金属学原理课件1introduction绪论

1、物理冶金学原理Fundamentals of Physical Metallurgy 王 华 明办公室：四#楼 208房间；电话：8231 7102E-mail address： 绪 论 -Introduction一、材料分类及各类材料性能特点二、金属键及其特点三、金属材料的独特性能特点四、课程研究对象及主要内容五、课程性质及学习方法六、主要教学参考书一、材料分类及各类材料性能特点什么是材料？ 用于制造有用物件的物质！ Materials Substances for Making Useful Articles材料 Materials有机高分子材料Polymers and Rubbers无机

2、非金属材料Ceramics and Glass复合材料 Composites (MMCs, CMCs, PMCs)材料的分类Classifications of Materials金属材料Metallic Materials(Metals and Alloys)非金属材料Non-Metallic MaterialsComposites or Hybrids按功能分类：结构材料（按组成、性质、用途）功能材料（磁性材料、电子材料、超导材料、光电子信息材料、催化材料、储能材料、含能材料）。陶瓷材料的性能优点：共价键及离子键原子间结合键强、化学稳定性高高温强度高、耐蚀性好、高温抗氧化性能好硬度高、耐磨

3、性优异导热系数低、隔热性能好 (TBCs)不导电，绝缘材料陶瓷材料的性能缺点 无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受动载荷、应用面窄； 对缺陷极其敏感、无损伤容忍性 (No DamageTolerance)、 使用不安全 加工制造困难 (切削加工困难；无法焊接、锻压、扎制、锚接、无法修复等) 回收利用(Recycling)难度大、成本高高分子材料的性能缺点 使用温度范围窄 (高温软、低温脆) 高温力学性能低、高温老化 低温韧性差、低温脆化； 长期化学及力学性能稳定性低性能退化 (Degradation) 回收问题 (Recycling )复合材料的性能优点Flexible Combination

4、s and Full Exploitations of Properties of Different MaterialsFlexible Control of Properties by Intelligent Design and Processing of a CompositeRealization of Properties not Attainable by either of the Components alone 复合材料的性能缺点(金属基及陶瓷基) : 材料制备工艺复杂、成本高； 性能一致性差、质量保障技术； 缺乏可靠的制造技术(Manufacturing Technolo

5、gies ) 切削加工、焊接与连接、锻压、扎制、表面处理、修复等 长期性能稳定性及性能退化问题无法回收利用(Recycling )Characteristics of Metallic Bond 金属键及其特点 自由电子公有化无方向性无饱和性不选择结合对象种类及潜力无穷塑性变形及加工硬化“Gas” of Free Electrons； Metallic Ions自由电子云； 金属离子Strain, %ss sesbdStress, MPaMetallicCeramic陶瓷及金属的典型拉伸（应力应变）曲线Typical Tensile Curves of Ceramic and Metallic

6、 Materials金属材料的特点 Characteristics of Metallic Materials (Metals and Alloys)1、种类繁多(占周期表三分之二) 合金种类及潜力无穷！（FeAlTiCuMg等很少几个体系） 金属间化合物及其合金 用量最大(结构及功能材料)2. 优异的物理性能：磁、光、电子、信息、储能等优良的导电性及正的电阻温度系数优异的导热性.3. 优异的力学性能配合优异的强韧性配合：高强度4000MPa高塑性及加工硬化高韧性及损伤容限使用温度范围宽广(高温、中温、室温、低温)且力学性能优异优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗热腐蚀等性能4. 优异的成形加工性能P

7、rocessing ability优异与灵活的凝固加工成型性能：铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的冷加工成型能力：冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压.冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）优异的热加工成型能力：锻造、热轧、热挤压、5. 独特的抗过载能力及使用安全性(加工硬化)零件局部过载塑性变形加工硬化材料强度提高不但不会失效、承载能力反而提高、使用安全；加工硬化避免变形集中、均匀变形、均匀承载、零件材料潜力得以充分利用加工硬化避免变形集中、材料均匀变形冷加工热加工成型成为可能。Strain, %ss sesbdSt

8、ress, MPaMetallicCeramic陶瓷及金属的典型拉伸（应力应变）曲线Typical Tensile Curves of Ceramic and Metallic Materials6. 可以采用很多加工工艺手段改变金属零件材料组织及性能控制铸件及铸锭凝固过程与凝固加工工艺：晶粒尺寸；合金相种类、形态、尺寸及其分布；化学成分及组织均匀性；形成各种特殊组织.控制固态相变过程金属材料热处理合金化改变合金成分、材料相组成及性能塑性变形(加工硬化)控制材料性能各种表面强化与表面改性：喷丸强化、表面化学热处理、各种表面物理冶金技术7. 制造技术成熟、材料可重复利用铸、锻、焊、热处理等热加工

9、制造技术车、铣、刨、磨等机械技工技术旋压、冲压、板金、铆接等各种冷加工制造技术表面强化与表面加工制造技术几乎完全可回收利用 Materials RecyclingFully-Recyclable Environment-Friendly aterials金属材料：过去、现在和可预见的将来，都是用量最大、用途最广、使用最可靠的材料！ Metallic Materials: 60% Ti Alloys: 41%; Al Alloys: 15%; Steels: 5%Polymer Composites: 24% “Rib-on-Web” Example: Aircraft BulkheadsFig

10、hter aircraft bulkhead photo courtesy of The Boeing CompanyForged and Machined Ti Bulkhead for Fighter AircraftService Conditions of Turbine Blades and Vanes in a Jet EngineTurbofan GP7000 for Airbus 380Application Potentials of Titanium and Intermetallic Matrix Composites in Advanced Military Aircr

11、aft Engines 净重438吨的三峡电站不锈钢水轮机叶轮铸件（合金冶炼铸造热处理焊接）三、研究对象及主要内容 研究金属材料的组织结构(晶体结构、晶体缺陷、显微组织等)、金属材料主要加工制备过程的基本原理及其相互关系，是一门有关金属材料结构、性能及其与材料加工制备过程之间相互关系与控制基本规律的理论与科学。The Four Elements of Materials Science and EngineeringProcessingSynthesisStructure What Is Materials Processing?All Processes and procedures whi

12、ch, through intelligent utilizations of fundamentals of MSE and related disciplines, and various existing or new technologies, special environment, etc Design, synthesize or fabricate materials Control macrostructure, microstructure, atomic arrangements, distribution of elements, energy states, etc

13、of materials for the Designed or tailored mechanical or functional properties of materials Form, shape and manufacture materials and components, etc激光材料加工与表面工程实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface Engineering Some Basic Examples of Materials Processing MethodsSol

14、idification Processing (Melting, Casting, Welding) Thermal Processing (Heat Treating, Sintering, etc) Mechanical Processing (Cold forming & rolling, etc )Thermal Mechanical ProcessingElectro-magnetic Materials ProcessingBiological Materials ProcessingHigh Energy Density Beam Processing,Surface Proce

15、ssingVacuum Materials Processing,Space or Micro-gravity Materials ProcessingCombustion Synthesisetc.激光材料加工与表面工程实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface Engineering Driving Force :Social Requirements for Better Materials Interests and Curiosity in Novel Materialsetc

16、Horse Power: Understanding and Intelligent Utilization of Fundamentals of Materials Science Innovation of Current Materials Processing Technologies Intelligent Utilization of New or Innovative TechnologiesIntelligent utilization of Special Environments and Fields,etc激光材料加工与表面工程实验室BEIHANG UNIVERSITY

17、Laboratory of Laser Materials Processing and Surface Engineering物理冶金学原理研究对象:Atomic Arrangements: Crystal Structure and Defects of Metals and Alloy Phases- Phase Constitutions of AlloysMicrostructure of Metals and Alloys etcFundamentals of Metals Processing:- Solidification (Casting, Welding, etc) -

18、Solid-State Phase Transformation- Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)Properties: - Mechanical - FunctionalNew MaterialsProcessing Innovations主要研究内容金属材料的原子排列与结构(晶体结构、晶体缺陷、显微组织等)金属材料主要加工制备方法的基本原理(凝固、固态相变、塑性变形等)金属材料组织结构、性能及其与材料加工制备过程之间相互关系与控制的基本理论。Main

19、 ContentsAtomic Arrangements of Metals and Alloys: Crystal Structure of Metals and Alloys (Solid Solution and Intermediate Phases) Crystal Defects (Point Defects, Dislocations, Grain Boundaries and Interfaces)Phase Diagrams and Phase Transformations Binary Phase Diagrams Ternary Phase Diagrams Solidification of Pure Metals Solidification of Binary and Ternary Alloys Solid-State Phase Transformations and AlloysPlastic Deformation of Metals Plastic Deformation of Metals Recovery and Recrystallization of Cold