材料理論技術(shù)講座

材料、理論、技術(shù)的演化和發(fā)展

劉宗昌內(nèi)蒙古科技大學9/19/20231

材料的發(fā)展歷程人類社會各年代材料的相對重要性比較9/19/20232石器－銅器－鐵器材料的演化伴隨著社會的進步。材料科學技術(shù)的每—次重大突破，都會引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，大大加速社會發(fā)展的進程，并給社會生產(chǎn)和人們生活帶來巨大的變化。遠古，我們的祖先是以石器材料為工具，他們在尋找石器的過程中認識了礦石，并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng)了冶金技術(shù)。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年左右，人類進入了鐵器時代，開始使用的是鑄鐵，后來制鋼工業(yè)迅速發(fā)展，成為18世紀產(chǎn)業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)。9/19/20233人工制造的材料：起自于金屬金屬材料的發(fā)展：開始于冶金經(jīng)歷青銅器－鐵器－鋼的生產(chǎn)：形成早期冶金、鑄鍛、熱處理技術(shù)，逐漸發(fā)展演化為現(xiàn)代化的材料工程，推動社會進步。9/19/20234產(chǎn)業(yè)革命后冶金材料工業(yè)發(fā)展的里程碑

早期：十七，十八世紀,

熟鐵與煉鋼技術(shù)碾壓鍛造技術(shù)(代替鐵錘),(蒸汽機－鑄壓機)

1856年轉(zhuǎn)爐世界鋼產(chǎn)量：5萬噸（1850）1864年平爐2800萬噸（1900）歷史表明：工業(yè)材料發(fā)展早期：材料是以鋼鐵為中心的冶金--鑄造--塑性成形（鍛造）的材料加工工業(yè)體系。

近期：9/19/20235大學中最早設(shè)立的冶金系

美國(1865)年在大學中建立第一批礦冶系

英國（1865-1870）開始在大學設(shè)立礦冶系

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1925年—聚苯乙烯

1931年—聚氯乙烯

1941年—尼龍、塑料

1945年后—鍺、硅半導體材料

1950年后—先進工業(yè)陶瓷成為非金屬先進材料的先驅(qū)20世紀前半葉金屬材料居主導地位，非金屬材料逐步發(fā)展非金屬材料的發(fā)展9/19/20237

據(jù)前述材料的發(fā)展趨勢，決定材料基本性質(zhì)的鍵合特性與結(jié)構(gòu)特征，必然由相對單純的金屬鍵向混合鍵演進；由簡單立方的晶體結(jié)構(gòu)向復雜晶體結(jié)構(gòu)及復雜分子結(jié)構(gòu)演進。從而決定或影響了材料的制備/加工、組織結(jié)構(gòu)和性能。非金屬材料日益占據(jù)和金屬材料同等重要地位9/19/20238一、關(guān)于新材料9/19/20239新材料建構(gòu)人類文明的大廈

當今公認：材料、能源和信息技術(shù)是現(xiàn)代社會文明的三大支柱。歷史證明，每一項重大的新技術(shù)發(fā)現(xiàn)，往往都有賴于新材料的發(fā)展。如半導體材料的出現(xiàn)對電子工業(yè)的發(fā)展具有極大的推動作用。以電子計算機為例，自1946年世界上第一臺真空管電子計算機問世以來，由于鍺、硅等半導體材料、半導體器件的相繼研制成功和廣泛應(yīng)用，計算機技術(shù)獲得了極其迅速的發(fā)展，在60年里，經(jīng)歷了一代代產(chǎn)品更新?，F(xiàn)在一臺微型計算機和世界第一臺大型電子管計算機的功能相當，但運算速度快了幾千倍，體積僅為原來的三十萬分之一，重量僅為六萬分之—。9/19/202310我國新材料的研究、發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化

新材料研發(fā)取得了長足的進步，一大批新材料填補了國內(nèi)空白，有些已達到國際先進水平。例如信息材料方面，我國的無機非線性光學晶體已達到國際領(lǐng)先水平。在能源材料方面，結(jié)合我國富有的稀土資源而研發(fā)的新型貯氫材料，已經(jīng)成功地應(yīng)用于鎳氫電池的制造，形成國際市場。在高性能金屬材料方面，我國繼美國、德國等少數(shù)國家之后已經(jīng)成功地建成了年產(chǎn)百噸級的非晶合金。在先進陶瓷方面我國也取得了令人矚目的成績。我國在先進復合材料的研制方面也已取得顯著進步。我國正在新材料的主要領(lǐng)域積極跟蹤國際先進水平，努力創(chuàng)新，充分發(fā)揮本國資源和人才方面的優(yōu)勢，逐步形成具有中國特色的新材料體系。9/19/202311世界鋼鐵材料發(fā)展動向：1.高性能、高質(zhì)量、低成本。2.節(jié)約能源、少無污染。3.提高材料比強度，從而減少構(gòu)件重量。4.材料可回收并循環(huán)使用?！鉉

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重點發(fā)展的鋼種是：1.控軋、控冷低碳微合金鋼。2.非調(diào)質(zhì)鋼。3.高純凈鋼。4.相變塑性鋼。5.冷作強化鋼。9/19/202313理論依據(jù)：

（1）鋼鐵材料材的力學性能屈服強度：σs=σo+σG+σD+σP+σCσo：基體基本強度；σG=Kyd-1/2，細晶強化，d為晶粒直徑，Ky系數(shù)；σD=KDρ1/2,位錯強化，ρ位錯密度，KD=αμb,α系數(shù)，μ切變模量，b柏矢；σP：彌散強化，與第二相顆粒大小、間距、類型、體積分數(shù)f有關(guān)。σC：合金元素的固溶強化的作用。9/19/202314（2）鋼鐵材料的韌性

韌性一般以脆性轉(zhuǎn)化溫度（Tc)來衡量，或FATT(出現(xiàn)50%解理斷口的溫度)。它和K1C也有對應(yīng)關(guān)系。尤其板材和管線鋼要求低溫韌性。因此FATT十分重要。對V-Nb微合金化控制軋制F/P鋼給出以下關(guān)系式：FATT(℃)=131t1/2-12.7d-1/2+0.45σP+46其中：t碳化物平均尺寸，d,晶粒直徑,σP第二相顆粒的強化作用。此式說明細化晶粒是降低FATT(℃)最好的選擇。

9/19/202315大力發(fā)展微合金化鋼

1.V、Ti微合金化，適用于低碳和中高碳鋼。2.Nb微合金化。僅對低碳鋼(0.1%C)特別是IF鋼效果明顯。但是不能改善鋼的熱加工性能，可能出現(xiàn)熱軋開裂，需要提高開軋溫度。3.用V-N進行微合金化。強化效果最佳，加入0.01%V，強度可提高100MPa.綜合加入V、Ti、Nb、N進行多元微合金化，發(fā)展微合金化鋼。9/19/202316研發(fā)高純鋼

(降低S、P等雜質(zhì)含量可使塑、韌性明顯提高)1.研究表明，軸承鋼氧含量降低到5-10ppm,其疲勞壽命可超過瑞典SKF名牌產(chǎn)品。2.管線鋼S從0.005%降至0.002%，低溫沖擊韌性(夏氏)由70J提高到150J。3.鐵素體不銹鋼，C+N小于150ppm,可抗應(yīng)力腐蝕并提高可焊性。4.P有冷脆傾向。在4340鋼中，P由0.03%降至0.003%時，沖擊韌性可提高10J.9/19/202317我國973計劃中的純凈鋼項目1998年“新一代鋼鐵材料（超級鋼）的重大基礎(chǔ)研究”列入國家973計劃。新一代鋼鐵材料方向：（1）高純凈度(S、P、O、N、H等雜質(zhì)總量低于100PPm)；（2）超細晶粒，晶粒直徑小于4μm（12級晶粒，平均直徑d＝5.5μm）。（3）成分、組織的高均勻性。9/19/202318日本“超級鋼鐵材料”目標是：在不增加環(huán)境合金元素的前提下，將普通低高強度合金鋼的強度提高一倍（由400MPa提高到800MPa），而且可以焊接，焊后不降低強度。研究耐海水腐蝕的新鋼種，使其壽命延長一倍。超臨界耐熱鍋爐鋼板，服役條件：650℃，350大氣壓，擬采用鐵素體耐熱鋼。發(fā)展1500MPa的超高強度鋼，克服延遲斷裂，提高疲勞強度。擬采用有殘留奧氏體膜包圍的低碳馬氏體。9/19/202319非調(diào)質(zhì)鋼1.用V強化P/F鋼，發(fā)展Mn-Si系低合金高強度鋼。

2.晶內(nèi)鐵素體韌化P/F非調(diào)質(zhì)低合金高強度鋼。非調(diào)質(zhì)鋼強度很容易達到調(diào)質(zhì)鋼的水平，但是韌性、塑性不足。新日鐵發(fā)展了新品種，含S提高到0.06%,生成MnS,作為F的核心，使網(wǎng)狀F變?yōu)榫?nèi)分布，大大改善了材料的塑性和韌性。3.發(fā)展低碳貝氏體鋼，具有高強度和韌性。9/19/202320我國鋼鐵材料的研發(fā)成就輝煌

1949年全國產(chǎn)鋼15．8萬t，只相當于現(xiàn)在全國４小時產(chǎn)量。1978年我國鋼產(chǎn)量達到3178萬t。1989年鋼產(chǎn)量超過6000萬t，從1996年起連續(xù)4年超過1億t，成品鋼材也于1998年突破1億t，鋼產(chǎn)量和鋼材產(chǎn)量躍居世界第一。我國已經(jīng)成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2005年粗鋼產(chǎn)量3.52億噸。但品種和質(zhì)量需要提高。

金屬材料的研究人員和工程技術(shù)人員任重道遠！9/19/202321

1949～2005年我國的鋼產(chǎn)量走勢9/19/202322我國2000～2010年的目標：

提高我國鋼材的品種和質(zhì)量是當務(wù)之急?？刂其摦a(chǎn)量，提高市場占有率。加大鋼鐵材料新產(chǎn)品開發(fā)力度。調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高實物質(zhì)量水平，提高產(chǎn)品性能，穩(wěn)定質(zhì)量。開發(fā)超級鋼。在理論研究和試驗的基礎(chǔ)上開發(fā)出一批新一代超級鋼。技術(shù)途徑是提高鋼的純凈度，改善鋼的均勻性，細化鋼的晶粒度和改善組織結(jié)構(gòu)。9/19/202323要求節(jié)能，環(huán)保，資源合理使用

發(fā)展應(yīng)用高性能節(jié)能型鋼我國1998年開始新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究項目（973計劃）要求Q235→400MPaQ345→700MPa合金結(jié)構(gòu)鋼→1500MPa目前，低碳貝氏體鋼系列已是新一代500～1000MPa級高性能結(jié)構(gòu)鋼中的主體（管線，橋梁，船板，海洋結(jié)構(gòu)，工程機械……）9/19/202324我國近年來發(fā)展情況工程機械用鋼研發(fā)出500～1000MPa系列鋼種，在鞍鋼，武鋼，濟鋼，首鋼等廠已批量生產(chǎn)。船板：研發(fā)出σs為420，460，500，550MPa系列鋼種。

橋板：研發(fā)出σs

460，500，600MPa系列鋼種。管線鋼：X70，X80，X100～X120等。9/19/202325二、材料理論的研究和發(fā)展9/19/202326歷史的回顧1、1868年切爾諾夫發(fā)現(xiàn)鋼在加熱和冷卻過程中存在相變臨界點，從此，金屬熱加工技術(shù)從工匠手藝發(fā)展為材料科學。2、20世紀材料科學迅猛發(fā)展，突出貢獻有：（1）20－30年代，貝茵等人對鋼、鋁的相變的研究成果；（2）30－50年代，德拜等人對金屬晶體結(jié)構(gòu)的研究成果；（3）20－40庫久莫夫等人對馬氏體晶體結(jié)構(gòu)的研究成果；（4）50年代后位錯等晶體缺陷的發(fā)現(xiàn)及其對強度影響規(guī)律的研究，對于材料強度理論研究、熱處理工藝的開發(fā)，起了促進作用。（5）柯俊等人對貝氏體、貝氏體相變研究的開創(chuàng)性貢獻；9/19/202327鋼中五大轉(zhuǎn)變理論

奧氏體的形成、共析分解、馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體相變和脫溶轉(zhuǎn)變（回火轉(zhuǎn)變）等五大轉(zhuǎn)變理論的研究，在20世紀40～70年代得到了顯著的成就。它是形成80年代《金屬熱處理原理》教材的主要內(nèi)容。

20世紀60年代前的大學生學習的是50年代以前的理論知識；80～90年代的大學生學習的是80年代以前的理論知識；21世紀的大學生應(yīng)當關(guān)注80年代以來發(fā)展的新理論、新知識。9/19/202328近年來的新理論拾零9/19/2023291、共析分解新理論什么叫珠光體？以往稱“珠光體為奧氏體分解為鐵素體和滲碳體的機械混合物”。此概念不正確，理由有二：其一，由鐵素體＋滲碳體構(gòu)成的組織不全是珠光體，如碳素鋼中的上貝氏體也由此兩相組成。其二，珠光體不是機械混合物。

珠光體是共析鐵素體＋滲碳體（或碳化物）有機結(jié)合的整合組織。是鐵素體和碳化物的有機結(jié)合，有序配合，鐵素體及碳化物兩相是成比例的，有一定的相對量。鐵素體和碳化物是從奧氏體中共析共生出來的。而且兩相以界面相結(jié)合，界面兩側(cè)具有一定位向關(guān)系。9/19/202330珠光體的形核－長大以往書刊中關(guān)于領(lǐng)先相的各種提法：

1、一般認為滲碳體和鐵素體均可成為相變的領(lǐng)先相。2、過共析鋼中通常以滲碳體為領(lǐng)先相，在亞共析鋼中通常以鐵素體為領(lǐng)先相[2]。3、在共析鋼中兩相都可以成為領(lǐng)先相。4、過冷度小時，滲碳體是領(lǐng)先相；過冷度大時，鐵素體是領(lǐng)先相。

這些提法缺乏試驗根據(jù)和理論依據(jù)。9/19/202331共析共生,不存在“領(lǐng)先相”1.按照開放系統(tǒng)的自組織理論，遠離平衡態(tài)，出現(xiàn)隨機漲落，奧氏體中必然出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)，加上隨機出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)漲落、能量漲落，在貧碳區(qū)建構(gòu)鐵素體，而在富碳區(qū)建構(gòu)滲碳體（或碳化物），二者是共析共生，非線性相互作用，互為因果。鐵素體和滲碳體同步出現(xiàn)，組成一個珠光體的晶核。2.這種演化機制屬于放大型的因果正反饋作用，它使微小的隨機漲落經(jīng)過連續(xù)的相互作用逐級增強，而使原系統(tǒng)（奧氏體A）瓦解，建構(gòu)新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)P(F+Fe3C)晶核，然后長大。因此，珠光體共析分解是同步形成鐵素體和滲碳體的整合機制，不存在領(lǐng)先相。9/19/202332修正的珠光體形核長大新示意圖abcd9/19/202333經(jīng)典的端向生長理論是體擴散，此論已經(jīng)過時，

新理論認為：珠光體長大是依靠界面擴散進行的,并且臺階長大。共析碳鋼中珠光體的實測長大速度約為50μm/s。但按體擴散計算所得的鐵素體長大速度為0.16μm/s，滲碳體為0.064μm/s，遠小于實測值。因此認為：珠光體的長大主要通過界面擴散進行的。長大速度與界面擴散系數(shù)Db有關(guān).9/19/202334珠光體臺階長大機制臺階長大機制是珠光體理論研究的一個新進展。9/19/202335

80年代中期Hackney.S.A用高分辨率透射電子顯微鏡研究了Fe-0.8C-12Mn合金的珠光體轉(zhuǎn)變，觀察了珠光體的界面，發(fā)現(xiàn)存在平直的相界面和臺階缺陷，臺階高度約為4～8nm，且臺階是可動的。認為珠光體長大時，界面遷移依賴臺階的橫向運動。如圖9/19/202336Fe-0.8C-12Mn合金的珠光體上的共享臺階

（1300℃加熱12h＋600℃保溫12h后淬水）9/19/202337圖中可見1～7個長大臺階9/19/2023381～7臺階清晰可見9/19/2023392、關(guān)于馬氏體相變馬氏體相變的研究成果主要是20～80年代取得的，80年代后許多學者把研究重心轉(zhuǎn)移到貝氏體相變的研究和論爭上，馬氏體相變研究進展緩慢。9/19/202340馬氏體慣習面、偏聚區(qū)、浮凸板條狀馬氏體的慣習面原為｛111｝γ，現(xiàn)修改為｛557｝γ。工業(yè)上實際得到的馬氏體都不是新鮮馬氏體，馬氏體中的碳原子已經(jīng)偏聚，形成碳原子偏聚團，馬氏體中存在大量的偏聚團Dc，Hc。馬氏體浮凸不完全是（N）型，近年來，有人研究Fe－Ni－C合金｛259｝f型馬氏體的表面浮凸為帳篷型（Λ）；板條狀馬氏體的表面浮凸均為帳篷型（Λ）。9/19/202341馬氏體

以往的定義定義1：馬氏體是碳在α—Fe中的過飽和固溶體。定義2：在冷卻過程中所發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體。定義3：母相無擴散的，以慣習面為不變平面的切變共格的相變產(chǎn)物，統(tǒng)稱為馬氏體。9/19/202342馬氏體的新定義

馬氏體是原子經(jīng)無需擴散切變位移的不變平面應(yīng)變的晶格改組過程得到的具有嚴格晶體學關(guān)系和慣習面的，形成相中伴生極高密度位錯、或?qū)渝e或精細孿晶等晶體缺陷的整合組織。該定義既概括了馬氏體相變過程的屬性，也揭示了馬氏體自身的物理本質(zhì)。9/19/202343馬氏體相變的新定義：原子經(jīng)無需擴散的切變位移，進行不變平面應(yīng)變的晶格改組的一級相變，稱為馬氏體相變。參看劉宗昌編著《材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變原理》

9/19/2023443、貝氏體相變理論的進展和論爭自1971年，貝氏體相變理論展開公開激烈論爭以來，已爭論35年。我認為：應(yīng)當停止論爭，實行整合。本人近年來發(fā)表的論文提出了整合的看法。2006年11月2日在全國固態(tài)相變學術(shù)會議上建議兩派整合。并且宣讀了一篇整合的論文：《貝氏體鐵素體形核的理論分析》。9/19/202345貝氏體相變論爭的焦點：

1971年切變學派的R.F.Hehemann和擴散學派的H.I.Aaronson為代表的兩方進行了辯論,爭論的主要內(nèi)容有：

1.貝氏體的定義；2.關(guān)于貝氏體轉(zhuǎn)變動力學；

3.貝氏體相變的機制。9/19/202346關(guān)于貝氏體的定義

切變學派認為：貝氏體是指中溫轉(zhuǎn)變時形成的針狀分解產(chǎn)物。有三點特征：（1）針狀組織形貌；（2）浮凸效應(yīng)；（3）有自己的TTT圖和Bs點。并將貝氏體定義為“鐵素體和碳化物的非層片狀混合組織”。此定義從科學技術(shù)哲學上講是不正確的。理由是：①不是混合系統(tǒng)，不是混合物，而是整合系統(tǒng)。②鐵素體和碳化物的非層片狀組織不一定全是貝氏體，貝氏體組織中也不僅僅只有鐵素體和碳化物。9/19/202347擴散學派的觀點：擴散學派則認為貝氏體是“擴散的、非協(xié)作的兩種沉淀相競爭的臺階生長的共析分解產(chǎn)物”。這一觀點把貝氏體看成是共析分解的產(chǎn)物，很不妥當。共析分解和貝氏體轉(zhuǎn)變二者轉(zhuǎn)變性質(zhì)不同，不能混為一談。請參看劉宗昌編著《材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變原理》9/19/202348整合觀點：本人提出的整合觀點概括如下：（1）應(yīng)當把“奧氏體－珠光體－貝氏體－馬氏體”轉(zhuǎn)變系列作為一個整合系統(tǒng)從整合機制和系統(tǒng)自組織功能方面進行研究；（2）貝氏體相變是介于馬氏體相變和共析分解之間的過渡性質(zhì)的相變，相變產(chǎn)物、相變機制等方面均具有過渡性；（3）貝氏體相變絕非共析分解。（4）純鐵的塊狀轉(zhuǎn)變與鋼中貝氏體鐵素體形核－長大具有親緣關(guān)系。（5）除擴散、切變外，原子的熱激活躍遷也是貝氏體相變中原子位移的一種重要形式。（6）貝氏體相變具有切変－擴散整合機制。9/19/202349貝氏體、貝氏體鐵素體的新概念

鋼中的貝氏體是過冷奧氏體的中溫過渡性轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，它以貝氏體鐵素體為基體，其上可能分布著滲碳體或ε－碳化物、殘留奧氏體等相，這種整合組織稱為貝氏體。

貝氏體鐵素體是碳、合金元素等溶入α－Fe中的固溶體。其形貌多呈條片狀，由亞片條、亞單元構(gòu)成，并且存在較高密度的位錯或?qū)\晶等亞結(jié)構(gòu)。9/19/202350貝氏體相變理論論爭形勢圖（國內(nèi)）9/19/2023513、關(guān)于熱處理發(fā)展戰(zhàn)略9/19/202352國內(nèi)外熱處理的總體發(fā)展戰(zhàn)略1、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略1992年，聯(lián)合國在里約熱內(nèi)盧提出21世紀全球行動綱領(lǐng)：“以公平原則，通