材料工程系材料工程系 图图 材料学主线示意图材料学主线示意图 绪论绪论 —— 金属材料的过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来 0.1 0.1 金属材料发展简史金属材料发展简史 1 1、第一阶段、第一阶段——原始钢铁生产原始钢铁生产 公元前公元前43004300年：自然的金、铜及锻打等工艺年：自然的金、铜及锻打等工艺 公元前公元前28002800年：铁的熔炼年：铁的熔炼 公元前公元前20002000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）周、春秋战国） 东汉时：反复锻打钢东汉时：反复锻打钢→→最原始形变热处理工艺最原始形变热处理工艺 淬火技术淬火技术: :“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” → →现代的水淬、油淬现代的水淬、油淬 上图：吴王夫差矛和越王勾践剑上图：吴王夫差矛和越王勾践剑右上：商周时期的青铜敦和尊右上：商周时期的青铜敦和尊 盘盘- - 国家一级文物国家一级文物右下：商代青铜纵目人面像右下：商代青铜纵目人面像 擂鼓礅二号墓编钟复制件擂鼓礅二号墓编钟复制件 19811981年年湖湖北北擂擂鼓鼓墩墩二二号号墓墓出出土土战战国国编编钟钟一一套套，，音音律律准准确确，，音音色色优优美美。
其其件件数数和和规规模模仅仅次次于于曾曾侯侯乙乙编编钟钟，，总总音音域域达达5 5个个8 8度度以以上上，，可可自自己己转转调调，，奏奏出出五五声声、、六六声声、、七七声声音音阶阶构构成成的的各各种种乐乐曲曲须须五五人人合合作演出，众声齐发，交响叠鸣无愧为古代音乐之绝响作演出，众声齐发，交响叠鸣无愧为古代音乐之绝响 2 2、第二阶段、第二阶段——金属材料学科的基础金属材料学科的基础 奠定金属材料学科基础奠定金属材料学科基础：：金属学、金相学、相变和合金钢等金属学、金相学、相变和合金钢等 1803年：道尔顿提出年：道尔顿提出原子学说原子学说，，阿伏加德罗提出阿伏加德罗提出分子论分子论 1830年：年：Hessel提出提出32种种晶体类型晶体类型，，普及普及晶体指数晶体指数 1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结点阵结 构理论构理论 1864年：年：Sorby制备第一张制备第一张金相照片金相照片，，9倍，但意义重大倍，但意义重大 1827年：年：Karsten从钢中分离出了从钢中分离出了Fe3C，，1888年年Abel证明了证明了 这是这是Fe3C。
1861年：俄契尔诺夫提出了钢的年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度临界转变温度的概念的概念 19世纪末：马氏体研究已成为时髦，世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了得到了相律相律，， Robert-Austen发现了发现了奥氏体固溶特性奥氏体固溶特性，，Roozeboom建建 立了立了Fe-Fe3C系的平衡图系的平衡图 钢的组织命名钢的组织命名： Austenite→英金属学家英金属学家Austen；； Bainite→美科学家美科学家Bain；； Sorbite→英科学家英科学家Sorby；； Martensite→德科学家德科学家Marten；； Troostite→法化学家法化学家Troost；； Ledeburite→德学者德学者Ledebur新合金钢发明新合金钢发明：： 1820年，铁年，铁-铬合金；铬合金； 1857年，钨钢；年，钨钢；1898年年,含钨高速钢雏形含钨高速钢雏形 1871年，锰钢和硅钢年，锰钢和硅钢开始了合金钢的新纪元开始了合金钢的新纪元 3 3、第三阶段、第三阶段——微观组织理论大发展微观组织理论大发展 合金相图，合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立射线发明及应用，位错理论的建立。
1912年：发现年：发现X射线，证实射线，证实α（（δ））-Fe是是bcc，，γ-Fe是是 fcc；；固溶体规律固溶体规律 1931年：发现合金元素的扩大和缩小年：发现合金元素的扩大和缩小γ区作用区作用. 1934年：俄国年：俄国Polanyi、、匈牙利匈牙利Orowan和英国和英国Taylor各自各自 独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形；马氏独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形；马氏 体转变的晶体学体转变的晶体学 1938年：发明了电子显微镜年：发明了电子显微镜 1910年：发明年：发明A不锈钢，不锈钢，1912年发明了年发明了F不锈钢等不锈钢等 1990年：发明了布氏硬度计，年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导提出了应力集中会导 致产生微裂纹致产生微裂纹 4 4、第四阶段、第四阶段——微观理论的深入研究微观理论的深入研究微观理论的深入研究微观理论的深入研究：： 原子扩散及其本质的研究；钢原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定；曲线测定； 贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。
贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论位错理论建立位错理论建立：： 电子显微镜的发明电子显微镜的发明 →看到了钢中第二相沉淀析出，位错看到了钢中第二相沉淀析出，位错滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象气团等现象 → 位错理论位错理论新科学仪器不断发明新科学仪器不断发明：： 电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜（描透射电镜（STEM）、）、扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）、）、原子原子力显微镜（力显微镜（AFM））等等 . 0.2 0.2 现代金属材料现代金属材料 先进结构材料的研究与开发是永恒的主题先进结构材料的研究与开发是永恒的主题 开发高性能结构材料开发高性能结构材料：：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损损→→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键复合材料复合材料→→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料开结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。
开发各种系列用途的低温奥氏体钢发各种系列用途的低温奥氏体钢改改造造传传统统结结构构材材料料：：重重要要途途径径是是组组织织更更细细更更均均匀匀，，材材料料更更纯纯洁洁 →→关关键键是是工工艺艺新新一一代代钢钢铁铁材材料料” 强强度度相相当当于于现有钢铁材料两倍现有钢铁材料两倍 美美“9.119.11”事事件件，，暴暴露露建建筑筑用用钢钢结结构构抗抗高高温温软软化化能能力力差差→ → 开发高强热轧耐火耐候钢开发高强热轧耐火耐候钢 开开发发其其他他高高性性能能钢钢：： 利利用用各各种种新新工工艺艺新新方方法法制制造造出出韧韧性性和和耐耐磨磨性性都都很很好好的的新新型型工工具具钢钢经经济济合合金金化化是是高高速速钢钢的的一一个个发发展展方方向向，，工工具具材材料料的的各各种种表表面面处处理理技技术术开开发发，，在在新型工具材料的开发上具有重要的意义新型工具材料的开发上具有重要的意义 先先进进制制备备工工艺艺：：如如金金属属半半固固态态加加工工技技术术，，铝铝镁镁合合金金技技术术成成熟，已应用熟，已应用 现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向 水陆两用汽车水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车轻型吊轨磁悬浮列车 材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变 美国飞行汽车将于美国飞行汽车将于20092009年上市销售年上市销售 MX-400MX-400空中汽车空中汽车 美国莫勒潜心研究美国莫勒潜心研究. .被誉为被誉为“汽车演变汽车演变的里程碑的里程碑”。
飞机外形像一辆新颖别致的小汽车空中飞行飞机外形像一辆新颖别致的小汽车空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇 自从自从19031903年年1212月月1717日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后，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、耐疲劳等性能主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能 世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的.在在 “9.11”事件中，该双子大事件中，该双子大楼遭到袭击，楼遭到袭击， 毁于一旦但它作为毁于一旦但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将永远载入史册将永远载入史册 泰坦尼克号快速沉没的原因泰坦尼克号快速沉没的原因小问题引大灾难小问题引大灾难. .泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没,经查明是经查明是因为因为含有含有9%9%矿渣的矿渣的4848根铆钉使泰坦尼克号钢板散架根铆钉使泰坦尼克号钢板散架. . 0.3 0.3 金属材料的可持续发展与趋势金属材料的可持续发展与趋势 2004 2004年提出了年提出了 “循环型社会的材料产业循环型社会的材料产业——材料产业材料产业的可持续发展的可持续发展”。
微生物冶金微生物冶金: :无废物的生产，已在许多国家进行了工无废物的生产，已在许多国家进行了工业性生产美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的业性生产美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%10%，日本人工培植海鞘以提取钒海水是一种液态矿，海，日本人工培植海鞘以提取钒海水是一种液态矿，海水中含有的合金元素量超过水中含有的合金元素量超过100100亿吨现在已可从海水中提亿吨现在已可从海水中提取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20%20%来自海水，美来自海水，美国靠这种镁已满足着需求量的国靠这种镁已满足着需求量的80%80% 我国资源短缺我国资源短缺 ；资源浪费严重；污染严重资源浪费严重；污染严重 循环材料产业循环材料产业：：适应时代需要，把生态环境意适应时代需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担发展形用率、降低生产和使用过程中环境的负担发展形成成资源资源—材料材料—环境环境良性循环的产业良性循环的产业 合金发展的主流方向是合金发展的主流方向是少合金化与通用合金少合金化与通用合金，，形成绿色形成绿色/ /生态材料体系，有利于材料的回收与再生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。
要研究开发与人民生活密切相关的生利用要研究开发与人民生活密切相关的绿色材绿色材料料以及以及环境友好材料环境友好材料 钛合金钛合金 被称为被称为“空间金属空间金属”、、“未来钢铁未来钢铁” 钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的 钛在地球中含量不少钛在地球中含量不少（（0.6%））但是提炼工艺但是提炼工艺复杂，成本高，广泛应用受到限制复杂，成本高，广泛应用受到限制 钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一属材料之一 世界上第一个载人宇宙飞船世界上第一个载人宇宙飞船世界上第一个世界上第一个“太空人太空人” 有色金属有色金属: :资源面临着不可持续发展的严重问资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊人精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成人精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成果少，高新技术成果产业化程度不高。
开发高性果少，高新技术成果产业化程度不高开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如，铝锂能结构材料及其先进工艺方法是主流，如，铝锂合金、快速凝固铝合金等合金、快速凝固铝合金等 有色金属功能材料也是发展方向有色金属功能材料也是发展方向. . 未来对材料和技术的要求未来对材料和技术的要求环境和能源因素环境和能源因素放在很重要的位置放在很重要的位置 思考题思考题 1 1、、19581958年世界工业博览会在比利时召开，博年世界工业博览会在比利时召开，博览会大楼是由览会大楼是由9 9个巨大金属球组成，金属球直径为个巨大金属球组成，金属球直径为1818米，米，8 8球位于立方体角，球位于立方体角，1 1球在中心这象征什球在中心这象征什么么? ? 说明什么意义说明什么意义? ? 2 2、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科列宁大街上建造了列宁大街上建造了4040英尺高的雕象，雕象材料是英尺高的雕象，雕象材料是钛合金为什么用钛合金做钛合金为什么用钛合金做? ? 代表什么意义代表什么意义? ? 3 3、金子从古到今都是作为世界上的流通货、金子从古到今都是作为世界上的流通货币，为什么币，为什么? ? 铜是人类最早认识和使用的金属，铜是人类最早认识和使用的金属，为什么为什么? ? 4 4、、19831983年年, ,在上海召开的第在上海召开的第4 4届国际材料及届国际材料及热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，代表热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，代表什么意义什么意义? ?为什么古代著名的刀剑都要经过反复为什么古代著名的刀剑都要经过反复锻打锻打? ? 5 5、为什么建筑上的楼板、为什么建筑上的楼板、、大梁混凝土中要用大梁混凝土中要用钢筋钢筋? 而且国家都有使用标准而且国家都有使用标准? 。