金屬材料緒論

1、課程名稱：金屬材料課程名稱：金屬材料授課教師：王桂松 材料樓809房間 電話：86418674手機(jī)QQ:21606746本課程所用教材 “工程材料學(xué)”，王曉敏主編，哈工大出版社 “金屬材料學(xué)”，戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社 “金屬材料學(xué)”，王笑天主編，機(jī)械工業(yè)出版社 其他類似參考書，圖書館借閱。本課程的主要內(nèi)容緒 論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)第一章 鋼的合金化基礎(chǔ)第二章 構(gòu)件用鋼第三章 機(jī)器零件用鋼第四章 工具鋼第五章 不銹鋼第六章 耐熱鋼及高溫合金第七章 鑄鐵第八章 有色金屬及其合金 （金屬間化合物、鋁、 鈦、鎂、銅） 金屬基復(fù)合材料 （鋁基、鈦基、銅基和金屬間化合

2、物基）課程體系課程體系：本課程是材料學(xué)專業(yè)的核心課程，是學(xué)生走上工作崗位使用知識(shí)最多最直接的課程？其先修課程是材料力學(xué)性能、材料科學(xué)基礎(chǔ)，在掌握了有關(guān)材料理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，能夠綜合論述材料發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)一步加深對(duì)材料科學(xué)的理解。課程思路課程思路： 從材料使用出發(fā)，緊緊圍繞材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，闡述各類材料的基本特征，以及改善材料性能的技術(shù)途徑，并且介紹合理選擇材料、使用材料的原則和方法。0.1金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)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第三階段微觀組織理論大發(fā)展 0.1.4第四階段微觀理論的深入研究0.2現(xiàn)代金屬材料0.

3、3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.1 金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)史冶金史（金屬材料史）金屬材料發(fā)展史?？勺匪莸綆浊昵癈ahn主編Physical Metallurgy詳細(xì)敘述金屬材料發(fā)展，分為四個(gè)階段。0.1.1第一階段原始鋼鐵生產(chǎn)公元前4300，使用自然的金、銅，鍛打、熱加工等形式的工藝。公元前2800，鐵的熔煉。公元前2000，商、周 時(shí)期，青銅器興盛，編鐘春秋時(shí)期，中國(guó)掌握了生鐵鑄造，農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用。淬火技術(shù)已有較大發(fā)展，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”水淬，油淬。世界古代兵器最著名的有：中國(guó)的寶劍、西歐的大馬士革刀和日本的武士劍。緒論緒論

4、 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.1.2第二階段金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)鐵對(duì)人類文明做出了巨大的貢獻(xiàn)鐵對(duì)人類文明做出了巨大的貢獻(xiàn)。如1788年誕生第1座鐵橋，1818年第1艘鐵船下水，1825年第1條鐵路運(yùn)行。人類對(duì)鐵的研究與發(fā)展構(gòu)成了金屬材料科學(xué)的基礎(chǔ)。人類對(duì)鐵的研究與發(fā)展構(gòu)成了金屬材料科學(xué)的基礎(chǔ)。19世紀(jì)，冶金學(xué)家和晶體學(xué)家的工作對(duì)金屬材料發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。世紀(jì)，冶金學(xué)家和晶體學(xué)家的工作對(duì)金屬材料發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。這一階段主要是奠定了金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)，如金屬學(xué)、金相學(xué)、相變和合金鋼等。1803年，道爾

5、頓提出了原子學(xué)說(shuō)，阿伏加德羅提出了分子論。1830年，Hessel提出了32種晶體類型。1839年，普及了晶體Miller指數(shù)。1891年，俄、德、英等國(guó)的科學(xué)家分別獨(dú)立地創(chuàng)立了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。1864年，Sorby第一個(gè)對(duì)金屬進(jìn)行制片、拋光、腐蝕和照相，誕生了第一張金相組織照片。9倍。金相顯微鏡的發(fā)明人，金相之父。1827年，Karsten從鋼中分離出了Fe3C,一直到1888年Abel證明了這是Fe3C.緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)1861年，俄羅斯契爾諾夫提出鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度的概念，為鋼的相變及熱處理工藝研究邁出了第一步。19世紀(jì)末，馬氏體研究已成為時(shí)髦課

6、題，鋼的硬化理論得到了深入研究。Willard Gibbs推導(dǎo)得到了相律，為相圖研究打下了基礎(chǔ)。Robert-Austen等人研究了奧氏體的固溶體特性，以后Roozeboom總結(jié)了他人的結(jié)果，建立了Fe-Fe3C系的平衡圖。對(duì)于金屬學(xué)發(fā)展有突出貢獻(xiàn)的人，分別以他們的名字命名鋼的組織。對(duì)于金屬學(xué)發(fā)展有突出貢獻(xiàn)的人，分別以他們的名字命名鋼的組織。以英國(guó)金屬學(xué)家Austen命名奧氏體（Austenite);美國(guó)科學(xué)家Bain命名了貝氏體（Bainite);英國(guó)科學(xué)家Sorby發(fā)明了金相顯微鏡，被命名為索氏體(Sorbite);德國(guó)金屬組織學(xué)的奠基人Marten,以馬氏體（Martensite)命名；

7、萊氏體（Ledeburite)為了紀(jì)念德國(guó)學(xué)者Ledebur。這一時(shí)期研究了許多新合金鋼。1820年Berthier成功研制了鐵鉻合金；1857年Jacob發(fā)明了鎢鋼，Mushet發(fā)展了鎢鋼。1871年Robert Hadfield研究成功了錳鋼和硅鋼。緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.1.3第三階段微觀組織理論大發(fā)展主要成就是合金相圖、主要成就是合金相圖、X射線發(fā)明及應(yīng)用，位錯(cuò)理論的建立。射線發(fā)明及應(yīng)用，位錯(cuò)理論的建立。19001940 大學(xué)設(shè)置冶金系，工業(yè)上開始了大量生產(chǎn)與研究。Tammann導(dǎo)出了合金相組成的一般規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了合金相本質(zhì)，得到了大量合金相圖。

8、1912年Von laue發(fā)現(xiàn)了X射線，Bragg加以發(fā)展。利用X射線證實(shí)了a-Fe, d-Fe體心立方，g-Fe是面心立方。對(duì)微觀組織的研究，打破了晶體是完整性的傳統(tǒng)概念。許多研究者提出了晶體中存在的各種缺陷、空位。1934年，俄國(guó)Polanyi、匈牙利Orowan和英國(guó)Taylor各自獨(dú)立地提出了位錯(cuò)理論，用以解釋馬氏體的塑性變形。這個(gè)時(shí)期，出現(xiàn)了許多新的合金鋼，如Strauss于1910年發(fā)明了奧氏體不銹鋼，Brearly在1912年發(fā)明了鐵素體不銹鋼。Brinell于1900年發(fā)明了硬度計(jì)。Griffith提出了應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋的說(shuō)法，成為以后斷裂理論的基石。緒論緒論 金屬材料

9、的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.1.4 第四階段微觀理論的深入研究第四階段微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，年發(fā)明了電子顯微鏡，1940開始金屬學(xué)得到飛躍發(fā)展。開始金屬學(xué)得到飛躍發(fā)展。許多專家進(jìn)行了原子擴(kuò)散的研究，提出擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力不是濃度梯度，其本質(zhì)是化學(xué)位梯度。大量鋼的TTT曲線得到了測(cè)定，特別是Hanemann和Schrader用不同速度冷卻的試樣對(duì)先共析組成物的形貌進(jìn)行了研究及分類。Cohen等研究者的許多論文報(bào)道了馬氏體相變的穩(wěn)定化、爆發(fā)現(xiàn)象、相變臨界點(diǎn)、回火過程變化等研究結(jié)果。由于電子顯微鏡的發(fā)明，人們不僅看到了鋼中第二相沉淀析出，還看到了位錯(cuò)的滑移行為，發(fā)

10、現(xiàn)了不全位錯(cuò)、層錯(cuò)、位錯(cuò)墻、亞結(jié)構(gòu)等現(xiàn)象。位錯(cuò)理論得到了完善。Cottrell于1948年提出了碳或其他原子停留在位錯(cuò)上，能把位錯(cuò)釘扎住，這就是所謂的Cottrell氣團(tuán)?？茖W(xué)儀器不斷發(fā)明和性能不斷提高?？茖W(xué)儀器不斷發(fā)明和性能不斷提高。由于粒子光學(xué)的發(fā)展，顯微鏡向多功能方向發(fā)展，又產(chǎn)生了一些新的儀器，如電子探針分析器、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。這些儀器提供了大量金屬表面和界面的微觀結(jié)構(gòu)信息，導(dǎo)致了金屬表面和界面科大量金屬表面和界面的微觀結(jié)構(gòu)信息，導(dǎo)致了金屬表面和界面科學(xué)的產(chǎn)生。學(xué)的產(chǎn)生。緒論緒論 金屬材料的

11、過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.2 現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料金屬材料一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。金屬材料一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。鋼鐵、銅合金、鋁合金、鎳合金等都是最重要和最廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)金屬材料。21世紀(jì)，也不能否定金屬材料是最重要的結(jié)構(gòu)材料世紀(jì)，也不能否定金屬材料是最重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料的地位。和功能材料的地位。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的使用性能的要求越來(lái)越高，金屬材料本身必隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的使用性能的要求越來(lái)越高，金屬材料本身必須要發(fā)展以滿足新的需要，同時(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有可能使金屬材料得到新的大發(fā)展。須要發(fā)展以滿足新的需要，同時(shí)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

12、，有可能使金屬材料得到新的大發(fā)展?？梢灶A(yù)期，可以預(yù)期，新型金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用將成為新型金屬材料的發(fā)展和應(yīng)用將成為21世紀(jì)金屬材料工業(yè)的重要特征之一。世紀(jì)金屬材料工業(yè)的重要特征之一。(1)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料 研究與開發(fā)是永恒的主題。結(jié)構(gòu)材料一般數(shù)量大，資源與能源消耗高，污染嚴(yán)重，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有決定性作用。金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍然占有重要位置，特別是鋼鐵材料，在今后幾十年里其產(chǎn)量不會(huì)下降。提高金屬材料產(chǎn)品的質(zhì)量，改善其使用性能和延長(zhǎng)使用壽命，是實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源和資源，減少環(huán)境污染的途徑。提高傳統(tǒng)金屬材料的性能，重要的途徑之一是使材料的組織更均勻一些，材料更純潔一些。美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings

13、提出金屬半固態(tài)加工技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的材料制備加工技術(shù)之一，該研究對(duì)顯著改善和提高材料的質(zhì)量、縮短工藝流程、降低成本、合理利用資源等都具有重要意義，并且可以產(chǎn)生許多新的交叉學(xué)科創(chuàng)新成果。緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)(2)高溫合金材料高溫合金材料 對(duì)動(dòng)力機(jī)械和運(yùn)載機(jī)械來(lái)說(shuō)，工作溫度越高，比強(qiáng)度和比剛度越高，則效率也越高。國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)：渦輪溫度和推重比都在逐步提高，要求材料及冷卻技術(shù)要不斷改進(jìn)。飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)，其2/3和1/2是要靠材料性能的提高。汽車節(jié)油有37靠材料的輕量化，40靠發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，而絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)（不需要冷卻）主要靠材料性

14、能的提高。高溫材料的研究與開發(fā)是當(dāng)務(wù)之急。高溫材料的研究與開發(fā)是當(dāng)務(wù)之急。從高溫材料看，碳復(fù)合材料可達(dá)到2500，但抗氧化能力太差，只能用于火箭、導(dǎo)彈；樹脂基復(fù)合材料的工作溫度只有300350；現(xiàn)有的金屬基復(fù)合材料雖然有比較好的綜合性能，由于成本高，只有顆?；蚨汤w維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料有可能大量推廣于民用。鈦及鈦鋁中間化合物密度小、工作溫度高（6001000 ），在空間機(jī)械應(yīng)用前景廣泛。緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)（3）低溫鋼）低溫鋼由于各種低溫技術(shù)的溫度、應(yīng)力等的服役條件不同，因此對(duì)材料要求也不同；需由于各種低溫技術(shù)的溫度、應(yīng)力等的服役條件不同，因此對(duì)材料要

15、求也不同；需要開發(fā)各種系列用途的低溫奧氏體鋼。要開發(fā)各種系列用途的低溫奧氏體鋼。傳統(tǒng)奧氏體鋼由于組織穩(wěn)定性和強(qiáng)度低等原因而不能勝任。許多國(guó)家都在致力于開發(fā)各種高性能低溫用新型奧氏體結(jié)構(gòu)鋼。中國(guó)“九五”規(guī)劃中把低溫鋼、高性能鋼等高技術(shù)各領(lǐng)域有特殊用途的材料作為重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象。國(guó)家自然科學(xué)基金和寶鋼的聯(lián)合基金于2001年把高性能鋼、高氮奧氏體不銹鋼列入鼓勵(lì)研究的范圍。通過研究，開發(fā)出性能高、可靠性好的低溫鋼、高氮奧氏體不銹鋼。（4）新型工具鋼）新型工具鋼利用氣體霧化制粉后采取熱等靜壓（利用氣體霧化制粉后采取熱等靜壓（HIP)的粉末冶金工藝可以生產(chǎn)韌性和耐磨性的粉末冶金工藝可以生產(chǎn)韌性和耐磨性都很好

16、的合金工具鋼。都很好的合金工具鋼。日本神戶鋼鐵公司開發(fā)的粉末工具鋼KAD181（Fe-18Cr-2Mo-1V-2.2C），經(jīng)HIP后不用鍛造，具有很好的性能，在模具、輥?zhàn)?、刀具等方面?yīng)用很廣泛。美國(guó)開發(fā)的坩堝粉末冶金法（CPM）大為改善了4種冷作工具鋼的韌性和耐磨性，提高了使用壽命。如CPM T440V的耐腐蝕性與不銹鋼T-440C差不多，但耐磨性是T-440C的幾倍，其實(shí)際使用壽命是T-440C 的20倍。緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)0.3 金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)2004年在北京召開了“國(guó)際新材料與加工、應(yīng)用博覽會(huì)暨研討會(huì)”，會(huì)

17、議主題會(huì)議主題是是“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”。中國(guó)工程院左鐵鏞院士作了“構(gòu)筑循環(huán)型材料產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展”的報(bào)告。目前中國(guó)資源的主要矛盾表現(xiàn)在資源供給不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。2020年可以保證需求的礦產(chǎn)僅為9種，特別是鐵、錳、鉻、銅、鋁等礦產(chǎn)將長(zhǎng)期短缺。另外，現(xiàn)有資源利用率不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。另外，現(xiàn)有資源利用率不高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。礦產(chǎn)資源的開發(fā)總回收率只有3050%，比發(fā)達(dá)國(guó)家平均低20左右?！案咄度耄彤a(chǎn)出，高污染高投入，低產(chǎn)出，高污染”問題，在中國(guó)資源的開發(fā)與利用中嚴(yán)重存在問題，在中國(guó)資源的開發(fā)與利用中嚴(yán)重存在。2003年

18、，中國(guó)消耗了相當(dāng)于全球總產(chǎn)量30的主要能源和原材料，創(chuàng)造的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)僅占到4。人口膨脹、資源短缺和環(huán)境惡化是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的三大問題。人口膨脹、資源短缺和環(huán)境惡化是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的三大問題。緒論緒論 金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來(lái)無(wú)廢物的生產(chǎn)對(duì)資源和環(huán)境的保護(hù)具有重要的意義。最典型的是微生物冶金，無(wú)廢物的生產(chǎn)對(duì)資源和環(huán)境的保護(hù)具有重要的意義。最典型的是微生物冶金，已經(jīng)在許多國(guó)家進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)。已經(jīng)在許多國(guó)家進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)。某些細(xì)菌喜歡金，落葉松能聚集鈮，玉米能聚金，甜菜和煙草可集鋰，軟體動(dòng)物能生產(chǎn)銅，龍蝦能集鈷等。美國(guó)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。現(xiàn)在可從海水中提取鎂、鈾等元素，全世界生產(chǎn)的鎂大約有20來(lái)自海水，美國(guó)靠這種鎂已滿足需求量的80。全世界都非常重視資源和環(huán)境問題。全世界都非常重視資源和環(huán)境問題。例如，德國(guó)政府規(guī)定，各種材料均應(yīng)實(shí)行最大限度的回收