工程材料与热处理绪论课件.ppt

1、1,a,工程材料与热处理,项目一 绪论,材料成型与控制专业,a,2,工程材料与热处理项目一,任务一 金属材料的发展简介,1.1、金属材料发展简介,材料成型与控制专业,人类使用金属材料的历史，可以追溯到五千多年以前，青铜、铁器的出现，曾作为社会生产力重大发展和文明历史辉煌进步的标志。我国在四千多年前的夏代已有红铜的冷锻和铸造技术，殷商时期已有了高度发达的青铜冶铸技术。例如：1939年在河南安阳出土的殷代巨鼎司母戊大鼎，高133 cm、长110 cm、宽78 cm，重达875 kg，造型庄重、花纹精美，是世界罕见的古青铜珍品；春秋末期至秦汉年间，表面有含铬防锈层的青铜兵器，以及铁锤、铁铲、铁锄等农

2、具和工具，不仅铸锻技艺成熟，而且还经过专门的热处理。而同类的铁器，欧洲在一千四五百年后才出现。又如号称世界第一大字钟的北京大钟寺大铜钟，直径3.3 m，高6.75 m，重达46.5 t，内外铸有230184字经文，字迹清晰、排列精巧，悠扬的钟声可传至50 km以外。这座明代永乐年间铸造的大钟，无论从技术上还是艺术上，均可称具有世界文明历史意义的古钟,如下图1-1。,a,3,殷代巨鼎司母戊大鼎，高133 cm、长110 cm、宽78 cm，重达875 kg，造型庄重、花纹精美 （公元前1411世纪）,a,4,号称世界第一大字钟的北京大钟寺大铜钟，直径3.3 m，高6.75 m，重达46.5 t，

3、内外铸有230184字经文，字迹清晰、排列精巧，悠扬的钟声可传至50 km以外。这座明代永乐年间铸造的大钟，无论从技术上还是艺术上，均可称具有世界文明历史意义的古钟,a,5,天工开物初刊于1637年（明崇祯十年）。是中国古代一部综合性的科学技术著作，有人也称它是一部百科全书式的著作，作者是明朝科学家宋应星。外国学者称它为“中国17世纪的工艺百科全书”。作者在书中强调人类要和自然相协调、人力要与自然力相配合。,1.1、金属材料发展简介,材料成型与控制专业,春秋末期的著名古籍周礼考工记中“六齐”一文，总结我国古代铜锡合金(青铜)的配方、性能和用途，被认为是世界上最早的关于合金理论的记载，具有重大的

4、科学意义和社会历史意义。明代宋应星编著的天工开物一书，是世界上最早的金属工艺科技文献，书中记载的冶铁、炼钢、铸造、锻造、淬火等金属加工方法，充分反映了我国在金属工艺方面的卓越成就。,工程材料与热处理项目一,a,6,1.1、金属材料发展简介,a,7,1.2 现代金属材料简介,在现代社会经济，钢铁材料一直是社会经济建设的主要基础工程材料。在当今新技术革命广泛深入开展的20世纪90年代，金属材料虽然面临高分子材料、陶瓷材料和复合材料等新型工程材料的挑战，但是现代工业、农业、国防和科学技术的重要基础材料仍然是钢铁材料。近年来，高性能的金属结构材料发展很快；同时，金属功能材料等也有很大发展，金属晶须、非

5、晶体金属、超塑性金属、记忆合金、防振合金、贮氢合金、超导合金等金属新材料相继问世，使历史悠久的金属材料依然在当代材料世界中占有重要地位。 金属材料及其加工工艺的应用和发展，直接影响着经济建设的发展，直接关系到社会生产、生活的方方面面。可以讲，任何产品均直接或间接地使用了金属材料，即使像激光、超导、生物工程、信息技术和新能源等高新技术，也离不开金属材料，有些金属新材料已成为高新技术发展的关键。 目前，我国钢铁年产量已名列世界各国钢铁生产前列，达到年产近亿吨，有色金属的生产和加工技术也有了大幅度的进步。北京奥运会大型体育场馆鸟巢的建设（如图1-2），是我国建筑技术、建筑材料和大跨度金属结构建筑高水

6、平发展的标志。另外，我国500 t大钢锭的铸造，15000 t水压机的生产，510万吨级油轮的制造，大型加速器运行的成功，“一箭多星”的卫星成功发射和核潜艇的问世等举世瞩目的成就中，金属材料及其加工工艺起着重要的作用。,材料成型与控制专业,a,8,我国研制成功的15000吨水压机,a,9,北京奥运会大型体育场馆鸟巢,a,10,工程材料与热处理项目一,任务二 热处理的发展简介金属材料的发展简介,材料成型与控制专业,在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识，人类在生产实践中发现，金属的性能会因温度的影响而发生改变。 早在公元前3000多年以前，居住在两河流域的人类

7、就开始对陨铁（铁镍合金）这一“天赐”的金属采用退火工艺，以便制作工具或小件物品，这是迄今考古发现中人类最早的金属热处理工艺。 在我国热处理工艺的出现可追溯到商周时期，在商周遗址中共发现了七件带明显退火痕迹陨铁制品，并在东周战国时期我国已经开始采用脱碳退火处理技术，使白口铁铁锛表面的含碳量降低，以减少其脆性，并且已经开始利用淬火工艺，来提高块炼钢钢剑的硬度。 到秦汉以后，热处理技术得到了很大的发展，达到了相当高的水平，出现了局部淬火和表面渗碳的热处理工艺。对徐州狮子山楚王陵出土的四件凿刀的分析表明，4件凿刀都经过局部淬火处理，获得了刀头硬、刀体韧的效果。河北满城出土的西汉佩剑及书刀，中心为低碳钢

8、，表面有明显的高碳层，表明进行过表面渗碳处理。在一些西汉的书籍中，也有关于热处理技术的叙述，在司马迁所著史记天官书中有“水与火合为淬”，东汉班固所著汉书王褒传中有“巧冶铸干将之朴、清水淬其锋”等有关热处理的记载。,a,11,工程材料与热处理项目一,任务二 热处理的发展简介金属材料的发展简介,材料成型与控制专业,南北朝时的綦母怀文已经开始使用双液淬火工艺，先用动物尿、后用动物油进行双液淬火，制作出了品质很高的“宿铁刀”“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，可斩甲过三十札”。 宋元时期，中国古代工匠广泛采用诸如“团钢”和“灌钢”的液体渗碳热处理工艺，将液态生铁中的碳渗入熟铁，改变熟铁的性能，使其变为强韧性

9、都较好的钢。 明清时期，有关热处理工艺的记载很多。如明代宋应星将我国古代的许多科学技术加以总结整理，在其写成天工开物中，有很多热处理工艺的详细叙述。在关于制锉的论述中，就涉及退火和预冷淬火热处理工艺，“凡铁锉，纯钢为之，未健之时，钢性亦软，以已健钢錾划成纵斜文理，划时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。久用乖平，入火退去健性，再用錾划”。,a,12,工程材料与热处理项目一,任务二 热处理的发展简介金属材料的发展简介,材料成型与控制专业,明清时期，有关热处理工艺的记载很多。如明代宋应星将我国古代的许多科学技术加以总结整理，在其写成天工开物中，有很多热处理工艺的详细叙述。在关于制锉的论述中

10、，就涉及退火和预冷淬火热处理工艺，“凡铁锉，纯钢为之，未健之时，钢性亦软，以已健钢錾划成纵斜文理，划时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。久用乖平，入火退去健性，再用錾划”。 到了近代，热处理对改善金属材料组织性能的重要作用，愈来愈为人们所认识，热处理工艺已从个人“手艺”的范畴，逐渐提升到理论体系高度。1863年，英国金相学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢铁在加热和冷却时，内部会发生组织的改变，从而导致钢铁性能的改变，高温状态的钢在迅速冷却过程中也会转变出一种较硬的相。并且由法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及由英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺

11、奠定了理论基础。 二十世纪以来，随着材料科学的发展和其它新技术的移植应用，使热处理工艺得到更大发展。1910年，在工业生产中开始应用转筒炉进行气体渗碳。1912年X射线衍射技术和1932年电子显微镜的问世，30年代后出现的炉内气氛探测装置，如二氧化碳红外仪、氧探头等，都对热处理工艺的发展产生了巨大的推动作用。进入60年代，热处理工艺开始运用等离子场的作用，发展出了离子渗氮工艺，同时，激光、电子束技术也开始应用于表面热处理工艺中，形成了新的表面热处理和化学热处理方法。,a,13,工程材料与热处理项目一,任务三 非金属材料与复合材料的发展简介,非金属材料可分为有机非金属材料、无机非金属材料。其中有

12、机非金属材料即为通常所指的高分子材料，如橡胶、塑料等；无机非金属材料是指陶瓷、玻璃、水泥等材料。,材料成型与控制专业,1.1 无机非金属材料发展简介 1.1.1 陶瓷材料发展简介 旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。在公元前6000前5000年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前17世纪初约前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元 200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了人类进入金属时代，中国夏代（约公元前22世纪末至约前21世纪初约前17世纪初）,a,14,前21世纪

13、初约前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。18世纪以后钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。公元前3700年，埃及就开始有简单的玻璃珠作装饰品。公元前1000年前，中国也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期罗马已能生产多种形状的玻璃制品。10001200年间玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。1600年后玻璃工业已遍及世界各地区。公元前3000前2000年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随着建筑业的发展，胶凝材料也获得相应的发展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，1700年以后

14、制成水硬性石灰和罗马水泥。1824年英国J.阿斯普丁发明波特兰水泥（见水泥）。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，属于典型的硅酸盐材料。 18世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。 陶瓷的硬度在各类材料中最高，作为超硬耐磨损材料，性能特别优良。由于陶瓷中存在大量相当于裂纹源的气孔，在拉应力的作用下，会迅速扩展而导致脆断。拉强度低、但具有较高的抗压强度。 陶瓷是人类应

15、用最早的材料之一。传统上的“陶瓷”是陶器和瓷器的总称，后来发展到泛指整个硅酸盐(玻璃、水泥、耐火材料和陶瓷)和氧化物类陶瓷。现代“陶瓷”被看作除金属材料和有机高分子材料以外的所有固体材料，所以陶瓷亦称无机非金属材料。所谓陶瓷，是指一种用天然硅酸盐(黏土、长石、石英等)或人工合成化合物(氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物)为原料，经粉碎、配制、成型和高温烧制而成的无机非金属材料。由于它的一系列性能优点，不仅用于制作像餐具之类的生活用品，而且在现代工业中已取得越来越广泛的应用。有些情况下，其他材料无法满足性能要求时，陶瓷成为目前唯一能选用的材料。例如，内燃机火花塞，用陶瓷制作可承受的瞬

16、间引爆温度达2500，并可满足高绝缘性及耐腐蚀性的要求。一些现代陶瓷已成为国防、宇航等高科技领域中不可缺少的高温结构材料及功能材料。陶瓷材料、金属材料及高分子材料被称为三大固体材料。 20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。3040年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷（见半导体陶瓷）等。5060年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。至今，又出现了变色玻璃、光导纤维、电

17、光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。,材料成型与控制专业,a,15,1.1.2 水泥材料发展简介 在19世纪初期(18101825年)，人们用人工配合的石灰石和黏土为原料，再经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料的方法，已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁(JAspdin)将石灰石和黏土配合烧制成块，再经磨细成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石块，且具有较高强度，因为这种胶凝材料的外观颜色与当时建筑工程上常用的英国波特兰岛上出产的岩石的颜色相似，故称之为波特兰水泥(Portland Cement，中国称为硅酸盐水泥)。英国人阿斯普丁(J.Aspdin)于1824年10月首先

18、取得了该项产品的专利权。例如，18251843年修建的泰晤士河隧道工程就大量使用波特兰水泥。 随着现代工业的发展，到20世纪初，仅仅有硅酸盐水泥、石灰、石膏等几种胶凝材料已远远不能满足重要工程建设的需要。生产和发展多品种多用途的水泥是市场的客观需求，如铝酸盐水泥、快硬水泥、抗硫酸盐水泥、低热水泥以及油井水泥等。后来，又陆续出现了硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等特种水泥品种，从而使水硬性胶凝材料发展成更多类别。多品种多用途水泥的大规模生产，形成了现代水泥工业。,材料成型与控制专业,1.1 无机非金属材料发展简介,a,16,1.1 无机非金属材料发展简介,1. 1.3 有机非金属材料发展简介,有机非金属材料及高分子材料，以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合，天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。 高分子材料按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始