金屬材料學(xué)第0章緒論

2023/2/6工程材料學(xué)曹志強(qiáng)教授電話：84706169手機(jī)-mail:caozq@大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/6參考書(shū)《金屬材料學(xué)》戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》文九巴主編，機(jī)械工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》吳承建機(jī)械工業(yè)出版社2001年《金屬材料學(xué)》王笑天機(jī)械工業(yè)出版社1987年《合金鋼》章守華冶金工業(yè)出版社1981年WilliamF.Smith.StructureandPropertiesofEngineeringAlloys–2ndedition.McGraw-HillEducation,1993.Schweitzer,PhilipA.，MetallicMaterials.NewYork：MarcelDekker,Inc，20032023/2/6本課的特點(diǎn)

核心課程――專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(shí)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)。2023/2/6本課的特點(diǎn)綜合性是內(nèi)容涉及知識(shí)面比較廣，涉及所有以前學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)；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(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中可變性還比較大。2023/2/6本課的目的掌握金屬合金化的原理，合金元素對(duì)鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律；理解各類(lèi)金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點(diǎn)、組織形貌和力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能之間的關(guān)系；經(jīng)過(guò)對(duì)常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合理選用材料，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識(shí)來(lái)解決金屬材料使用過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題。2023/2/6

本課的內(nèi)容:緒論（2學(xué)時(shí)）鋼鐵材料（34學(xué)時(shí)）（包括工程構(gòu)件用鋼、機(jī)器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼）鑄鐵（4學(xué)時(shí)）（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）有色金屬及合金(8學(xué)時(shí))（鋁合金、銅合金、鈦合金）2023/2/60金屬材料的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)△0.1金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)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(shì)2023/2/60．1金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)史?0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(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2023/2/6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(kāi)始普遍使用在公元前1000年。中國(guó)最早在春秋戰(zhàn)國(guó)－晉國(guó)（大致公元前700年）。0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(chǎn)2023/2/6

鐵器的廣泛使用，使人類(lèi)的工具制造進(jìn)入了一個(gè)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(huì)發(fā)展到奴隸社會(huì)，也推動(dòng)了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進(jìn)入了封建社會(huì)。

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2023/2/6我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開(kāi)物》一書(shū)中就記載了古代的煉鋼和熱處理等工藝。這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在煉鋼和熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。

宋應(yīng)星高爐鐵水流入煉鋼爐（方塘），人急速攪動(dòng)，利用空氣氧化鐵水中的碳，用潮濕泥灰做氧化劑加速脫碳（低碳鋼，高碳鋼）2023/2/6

0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)

1803年—原子學(xué)說(shuō)

1830年--32種晶體類(lèi)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)碚撌攀兰o(jì)末—相律、固溶體、平衡相圖2023/2/61863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來(lái)?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類(lèi)對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。2023/2/61912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀2023/2/6

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2023/2/60.1.4第四階段――微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）

透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

2023/2/61934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。金屬鈦中的位錯(cuò)2023/2/61938年，提出TTT曲線、擴(kuò)散、位錯(cuò)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。2023/2/6緒論——金屬材料的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)

0.1金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)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(shì)2023/2/6哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)材料是指人類(lèi)用以制造各種有用器件的物質(zhì)。0.2.1材料2023/2/6材料是人類(lèi)生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手錘銼刀“神舟”四號(hào)飛船成功返回國(guó)產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)2023/2/6前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國(guó)人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料。前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭2023/2/6材料是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類(lèi)社會(huì)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(chēng)為人類(lèi)社會(huì)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(yè)以來(lái)）：?jiǎn)尉Ч璨牧蠈?duì)電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。2023/2/6材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志。

龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)沒(méi)有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

2023/2/6沒(méi)有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片波音客機(jī)在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片2023/2/60.2.2.材料科學(xué)?材料科學(xué)主要是研究材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。

材料科學(xué)是一門(mén)介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。2023/2/6使用性能成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)合成與加工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2023/2/60.2.4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。現(xiàn)代金屬材料:（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料（3）新型工具鋼（4）金屬功能材料2023/2/6（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料我國(guó)鋼鐵世界第一，但27％依賴(lài)進(jìn)口，8％不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。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。2023/2/6(2)高溫合金材料耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達(dá)到750-850℃，對(duì)于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他難熔金屬為基體的合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)

2023/2/6（3）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。（4）金屬功能材料

光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫材料、電性材料、智能材料等。2023/2/6緒論——金屬材料的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)

0.1金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)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(shì)2023/2/60.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)0.3.1結(jié)構(gòu)材料的高性能化(超級(jí)鋼)日本1997年出臺(tái)了超級(jí)鋼研究工程(STX-21)項(xiàng)目。其目的是開(kāi)發(fā)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響最大的新型結(jié)構(gòu)材料,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)和通過(guò)將超級(jí)鋼的強(qiáng)度和壽命提高1倍來(lái)降低超級(jí)鋼的總成本。1998年10月我國(guó)在“九七三”項(xiàng)目中批準(zhǔn)了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目,并作為我國(guó)第一批“九七三”啟動(dòng)的項(xiàng)目之一。2023/2/61998年3月,在國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)(IISI)主持下,由歐洲和北美35家鋼廠和汽車(chē)廠聯(lián)合的“超輕鋼車(chē)身”項(xiàng)目出籠(ultralightsteelbodyproject,ULSAB),它要求車(chē)身強(qiáng)度提高80%,車(chē)重減輕25%,車(chē)重可由平均1300kg/輛降至900kg/輛,達(dá)到百公里燃耗可降0.17L/輛,這項(xiàng)計(jì)劃預(yù)計(jì)2003年底結(jié)束,實(shí)際鋼材面板屈服強(qiáng)度提高1倍。2023/2/6中國(guó)超級(jí)鋼的研究

國(guó)家973項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項(xiàng)目由國(guó)家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項(xiàng)目的有五個(gè)大專(zhuān)院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個(gè)研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽(yáng)金屬所等），九個(gè)鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠），三個(gè)汽車(chē)廠。涉及品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等。2023/2/6鋼類(lèi)組織現(xiàn)有強(qiáng)度（MPa）目標(biāo)強(qiáng)度（MPa）超細(xì)晶尺寸（mm）低碳鋼鐵素體＋珠光體200400(a)5低（微）合金鋼低碳貝氏體或針狀鐵素體400800(a)1-2合金結(jié)構(gòu)鋼回火馬氏體或貝/馬復(fù)相鋼8001500(g)5研究目標(biāo)0.3.2我國(guó)材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)

鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入衰退階段，原因就是有許多新材料來(lái)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(guó)家。而鋼鐵在我國(guó)還在成熟階段，2012年我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破7億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由2004年的26.3%上升到2012年的48.7%。萬(wàn)元GDP能耗20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的10倍。2003年中國(guó)消耗全球30%原材料和能源，GDP占世界4％。我國(guó)連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢(shì)世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢(shì)2023/2/62023/2/6我們?nèi)匀幻媾R諸多問(wèn)題，最明顯的有三個(gè)一，每年我們需要進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼2000萬(wàn)噸以上。二、每年鐵礦石價(jià)格定價(jià)上，中國(guó)缺乏發(fā)言權(quán)。三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大。我國(guó)每萬(wàn)元的工業(yè)增加值中取水量是90立方，是發(fā)達(dá)國(guó)家的3－7倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52％，比發(fā)達(dá)國(guó)家低35％，單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達(dá)國(guó)家水平（2003年CO2

世界第二；有機(jī)污水全球第一）每百萬(wàn)美元GDP的能耗2023/2/6（1）開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度、高使用要求的鋼材，如轎車(chē)用面板、家電外用板、彩電電子儀器用板、不銹鋼光亮板、石化用板、國(guó)防軍工用板、橋梁用板、耐候鋼板、海洋與石油用板。0.3.3我國(guó)材料的發(fā)展對(duì)策2023/2/6(2)盡量采用地球儲(chǔ)