金属材料发展历史与展望

材料学院张静本科生学位课金属材料学1金属材料学西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学2主讲教师张静通讯地址：西北工业大学材料学院-公字楼309邮编：710072联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学课程表周一周二周三周四周五110级，XA301，4-11周2309级，XA301，4-10周4509级，XA301，4-10周09级，XA301，4-9周6710级，XA301，4-11周10级，XA301，4-11周83西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学4我们将学习：金属材料的地位与作用,历史与发展。金属材料的组织、结构、工艺、性能及应用。主要金属的基本原理金属与合金:铝、钛、铜、镁、稀土、高温合金等,合金化原理,性质与应用,热处理工艺,典型合金。探讨成分、结构,组织与性能之间的内在规律。新材料:介绍目前世界上出现的新型金属材料西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学5课程特点和要求特点综合性、应用性、经验性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。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：合金化原理材料学院张静本科生学位课金属材料学6第一章金属材料的进展西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学7本章框架发展战略发展史与现状未来问题与趋势作用与地位展望回顾材料学院张静本科生学位课金属材料学8第一节发展史与现状西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学9材料科学与工程材料学材料加工陶瓷高分子材料复合材料金属材料课程简介西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学10一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。人类历史的划分现代社会三大支柱能源、信息和材料生物工程，信息技术和新材料石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学11铁器时代青铜时代多元材料时代石器时代西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学12西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学13四要素及其交互作用性质、服役行为与寿命、结构与成分、合成与加工认识论和方法论材料科学与工程技术的相互关系和影响材料科学与工程的内在本质与外部环境的相关性和统一性材料科学与工程界统一认识和行为的共用准则，达成世界性共识。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学14合成与制备：获取材料的手段，工艺技术进步为标志成分与结构：材料的本质，认识材料的理论基础；材料特性：选用材料的依据；服役行为与寿命：材料的加工和服役条件结合，考察材料的使用寿命，成为MSE的最终目标。合成与制备材料特性成分与结构服役行为与寿命材料科学与工程MSE的四要素四面体关系西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学15四要素与五要素效能（使用性能）（气氛温度受力状态）西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学16核心关系核心关系西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学17材料的结构西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学18材料的性能西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学19二、材料的发展史，就是人类科技的发展史。信息、材料、能源、生物技术现代高科技材料—人类社会发展的里程碑！新材料—现代科学技术和社会发展的基础和支柱！社会文明支柱，科技创新的重要标志！西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学20金属材料发展的四个阶段一原始钢铁生产4300B.C.金、铜、铁，铸造、锻打中国的宝剑、西欧的大马士革刀，日本武士剑二金属材料学科的基础1778，第一座铁桥；1818，铁船下水；1825，铁路；铁构成金属材料学科的基础西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学2119世纪，金属学、金相学、相变理论的发展1803，道尔顿的原子学说，阿伏加德罗分子论1830，Hessel的32种晶体类型1839，Miller指数的普及1891，点阵结构理论的创立1864，Sorby，第一张金相组织照片，9倍1827-1888，Fe3C的分离(Karsten)和认知(Abel)十九世纪中后，钢的金相学发展：WillardGibbs的相律推导，Robert-Austen奥氏体固溶特性，Roozeboom的Fe-Fe3C相图建立西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学221669,N.Steno,晶面角守恒定律1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）三微观组织理论大发展合金相图、X射线，位错理论西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学23Reaumur(1722)Hill(1748)在放大镜下观察出晶粒Sorbit发现并描述了细珠光体Young(1807)提出材料弹性模量概念Barlow(1826)关于材料强度的测定Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得出的第一条S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的科学研究西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学24四微观理论的深入研究原子扩散、马氏体相变、沉淀相、位错滑移电子显微镜、扫描透射电镜（SYEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子显微镜（AFM）等新仪器的发明为微观研究进一步发展提供可能，随之产生了表面和界面科学西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学25三、现代金属材料1.先进结构材料特点：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损途径：细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术代表：铝镁合金、合金钢，复合材料…2.高温合金材料特点：高比强度、高比刚度，提高高温工作效率途径：颗粒或短纤维增强金属基复合材料用于：航空发动机，涡轮代表：Ti、Ti-Al合金西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学263.复合材料特点：高强度、高模量代表：铝、镁、钛等金属基体复合…4.超导材料超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能5.能源材料能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。6.智能材料形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料277.磁性材料软磁材料和硬磁材料软磁材料：易于磁化并可反复磁化的材料，代表：铁硅合金、铁镍合金、非晶金属…硬磁材料：永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性。代表：铁氧体和金属永磁材料8.纳米材料纳米金属：如纳米铁材料，是由6纳米的铁晶体压制而成的，较之普通铁强度提高12倍，硬度提高2~3个数量级。对于高熔点难成形的金属，只要将其加工成纳米粉末，即可在较低的温度下将其熔化，制成耐高温的元件，用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。材料学院张静本科生学位课金属材料学28第二节作用和地位西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学29《美国国家知识评估大纲》近几年来，由于科学技术的发展，世界运动方式发生了根本变化。长途通讯价格下降，计算机的普及，全球网络的出现，以及生物技术、材料科学和电子工程等领域的发展，创造出10年前根本不可能想象的新产品、新服务系统、新兴行业和新的就业机会，这就是人们所说的知识革命。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学30材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质基础与先导先进材料具有强烈的基础性、支撑性、技术经济价值和迫切战略需求材料的基础、先导、战略作用西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学31高强高导铜合金，新型耐蚀、耐磨、高散热性等铜合金、高纯铜等。轻质高性能镁材，特别是镁基压铸材料。典型先进金属材料高强可焊铝锂合金，超高强铝合金，新型耐热、耐磨、高比强、高比模、高韧性铝合金，纤维增强和颗粒增强铝基复合材料等。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学32典型先进金属材料高强高韧钛合金、热强钛合金、新型阻燃耐蚀功能钛合金、高性能锆合金、功能重材料钽钨合金、高精度铍材等。铋系超导带材，钇系超导块材中。稀土永磁材料烧结NdFeB，第四代稀土永磁材料Sm2Fel7Nx。新型高性能稀土储氢材料，在镍—氢电池中得到重要应用。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学33导弹与火箭的构件基本上采用铝合金、钛合金、镍基高温合金、镁合金和部分难熔金属合金。钛、铝及其合金成为舰船耐压壳体、核动力系统、武备系统、声纳系统等的主要材料。一、国防支撑材料铝材是飞机的主要结构材料，占重量比的50－80％，民用飞机铝材料用量在70％以上。钛及其合金在新型飞机上用作结构材料，飞机越先进，钛用量就越大。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学34航空航天的物质基础b(MPa)0.2(MPa)(%)3823106488478123602804482472933025024402906纵向横向高鍛铝2014（LD10）的力学性能卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。铝的理论强度4700MPa，当今高强铝合金强度没超过1000MPa。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学35“核时代金属”铍，在核武器中对增大爆炸威力起关键作用。铍的比刚度大，在导航系统中用作制造精密陀螺仪，对增加射程、提高命中精度起关键作用。国防支撑材料“原子时代第一金属”的锆，是核动力潜艇不可替代材料，80％的锆材用作核动力堆的燃料包壳、容器管、压力管、格架、端塞和其它堆芯结构材料。铀、铍、钽、钨、铂族金属、锗……，被许多国家储存作为战略物资。美国对钨以钨精矿形式，钽和铍以纯金属形式进行储备，铂和钯被列为特殊战略金属。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学3621世纪中叶聚变能和太阳能将成为主要能源，可控核聚变反应堆工程需要大量锂、钼、锆、钛等。二、高技术关键材料铌、钛、锡、铋、钇等都是制取超导材料的基本组元，NbTi、Nb3Sn实用低温超导材料已商品化。表面工程和技术,有相当部分是稀有金属薄膜、半导体材料薄膜和贵金属薄膜。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学37高技术关键材料稀土元素的特殊电子层结构使其在光、电、磁、化学上表现出奇异性能，已出现的一大批功能材料，如稀土磁性材料、稀土发光材料、稀土尾气净化材料、稀土储氢材料、高温超导材料等，2l世纪稀土将在功能材料中处于主体地位。美国公布的22种金属高科技材料中，稀土金属被列为第三位。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学38车辆中以铝代钢，减重50％，增加运载量10％，节能9.6－12.5％，日常检修工时减少45％。三、国民经济的基础材料电线、电缆占铜材总消耗量的50％，铝材总消耗量的33％,没有材料可替代。“蓄电池金属”铅的60－70％消费在蓄电池中。镍是制造镍氢电池、镍镉电池的原材料。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学39国民经济的基础材料钛的极好耐蚀性在化工、海洋工程、冶金、能源等部门的应用，我国氯碱行业在5000多台电解槽上使用钛阳极代替石墨阳极，年节电4亿多度。钽的高纯化使钽电容器向轻、薄、小型化、可靠化方向发展。稀有金属的碳化物、氮化物成为广泛使用的切削刀具、钻头、耐磨工件、模具和耐磨涂层。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学40国民经济的基础材料电冰箱、电视机、录相机、洗衣机等对有色金属提出了更高要求。铝材已进入建筑行业，约占铝耗量的20％以上，在我国占30％。铝用于制造刚性、柔性包装，复合材料容器和密封片盖等，美国包装用铝约占铝消耗总量的20％，我国占8－12％。西北工业大学材料学院张静本科生学位课金属材料学41国民经济的基础材料在世界金和铂的需求量中，90％以上的金和36－39％的铂消费在饰品方面，我国是世界铂首饰第二大消费国。铝合金管是