金属材料学第0章第1章

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1、金属材料学,Metallic Materials 学 时：48,Steelmaking flowlines,主讲：尹 何 迟 电话：13107329223 ,Chapter 0 绪 论,一、金属材料的历史地位 二、金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展热点 六、关于本课程,主要内容,Steel Finishing flowlines,一、金属材料的历史地位,1.材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步行着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。 金属材料是现代文明的基础。 石器时代青铜器时代铁器时代 2.目前，人类还处在金属器

2、时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,Chapter 0 绪 论,二、金属材料的分类,黑色 金属,有色 金属,金属材料,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢),轻金属(铝,镁,钛),重金属(铜,锌,铅,镍),贵重金属(金,银,铜),稀有金属(钨钼钒铌钴),放射金属(镭铀钍),结构金属材料 功能金属材料,Chapter 0 绪 论,钢铁的分类,纯铁：含碳量小于0.0008%同素异构转变： -Fe -Fe -Fe(b.c.c) (f.c.c) (b.c.c)居里温度：770力学性能特点：强度、硬度低，塑

3、性好：b=180230MPa,=3050%,=7080%,k=160200J/cm2, HB=5080。,Chapter 0 绪 论,碳钢的分类、牌号及应用,1.分类： 低碳钢 Wc=0.25% 按含碳量分 中碳钢 0.25% = Wc 0.6% 普通碳素钢 Wp = 0.045%;Ws = 0.055%按钢的质量分 优质碳素钢 Wp = 0.040%;Ws = 0.040% 高级优质碳素钢 Wp =0.035%;Ws= 0.030% 普通碳素结构钢按质量和用途分 优质碳素结构钢 碳素工具钢,Chapter 0 绪 论,普通碳素结构钢：用Q+数字表示 主要保证力学性能若牌号后面标注字母A、B、

4、C、D，则表示钢材质量等级不同，含硫、磷依次降低，钢材质量则依次提高。 若牌号后面标注F则为沸腾钢，标注b为半镇定钢，不标则为镇静钢，TZ为特种镇静钢。,牌号：,Chapter 0 绪 论,普通碳素结构钢应用:,一般可以在交货状态下直接使用。Q195、Q215、Q235钢的含碳量低，焊接性能好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等。Q255和Q275钢的含碳量比前几种略高一点，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成型钢、钢条和钢板作结构件、制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等,Chapter 0 绪 论,优质碳素结构钢:,采

5、用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几必须同时保证化学成分和力学性能。例如45钢表示平均含碳量为0.45%的钢，08钢表示钢中平均含碳量为0.08%。,Chapter 0 绪 论,优质碳素结构钢的应用:,主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。更具碳含量不同，有不同的用途。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等。15、20、25钢用于制作尺寸较小、符合较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理后具有良

6、好的综合力学性能，用于制作轴类零件；,Chapter 0 绪 论,40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类零件；55、60、65钢热处理后具有高的弹性极限，常用于制作符合不大、尺寸较小的弹簧，如调压、调速弹簧、测力弹簧、冷卷弹簧等。,Chapter 0 绪 论,碳素工具钢: 牌号用T+数字表示, 如T8、T10分别表示钢中平均含碳量为0.80%和1.0%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在钢的最后加“A”字。如T12A碳素工具钢 经热处理后具有高硬度，用于制造尺寸较小，要求耐磨性好的刃具、量具、磨具等。铸钢: “ZG”，含碳量一般小于等于

7、0.65%。ZG45表示含碳量为0.45%的铸钢。当零件形状复杂，无法锻造成形，而铸铁又不能满足其力学性能要求时，可采用铸钢进行铸造成形。,Chapter 0 绪 论,三、金属结构材料的应用情况,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。,Chapter 0 绪 论,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

8、，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。,Chapter 0 绪 论,四、金属材料发展的历史,1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。 2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。,Chapter 0 绪 论,Chapter 0 绪 论,3.中国古代钢铁及非铁金属

9、的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天工开物中有详细的阐述。,我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。,4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。,5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融

10、冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。,Chapter 0 绪 论,6.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。 7.20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。,Chapter 0 绪 论,五、金属材料的发展热点,

11、1继续重视高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、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。,Chapter 0 绪 论,六、关于本课程,1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生 :掌握金属及合金中的化学成分,组织结构,生产过程,环境对金属材料各种性能的影响的基本规律； 掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计,生产,热处理和使用中的问题。,Chapte

12、r 0 绪 论,2.本课程的性质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。,Chapter 0 绪 论,3.本课程的内容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

13、、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）。,Chapter 0 绪 论,金属材料是以过渡金属为基础的纯金属及含有金属、半金属或非金属的合金。金属材料皆为晶体，其原子间的结合键主要为金属键。,Chapter 0 绪 论,七、提几个问题：,1、比利时在1958年召开世界工业博览会，大楼是Atomium大楼，是由9个巨大金属球组成，球直径为18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什么? 说明什么意义?2、莫斯科列宁大街上有一40英尺高的雕象，纪念世界第一位宇航员加加林，材料是钛合金，为什么用钛合金做? 代表什么意义?3、金子从古到今都作为世界

14、上的流通货币，为什么? 铜是人类最早认识和使用的金属，为什么?,Chapter 0 绪 论,4、1983年在上海召开的第4届国际材料及热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，什么意义? 为什么古代著名的刀剑都要经过反复锻打? 5、以前学习课程的知识告诉我们：亚共析结构钢淬火加热温度一般原则是AC3+3050，而过共析工具钢是AC1+3050，这样处理两者在组织上有什么主要区别? 为什么?,Chapter 0 绪 论,第一篇 钢铁材料,第一章：钢铁中的合金相 (8学时)第二章：工程结构钢 (6学时)第三章：机械制造结构钢 (8学时)第四章：工具钢(6学时)第五章：不锈耐蚀钢 (4学时)第六章：耐热钢和耐热合金 （6学时）第七章：铸铁 （4学时）第八章：非铁金属材料（4学时）第九章：讨论 （2学时）,第一章 钢铁中的合金相,合金钢：是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程中加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铝、硼及稀土元素等。磷、氮等元素在某些情况下也会起到有益的作用。与碳钢相比合金钢的性能有显著提高，,低合金钢：中合金钢：高合金钢：微合金钢：,钢： 是以铁为基的合金。合金钢：合金元素：杂质：,元素周期表中钢中常见的合金元素：,一、微量元素在钢中的作用,