華科學(xué)復(fù)試金屬材料緒論

金屬材料學(xué)48學(xué)時(shí)

王愛華材料科學(xué)與工程學(xué)院2015.3一、課程特點(diǎn)和要求課程特點(diǎn)：綜合性、應(yīng)用性、經(jīng)驗(yàn)性。金屬材料學(xué)核心課程是專業(yè)知識(shí)教學(xué)中最后一門課程課程要求：掌握合金化理論的基本知識(shí)，了解材料成分設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，熟悉生產(chǎn)中常用的材料及其熱處理工藝、組織、性能之間的關(guān)系，根據(jù)零件技術(shù)要求，能正確地選擇材料和制訂工藝。二、課程要點(diǎn)及思路主線：材料成分-工藝-組織-性能-應(yīng)用之間的有機(jī)關(guān)系核心：合金化原理

“思想”：作用的辨證與矛盾的轉(zhuǎn)化。三、教學(xué)安排教學(xué)：詳略，有的內(nèi)容自學(xué)；實(shí)踐：課堂演講和討論，小論文,隨堂作業(yè)；考試：考試（70%）+平時(shí)（30％）四、參考教材1.戴起勛主編?！督饘俨牧蠈W(xué)》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社。2.吳承建、陳國良、強(qiáng)文江編著?！督饘俨牧蠈W(xué)》，北京：冶金工業(yè)出版社。3.崔崑,《鋼的成分.組織與性能》(上.下冊(cè))，北京，科學(xué)出版社。

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(jiǎn)史

1、第一階段——原始鋼鐵生產(chǎn)

公元前4300年：自然的金、銅及鍛打等工藝公元前2800年：鐵的熔煉公元前2000年：青銅器興盛，編鐘與武器（商、周、春秋戰(zhàn)國）東漢時(shí)：反復(fù)鍛打鋼→最原始形變熱處理工藝。淬火技術(shù):“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”

→現(xiàn)代的水淬、油淬。上圖：吳王夫差矛和越王勾踐劍右上：商周時(shí)期的青銅敦和尊盤-國家一級(jí)文物右下：商代青銅縱目人面像曾侯乙編鐘，戰(zhàn)國早期文物，中國首批禁止出國（境）展覽文物。1978年在湖北隨縣（今隨州市）出土。是由六十五件青銅編鐘組成的龐大樂器，其音域跨五個(gè)半八度，十二個(gè)半音齊備。它高超的鑄造技術(shù)和良好的音樂性能，改寫了世界音樂史，被中外專家、學(xué)者稱之為“稀世珍寶”。

擂鼓礅二號(hào)墓編鐘復(fù)制件1981年湖北擂鼓墩二號(hào)墓出土戰(zhàn)國編鐘一套，音律準(zhǔn)確，音色優(yōu)美。其件數(shù)和規(guī)模僅次于曾侯乙編鐘，總音域達(dá)5個(gè)8度以上，可自己轉(zhuǎn)調(diào)，奏出五聲、六聲、七聲音階構(gòu)成的各種樂曲。須五人合作演出，眾聲齊發(fā)，交響疊鳴。無愧為古代音樂之絕響。2、第二階段——金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)

奠定金屬材料學(xué)科基礎(chǔ)：金屬學(xué)、金相學(xué)、相變和合金鋼等。1803年：道爾頓提出原子學(xué)說，阿伏加德羅提出分子論。1830年：Hessel提出32種晶體類型，普及晶體指數(shù)。1891年：俄、德、英等國科學(xué)家分別獨(dú)立地創(chuàng)立了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。1864年：Sorby制備第一張金相照片，9倍，但意義重大。1827年：Karsten從鋼中分離出了Fe3C，1888年Abel證明了這是Fe3C。1861年：俄契爾諾夫提出了鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度的概念。19世紀(jì)末：馬氏體研究已成為時(shí)髦，Gibbs得到了相律，

Robert-Austen發(fā)現(xiàn)了奧氏體固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡圖。鋼的組織命名：

Austenite→英金屬學(xué)家Austen；Bainite→美科學(xué)家Bain；Sorbite→英科學(xué)家Sorby；Martensite→德科學(xué)家Marten；Troostite→法化學(xué)家Troost；Ledeburite→德學(xué)者Ledebur新合金鋼發(fā)明：

1820年，鐵-鉻合金；1857年，鎢鋼；1898年,含鎢高速鋼雛形1871年，錳鋼和硅鋼。開始了合金鋼的新紀(jì)元3、第三階段——微觀組織理論大發(fā)展

合金相圖，X射線發(fā)明及應(yīng)用，位錯(cuò)理論的建立。

1912年：發(fā)現(xiàn)X射線，證實(shí)α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是

fcc；固溶體規(guī)律。1931年：發(fā)現(xiàn)合金元素的擴(kuò)大和縮小γ區(qū)作用.1934年：俄國Polanyi、匈牙利Orowan和英國Taylor各自獨(dú)立地提出了位錯(cuò)理論，解釋鋼的塑性變形；馬氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)。1938年：發(fā)明了電子顯微鏡。1910年：發(fā)明A不銹鋼，1912年發(fā)明了F不銹鋼等。1990年：發(fā)明了布氏硬度計(jì)，Griffith提出了應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。4、第四階段——微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究：

原子擴(kuò)散及其本質(zhì)的研究；鋼TTT曲線測(cè)定；貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變理論形成了比較完整的理論。位錯(cuò)理論建立：電子顯微鏡的發(fā)明→看到了鋼中第二相沉淀析出，位錯(cuò)滑移，發(fā)現(xiàn)了不全位錯(cuò)、層錯(cuò)、位錯(cuò)墻、亞結(jié)構(gòu)、Cottrell氣團(tuán)等現(xiàn)象→位錯(cuò)理論。新科學(xué)儀器不斷發(fā)明：

電子探針，場(chǎng)離子發(fā)射顯微鏡和場(chǎng)電子發(fā)射顯微鏡、掃描透射電鏡（STEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等.0.2現(xiàn)代金屬材料

先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)是永恒的主題。

開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料：高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損→降低機(jī)械重量、提高性能、延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。復(fù)合材料→結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用，如鋁基復(fù)合材料。開發(fā)各種系列用途的低溫奧氏體鋼。改造傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料：重要途徑是組織更細(xì)更均勻，材料更純潔→關(guān)鍵是工藝?！靶乱淮撹F材料”強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)有鋼鐵材料兩倍。美“9.11”事件，暴露建筑用鋼結(jié)構(gòu)抗高溫軟化能力差→開發(fā)高強(qiáng)熱軋耐火耐候鋼。開發(fā)其它高性能鋼：利用各種新工藝新方法制造出韌性和耐磨性都很好的新型工具鋼。經(jīng)濟(jì)合金化是高速鋼的一個(gè)發(fā)展方向，工具材料的各種表面處理技術(shù)開發(fā)，在新型工具材料的開發(fā)上具有重要的意義。

先進(jìn)制備工藝：如金屬半固態(tài)加工技術(shù)，鋁鎂合金技術(shù)成熟，已應(yīng)用。

現(xiàn)有鋼的技術(shù)界限和鋼強(qiáng)韌化努力的方向0.2金屬材料的分類黑色

金屬

有色

金屬

金屬材料

鑄鐵

鋼

工程構(gòu)件用鋼

機(jī)器零件用鋼

工具鋼

特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼)

輕金屬(鋁,鎂,鈦)

重金屬(銅,鋅,鉛,鎳)

貴重金屬(金,銀)

稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷)

放射金屬(鐳鈾釷)

結(jié)構(gòu)金屬材料功能金屬材料

Chapter0緒

論

0.3金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況(1)

1.從總產(chǎn)量來看，鋼鐵材料的產(chǎn)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占世界金屬總產(chǎn)量的95％，而且有許多良好的性能，能滿足大多數(shù)條件下的應(yīng)用，價(jià)格低廉。

2.在世界金屬礦儲(chǔ)量中，鐵礦資源雖然比較豐富和集中，但就世界地殼中金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量來講，則非鐵金屬礦儲(chǔ)量大于鐵礦儲(chǔ)量，如鐵只占5.1％，而非鐵金屬中鋁為8.8％．鎂為2.1％，鈦為0.6％。

Chapter0緒

論

3.非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，因而生產(chǎn)成本高，限制了生產(chǎn)總量的增長(zhǎng)。

4.非鐵金屬所創(chuàng)造的價(jià)值高，并且它有鋼鐵所不具備的特殊性能，例如比強(qiáng)度高，耐低溫、耐腐蝕等，因而非鐵金屬產(chǎn)量仍在迅速增長(zhǎng)。

Chapter0緒

論

水陸兩用汽車輕型吊軌磁懸浮列車

材料的發(fā)展使汽車和飛機(jī)等性能發(fā)生了突變

美國飛行汽車將于2009年上市銷售

MX-400空中汽車

美國莫勒潛心研究.被譽(yù)為“汽車演變的里程碑”。飛機(jī)外形像一輛新穎別致的小汽車。空中飛行依仗的是它有可轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)及專門提供升力的風(fēng)扇。

自從1903年12月17日美國萊特兄弟把第一雙人類翅膀送上天空后，各種飛機(jī)不斷地在快速發(fā)展，對(duì)制造飛機(jī)各類零部件的材料要求也越來越高。主要是比強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫、耐疲勞等性能。

世界貿(mào)易大廈基本上是用鋁合金貼面的.在“9.11”事件中，該雙子大樓遭到襲擊，毀于一旦。但它作為一個(gè)大量使用鋁合金貼面的的雄偉建筑將永遠(yuǎn)載入史冊(cè)。

泰坦尼克號(hào)快速沉沒的原因小問題引大災(zāi)難.泰坦尼克號(hào)撞上冰山后快速沉沒,經(jīng)查明是因?yàn)楹?%礦渣的48根鉚釘使泰坦尼克號(hào)鋼板散架.杭州灣大橋大橋全長(zhǎng)36公里，其中橋長(zhǎng)35.7公里，雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速100km。大橋共需要鋼材80萬噸，水泥129.1萬噸，石油瀝青1.16萬噸，木材1.91萬立方米，混凝土240萬立方米，水中區(qū)鋼管樁直徑1.5-1.6米、樁長(zhǎng)約70—89.5米，總數(shù)5513根，鉆孔樁3550根，承臺(tái)1272個(gè)，墩身1428個(gè)，為國內(nèi)特大型橋梁之最。0.4金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)

2004年提出了“循環(huán)型社會(huì)的材料產(chǎn)業(yè)——材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展”。微生物冶金:無廢物的生產(chǎn)，已在許多國家進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)。美國利用微生物冶金方法生產(chǎn)的銅占總產(chǎn)量的10%，日本人工培植海鞘以提取釩。海水是一種液態(tài)礦，海水中含有的合金元素量超過100億噸?，F(xiàn)在已可從海水中提取鎂、鈾等元素，全世界生產(chǎn)的鎂大約有20%來自海水，美國靠這種鎂已滿足著需求量的80%。我國資源短缺；資源浪費(fèi)嚴(yán)重；污染嚴(yán)重。

循環(huán)材料產(chǎn)業(yè)：適應(yīng)時(shí)代需要，把生態(tài)環(huán)境意識(shí)貫穿于產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)之中，提高材料利用率、降低生產(chǎn)和使用過程中環(huán)境的負(fù)擔(dān)。發(fā)展形成資源—材料—環(huán)境良性循環(huán)的產(chǎn)業(yè)。合金發(fā)展的主流方向是少合金化與通用合金，形成綠色/生態(tài)材料體系，有利于材料的回收與再生利用。要研究開發(fā)與人民生活密切相關(guān)的綠色材料以及環(huán)境友好材料。

鈦合金被稱為“空間金屬”、“未來鋼鐵”。鈦合金比強(qiáng)度是最高的，在高溫和低溫下都能保持高強(qiáng)度，耐蝕性也是無可匹敵的。鈦在地球中含量不少（0.6%）。但是提煉工藝復(fù)雜，成本高，廣泛應(yīng)用受到限制。鈦合金將是二十一世紀(jì)為人類作重要貢獻(xiàn)的金屬材料之一。

世界上第一個(gè)載人宇宙飛船世界上第一個(gè)“太空人”

有色金屬:資源面臨著不可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重問題，主要是資源破壞嚴(yán)重和利用率很低，浪費(fèi)驚人。精深加工技術(shù)落后，高檔產(chǎn)品缺乏；創(chuàng)新成果少，高