1第1章工程材料的分类与钢铁生产

工程材料的分类与钢铁生产第1章1.1材料的分类一、材料和材料科学1、材料哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀国产涡喷-7涡轮喷气发动机公路、铁路的钢架桥梁“神州”六号载人飞船发射升空导弹驱逐舰航空母舰美国“奋进号”航天飞机“乘坐”波音747飞机钢甲勇士石器铁器象形尊(西周)石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图黄石铜矿遗址春秋晚期矿井深达50m炼铜炉渣多达40万吨实属罕见铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外铸经22.7万字。成分为：铜80.54％、锡16.40％、铝1.12％。明代永乐年间制（1420年左右）。永乐大钟我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的4.6亿吨。中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟二号”飞船运往发射工位“神舟”一号飞船“神舟”一号发射成功“神舟”二号发射成功中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟”三号发射成功“神舟”四号发射成功“神舟”三号飞船“神舟”四号飞船中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象X-射线衍射仪1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）透射电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错2、材料科学主要研究内容：⑴研究材料的化学组成、结构与性能的关系；⑵研究材料的形成机理和制取方法；⑶研究材料物理性能的测试方法和技术；⑷分析材料的损坏机理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案材料科学是以材料为研究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间二、工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：1、金属材料2、高分子材料3、陶瓷材料4、复合材料金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达13亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。带材异形材板材管材金属材料制品陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等分子键共价键高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯-苯乙烯复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机高分子材料在各类机械中使用的工程材料金属材料无机非金属材料三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘四、工程材料学课程的性质和任务课程性质：机械类专业的技术基础课课程任务：⑴了解工程材料的一般知识；⑵建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：工艺-组织-性能之间关系的例子Steelwith0.4%C①化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。②组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织或宏观组织。放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。钢的宏观组织、显微组织和电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织③结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。Al的高分辨透射电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点⑶了解常用材料的用途和加工工艺。⑷初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。课程特点：基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米雕刻（北大）相关事宜教材：《工程材料》王建民主编，电子科技大学出版社2009.4成绩评定方法：考试课，平时作业成绩占20%，期末考试成绩占80%。实验课安排：待定答疑安排：周二下午3：00~4：00，A2-4051.2钢铁生产简介炼铁原料：铁矿石、焦炭、溶剂等高炉：生铁，炉渣和炉气炼钢生铁：（wSi1.25%）断口呈银白色铸造生铁：（wSi1.25%~3.2%）断口呈灰黑色一、炼铁二、炼钢材料（w%）CSiMnPS炼钢生铁4~4.40.85~1.250.500.25~0.40.05~0.07低碳钢0.14~0.220.12~0.30.4~0.650.050.0551、炼钢的基本过程（1）氧化过程（2）还原过程2、炼钢的基本方法（1）转炉炼钢（2）电炉炼钢氧气转炉炼钢电弧炉炼钢3、镇静钢和沸腾钢三、钢材生产1、板材和型材2、管材3、线材