋工程專業(yè)打好基礎(chǔ)。通過本課程的學習，應使學生達到下列基本要求：

本課學習方法：預習、筆記、復習、討論問題本教材的重點：鐵碳合金結(jié)構(gòu)及其相圖、常見造船材料學習要求熟悉常用術(shù)語和基本概念牢固建立材料的性能取決于材料的組織、結(jié)構(gòu)這一概念熟悉造船材料的種類、成分及組織性能

作業(yè)20％＋期末考試80％

考核學習要求參考書：1、姜錫瑞，船舶與海洋工程材料，哈爾濱工程大學出版社，20002、徐軼群等，船舶工程材料，大連海事大學出版社，20103、崔忠圻等，金屬學與熱處理，哈爾濱工業(yè)大學出版社，20074、劉宗昌等，金屬學與熱處理，化學工業(yè)出版社，2005參考書籍材料的含義廣義的材料包括人類思想意識之外的所有物質(zhì)。材料無處不在，無處不有。

緒論材料能源信息現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱材料品種數(shù)量質(zhì)量國家現(xiàn)代化程度標志之一材料的重要性★是人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)★人類社會文明程度的重要標志之一

緒論★當代社會經(jīng)濟的先導，是科技進步的關(guān)鍵

石器材料科學的發(fā)展陶器銅器鋼鐵硅材料納米材料材料發(fā)展概括▲《天工開物》—明朝科學家：宋應星箸▲石器時代陶器時代銅器時代：司母戊鼎（公元前11—16世紀）1130×780×1100戰(zhàn)國編鐘（前475—221年）65個總重2500Kg天然石，獸骨，樹枝泥巴（日曬→原始陶器；火燒→瓷器用具）

鐵器時代滄州鐵獅（公元953年）重30T,長6.5m,寬3m,高5.5m人工復合材料塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等《本草綱目》《農(nóng)政全書》—李時珍—徐光啟★智能材料滄州鐵獅鑄造于公

元953年。鐵獅子通高5.78米，身長6.5米，體寬3.17米，重約40噸

材料的四大家族

金屬材料：綜合性能等。

陶瓷材料：高溫、穩(wěn)定性能等。高分子材料：耐腐蝕等特殊性能。

復合材料：1＋1大于2。材料科學的發(fā)展社會需求是材料發(fā)展的巨大動力能源與材料：貯氫材料（鈦錳及稀土類合金）、太陽能電池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（鋯合金等）。航空航天材料：發(fā)動機（高溫合金，金屬基復合材料，陶瓷與陶瓷基復合材料）、汽輪機部件（纖維增強金屬基復合材料、陶瓷基復合材料）、火箭噴嘴（難熔金屬）等。船舶與海洋工程材料：柴油機(高溫合金、陶瓷材料)、輪機（銅合金、鋁合金、軸承合金）、船體（結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強鋼、不銹鋼）人與材料：金屬、無機、高分子及其復合材料。材料科學的發(fā)展國家大劇院采用的自清潔玻璃具有廣泛應用的納米材料材料科學的發(fā)展納米TiO2在可見光照射下對碳氫化合物(如油污、細菌)有催化作用，使其進一步被氧化成氣體或很容易被擦掉的物質(zhì)。利用納米技術(shù)還可以直接制造出超微型機械以制造出納米齒輪、納米軸承、納米彈簧等機械器件，而且還發(fā)明了納米發(fā)動機和納米執(zhí)行機構(gòu)。波士頓大學制造了世界上最小的僅有78個原子組成的分子馬達。材料科學的發(fā)展美國德克薩斯州的科學家成功研制出了只有人體頭發(fā)直徑五萬分之一大小的汽車

以色列正嘗試采用納米技術(shù)開發(fā)一種黃蜂大小的微型機器人，能夠進行追蹤、拍照、甚至攻擊目標

這些研究為今后開發(fā)和研制微小的分子機械奠定一定的基礎(chǔ)。材料科學的發(fā)展“擬黃蜂”軍用機器人納米汽車

具有廣泛應用的納米材料納米紅血球納米直升機納米探針材料科學的發(fā)展材料科學的發(fā)展采用納米技術(shù)對機械關(guān)鍵零部件進行表面涂層處理，可提高機械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。芬蘭在碳鋼上涂上納米復合涂層，涂層硬度達20.8GPa，比碳鋼大幅度提高，涂層還具有良好的抗氧化性和耐高溫性。美國西北大學在工具鋼沉積碳化物納米復合多層膜，如TiN/AlN和TiN/VN等，硬度超過50GPa.材料科學的發(fā)展造船材料的發(fā)展木板船獨木舟木筏★古代造船以木材為主，就地取材，優(yōu)中選優(yōu)，根據(jù)材料不同的特點和性能用在不同部位。鄱陽湖之戰(zhàn)朱元璋陳友諒鄱陽湖之戰(zhàn)，是元朝末年朱元璋和陳友諒為爭奪南部中國在鄱陽湖水域而進行的一次戰(zhàn)略決戰(zhàn)，決戰(zhàn)以朱元璋的完全勝利而告終。這次戰(zhàn)役被視為中世紀世界規(guī)模最大水戰(zhàn)。造船材料的發(fā)展散貨船（普通碳素鋼）LNG（低溫鋼）全鋁合金導彈快艇美國“短劍號”碳纖維復合材料高速隱身艇造船材料的發(fā)展造船材料的發(fā)展現(xiàn)代船舶的船體結(jié)構(gòu)制造所用材料主要是一般強度船體結(jié)構(gòu)用鋼、高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼、復合鋼板、Z向鋼、鋁合金、增強塑料等。根據(jù)CCS1998年《材料與焊接》規(guī)范和2002、2004年規(guī)范修改通報要求，所有金屬材料必須從力學性能(強度、塑性、硬度、蠕變)、工藝性能（彎曲、焊接性）、化學成分、脫氧方法、交貨狀態(tài)（熱處理）等方面符合規(guī)范要求。

一、良好的力學性能1.強度

強度—金屬材料在外力作用下抵抗斷裂和變形的能力。2.塑性

塑性—金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。3.沖擊韌性

沖擊韌性—金屬材料抵抗沖擊載荷和脆性破壞的能力。4.疲勞強度

疲勞強度—金屬材料抵抗外力反復作用下的能力，即在交變載荷無限次作用下不致引起破壞的能力，以бN表示。5.硬度硬度—金屬材料抵抗比它更硬物體壓入表面內(nèi)的能力。船體結(jié)構(gòu)對金屬材料的基本要求船體結(jié)構(gòu)對金屬材料的基本要求二、優(yōu)良的工藝性能所謂工藝性能是指材料對各種加工方法的適應性。在現(xiàn)代造船中，采用最多的金屬材料加工方法是焊接與彎曲。因此，作為船體結(jié)構(gòu)材料必須具有良好的焊接性和優(yōu)良的承受彎曲加工的性能。船體結(jié)構(gòu)用金屬材料在海水中具有較高的耐腐蝕性能，而目前的一般強度船體結(jié)構(gòu)用鋼和高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼還不能完全滿足要求，在海水中的腐蝕都比較嚴重，據(jù)統(tǒng)計碳素鋼為0.1毫米/年，含鎳合金鋼為0.08毫米/年。因此，船舶設(shè)計時必須增放腐蝕余量，這就增加了船體自重和材料消耗。從耐腐蝕觀點出發(fā)，奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼作為造船材料是比較理想的。三、良好的耐腐蝕性能造船材料要成本低、品種多、質(zhì)量好、保證大量供應。要滿足這些要求，必須立足于國內(nèi)，國產(chǎn)材料應有良好的供應經(jīng)濟性，如船板厚度進級可為0.5毫米，角鋼可以是不等邊不等厚。也只有這樣，才能保證充足的貨源，滿足我國造船工業(yè)的需要。四、良好的經(jīng)濟性船體結(jié)構(gòu)用金屬材料只有經(jīng)過嚴格的、全面的性能試驗，才能保證船舶的建造質(zhì)量和航行安全。其試驗項目包括有：拉伸試驗、沖擊試驗、冷彎試驗,脫氧、晶粒度、化學成分檢驗，焊接認可試驗等。五、良好的試驗性能

★材料按物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分：

金屬材料、非金屬材料（有機高分子材料和陶瓷料)、復合材料★材料按用途不同分：

機械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料

★材料按功能不同分：

結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等材料的分類★世界四大材料：鋼鐵、木材、塑料、水泥

(如建造一艘萬噸的貨輪)★材料分：金屬材料、非金屬材料、復合材料金屬材料—指鋼鐵、有色金屬等材料非金屬材料—無機高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有機高分子材料（如塑料、橡膠），復合材料---玻璃鋼、碳纖維復合材料、硼纖維材料。★現(xiàn)在新材料----納米材料、智能材料材料的分類船舶、海洋開發(fā)是綜合性的工業(yè)，需要的材料品種多、數(shù)量大。據(jù)粗略統(tǒng)計，建造一艏萬噸輪需要1000多種材料和5000多噸鋼材造船材料的分類材料的分類結(jié)構(gòu)材料功能材料強調(diào)利用材料的力學性能來滿足工程結(jié)構(gòu)上的需要強調(diào)材料具有光、電、磁、熱等特殊的物理性能性能特點和用途

按功能：材料的分類金屬材料非金屬材料黑色金屬有色金屬陶瓷材料高分子材料復合材料按本質(zhì)、物理和化學性能：金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì),通常具有良好的導電性、導熱性、延展性、高的密度和高的光澤黑色金屬的分類船用碳素鋼鑄鐵船用合金鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼專用碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼鑄鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵有色金屬的分類銅及其合金滑動軸承合金鋁及其合金工業(yè)純銅黃銅青銅白銅純鋁鋁合金材料的分類金屬材料

非金屬材料黑色金屬有色金屬陶瓷材料高分子材料復合材料非金屬材料的分類復合材料陶瓷材料高分子材料金屬和非金屬元素間的化合物。具有很高的強度和硬度，較低的導電、導熱性，延性、成型性及耐沖擊性都很差。極好的耐高溫和耐腐蝕特性,還有一些獨特的光學、電學。材料中原子之間的鍵合特點復合材料材料中原子之間的鍵合特點陶瓷材料高分子材料非金屬原子共有電子而構(gòu)成大分子材料稱為高分子材料。每個大分子由許多結(jié)構(gòu)相同的單元相互連接而成，因此高分子材料又稱為聚合物。它具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性、絕緣性和低密度等優(yōu)良性能。非金屬材料的分類材料中原子之間的鍵合特點復合材料是由兩種或兩種以上材料組成的，其性能是它的組成材料所不具備的。復合材料可能具有非同尋常的剛度、強度、高溫性能和耐蝕性。非金屬材料的分類復合材料陶瓷材料高分子材料結(jié)構(gòu)組織構(gòu)成材料的基本質(zhì)點(離子、原子或分子等)是如何結(jié)合與排列的，它表明材料的構(gòu)成方式。指借助于顯微鏡所觀察到的材料微觀組成與形貌---通常稱為顯微組織。金屬的結(jié)構(gòu)、組織與性能含義性能使用性能工藝性能

指在服役條件下，能保證安全可靠工作所必備的性能。力學性能

物理性能

化學性能

強度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞熔點、密度以及電、磁、光和熱耐腐蝕和抗老化組織結(jié)構(gòu)性能熱加工工藝鍛造鑄造焊接熱處理性能使用性能工藝性能鑄造塑性加工焊接液→固；流動性指材料的可加工性熱處理粉末冶金機械加工鑄造：將液態(tài)材料（如金屬、塑料等）注入模具中的成型方法。鑄造性能主要用材料的流動性來衡量。性能使用性能工藝性能鑄造塑性加工焊接液→固；流動性鍛、拉、擠、軋、彎；延展性；變形抗力、變形開裂傾向熱處理粉末冶金機械加工塑性加工：利用材料的延展性,在外力(如、鍛、拉、擠、軋、彎)作用下將固態(tài)材料加工成型的方法。塑牲加工性主要用材料的變形抗力、變形開裂傾向來衡量。

性能使用性能工藝性能鑄造塑性加工焊接液→固；流動性鍛、拉、擠、軋、彎；延展性；變形抗力、變形開裂傾向可焊性熱處理粉末冶金機械加工焊接和膠接：將分離的部件連接到一起的成型方法.通常用可焊性來衡量材料的焊接性能。性能使用性能工藝性能鑄造塑性加工焊接液→固；流動性鍛、拉、擠、軋、彎；延展性；變形抗力、變形開裂傾向可焊性