材料工程基础绪论

材料工程基础绪论第1页/共64页司母戊鼎越王剑3d打印手枪PCVD零件第2页/共63页第2页/共64页三、现代材料工程发展特点爆发式（速度）↑多样化（种类）↑重要性↑四、该课程目的及意义

了解关于材料制备、合成的基本原理，为今后从事材料研究、新材料、新工艺开发打下基础。第3页/共63页第3页/共64页五、课程主要内容钢铁冶金、粉末冶金、材料成形加工、热处理、表面技术、材料制备新技术六、该课程的特点以材料质量控制为主线。第4页/共63页第4页/共64页第一篇钢铁冶金绪论钢铁时代的到来创造了灿烂的人类文明。第一次产业革命的基础。至今仍是材料的主宰；钢铁产量和用量是衡量国家经济实力的重要指标。钢铁生产是相对成熟的工艺，对其它冶金有借鉴作用。钢铁生产技术本身也在进步，还需要不断开发。第5页/共63页第5页/共64页第6页/共63页第6页/共64页第7页/共63页第7页/共64页材料需求材料的回收利用率各种基础原材料的产量,钢铁最高钢材需求量和消费强度钢铁材料强度的发展钢铁材料是最重要的结构材料腐蚀失效20-40%/金属年产量1亿吨金属/年10-20%/钢结构（中国）第8页/共63页第8页/共64页第9页/共63页第9页/共64页第10页/共63页第10页/共64页项目与目标

世界主要产钢大国超级钢铁材料的研发项目第11页/共63页第11页/共64页第一章炼铁序1.元素在地壳中的含量：2.铁冶金简史：古代：“海绵铁”——固相还原火法冶金始于春秋时代，成熟于汉代。3.现代炼铁方法：高炉炼铁、非高炉炼铁第12页/共63页第12页/共64页铁刃铜钺第13页/共63页第13页/共64页铁狮身高5.78米，长5.34米，宽3.17米，体重约50吨(公元953年)第14页/共63页第14页/共64页1．1高炉炼铁的原料及设备一、原料

铁矿石，焦碳，熔剂1.铁矿石种类：Fe3O4（磁铁矿）,Fe2O3（赤铁矿）等。杂质（脉石）：SiO2,Al2O3,CaO,MgO。作用：提供铁元素。要求：品位高，酸性脉石少，粒度均匀合适，强度较高，还原性好，成分波动小。第15页/共63页第15页/共64页2.焦碳作用：提供热量，还原剂，料柱骨架要求：杂质少，水分稳定，强度好，粒度均匀3.熔剂组成：石灰石为主作用：造渣要求：碱性氧化物含量高，杂质少，强度高，粒度均匀。第16页/共63页第16页/共64页二．炉渣及其碱度1.炉渣的组成：以氧化物为主1）按酸碱性分酸性氧化物：SiO2,P2O5,V2O5碱性氧化物：CaO,MgO,FeO,MnO,MnO2两性氧化物：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3CaO,FeO,MnO,MgO,CaF2,Fe2O3,Al2O3,SiO2,P2O5碱性增强←→酸性增强2)按状态分简单化合物：CaO,MgO，SiO2

复杂化合物：2CaO.SiO2，3CaO.P2O5

复杂化合物比简单化合物稳定性高，活性小。第17页/共63页第17页/共64页2.炉渣碱度（R）：炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的浓度比（常用摩尔分数之比）

R=%CaO/%SiO2,；或R=%CaO/%SiO2+%P2O5

若R〉1：碱性渣R〈1：酸性渣R=1：中性渣第18页/共63页第18页/共64页高炉组成炉体炉缸储存铁水、炉渣炉腹反应、熔化炉身反应、装料炉喉加料，排气加料装置送风装置第19页/共63页第19页/共64页第20页/共63页第20页/共64页1．2高炉内基本反应铁水常规5元素：C,Si,Mn,P,S一．炼铁的实质：通过还原反应还原出铁、锰、硅、磷、硫以及碳渗入铁水中的过程。二．反应：铁、锰、硅、磷、的还原，渗硫及脱硫，渗碳。第21页/共63页第21页/共64页1.铁的还原还原剂：CO，C，H2还原过程：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe2.锰的还原

还原过程：MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→MnCO还原C还原影响因素：

T↑，Mn↑R↑，Mn↑（约40-60%被还原的锰可进入铁水）3.硅的还原

还原剂：C

影响因素：

T↑，Si↑R↓，Si↑第22页/共63页第22页/共64页4．磷的还原1）还原剂：C2）反应：（CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO-Q3）影响因素：T↑，P↑R↓，P↑5．脱硫反应先出现渗硫，再脱硫1)反应：[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q2)影响因素：T↑，S↓R↑，S↓C↑,S↓

3)硫的分配：炉渣、炉气、铁中

4）硫的控制：优质低硫原料：洗煤、降低焦比（国际上460公斤焦碳/吨生铁）高温，高碱度6．渗碳约4%左右。第23页/共63页第23页/共64页1.3高炉炼铁工艺第24页/共63页第24页/共64页1．4高炉冶炼产品

1.生铁炼钢生铁：80%，1.5%Si铸造生铁：20%，2.75-3.25%Si

铁合金2.炉渣

炉渣：生铁=0.6：13.炉气

炉气：生铁=5：1第25页/共63页第25页/共64页本章重点1.高炉炼铁的实质（基本反应）2.原料及其作用3.主要概念：炉渣碱度第26页/共63页第26页/共64页第2章炼钢

序一．发展概况我国古代：炒钢，“百炼成钢”；卢定桥铁索国外：1740年，坩埚炼钢1856年，贝塞麦，酸性转炉1878年，托马斯，碱性转炉1950年前，平炉主导1952年后，LD转炉逐渐取得主导目前：氧气顶吹转炉主导，电弧炉次之。各种精炼方法、特殊炼钢方法涌现第27页/共63页第27页/共64页二．炼钢的实质

通过氧化反应降低生铁中碳及其其它杂质的过程。C：>2.1%，生铁；0.008%<C<2.1%，钢P，S含量决定钢的质量：三．本章主要内容

基本反应、一般方法、钢的浇注结构、冶金质量、特殊方法普通钢质量钢优质钢高级钢P（%）0.0450.0350.0250.025S（%）0.0500.0350.0250.015第28页/共63页第28页/共64页2．1炼钢过程基本反应氧化剂：[O]，O2，Fe2O3一．脱碳反应1.反应：2.脱碳反应的附带效应：升温、搅拌、携带（夹杂物上浮）二．硅的氧化1.反应：2．影响因素：

T↓，Si↓R↑，Si↓

氧化剂↑，Si↓三．锰的氧化1．反应：2．影响因素：

T↓，Mn↓R↓，Mn↓

氧化剂↑，Mn↓第29页/共63页第29页/共64页四．脱磷反应和回磷现象

1.脱磷反应1）反应：P→P2O5→4CaO.P2O5或3CaO.P2O5+Q2）影响因素T↓,P↓R↑,P↓FeO↑,P↓FeO过高，则不利，见图(C,Si,Mn)↑,P↓及时排渣，P↓3）脱磷措施造碱性渣加氧化剂提高渣流动性第30页/共63页第30页/共64页2.回磷现象

1)概念：炼钢过程中已脱去的磷又从渣中进入钢液中的现象。

2)形成条件：炼钢末期：温度上升，脱氧剂加入盛钢桶中：SiO2进入，碱度下降3)改善措施：温度不要过高加石灰提高碱度采用碱性盛钢桶第31页/共63页第31页/共64页五脱硫反应炉渣脱硫气化脱硫1．炉渣脱硫钢液中[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q渣中（FeS）+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q影响因素见炼铁一章

2．气化脱硫[S]→SO2↑高温有利

3．脱硫措施造新渣提高渣流动性采用碱性盛钢桶造碱性渣炉外脱硫第32页/共63页第32页/共64页六．脱氧反应1.脱氧目的得到正常的钢锭表面和结构提高合金元素的收得率减少氧化物夹杂数量得到细晶粒结构的钢2.脱氧剂锰铁，硅铁，铝，碳粉，复合脱氧剂（硅钙，铝钙，硅锰，硅锰钙）脱氧能力：Al>Ca>Si>Mn第33页/共63页第33页/共64页锰铁硅铁铝复合脱氧剂脱氧能力弱强更强最强渣排除能力强弱强最强附带作用综合硫，强化细化晶粒应用各类钢镇静钢镇静钢镇静钢脱氧剂特点及应用第34页/共63页第34页/共64页3.脱氧方法1)扩散脱氧：依靠氧向炉渣中扩散而被脱去的方法，亦称间接脱氧2)沉淀脱氧：脱氧剂进入钢液内部进行脱氧反应而脱氧的方法，亦称直接脱氧。3)特点及应用速度污染条件应用扩散脱氧慢小还原性气氛电弧炉沉淀脱氧快大无限制各类炼钢方法第35页/共63页第35页/共64页2.2一般炼钢法转炉、电弧炉一．氧气顶吹转炉炼钢法原理：铁水热+反应热→炼钢设备见图原料：铁水、（废钢）+熔剂冶炼过程：装料、吹炼、测温、脱氧及出钢第36页/共63页第36页/共64页第37页/共63页第37页/共64页5.冶炼特点不需外加热源反应剧烈生产率高1.1~1.5万吨/吨.年烟尘大，是装入量的0.8~1.3%产品品种多6.产品质量特点1)钢中含气量小

N，H含量低→时效敏感性及脆性低，钢塑韧性及焊接性能好

2）P，S含量与电弧炉相当脱磷率：90~95%

脱硫率：70~80%3）夹杂物及外来元素少冷变形、抗应变时效和焊接性能好用途：薄板，焊接钢管和无缝钢管等。第38页/共63页第38页/共64页二．电弧炉炼钢法1．原理：利用电弧与燃料之间产生的电弧进行熔炼2．种类酸性电弧炉：用于铸钢车间碱性电弧炉：用于炼钢。3．设备见图4．冶炼过程：补炉、装料、熔化、氧化、还原（脱氧、脱硫）、出钢第39页/共63页第39页/共64页第40页/共63页第40页/共64页5．电弧炉冶炼特点炉温高：~3000OC，可熔化任何金属热效率高：体积小，密封好熔池温度易于控制炉内气氛易于控制可用合金、废钢、非高炉生铁熔炼炉内温差大，元素易烧损。生产成本高，生产率较低电离的H、N易进入钢中。6.电弧炉钢质量特点1）P，S含量低2）夹杂物少（扩散脱氧，炉温高，渣易上浮）冶炼成分易控制N，H含量高应用于高合金工具钢、不锈钢及耐热钢等。第41页/共63页第41页/共64页2.3钢的浇注和钢锭

一．钢锭的浇注（自学）二．钢锭结构1．钢锭类型O%应用镇静钢0.0015~0.008优质碳素钢半镇静钢0.004~0.02沸腾钢0.015~0.04普通低碳钢第42页/共63页第42页/共64页2.结构特点见图外

内镇静钢：激冷层柱状晶中心等轴晶沸腾钢：坚壳层蜂窝气泡带，中间坚固带二次气泡带锭心等轴晶

沸腾钢钢锭结构第43页/共63页第43页/共64页3.各种钢锭特性比较

钢种力学性能收得率成本表面质量内部质量偏析沸腾钢低90%低高气孔多头部偏析大半镇静钢中90%较高一般较多头部偏析镇静钢高~80%高有发纹完整少第44页/共63页第44页/共64页三．连续铸钢

采用连续铸机直接把钢液凝固成钢坯1．工艺过程浇注-结晶器冷凝-二次冷却-矫直-切割2．工艺参数注温：大于模铸20~50OC注速：V=K.L/A，K—系数；L—周长；A—面积冷速：过低→拉漏，切漏；过高→间隙，裂纹3．连铸钢质量特点结构致密，均匀偏析小夹杂物总量小易出现表面裂纹易出现中心偏析和缩孔（疏松）4．技术经济特点收得率高质量优结晶器第45页/共63页第45页/共64页第46页/共63页第46页/共64页2.4钢的冶金质量及控制冶金质量：成分、气体、夹杂物、缺陷常存元素：C,Si,Mn,P,S,H,N,O常规5元素：C,Si,Mn,P,S合金元素：为获得一定的组织和性能特意加入的第47页/共63页第47页/共64页一.化学成分的影响1.硅益：固溶强化、脱氧、提高淬透性害：夹杂、降低塑韧性2.锰益：固溶强化、综合硫、脱氧、细化晶粒、提高淬透性害：夹杂、Ms降低

第48页/共63页第48页/共64页3.硫易形成热裂、热脆焊接中易形成气孔及缩松（SO2）降低钢的使用性能各向异性耐蚀性可改善切削性能物质FeSFeS-FeFeS-Fe-FeO熔点（OC）1190989940第49页/共63页第49页/共64页4.磷1）易形成热裂、热脆2）加剧偏析3）冷脆4）回火脆性5）抗大气腐蚀6）切削性能

物质Fe-Fe3PFe-Fe3C-Fe3P熔点（OC）1050940第50页/共63页第50页/共64页二．气体1．氢危害：形成氢脆或白点1)氢脆定义：由于氢而导致的在低应力载荷下的脆性断裂特点：属应变时效型脆性（滞后破坏），即在应力作用一定时间后材料突然发生断裂影响因素：形变速率

[H]Sb、Sn、S等氢脆工作温度：-100~100度晶粒度组织：塑性

1108钢级螺杆在650MPa应力下延迟断裂第51页/共63页第51页/共64页2）白点定义：纵向断口上出现的圆形或椭圆形的银白色斑点，亦称发裂原因：局部氢与应力的综合作用3)改善措施：[H]，去氢退火第52页/共63页第52页/共64页2．氮1）影响时效脆性易形成气泡和疏松细