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材料工程系一、课程特点和要求课程特点：综合性、应用性、经验性。金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程课程要求：掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工艺。二、课程要点及思路主线：材料成分-工艺-组织-性能-应用之间的有机关系核心：合金化原理“思想”：作用的辨证与矛盾的转化。三、教学安排教学：详略，有的内容自学；实践：课堂讨论，小论文，综合性实验，思考题；考试：考试+平时+课堂讨论与实验图材料学主线示意图绪论——金属材料的过去、现在和将来0.1金属材料发展简史1、第一阶段——原始钢铁生产公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺公元前2800年：铁的熔炼公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）东汉时：反复锻打钢→最原始形变热处理工艺。淬火技术:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”→现代的水淬、油淬。上图：吴王夫差矛和越王勾践剑右上：商周时期的青铜敦和尊盘-国家一级文物右下：商代青铜纵目人面像擂鼓礅二号墓编钟复制件1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。2、第二阶段——金属材料学科的基础奠定金属材料学科基础：金属学、金相学、相变和合金钢等。1803年：道尔顿提出原子学说，阿伏加德罗提出分子论。1830年：Hessel提出32种晶体类型，普及晶体指数。1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结构理论。1864年：Sorby制备第一张金相照片，9倍，但意义重大。1827年：Karsten从钢中分离出了Fe3C，1888年Abel证明了这是Fe3C。1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相律，Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡图。钢的组织命名：Austenite→英金属学家Austen；Bainite→美科学家Bain；Sorbite→英科学家Sorby；Martensite→德科学家Marten；Troostite→法化学家Troost；Ledeburite→德学者Ledebur新合金钢发明：1820年，铁-铬合金；1857年，钨钢；1898年,含钨高速钢雏形1871年，锰钢和硅钢。开始了合金钢的新纪元3、第三阶段——微观组织理论大发展合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。1912年：发现X射线，证实α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是fcc；固溶体规律。1931年：发现合金元素的扩大和缩小γ区作用.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，解释钢的塑性变形；马氏体转变的晶体学。1938年：发明了电子显微镜。1910年：发明A不锈钢，1912年发明了F不锈钢等。1990年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹。4、第四阶段——微观理论的深入研究微观理论的深入研究：原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定；贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。位错理论建立：电子显微镜的发明→看到了钢中第二相沉淀析出，位错滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象→位错理论。新科学仪器不断发明：电子探针，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.0.2现代金属材料先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。开发高性能结构材料：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢。改造传统结构材料：重要途径是组织更细更均匀，材料更纯洁→关键是工艺。“新一代钢铁材料”强度相当于现有钢铁材料两倍。美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差→开发高强热轧耐火耐候钢。开发其他高性能钢：利用各种新工艺新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。先进制备工艺：如金属半固态加工技术，铝镁合金技术成熟，已应用。现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向水陆两用汽车轻型吊轨磁悬浮列车材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变美国飞行汽车将于2009年上市销售MX-400空中汽车美国莫勒潜心研究.被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后，各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的.在“9.11”事件中，该双子大楼遭到袭击，毁于一旦。但它作为一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将永远载入史册。泰坦尼克号快速沉没的原因小问题引大灾难.泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没,经查明是因为含有9%矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架.0.3金属材料的可持续发展与趋势2004年提出了“循环型社会的材料产业——材料产业的可持续发展”。微生物冶金:无废物的生产，已在许多国家进行了工业性生产。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。海水是一种液态矿，海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中提取镁、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着需求量的80%。我国资源短缺；资源浪费严重；污染严重。循环材料产业：适应时代需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形成资源—材料—环境良性循环的产业。合金发展的主流方向是少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。要研究开发与人民生活密切相关的绿色材料以及环境友好材料。钛合金被称为“空间金属”、“未来钢铁”。钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。钛在地球中含量不少（0.6%）。但是提炼工艺复杂，成本高，广泛应用受到限制。钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一。世界上第一个载人宇宙飞船世界上第一个“太空人”有色金属:资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊人。精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成果少，高新技术成果产业化程度不高。开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如，铝锂合金、快速凝固铝合金等。有色金属功能材料也是发展方向.未来对材料和技术的要求环境和能源因素放在很重要的位置思考题1、1958年世界工业博览会在比利时召开，博览会大楼是由9个巨大金属球组成，金属球直径为18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什么?说明什么意义?2、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科列宁大街上建造了40英尺高的雕象，雕象材料是钛合金。为什么用钛合金做?代表什么意义?3、金子从古到今都是作为世界上的流通货币，为什么?铜是人类最早认识和使用的金属，为什么?4、1983年,在上海召开的第4届国际材料及热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，代表什么意义?为什么古代著名的刀剑都要经过反复锻打?5、为什么建筑上的楼板、大梁混凝土中要用钢筋?而且国家都有使用标准?第1章钢的合金化原理1.1Me和Fe基二元相图一、钢中的Me1、杂质元素（impurity-element）常存杂质冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除。隐存杂质偶存杂质生产过程中形成，微量元素O、H、N等。与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。热脆性——S——FeS(低熔点989℃)；？冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氢脆——H——白点。2、合金元素（alloying-element）为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。二、Me和Fe的作用纯Fe→Fe-C相图的变化特点。Me和Fe的作用：1、γ稳定化元素使A3↓，A4↑，γ区扩大a)与γ区无限固溶——Ni、Mn、Co开启γ区——量大时，室温为γ相；b)与γ区有限固溶——C、N、Cu——扩大γ区。2、α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小a)完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、TiCr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相?W、Mo、Ti等部分溶解b)缩小γ区——Nb等。稳定γ相——A形成元素，稳定α相——A形成元素。(a)Ni，Mn，Co(b)C，N，Cu(c)Cr，V(d)Nb,B等图1合金元素和Fe的作用状态1.2Me对Fe-C相图的影响一、对S、E点的影响A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移—意味着共析C量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析碳量的影响二、对临界点的影响A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动三、对γ-Fe区的影响A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也为A体—奥氏体钢；F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高温下仍为F体—铁素体钢。铬对钢γ区的影响锰对钢γ区的影响1.3铁基固溶体一、置换固溶体合金元素在铁点阵中的固溶情况MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)无限无限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*无限无限无限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与C量有关不同元素的固溶情况是不同的。为什么?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%，可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限固溶；±15%，溶解度极小。结论合金元素的固溶规律，即Hume-Rothery规律决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似.①有限固溶C、N、B、O等②溶解度溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的——如γ-Fe与α-Fe。溶质原子大小：r↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。③间隙位置优先占据有利间隙位置——畸变为最小。间隙位置总是没有被填满——最小自由能原理。二、间隙固溶体1.4碳（氮）化物一、钢中常见的碳化物K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等K形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由强到弱排列）钢中常见的K类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；M7C3：例Cr7C3，复杂六方；M23C6：例Cr23C6，复杂立方；M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；M6C：不是一种