金属材料学第0章绪论

1、2021-11-3工程材料学工程材料学 曹志强教授曹志强教授 电话：电话：84706169 手机：手机E-mail: 大连理工大学材料科学与工程学院大连理工大学材料科学与工程学院2021-11-3参考书参考书 金属材料学金属材料学戴起勋主编，化学工业出版社戴起勋主编，化学工业出版社2011年年 金属材料学金属材料学文九巴主编，机械工业出版社文九巴主编，机械工业出版社2011年年金属材料学金属材料学 吴承建吴承建 机械工业出版社机械工业出版社 2001年年 金属材料学金属材料学 王笑天王笑天 机械工业出版社机械工业出版社 1987年年 合金钢合金钢 章守华章守华 冶金工

2、业出版社冶金工业出版社 1981年年 William F. Smith. Structure and Properties of Engineering Alloys 2nd edition. McGraw-Hill Education, 1993. Schweitzer, Philip A.，Metallic Materials. New York：Marcel Dekker, Inc，20032021-11-3本课的特点本课的特点 核心课程核心课程专业知识结构中占很重要位专业知识结构中占很重要位置，是学生走上工作岗位使用知识最多最直置，是学生走上工作岗位使用知识最多最直接的课程接的课程课程

3、具有综合性、应用性和经验性的特点。课程具有综合性、应用性和经验性的特点。2021-11-3本课的特点本课的特点 综合性综合性是内容涉及知识面比较广，涉及所是内容涉及知识面比较广，涉及所有以前学过的专业知识；有以前学过的专业知识； 应用性应用性是指课程的内容是生产或科研中正是指课程的内容是生产或科研中正在广泛使用的材料和技术；在广泛使用的材料和技术； 经验性经验性是指某些内容是长期的经验总结，是指某些内容是长期的经验总结，在实际应用中可变性还比较大。在实际应用中可变性还比较大。2021-11-3本课的目的本课的目的 掌握金属掌握金属合金化的原理合金化的原理，合金元素对钢相，合金元素对钢相变、组织

4、、性能影响的一般规律；变、组织、性能影响的一般规律； 理解各类金属材料的化学成分、热处理特点、理解各类金属材料的化学成分、热处理特点、组织形貌和力学性能组织形貌和力学性能、化学性能和物理性能、化学性能和物理性能之间的关系；之间的关系； 经过对常用钢铁材料以及有色金属材料的较全面经过对常用钢铁材料以及有色金属材料的较全面和系统的学习，使学生了解如何依据服役条件合和系统的学习，使学生了解如何依据服役条件合理理选用材料选用材料，引导学生运用比较成熟的基础理论，引导学生运用比较成熟的基础理论知识来解决金属材料使用过程中的实际问题。知识来解决金属材料使用过程中的实际问题。2021-11-3 本课的内容:

5、绪论（绪论（2学时）学时）钢铁材料（钢铁材料（34学时）学时）（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模（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、超高强度钢）具用钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢）铸铁（铸铁（4学时）学时）（灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸（灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁）铁、可锻铸铁）有色金属及合金有色金属及合金(8学时学时)（铝合金、铜合金、钛合金）（铝合金、铜合金、钛合金）2021-11-3 0.1金属材料发展简史金属材料发展简史 0.2现代金属材料现代金属材料 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2021-11-

6、301金属材料发展简史金属材料发展简史 0.1.1第一阶段第一阶段原始金属材料的生产原始金属材料的生产 0.1.2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 0.1.3第三阶段第三阶段微观理论大发展微观理论大发展 0.1.4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2021-11-32021-11-3 铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。个全新的领域，生产力得到极大的提高。 铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴

7、会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。隶制的枷锁而进入了封建社会。 东汉时期出现东汉时期出现锻打锻打原始形变热处理，原始形变热处理，“浴浴以五牲之溺，淬以五牲之脂以五牲之溺，淬以五牲之脂”水淬和油淬水淬和油淬2021-11-3我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在在天工开物天工开物一书中就记载了古代的一书中就记载了古代的炼钢和热处理炼钢和热处理等工艺。等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在炼钢和热处理方面就已这说明早在欧洲工业革命之前，我国在炼钢和热处理方面就已经有了较高的成就。经有了较

8、高的成就。 宋应星宋应星高炉铁水流入炼钢炉高炉铁水流入炼钢炉（方塘），人急速搅（方塘），人急速搅动，利用空气氧化铁动，利用空气氧化铁水中的碳，用潮湿泥水中的碳，用潮湿泥灰做氧化剂加速脱碳灰做氧化剂加速脱碳（低碳钢，高碳钢）（低碳钢，高碳钢）2021-11-3 0.1.2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 1803年年原子学说原子学说 1830年年-32种晶体类型种晶体类型 1839年年-Miller指数指数 1861年年-钢的临界转变温度钢的临界转变温度 1864年年-金相照片金相照片 1888年年-渗碳体渗碳体 1891年年-点阵理论点阵理论 十九世纪末十九世纪末相律、固溶

9、体、平衡相图相律、固溶体、平衡相图2021-11-3 1863年，光学显微镜首次应用于年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。2021-11-31912年发现了年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。使人们对固体材料微观结

10、构的认识从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪2021-11-3 0.1.30.1.3第三阶段第三阶段微观理论大发展微观理论大发展 19001940年年Tammann建立相图，建立相图，Von laue 发发 现现X射线，射线，Bragg证实证实、相的存在，相的存在， Wever发现扩大缩小奥氏体区元素，发现扩大缩小奥氏体区元素，Laves发现金发现金 属间化合物。属间化合物。Strauss发现了不锈钢，发现了不锈钢，Brinell布氏布氏 硬度计，硬度计，Griffith断裂理论等。断裂理论等。AusteniteAusteniteBainiteB

11、ainiteSorbiteSorbiteMartensiteMartensiteTroostiteTroostiteLedeburiteLedeburite英英美美英英德德法法德德2021-11-30.1.4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1938年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（界的更深层次（10-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 2021-11-3 1934年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度与实验测得的实际强度之间存在的实际强

12、度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错2021-11-3 1938年，提出TTT曲线、扩散、位错滑移、第二相沉淀析出理论，Cottrell气团。 发明了TEM、SEM、STM（扫描隧道显微镜）、 AFM（原子力显微镜）、EPMA等。2021-11-3 0.1金属材料发展简史金属材料发展简史 0.2现代金属材料现代金属材料 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2021-11-3材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各

13、种有用器件的物质。各种有用器件的物质。0.2.1 材料材料2021-11-3材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机2021-11-3前苏联在前苏联在1957年把年把第一颗人造卫星第一颗人造卫星送入太空，送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金系或矿冶系

14、改建成了冶金材料科学系或冶金材料科学系或材料科学与工程系材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。聚合物材料。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭2021-11-3材料是人类社会发展的基础和先导材料是人类社会发展的基础和先导，是人，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的料和能源、信息被称为人类社会的“三大三大支柱支柱”。第一次工业革命（第一次工业革命（18世纪）：世纪）：制钢工业制钢工业的的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基发展为蒸汽

15、机的发明和应用奠定了物质基础。础。第二次工业革命（第二次工业革命（20世纪中页以来）：世纪中页以来）：单单晶硅材料晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核对电子技术的发明和应用起了核心作用。心作用。2021-11-3材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。 龙芯龙芯联想计算机联想计算机2021-11-3没有没有高温高强度的结构材料高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。航工业。 飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片2021-11

16、-30.2.2.材料科学 材料科学主要是研究材料的材料科学主要是研究材料的组分、结构与组分、结构与性能性能之间的相互关系和变化规律的科学。之间的相互关系和变化规律的科学。 材料科学是一门介于基础科学和应用科学材料科学是一门介于基础科学和应用科学之间的应用基础科学。之间的应用基础科学。2021-11-3使用性能使用性能成分与结构成分与结构性质性质合成与加工合成与加工 MSEMSE四要素四要素使用性能使用性能材料的性质材料的性质结构与成分结构与成分合成与加工合成与加工2021-11-30.2.40.2.4现代金属材料现代金属材料 传统金属材料传统金属材料:Fe、Cu、Al、Ni、Mg、Ti。 金属

17、间化合物金属间化合物:NiAl、AlNi3、AlFe3、AlFe、Al3Ti、AlTi、AlTi3等。等。 现代金属材料现代金属材料: :（1）先进结构材料）先进结构材料（2）高温合金材料）高温合金材料（3）新型工具钢）新型工具钢（4）金属功能材料）金属功能材料2021-11-3（1）先进结构材料）先进结构材料 我国钢铁世界第一，但我国钢铁世界第一，但27依赖进口，依赖进口，8不能不能生产。能耗高，污染环境。生产。能耗高，污染环境。 需要高比强度、比刚度、耐磨、耐蚀、抗疲劳、需要高比强度、比刚度、耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗老化的钢，超细钢、纯、均、抗老化的钢，超细钢、纯、均、 细组织。细组织。 低

18、合金高强度钢、耐磨钢、耐蚀钢、抗氧化钢、低合金高强度钢、耐磨钢、耐蚀钢、抗氧化钢、不锈钢、硬质合金。不锈钢、硬质合金。 9.11之后耐热耐候钢引起关注。之后耐热耐候钢引起关注。2021-11-3(2)高温合金材料高温合金材料 耐热钢和铁基耐热合金在较高载荷下使用温度只能达到750-850，对于更高温度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他难熔金属为基体的合金航空发动机涡轮盘航空发动机涡轮盘 2021-11-3（3）新型工具钢）新型工具钢 HIP（热等静压），（热等静压），CPM（坩埚粉末冶金（坩埚粉末冶金法），法），CVD、 PVD、离子渗入法涂覆、离子渗入法涂覆TiC、TiN、TiCN

19、、Al2O3等高速钢。等高速钢。（4）金属功能材料）金属功能材料 光学材料、磁性材料、超导材料、声学材光学材料、磁性材料、超导材料、声学材料、生物医用材料、储氢材料、电性材料、料、生物医用材料、储氢材料、电性材料、智能材料等。智能材料等。2021-11-3 0.1金属材料发展简史金属材料发展简史 0.2现代金属材料现代金属材料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2021-11-30.3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0.3.1 结构材料的高性能化结构材料的高性能化(超级钢)日本1997 年出台了超级钢研究工程(STX - 21) 项目。其目的是开发对社

20、会和经济影响最大的新型结构材料, 减轻环境负担和通过将超级钢的强度和寿命提高1 倍来降低超级钢的总成本。1998 年10 月我国在“九七三”项目中批准了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目, 并作为我国第一批“九七三”启动的项目之一。2021-11-3 1998 年3 月, 在国际钢铁协会( IISI) 主持下, 由欧洲和北美35 家钢厂和汽车厂联合的“超轻钢车身”项目出笼( ultralight steel body project , ULSAB) , 它要求车身强度提高80 % , 车重减轻25 % , 车重可由平均1 300kg/ 辆降至900 kg/ 辆, 达到百公里燃耗可降0.17

21、L/ 辆, 这项计划预计2003 年底结束, 实际钢材面板屈服强度提高1 倍。2021-11-3中国超级钢的研究中国超级钢的研究 国家973项目“新一代钢铁材料”重大基础研究首席科学家翁宇庆教授。项目由国家冶金工业局统一组织，参加此项目的有五个大专院校（北京科技大学、清华大学、东北大学等），四个研究院所（钢铁研究总院、中科院沈阳金属所等），九个钢铁企业（宝钢、首钢、鞍钢、武钢、攀钢、唐钢、淮钢、珠江钢厂、大连钢厂），三个汽车厂。涉及品种有：螺纹钢、薄板、中厚板、薄板坯、特殊钢等。2021-11-3钢类钢类组织组织现有强度现有强度（MPa）目标强度目标强度（MPa）超细晶尺寸超细晶尺寸（m mm

22、）低碳钢低碳钢铁素体珠光体铁素体珠光体200400(a a) 5低（微）低（微）合金钢合金钢低碳贝氏体或针低碳贝氏体或针状铁素体状铁素体400800(a a) 1-2合金结合金结构钢构钢回火马氏体或贝回火马氏体或贝/马复相钢马复相钢8001500(g g) 5研究目标研究目标0.3.2我国材料的可持续发展与趋势我国材料的可持续发展与趋势 钢铁工业，在发达国家已进入衰退阶段，原因就是有许多新钢铁工业，在发达国家已进入衰退阶段，原因就是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。业放在第三世界国家。 而钢铁在我国还在成熟阶段，而钢铁在我国还在成熟阶段，2012年年我国的粗钢产量已经突破我国的粗钢产量已经突破7亿吨，在全世界总产量中所占的比亿吨，在全世界总产量中所占的比例由例由2004年的年的26.3%上升到上升到2012年的年的48.7%。 万元万元GDP能耗能耗20.5t标准煤，是西