金属材料绪论

1、课程名称：金属材料课程名称：金属材料授课教师：王桂松 材料楼809房间 电话：86418674手机QQ:21606746本课程所用教材 “工程材料学”，王晓敏主编，哈工大出版社 “金属材料学”，戴起勋主编，化学工业出版社 “金属材料学”，王笑天主编，机械工业出版社 其他类似参考书，图书馆借阅。本课程的主要内容绪 论 金属材料的过去、现在和将来第一章 钢的合金化基础第二章 构件用钢第三章 机器零件用钢第四章 工具钢第五章 不锈钢第六章 耐热钢及高温合金第七章 铸铁第八章 有色金属及其合金 （金属间化合物、铝、 钛、镁、铜） 金属基复合材料 （铝基、钛基、铜基和金属间化合

2、物基）课程体系课程体系：本课程是材料学专业的核心课程，是学生走上工作岗位使用知识最多最直接的课程？其先修课程是材料力学性能、材料科学基础，在掌握了有关材料理论知识的基础上，能够综合论述材料发展的内在规律，进一步加深对材料科学的理解。课程思路课程思路： 从材料使用出发，紧紧围绕材料的化学成分、组织结构和性能的关系，阐述各类材料的基本特征，以及改善材料性能的技术途径，并且介绍合理选择材料、使用材料的原则和方法。0.1金属材料发展简史 0.1.1第一阶段原始钢铁生产 0.1.2第二阶段金属材料学科的基础 0.1.3第三阶段微观组织理论大发展 0.1.4第四阶段微观理论的深入研究0.2现代金属材料0.

3、3金属材料的可持续发展与趋势绪论绪论 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 金属材料发展简史冶金史（金属材料史）金属材料发展史。可追溯到几千年前Cahn主编Physical Metallurgy详细叙述金属材料发展，分为四个阶段。0.1.1第一阶段原始钢铁生产公元前4300，使用自然的金、铜，锻打、热加工等形式的工艺。公元前2800，铁的熔炼。公元前2000，商、周 时期，青铜器兴盛，编钟春秋时期，中国掌握了生铁铸造，农业上广泛应用。淬火技术已有较大发展，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”水淬，油淬。世界古代兵器最著名的有：中国的宝剑、西欧的大马士革刀和日本的武士剑。绪论绪论

4、 金属材料的过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来绪论绪论 金属材料的过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来0.1.2第二阶段金属材料学科的基础铁对人类文明做出了巨大的贡献铁对人类文明做出了巨大的贡献。如1788年诞生第1座铁桥，1818年第1艘铁船下水，1825年第1条铁路运行。人类对铁的研究与发展构成了金属材料科学的基础。人类对铁的研究与发展构成了金属材料科学的基础。19世纪，冶金学家和晶体学家的工作对金属材料发展做出了重要的贡献。世纪，冶金学家和晶体学家的工作对金属材料发展做出了重要的贡献。这一阶段主要是奠定了金属材料学科的基础，如金属学、金相学、相变和合金钢等。1803年，道尔

5、顿提出了原子学说，阿伏加德罗提出了分子论。1830年，Hessel提出了32种晶体类型。1839年，普及了晶体Miller指数。1891年，俄、德、英等国的科学家分别独立地创立了点阵结构理论。1864年，Sorby第一个对金属进行制片、抛光、腐蚀和照相，诞生了第一张金相组织照片。9倍。金相显微镜的发明人，金相之父。1827年，Karsten从钢中分离出了Fe3C,一直到1888年Abel证明了这是Fe3C.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1861年，俄罗斯契尔诺夫提出钢的临界转变温度的概念，为钢的相变及热处理工艺研究迈出了第一步。19世纪末，马氏体研究已成为时髦课

6、题，钢的硬化理论得到了深入研究。Willard Gibbs推导得到了相律，为相图研究打下了基础。Robert-Austen等人研究了奥氏体的固溶体特性，以后Roozeboom总结了他人的结果，建立了Fe-Fe3C系的平衡图。对于金属学发展有突出贡献的人，分别以他们的名字命名钢的组织。对于金属学发展有突出贡献的人，分别以他们的名字命名钢的组织。以英国金属学家Austen命名奥氏体（Austenite);美国科学家Bain命名了贝氏体（Bainite);英国科学家Sorby发明了金相显微镜，被命名为索氏体(Sorbite);德国金属组织学的奠基人Marten,以马氏体（Martensite)命名；

7、莱氏体（Ledeburite)为了纪念德国学者Ledebur。这一时期研究了许多新合金钢。1820年Berthier成功研制了铁铬合金；1857年Jacob发明了钨钢，Mushet发展了钨钢。1871年Robert Hadfield研究成功了锰钢和硅钢。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0.1.3第三阶段微观组织理论大发展主要成就是合金相图、主要成就是合金相图、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。19001940 大学设置冶金系，工业上开始了大量生产与研究。Tammann导出了合金相组成的一般规律，发现了合金相本质，得到了大量合金相图。

8、1912年Von laue发现了X射线，Bragg加以发展。利用X射线证实了a-Fe, d-Fe体心立方，g-Fe是面心立方。对微观组织的研究，打破了晶体是完整性的传统概念。许多研究者提出了晶体中存在的各种缺陷、空位。1934年，俄国Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自独立地提出了位错理论，用以解释马氏体的塑性变形。这个时期，出现了许多新的合金钢，如Strauss于1910年发明了奥氏体不锈钢，Brearly在1912年发明了铁素体不锈钢。Brinell于1900年发明了硬度计。Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹的说法，成为以后断裂理论的基石。绪论绪论 金属材料

9、的过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来0.1.4 第四阶段微观理论的深入研究第四阶段微观理论的深入研究1938年发明了电子显微镜，年发明了电子显微镜，1940开始金属学得到飞跃发展。开始金属学得到飞跃发展。许多专家进行了原子扩散的研究，提出扩散驱动力不是浓度梯度，其本质是化学位梯度。大量钢的TTT曲线得到了测定，特别是Hanemann和Schrader用不同速度冷却的试样对先共析组成物的形貌进行了研究及分类。Cohen等研究者的许多论文报道了马氏体相变的稳定化、爆发现象、相变临界点、回火过程变化等研究结果。由于电子显微镜的发明，人们不仅看到了钢中第二相沉淀析出，还看到了位错的滑移行为，发

10、现了不全位错、层错、位错墙、亚结构等现象。位错理论得到了完善。Cottrell于1948年提出了碳或其他原子停留在位错上，能把位错钉扎住，这就是所谓的Cottrell气团。科学仪器不断发明和性能不断提高。科学仪器不断发明和性能不断提高。由于粒子光学的发展，显微镜向多功能方向发展，又产生了一些新的仪器，如电子探针分析器、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜(STEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM)等。这些仪器提供了大量金属表面和界面的微观结构信息，导致了金属表面和界面科大量金属表面和界面的微观结构信息，导致了金属表面和界面科学的产生。学的产生。绪论绪论 金属材料的

11、过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来0.2 现代金属材料现代金属材料金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料。金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料。钢铁、铜合金、铝合金、镍合金等都是最重要和最广泛应用的传统金属材料。21世纪，也不能否定金属材料是最重要的结构材料世纪，也不能否定金属材料是最重要的结构材料和功能材料的地位。和功能材料的地位。随着社会的发展，对金属材料的使用性能的要求越来越高，金属材料本身必随着社会的发展，对金属材料的使用性能的要求越来越高，金属材料本身必须要发展以满足新的需要，同时科学技术的发展，有可能使金属材料得到新的大发展。须要发展以满足新的需要，同时科学技术的发展

12、，有可能使金属材料得到新的大发展。可以预期，可以预期，新型金属材料的发展和应用将成为新型金属材料的发展和应用将成为21世纪金属材料工业的重要特征之一。世纪金属材料工业的重要特征之一。(1)先进结构材料先进结构材料 研究与开发是永恒的主题。结构材料一般数量大，资源与能源消耗高，污染严重，对可持续发展有决定性作用。金属在结构材料中仍然占有重要位置，特别是钢铁材料，在今后几十年里其产量不会下降。提高金属材料产品的质量，改善其使用性能和延长使用寿命，是实现节约能源和资源，减少环境污染的途径。提高传统金属材料的性能，重要的途径之一是使材料的组织更均匀一些，材料更纯洁一些。美国麻省理工学院Flemings

13、提出金属半固态加工技术，被认为是21世纪最有前途的材料制备加工技术之一，该研究对显著改善和提高材料的质量、缩短工艺流程、降低成本、合理利用资源等都具有重要意义，并且可以产生许多新的交叉学科创新成果。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(2)高温合金材料高温合金材料 对动力机械和运载机械来说，工作温度越高，比强度和比刚度越高，则效率也越高。国际发动机发展趋势：涡轮温度和推重比都在逐步提高，要求材料及冷却技术要不断改进。飞机及航空发动机性能的改进，其2/3和1/2是要靠材料性能的提高。汽车节油有37靠材料的轻量化，40靠发动机的改进，而绝热发动机（不需要冷却）主要靠材料性

14、能的提高。高温材料的研究与开发是当务之急。高温材料的研究与开发是当务之急。从高温材料看，碳复合材料可达到2500，但抗氧化能力太差，只能用于火箭、导弹；树脂基复合材料的工作温度只有300350；现有的金属基复合材料虽然有比较好的综合性能，由于成本高，只有颗粒或短纤维增强的金属基复合材料有可能大量推广于民用。钛及钛铝中间化合物密度小、工作温度高（6001000 ），在空间机械应用前景广泛。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（3）低温钢）低温钢由于各种低温技术的温度、应力等的服役条件不同，因此对材料要求也不同；需由于各种低温技术的温度、应力等的服役条件不同，因此对材料要

15、求也不同；需要开发各种系列用途的低温奥氏体钢。要开发各种系列用途的低温奥氏体钢。传统奥氏体钢由于组织稳定性和强度低等原因而不能胜任。许多国家都在致力于开发各种高性能低温用新型奥氏体结构钢。中国“九五”规划中把低温钢、高性能钢等高技术各领域有特殊用途的材料作为重点发展的对象。国家自然科学基金和宝钢的联合基金于2001年把高性能钢、高氮奥氏体不锈钢列入鼓励研究的范围。通过研究，开发出性能高、可靠性好的低温钢、高氮奥氏体不锈钢。（4）新型工具钢）新型工具钢利用气体雾化制粉后采取热等静压（利用气体雾化制粉后采取热等静压（HIP)的粉末冶金工艺可以生产韧性和耐磨性的粉末冶金工艺可以生产韧性和耐磨性都很好

16、的合金工具钢。都很好的合金工具钢。日本神户钢铁公司开发的粉末工具钢KAD181（Fe-18Cr-2Mo-1V-2.2C），经HIP后不用锻造，具有很好的性能，在模具、辊子、刀具等方面应用很广泛。美国开发的坩埚粉末冶金法（CPM）大为改善了4种冷作工具钢的韧性和耐磨性，提高了使用寿命。如CPM T440V的耐腐蚀性与不锈钢T-440C差不多，但耐磨性是T-440C的几倍，其实际使用寿命是T-440C 的20倍。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0.3 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年在北京召开了“国际新材料与加工、应用博览会暨研讨会”，会

17、议主题会议主题是是“循环型社会的材料产业材料产业的可持续发展循环型社会的材料产业材料产业的可持续发展”。中国工程院左铁镛院士作了“构筑循环型材料产业，促进循环经济发展”的报告。目前中国资源的主要矛盾表现在资源供给不能满足国民经济发展的需要。2020年可以保证需求的矿产仅为9种，特别是铁、锰、铬、铜、铝等矿产将长期短缺。另外，现有资源利用率不高，资源浪费严重。另外，现有资源利用率不高，资源浪费严重。矿产资源的开发总回收率只有3050%，比发达国家平均低20左右。“高投入，低产出，高污染高投入，低产出，高污染”问题，在中国资源的开发与利用中严重存在问题，在中国资源的开发与利用中严重存在。2003年

18、，中国消耗了相当于全球总产量30的主要能源和原材料，创造的国内生产总值(GDP)仅占到4。人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今人类社会面临的三大问题。人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今人类社会面临的三大问题。绪论绪论 金属材料的过去、现在和将来金属材料的过去、现在和将来无废物的生产对资源和环境的保护具有重要的意义。最典型的是微生物冶金，无废物的生产对资源和环境的保护具有重要的意义。最典型的是微生物冶金，已经在许多国家进行了工业性生产。已经在许多国家进行了工业性生产。某些细菌喜欢金，落叶松能聚集铌，玉米能聚金，甜菜和烟草可集锂，软体动物能生产铜，龙虾能集钴等。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10，日本人工培植海鞘以提取钒。现在可从海水中提取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20来自海水，美国靠这种镁已满足需求量的80。全世界都非常重视资源和环境问题。全世界都非常重视资源和环境问题。例如，德国政府规定，各种材料均应实行最大限度的回收