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钢的品种、性能、用途李士琦北京科技大学2005.12.13人类生活的三个依托：材料、能量、信息。（1）材料：用于人类制造有用器件或物品的物质。（2）能量：火、电（利用和保存能量的物质）（3）信息：知识－传播、记录的材料。物质、能量、信息、生物：人类发展中四个因素所起的作用不同。1.材料与社会材料的定义：“材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件（或物品）的物质”判据（能源、资源、环境、经济、质量）•资源、能源、环保这三个战略性判据，反映定义中“人类社会所能接受的”这个定语；•经济这个判据反映了“经济地”这个状语；•质量这个判据反映了“制造有用器件（或物品）的”这个定语，也就是广义的性能，其中“制造”及“有用”分别指“工艺性能”及“使用性能”。材料的分类(1)按材料物理化学属性分：•按物理化学属性分：•金属：原子间主要是以金属键相结合；•无机非金属材料：原子间主要以离子键相结合；•高分子材料：原子间以分子键和共价键相结合。•复合材料：又上述三种材料中的一种、两种或三种构成。(2)按材料的用途分：•结构材料：通常是指利用材料的力学性能制造机器和工程结构中构件的材料；•功能材料：利用材料的物理、化学和生物学等性能，制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。(3)按材料的制备分类天然材料、人造材料、环境材料a天然材料人类社会发展史：旧石器时代、新石器时代、青铜器时代•旧石器时代：一百万年以前，用石头作工具；•新石器时代：一万年以前，对石头进行加工，使之成为精致的器皿或工具；b人造材料•青铜器时代：早在8000~9000年前，人类还处于新石器时代，已经发明了用粘土成型，再火烧固化而成为陶器。在烧制陶器过程中，偶然发现金属铜和锡，当然那时还不明白这是铜、锡的氧化物在高温下被碳还原的产物，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇铸成型的青铜，从而使人类进入青铜时代。希腊在公元前3000年前；埃及在公元前2500年前；巴比伦在公元前19世纪中叶，印度大约在公元前3000年已广泛使用青铜器。中国的青铜器在公元前2700年已经使用了，至今约5000年的历史，到商周（公元前17世纪到公元前3世纪）进入了鼎盛时期，如河南安阳出土的达875公斤的鼎，湖北隋县的编钟、西安青铜马车都充分反映了当时中国冶金技术水平和制造工艺的高超。铁器时代：公元前13-14世纪，人类开始用铁，3000年前铁工具比青铜工具更为普遍，人类进入铁器时代。20世纪的前50年间，全世界金属材料消耗量约40亿t，平均每10年仅消耗8亿t左右;而在20世纪80年代的l0年间，全世界金属材料消耗量即达58亿t;在金属材料中钢铁材料的量占90~95%;到2000年,全世界钢的表观积累量达到338亿吨高分子材料：世界三大有机合成材料（树脂、纤维、和橡胶）年产量逾亿吨。•19世纪末西方科学家仿制中国丝绸发明了人造丝，这是人类改造自然材料的又一里程碑。•20世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世。1909年酚醛树脂（电木）；1920年聚苯乙烯；1931年的聚氯乙烯；1941年的尼龙等，以其性能优异，资源丰富、建设投资少、收效快而得到迅速发展。无机非金属材料•陶瓷本来用作建筑材料、容器或装饰品等。•由于其资源丰富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蚀、膨胀系数小、耐高温、耐磨等特点，到20世纪中叶，通过合成及其他制备方法，做出各种类型的先进陶瓷（Si3N4、SiC、ZrO2等），成为近几十年来材料中非常活跃的研究领域，有人认为“新陶器时代”即将到来。•水泥•玻璃复合材料：天然材料中很多是复合材料，如木材、皮革、竹子等。人类很早就制造符合材料：泥巴中混入碎麻或麦杆用以建造房屋，钢筋水泥是脆性材料和韧性材料的复合。20世纪后期，复合材料得到了较快的发展。(4)功能材料：•功能材料自古就受到重视，在战国（公元前3世纪）已利用天然磁铁矿制造司南，宋代用钢针磁化制出罗盘，为航海的发展提供了关键技术。•功能材料是信息技术及自动化的基础，半导体材料和高性能磁性材料，激光材料与光导纤维，帮助人类进入信息时代。硅是微电子技术的关键材料，有人称之为“以硅片为代表的电子材料时代”，说明材料对人类文明的关键的作用。20世纪70年代人们将信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高新技术群为代表的新技术革命，将新材料、信息和生物技术并列为新技术革命的重要标志。电子技术•1906年发明了电子管，从而出现了无线电技术、电视机、电子计算机。•1948年发明了半导体晶体管，致使电子设备的小型化、轻量化、节能化及成本降低、可靠性的提高与寿命的延长。•1958年出现了集成电路，使计算机及各种电工设备发生再一次飞跃。•1946年电子管计算机与1976年微机的一些指标来对比，由于集成电路的采用，使计算机体积缩小了30万倍，功耗降低了5万多倍，重量降低了6万倍，平均故障率也大为减少，而且价格也大幅度下降。这样为计算机的普及创造了条件。光纤通信•1966年，高琨指出若光纤传输的损耗小于20dB/km，则可实现光通信。•1970年，用石英掺杂氧化锗，达到了这一指标，而后光纤通信比集成电路发展更快，代替了同轴电缆。其信息容量比同轴电缆大几个数量级，而且重量轻，消耗原材料少，保密性强，抗电磁干扰，几十年内，从连接各大陆的海底电缆到家庭，都布遍了光缆，成为现代信息高速公路与信息网络化的重要组成部分。•光纤通信除了光导纤维以外，还要有激光器和探测器，这些都是化合物半导体。高温技术20世纪50年代出现镍基高温合金，材料使用温度由原来的700℃提高到900℃，导致了超音速飞机的问世；高温陶瓷的发明，促进了表面温度高达l000℃的航天飞机的发展。到20世纪90年代末，全世界12项新兴产业的年销售额已达l万亿美元，其中新材料约占40％。可以说，新材料技术既是当代高技术的重要组成部分，又是发展高技术的重要支柱和突破口。在材料的提取、制备、生产、使用及废弃的过程中，常消耗大量的资源和能源，排放大量的污染物。20世纪90年代初，各国的科学工作者开始重视材料的环境性能，研究评价材料对环境影响的方法和手段，开发对环境友好的新材料及其制品。在环境和材料学科之间开创了新兴学科――环境材料（ecomaterial）材料科学的发展进入了一个新的历史时期。其特征首先是节约能源和资源；其次，是减少环境污染，避免温室效应和臭氧层破坏；第三是资源容易回收和循环再利用。EcologicalMatreial2金属材料及其工业制备工艺金属：具有金属光泽，可塑性，导电性及导热性良好的元素黑色金属(ferrousmetals)：Fe、Mn、Cr有色金属(nonferrousmetals)：分为四大类金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。在已发现的107种元素中，有91种称为金属，其中具有重要工业意义的为50多种。有色金属有色重金属(heavy)：比重4.5,如Cu、Pb、Zn、Sn、Ni、Co、Sb、Hg、Cd、Bi等有色轻金属(light)：比重4.5，如Al、Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K等有色贵金属(precious/noble)：如Au、Ag、Pt、Rh、Ru、Pd、Os、Ir等稀有轻金属：比重2.0，如Li、Rb、Cs、Be稀有难熔金属：如Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、W、Mo、Re等稀有金属(rare)稀散金属：如Ga、In、Tl、Ge、Se、Te等稀土金属：如Ce(铈)、Th(钍)等，用RE表示放射性金属：如Ra、Ｕ等金属年开采量（万吨）可开采年数备注铅锡银金锌铜镍锰钴铁铝石油天然气煤57718.11.440.15725105784.723584.89.18亿吨99632223303141531291501742322334356328（1）全世界资源是有限的；（2）所有的金属中，铁量占约90％，所以未来的钢铁材料仍然是最主要的金属材料。世界资源情况金属材料的加工过程(火法)：冶金主要操作工序：以钢铁冶金为例铁矿石→选矿→矿粉→人造富矿→→炼铁→热铁水→炼钢→精炼→连铸→→成型加工→钢铁产品高炉转炉连铸热连轧冷连轧产品焦化烧结120万吨废钢800~1000万吨钢铁示范工程煤气120万KW发电厂废渣300万吨水泥厂14~28万吨废塑料以钢铁企业为核心的循环产业链金属材料具有许多良好的性能，因此被广泛地应用于制造各种构件、机械零件、工具和日常生活用具。金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面：工艺性能，制造工艺过程中材料适应加工的性能；使用性能，金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。用户行业走新型工业化道路，对钢材提出了更高要求，相关行业的发展速度、质量和规模，直接决定了钢材的需求数量和档次。钢材的主要用户集中在建筑、机械、汽车、造船、铁道、石油、家电和集装箱八大行业，用量超过钢材总消费量的80%。3钢铁材料的应用（1）建筑1）建筑用钢通常是钢产量中的首位；2）钢结构有可以加长跨距，增加使用面积；3）钢结构用利于抵御地震等；4）钢结构件容易回收，有利于环境；5）钢结构建筑更耐久并容易维护。（2）交通交通是现代社会的命脉，而交通与钢铁密切相关：－铁路交通的发展离不开钢铁：例：铁轨、机车等－钢铁是汽车的主要原料：例：20世纪末世界年产汽车4900万辆，钢铁占67.75%，铝占5.45%，橡胶和塑料占12.09%，其它为玻璃和有色金属。－航空设备：发动机需要热强钢及高温合金。飞机起落架、主梁等关键受力部件为超高强度钢。（3）能源1）石油开采需要大量的钢材，例：钻台、井架、海洋石油平台、输油管等；2）发电设备用钢，例：锅炉用耐热钢、汽轮机和发动机用钢等；3）机械化采煤用钢；4）燃料电池材料中65%是钢材。（4）通讯1）钢铁为主要的功能材料，例：电磁铁、永久磁铁、电磁屏蔽合金等；2）有线传输的线路；3）卫星和运载火箭的金属材料，例：马氏体时效钢、高温合金、超低温容器用钢、记忆合金等。（5）国防1）常规兵器，例：枪、炮、坦克等；2）海军舰艇，例：40000吨级的航空母舰需要40000吨钢。3）航空材料；飞机起落架、主梁、大应力接头等4钢铁材料的分类按应用分为:结构材料约占90~85%功能材料总量少,但非常重要按使用状态分为:铸件钢材加工态按冶炼方法分为:转炉钢电炉钢按主要合金成分分类•碳素钢普通碳素钢优质碳素钢---碳素工具钢碳素结构钢•合金钢微合金钢低合金钢合金钢高合金钢按材的形状分长型材截面形状线材棒材型钢异型材管材工角槽轨梁H型钢扁平材厚板中板薄板带钢窄带钢(宽厚板)截面形状按最终加工(使用)状态分类热轧材冷轧材锻材金属涂层无机涂层有机涂层涂层材1)合金结构钢合金结构钢简称合结钢，是广泛用于制造汽车、拖拉机、起重机、机床、矿山机械及其他各种机器的轴、齿轮、连接件、结构件的合金钢。合结钢是合金钢中用途广、产量多、钢号多的一个钢类。其产量约占全国钢产量的2.5～3.0，约占合金钢产量的三分之一，其中大量使用的27个钢号的产量约占合结钢产量的70％。5主要的合金钢(八大钢类)本钢类共收入87个钢号，其中标准钢号67个，按化学元素组成分成23组，非标准钢号20个，分成9组。按热处理方法可划分为表面硬化钢41个，调质钢46个。按强度水平可划分为一般强度钢(σb54～100kG/mm2)46个，高强度钢(σbl00～1040kG／mm2)33个，超高强度钢(σb140，σb≥120kG/mm2)8个。在87个钢号中有49个钢号是引用国外的，其余都是我国研制的钢号。YB6—71中共有103个钢号，其中10Mn2、15Mn2、18Cr3MoWV、20Cr3MoWV现已很少使用，其中16Mo、12CrMo、15CrMo、12CrMoV、25CrMoV、25Cr2Mo1V按用途收入耐热钢，50CrVA按用途收入弹簧钢。本钢类的特点是：(1)不含铬、镍的钢号多(35个)，约占40％，这是我国多年重视节约铬、镍资源的重要成果。工业发达的国家在节约铬、镍