材料工程基础绪论及第一篇

《材料工程基础绪论及第一篇》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料工程基础绪论及第一篇（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、材料工程基础,一、研究内容 关于材料制备、合成、加工以及改性方法的原理及其与材料结构、性能之间关系的知识。 二、材料工程的地位 1.在材料学科中的地位 2. 在社会发展中的地位,司母戊鼎,越王剑,3d打印手枪,PCVD零件,三、现代材料工程发展特点 爆发式（速度） 多样化（种类） 重要性 四、该课程目的及意义 了解关于材料制备、合成的基本原理，为今后从事材料研究、新材料、新工艺开发打下基础。,五、课程主要内容 钢铁冶金、粉末冶金、材料成形加工、热处理、表面技术、材料制备新技术。 六、该课程的特点 以材料质量控制为主线。,第一篇 钢铁冶金,绪论 一、冶金方法：火法冶金、湿法冶金、粉末冶金 二、钢

2、铁冶金重要性 钢铁时代的到来创造了灿烂的人类文明； 第一次产业革命的基础； 至今仍是材料的主宰； 钢铁产量和用量是衡量国家经济实力的重要指标； 钢铁生产是相对成熟的工艺，对其它冶金有借鉴作用； 钢铁生产技术本身也在进步，还需要不断开发。,钢铁冶金流程,材料发展历程,材料需求,钢铁材料 是最重要 的结构材料,腐蚀失效 20-40%/金属年产量 1亿吨金属/年 10-20%/钢结构（中国）,钢材需求量和 消费强度,各种基础原 材料的产量, 钢铁最高,钢铁材料强度 的发展,材料的回收 利用率,项目与目标,世界主要产钢大国超级钢铁材料的研发项目,第一章 炼铁,1.元素在地壳中的含量：如图,2.铁冶金简

3、史： 古代：“海绵铁”固相还原 火法冶金始于春秋时代、成熟于汉代。,序,3.现代炼铁方法：高炉炼铁、 非高炉炼铁。,铁刃铜钺,铁狮体重约50吨(公元953年) 身高5.78米，长5.34米，宽3.17米，,中国古代炼铁技术,11高炉炼铁的原料及设备,一、原料： 铁矿石，焦碳，熔剂 1.铁矿石 种类：Fe3O4（磁铁矿）, Fe2O3（赤铁矿）等。 杂质（脉石）：SiO2,Al2O3,CaO,MgO。 作用：提供铁元素。 要求：品位高，酸性脉石少，粒度均匀合适，强度较高，还原性 好， 成分波动小。,2.焦碳 作用：提供热量，还原剂，料柱骨架 要求：杂质少，水分稳定，强度好，粒度均匀 3.熔剂 组

4、成：石灰石为主 作用：造渣 要求：碱性氧化物含量高，杂质少，强度高，粒度均匀。,二炉渣及其碱度,1)按酸碱性分 酸性氧化物：SiO2, P2O5, V2O5 碱性氧化物：CaO, MgO, FeO, MnO, MnO2 两性氧化物：Al2O3, Fe2O3, Cr2O3 CaO, FeO, MnO, MgO,CaF2, Fe2O3, Al2O3, SiO2,P2O5 碱性增强 酸性增强,2)按状态分 简单化合物：CaO, MgO，SiO2 复杂化合物：2 CaO. SiO2，3 CaO. P2O5 复杂化合物比简单化合物稳定性高，活性小。,1.炉渣的组成：以氧化物为主,2.炉渣碱度（R）： 炉

5、渣中碱性氧化物和酸性氧化物的浓度比（常用摩尔分数之比） R=% CaO/% SiO2,；或 R=% CaO/% SiO2+% P2O5 若 R1： 碱性渣 R1：酸性渣 R=1： 中性渣,实际生产中的炼铁高炉,12 高炉内基本反应,铁水常规5元素：C,Si,Mn,P,S 一炼铁的实质：通过还原反应还原出铁、锰、硅、磷、硫以及碳渗入铁水中的过程。 二反应：铁、锰、硅、磷的还原，渗硫及脱硫，渗碳。,1.铁的还原 还原剂：CO，C，H2 还原过程：Fe2O3Fe3O4FeOFe 2. 锰的还原 还原过程：MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn CO还原 C还原 影响因素： T，Mn R，Mn （ 约

6、40-60%被还原的锰可进入铁水） 3.硅的还原 还原剂：C 影响因素： T，Si R，Si ,4磷的还原 1）还原剂：C 2）反应：（CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO-Q 3）影响因素： T，P R，P 5脱硫反应 先出现渗硫，再脱硫 1)反应：FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO-Q 2) 影响因素： T，S R，S C, S 3) 硫的分配：炉渣、炉气、铁中 4）硫的控制： 优质低硫原料：洗煤、降低焦比（国际上460公斤焦碳/吨生铁） 高温，高碱度 6渗碳： 约4%左右。,1.3 高炉炼铁工艺,14 高炉冶炼产品,1.生铁 炼钢生铁：80%，1.5% Si 铸造

7、生铁：20%，2.75-3.25% Si 铁合金 2.炉渣 炉渣：生铁=0.6：1 3.炉气 炉气：生铁=5：1,本章重点,1.高炉炼铁的实质（基本反应） 2.原料及其作用 3.主要概念：炉渣碱度,第二章 炼钢,序 一发展概况 我国古代：炒钢，“百炼成钢”；卢定桥铁索 国外：1740年，坩埚炼钢 1856年，贝塞麦，酸性转炉 1878年，托马斯，碱性转炉 1950年前，平炉主导 1952年后，LD转炉逐渐取得主导 目前：氧气顶吹转炉主导，电弧炉次之。 各种精炼方法、特殊炼钢方法涌现,二炼钢的实质 实质：通过氧化反应降低生铁中碳及其其它杂质的过程。 钢与铁：C：2.1%，生铁；0.008%C2.

8、1%，钢 钢的质量分类：P，S含量决定钢的质量 三本章主要内容 基本反应、一般方法、钢的浇注结构、冶金质量、特殊方法,21 炼钢过程基本反应,氧化剂：O，O2，Fe2O3 一脱碳反应 1.反应：2C+O2=2CO 2.脱碳反应的附带效应：升温、搅拌、携带（夹杂物上浮） 二硅的氧化 1.反应： 2影响因素： T，Si R，Si 氧化剂，Si,三锰的氧化 1反应： 2影响因素： T，Mn R，Mn 氧化剂，Mn,四、脱磷反应和回磷现象,1.脱磷反应 1）反应：PP2O54CaO. P2O5或3 CaO. P2O5+Q 2）影响因素 T,P R,P FeO,P FeO过高，则不利， 见图 (C,Si

9、,Mn) ,P 及时排渣，P 3）脱磷措施 造碱性渣 加氧化剂 提高渣流动性,2.回磷现象 1)概念：炼钢过程中已脱去的磷又从渣中进入钢液中的现象。 2)形成条件： 炼钢末期：温度上升，脱氧剂加入 盛钢桶中：SiO2进入，碱度下降 3) 改善措施： 温度不要过高 加石灰提高碱度 采用碱性盛钢桶,五、 脱硫反应 炉渣脱硫 气化脱硫 1炉渣脱硫 钢液中 FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO-Q 渣中 （FeS）+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO-Q 影响因素见炼铁一章 2气化脱硫 S SO2 高温有利 3脱硫措施 造新渣 提高渣流动性 采用碱性盛钢桶 造碱性渣 炉外脱硫,六脱氧反应

10、,1.脱氧目的 得到正常的钢锭表面和结构 提高合金元素的收得率 减少氧化物夹杂数量 得到细晶粒结构的钢 2.脱氧剂 锰铁，硅铁，铝，碳粉，复合脱氧剂（硅钙，铝钙，硅锰，硅锰钙） 脱氧能力：Al Ca Si Mn,脱氧剂特点及应用,3.脱氧方法 1)扩散脱氧：依靠氧向炉渣中扩散而被脱去的方法，亦称间接脱氧 2)沉淀脱氧：脱氧剂进入钢液内部进行脱氧反应而脱氧的方法，亦称直接脱氧。 3)特点及应用,2.2 一般炼钢法,转炉、电弧炉 一氧气顶吹转炉炼钢法 原理：铁水热+反应热炼钢 设备 见图 原料：铁水、（废钢）+熔剂 冶炼过程：装料、吹炼、测温、脱氧及出钢,5.冶炼特点 不需外加热源 反应剧烈 生产

11、率高 1.11.5万吨/吨.年 烟尘大，是装入量的0.81.3% 产品品种多 6.产品质量特点 1）钢中含气量小 N，H含量低时效敏感性及脆性低，钢塑韧性及焊接性能好 2）P，S含量与电弧炉相当 脱磷率：9095% 脱硫率：7080% 3）夹杂物及外来元素少 冷变形、抗应变时效和焊接性能好 用途：薄板，焊接钢管和无缝钢管等。,二电弧炉炼钢法,1原理：利用电弧与燃料之间产生的电弧进行熔炼 2种类 酸性电弧炉：用于铸钢车间。 碱性电弧炉：用于炼钢。 3设备 见图 4冶炼过程：补炉、装料、熔化、氧化、还原（脱氧、脱硫）、出钢,5电弧炉冶炼特点 炉温高：3000OC，可熔化任何金属 热效率高：体积小，

12、密封好 熔池温度易于控制 炉内气氛易于控制 可用合金、废钢、非高炉生铁熔炼 炉内温差大，元素易烧损。 生产成本高，生产率较低 电离的H、N易进入钢中。 6.电弧炉钢质量特点 1) P，S含量低 2)夹杂物少（扩散脱氧，炉温高，渣易上浮） 3)冶炼成分易控制 4)N，H含量高。 应用于高合金工具钢、不锈钢及耐热 钢等。,2.3 钢的浇注和钢锭,一钢锭的浇注（自学） 二钢锭结构 1钢锭类型,2. 结构特点 见图 外 内 镇静钢：激冷层 柱状晶 中心等轴晶 沸腾钢：坚壳层 蜂窝气泡带，中间坚固带 二次气泡带 锭心等轴晶,沸腾钢钢锭结构,3.各种钢锭特性比较,三连续铸钢,定义：采用连续铸机直接把钢液凝

13、固成钢坯 1工艺过程 浇注-结晶器冷凝-二次冷却-矫直-切割 2工艺参数 注温：大于模铸2050OC 注速：V=K.L/A，K系数；L周长；A面积 冷速：过低拉漏，切漏；过高间隙，裂纹 3.连铸工艺特点 冷速快、污染小、长度方向质量一致 4连铸钢质量特点 a 结构致密，均匀;b 偏析小;c夹杂物总量小d易 出现表面裂纹;e易出现中心偏析和缩孔（疏松） 5技术经济特点 a收得率高;b质量优,结晶器,2.4 钢的冶金质量及控制,冶金质量：成分、气体、夹杂物、缺陷 常存元素：C,Si,Mn,P,S,H,N,O 常规5元素：C,Si,Mn,P,S 合金元素：为获得一定的组织和性能特意加入的,一. 化学

14、成分的影响,1.硅 益：固溶强化、脱氧、提高淬透性 害：夹杂、降低塑韧性 2.锰 益：固溶强化、综合硫、脱氧、细化晶粒、提高淬透性 害：夹杂、Ms降低,3.硫 易形成热裂、热脆 焊接中易形成气孔及缩松（SO2） 降低钢的使用性能 各向异性 耐蚀性 可改善切削性能,4.磷 1）易形成热裂、热脆 2）加剧偏析 3）冷脆 4）回火脆性 5）抗大气腐蚀 6）切削性能,二气体,1氢 危害：形成氢脆或白点 1)氢脆 定义：由于氢而导致的在低应力载荷下的脆性断裂 特点：属应变时效型脆性（滞后破坏），即在应力作用一定时间后材料突然发生 断裂 影响因素： 形变速率 H Sb、Sn、S等 氢脆 工作温度：-100

15、100度 晶粒度 组织：塑性,1108钢级螺杆在650MPa应力下 延迟断裂,2）白点 定义：纵向断口上出现的圆形或椭圆形的银白色斑点，亦称发裂 原因：局部氢与应力的综合作用 3)改善措施：H ，去氢退火,2氮 1）影响 时效脆性 易形成气泡和疏松 细化晶粒，扩大奥氏体区 2）改善措施 减少气体进入，除气 合金化,三非金属夹杂物,1来源 外来夹杂物 内生夹杂物 2种类 氧化物, 硫化物, 氮化物, 硅酸盐 3影响 1）导致应力集中及裂纹产生 2）使塑韧性下降，疲劳强度降低 3）易形成热裂、热脆 4）影响表面质量及模具寿命 5）切削性能下降 6）加剧腐蚀 7）影响热处理性能：淬火开裂、氮化中引起起泡 ,4.减少非金属夹杂物的途径 1）原材料控制夹杂元素含量 2）炼钢中的排除 3）浇注时的镇静与保护 4）采用精炼及特殊方法,钢中夹杂物及能谱（EDS)分析,四钢中缺陷,1概念：连续性、致密性、纯净性、均匀性受到破坏的地方。 2种类：缩孔、缩松、气泡、夹杂、偏析、晶粒粗大等。,2.5 特殊炼钢方法（自学）,电渣重熔 真空感应熔炼 电弧重熔 VOD法,真空感应熔炼,VOD(,真空吹氧脱碳),本章重点,炼钢的实质 基本反应 不同炼钢方法冶金质量特点 连铸钢质量特点 钢冶金质量及控制,