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1、金属材料学 刘 飞 liufei 金材专业课程 2 材料、能源、信息是现代社会发展的三大支柱。其中材料发 展与社会进步有着密切的关系。它是衡量人类社会文明程度的标 志之一。 为什么要学习这门课？ 航母，蛟龙号，战斗机，外太空探测器、 石器时代 青铜器时代 铁器时代 金属材料是现代文明的基础 始于两三百万年前 止于四至六千年前 始于公元前四千年 止于公元初年 始于公元初年 止于 上图：吴王夫差矛和越王勾践剑 右图：铜齿轮 金属材料的应用在古代 上图 沧州铁狮子 铸于953年，重约30吨。 右图 当阳铁塔 铸于1061年，八棱13层， 塔体分段铸造，它是我国目前最 高（七丈十三层）、最重（十万六
2、千六百斤）和保存最完整的铁塔 金属材料的应用在古代 “鸟巢”外形结构主要由巨大的 门式钢架组成，材质为Q460。 共有24根桁架柱，呈鞍形，长 轴为332.3米，短轴为296.4米 ，最高点高度为68.5米，最低 点高度为42.8米。 埃菲尔铁塔于1889年建成位于法 国巴黎战神广场上的镂空结构铁 塔，总高324米。使用了1500多 根巨型预制梁架、150万颗铆 钉、12000个钢铁铸件。 金属材料的应用在近现代 旅行者1号是由美国宇航 局研制的一艘无人外太阳 系空间探测器 重815千 克，于1977年9月5日发射 ，截止到2015年7月仍然 正常运作。它曾到访过木 星及土星，是提供了其卫 星
3、高解像清晰照片的第一 艘航天器。现时，它是离 地球最远的人造飞行器。 旅行者1号现时已经进入 太阳系最外层边界，目前 处于太阳影响范围与星际 介质之间。 金属材料的应用在太空最远处 “的里雅斯特”潜水器在1960年 1月20日用了4小时零43分钟的时 间，潜到了世界海洋最深处 10916米马利亚纳海沟，最 大潜水深度为10916米 2012年3月，美国好莱坞著名 导演詹姆斯-卡梅隆独自乘坐 潜艇“深海挑战者”号，北 京时间5:52，下潜至马里亚纳 海沟的挑战者海渊底部。这 是人类第二次探底马里亚纳 海沟。 金属材料的应用在大洋的最深处 “蛟龙号”载人深潜器是 我国首台自主设计、自主 集成研制的
4、作业型深海载 人潜水器，设计最大下潜 深度为7000米级，也是目 前世界上下潜能力最深的 作业型载人潜水器。“蛟 龙号”可在占世界海洋面 积99.8%的广阔海域中使用 ，对于我国开发利用深海 的资源有着重要的意义。 金属材料的应用我国深海的探索 自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后， 各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来 越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。 金属材料的应用天上飞的 辽宁号航空母舰，简称“辽宁舰 ”，舷号16，是中国人民解放军 海军第一艘可以搭载固定翼飞机 的航空母舰。前身是苏联海军的 库兹涅佐夫元帅级航空母
5、舰次舰 瓦良格号，改装后中国将其称为 001型航空母舰。 歼-15（中文绰号：飞鲨）是中 国参考从乌克兰获得苏-33战斗 机原型机T-10K-3号机以国产歼- 11战斗机为基础进而研制和发 展的重型双发舰载战斗机。 金属材料的应用海里游的 11 0.1 金属材料的发展 p第一阶段：原始金属材料的生产 公元前4300年，人类能使用天然的金，铜。 公元前2800年，陨铁的使用 公元前2000年，青铜的冶炼已经很成熟 p第二阶段：金属材料学科基础的建立 1803年，道尔顿提出了原子假说； 1830年，Hessel 提出了32种晶体类型； 1839年，晶体米勒指数普及 英国Austen 奥氏体（Aus
6、tenite）；美国Bain贝氏体 p第三阶段：微观组织理论的发展 19001940年期间 X射线发明，铁的同素异构体晶格类型，Griffith断裂理论的建立 p第四阶段：微观理论的深入研究 1940年以后电镜的发展 SEM, TEM, EPMA, STEM, AFM。 0.2 金属材料的分类 金属材料 黑色金属 铸铁 钢 工程结构钢 机械制造结构 钢 工模具钢 特殊性能钢 有色金属 轻金属 Al，Mg，Ti 重金属 Cu，Zn，Pb 贵金属 Au，Ag，Pt 稀有金属 W，Mo，Co 放射金属 U，Th 0.3 金属材料的应用情况 1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势 ，占世界金属总产
7、量的95，而且有许多良 好的性能，能满足大多数条件下的应用，故 用量最大，且价格低廉。 2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰 富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来 讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁 只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为 2.1，钛为0.6。 0.3 金属材料的应用情况 3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因 而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。 4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所 不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐 腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。 0.4 金属材料的发展热点 1继续重视高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、
8、耐高、低温、抗 腐蚀等性能 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材 料 3特殊条件下应用的金属材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件 材料的结构、组织和性能的研究 4材料的设计及选用科学化 按照指定的性能对材料进行结构、成分 的科学设计 0.5 课程性质 本课程是材料科学与工程专业的一门主要 专业课。它的主要内容是金属材料的合金化基 础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求 的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件 及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸 铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处 理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方 法。 0.6 课程内容
9、 金属材料的合金化基础理论，着重讨论了 金属材料中的合金元素、金属合金中的相 组成与相变、合金元素对金属的强韧性和 工艺性能等的影响和微量元素在金属材料 中的作用。 常用钢铁材料、有色金属及合金材料和新 金属结构材料（包括工程构件用钢、机器 零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热 钢、铸铁、有色金属及合金、金属间化合 物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属 材料等）。 0.7 参考教材 教材与参考书目录 v吴承建、陈国良、强文江编著。金属材料学 ，北京：冶金工业出版社，2000。 v戴起勋主编。金属材料学，化学工业出版社， 2011。 v凤仪主编，金属材料学，国防工业出版社， 2011. 0.8 考
10、核方式 平时成绩50 + 期末闭卷笔试成绩50%。 平时成绩考核方式： 14钟 1. 因瓦合金 2. 记忆合金 3. 高熵合金 4. 非晶 5. 超导材料 6. 永磁合金 7. 弹性合金 8. 减震合金 9. 储氢合金 10.金属间化合物结构材料 11.粉末冶金 12.金属基复合材料 13.硬质合金 14.ODS钢 6-7人一组 物理特性 结构成分 主要分类 典型用途 PPT制作 课堂讲解 6-7人一组分 工合作 从第三次课开 始，每节课抽 出十分钟左右 时间听汇报。 20 第一篇 钢铁材料 钢铁材料的制备 21 钢铁材料的制备 22 第1章 碳钢概论 1.1 钢中的元素 1.11 钢中的杂质
11、元素 （1）杂质元素分三种：长存杂质、隐存杂质、偶存 杂质。 长存杂质：Mn、Si、S、P Mn0.8%。Mn与S形成高熔点MnS（1600） 夹杂物。 MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢 发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。 Si0.5%。Si与O形成SiO2夹杂物。 夹杂物MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。 23 S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶 解度极小。 S和Fe能形成FeS(1190)，并易于形成 低熔点共晶(989 ) 。发生热脆 (裂)。 P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于- 铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为 冷脆。 但
12、磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P 还可以改善钢的切削加工性能。 1.11 钢中的杂质元素 24 隐存杂质：N、H、O N在-铁中 可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析 出氮化物。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物这 些氮化物有细化晶粒和沉淀强化的作用。 H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢 脆。 O在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复 合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。 1.11 钢中的杂质元素 25 偶存杂质：Cu、Sn、Pb、Ni和Cr 这些杂质元素和炼钢过程中所使用的矿石和废钢有 关。 比如炼钢时加入了不锈钢321（1Cr18Ni9Ti），钢
13、中 就会引入Cr、Ni和Ti等杂质。 Cu的来源有两个，一个是含Cu复合矿的高炉冶炼， 另一个是含铜废钢的循环使用。 1.11 钢中的杂质元素 26 合金元素 目前钢铁中常见的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W 、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B。 合金元素加入的目的是改善钢的工艺性能或者力学 性能。很多情况碳素钢的性能不能满足要求，为了提 高钢的性能必须计入合金元素。 合金元素含量有低有高，高的比如Cr能达到 20%30%，少的如0.005%B。 一般合金元素总量10%为高合金钢；在5%10%之间是中合金钢。 1.11 钢中的合金元素 27 1.2 碳钢的分类 Fe1% C2% C3%
14、 C4% C5% C6% C6.70% C L g a 400 1400 1200 1000 800 600 1600 d SteelCast Iron 1按钢中碳含量的多少分类 (1) 铁碳合金按Fe-Fe3C相图 分类 亚共析钢： 0.0218%wc0.77% 共 析 钢： wc =0.77% 过共析钢： 0.77%wc2.11% (2)按钢中碳含量的多少，碳钢 通常可分为 低碳钢： wc 0.25% 中碳钢：0.25%wc0.6% 高碳钢： wc0.6% 28 1.2 碳钢的分类 wS wP 普通碳素钢0.05%0.045% 优质碳素钢0.035%0.035% 高级优质碳素钢0.02%0
15、.03% 特级优质碳素钢0.015%0.025% 2按钢的质量（品质）分类 29 1.2 碳钢的分类 3按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）工程构件用钢(碳素结构钢)：主要用于各种工 程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。 （2）机械零件用钢(优质碳素结构钢)：主要用于制 造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 （3）工模具用钢(碳素工具钢)：主要用于制造各种 工具，如刃具、模具、量具等。 （4）特殊用途的钢：主要用于耐热耐腐蚀等零件。 30 1.2 碳钢的分类 4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为: （1）沸腾钢(F) ：指脱氧不彻底的钢。（钢水中有高于 碳氧平衡的氧量，放出CO气体） （2）镇
16、静钢(Z) ：指脱氧彻底的钢。O0.01%（ 0.002%0.003%）,优质钢和合金钢 （3）半镇静钢(b)：指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之 间。 （4）特殊镇静钢(TZ) ：指进行特殊脱氧的钢。 31 1.2.1 工程构件用钢(碳素结构钢) （1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成 钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（ 圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、 栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%以 上）。 （2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。用户一般不 需要再进行热处理而是直接使用。wC =0.06%0.38%， 当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求 下，化学成分可根据需方要求作适当调整。 32 1.2.1 工程构件用钢(碳素结构钢) v（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法 牌号表示方法 是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值
