金属材料制备原理与技术概论ppt课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
1 材料概论
1.1 材料基本概念 1.2 材料的发展与人类文明 1.3 材料的分类 1.4 材料的要素及发展趋势 1.5 金属材料的分类及发展热点
6
1.1 材料基本概念
什么是材料?
材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具 有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、 器件、构件、机器或其他产品的物质。
金属材料制备 原理与技术
1
课程内容
第一部分：金属材料基本知识及其基本理论
1 材料概论
2学时
2 金属材料的基本理论
2学时
第二部分：钢铁材料的冶金制备原理及技术
3 钢铁材料概述
2学时
4 主要冶金方法及原理（讨论） 2学时
5 典型钢铁材料的冶金制备原理与技术 8+4
2
讨论题
1. 汽车用钢生产及应用技术（高强钢） 2. 高铁用钢生产及技术进展（车轴钢、弹 簧钢、车轴钢、钢轨钢、道钉钢、车轮钢等） 3. 核电用钢生产及发展
60
2.4 8-10
2
0.0011
优
良
3×10-6 >1016 不燃 燃烧
23
塑料
无机材料
玻纤增强尼龙-6 陶瓷 玻璃
215
2,050
1.4
4
2.6
150
120 90
107
10 120 2-3 0.0024 优 5×1011
难燃
30
35
390 －
0.85
0.017 差
7×104 不燃
70 －
0.9
0.0083 差
加工：除了上述三个方面外，还包括在较大尺
和分布是立体变化的
度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。
合成和加工的区别已变得模糊
26
结构上几乎无限的变化同样会引起 与此相应的一系列复杂的材料性质
1.5 金属材料的应用情况
1）从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金 属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多 数条件下的应用，价格低廉。
15
1.3.1 大材料分类
1.3.2 金属材料的分类
22
1.3.3 材料的性能
已经发现的材料达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工 业价值的也有8万余种；
表1－4 各种材料的主要物性
性能
熔点，°C 密度 g /cm3
金属 钢铁 铝 1,535 660 7.8 2.7
27
美国8个工业部门对材料的要求
所需特性
质轻高强 耐高温 耐腐蚀 迅速开关 高效加工 近无余量成型 材料回收 所需使用寿命 预测物理性能 材料数据库
航空 航天
√ √ √
√ √
√ √ √
汽车 √
√
√ √ √ √ √ √
工业部门
生物材料
化 工
电子
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
能源
√ √ √ √ √
32
记忆型镍钛牙弓丝
33
人工髋关节
34
城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商 ■ 多媒体传输：图像、话音、 数据综合传输、适用于远程教 学、会议电视、可视电话等应 用 ■ 实时监控：实时控制信号、 图像及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁 干扰、远距离的恶劣环境下组 网；
是合成或加工后材料结构和成分所 产生的结果
使用性能
包括可靠性、有效寿命、速度、能
量利用率、安全性和寿命期费用等
材料在最终使用状态时的行为
合成和加工 指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在
从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进 行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件 的演变过程
材料固有性质与产品设计、工程能 力和人类需要相融合在一起的一个 要素
➢ 材料制备两个过程：① 材料合成，即通过 原料的化学反应过程实现；② 材料化过程， 保证它的物性、强度、形状。
1.2 材料的发展与人类文明
第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料； 第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料； 第三代材料：高分子材料，从石油、煤等矿物资源中来； 第四代材料：复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，
分三组进行，要求全部参与（材料搜集、 PPT制作、课堂汇报、回答问题等）
3
压水堆核电站的用钢情况
教材及参考书
《合金结构钢》，项程云主编，冶金工业出版社，1999 《金属材料学》，吴承建等主编，冶金工业出版社，2000 《金属材料先进制备技术》，严彪等主编，化学工业出版社，2006 《特种熔炼与金属功能材料》，崔雅茹等编，冶金工业出版社，2010 《有色金属及合金的熔炼与铸锭》，王文礼等编，冶金工业出版社，2009 《感应炉冶炼》，王振东等编，冶金工业出版社，2007 《高温合金》，黄乾尧主编，冶金工业出版社，2000 《精密合金材料学》，何开元主编，冶金工业出版社，1991 《现代电炉炼钢工艺及设备》，阎立懿等编，冶金工业出版社，2011 Metallic Materials Physical, Mechanical, and Corrosion Properties，Marcel
而复合材料以各向异性为特征； 第五代材料：材料的特征随环境和时间而变化的复合材料；
金属材料发展历史回顾
石器时代 公元前10000-公元前4000年
旧 石 器 时 代
新 石 器 时 代
10
金属材料发展历史回顾
铁
铜
器
器
时
时
代
代
1公1 元前一千二百年
十九世纪末到二十世纪中叶
低合金高强度钢
不锈钢
超高强度钢
1012 不燃
1.4 材料4要素
材料四面体 （tetrahedron）
性质和现象（properties）—赋予了材料的价值和应 用性。
材料功能特性和效用( 如电、磁、光、热、力学等性质 )的定量 度量和描述。也表示了其对外界刺激 (如电场、磁场、温度场、力场 等)的整体响应；
使用性能（performance ）—是材料在使用条件下应 用性能的度量，用于制造各种器件和物品。
耐热钢
合金工具钢
铝合金
耐磨钢
铜合金
电工用钢
钛合金 钨合金
钼合金
13
高速钢
材料与技术革命
➢ 人类的四次技术革命 ，开创了高炉、转炉、电炉 制造优质钢材和优质合金的工业化，促进了材料 的发展。
➢ 在相当一段时间里，金属有过辉煌的地位，直到 20世纪50年代，以钢铁为代表的金属材料仍居统 治地位。随着无机非金属材料( 尤其是特种陶瓷 )、 高分子材料（第三代）及先进复合材料（第四代） 的出现和发展，钢铁老人的地位受到了挑战。
14
1.3 材料的分类
按物态划分：气态、液态和固态。 按物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、
有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材 料。（按成分、功能、应用来划分） 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、 仪表材料、能源材料、核材料、航空航天材料等。 按照尺寸（维数）和结晶状态分类；
√ √ √
金属
√ √
√ √ √ √ √ √
通讯
√ √ √ √ √ √
28
超导电缆
29
由光导纤维构成的光缆
30
形状记忆合金
机械手柔性三维运动
31
生物金属材料
金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长 期安全服役的却不多。经过长期 研究和临床筛选而得到广泛应用 的金属材料主要有不锈钢、钴基 合金、钛及其合金、形状记忆合 金和贵金属，此外还有钽、铌、 锆和磁性合金等。
织和性能的研究。 4）材料的设计及选用科学化 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。
37
此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！
2）金属矿储量中，铁矿资源虽较丰富和集中，但地壳中非 铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金 属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。
3）非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本 高，限制了生产总量的增长。
4）非铁金属所创造的价值高，并且有钢铁所不具备的特殊 性能，例如比强度（按单位质量计算的材料的强度）高， 耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。
Dekker, INC. 2003 Materials Science and Engineering: an introduction，William D. Callister
Jr., John Wiley & sons, Inc. 2003 《现代冶金学》，朱苗勇主编，冶金工业出版社，2005
聚丙烯 175 0.9
拉伸强度，MPa
460 80-280 35
比拉伸强度 (拉伸强度/密度) 拉伸模量，GPa 热变形温度，°C 膨胀系数，×105，1/K
传热系数，W/m2×K 韧性[注] 体积电阻率，W×cm 燃烧性
59
210 － 1.3 0.4
优 10-5 不燃
30-104 39
70
1.3
－
结构与成分(composition-structure)—包括了决定 材料性质和使用性能的原子类型和排列方式。
合成、制备和加工(synthesis-processing）—实现 了特定原子排列。
24
固体物理、无机 化学、有机化学、
物理化学等
用于制造各种结 构和功能器件或
物品
使用性能
材料工程
通过结构设计和加工 以达到利用材料的某 一特殊性质的目的
35
单纤双向光纤收发器
1.6 材料的发展
1.6.1 材料的未来发展趋势 复合化、功能化、智能化、低维化； 建立定量的结构与性能关系； 分子设计； 先进制造技术：低成本、高质量、高效率； 节省资源、节约能源、回收再生；
36
1.6.2 金属材料的发展热点
1）高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2）非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。 3）特殊条件下应用的金属材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组
取决于材料的基本性能，也应注意 加工工艺技术的影响
合成：指原子和分子组合在一起制造新材料的 物理和化学方法，包括Fra bibliotek成新材料、用新技术
结构与成分 每个特定的材料都含有一个以原子
合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、 和电子尺度到宏观尺度的结构体系
将已知材料按特殊用途的要求来合成
大多数材料结构尺度上的化学成分
结构/成份
合成/制备 • 合成/制备
• 结构/成份
材料科学 性质和现象
研究材料的结构和性 质之间的关系
• 性质和现象 • 使用性能
同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同， 可成为用途迥异25 的不同类型和性质的材料。
性质
材料功能特性和效用（如电、磁、 光、热、力学等性质）的定量度量 和描述
材料对外界刺激（如电场、磁场、 温度场、力场等）的整体响应
➢ 一定的组成和配比； 成型加工性 ➢ 形状保持性； 经济性 ➢ 回收和再生性
注意:
➢ 材料是物质，但不是所有物质都可以称为 材料。例如用铁矿石和焦炭炼成钢铁，铁 矿石和焦炭是原料，而钢铁是材料，可用 于制成各种机械、汽车、飞机等。
➢ 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能 转化为材料，如玻璃的制备。
1 材料概论
1.1 材料基本概念 1.2 材料的发展与人类文明 1.3 材料的分类 1.4 材料的要素及发展趋势 1.5 金属材料的分类及发展热点
6
1.1 材料基本概念
什么是材料?
材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具 有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、 器件、构件、机器或其他产品的物质。
金属材料制备 原理与技术
1
课程内容
第一部分：金属材料基本知识及其基本理论
1 材料概论
2学时
2 金属材料的基本理论
2学时
第二部分：钢铁材料的冶金制备原理及技术
3 钢铁材料概述
2学时
4 主要冶金方法及原理（讨论） 2学时
5 典型钢铁材料的冶金制备原理与技术 8+4
2
讨论题
1. 汽车用钢生产及应用技术（高强钢） 2. 高铁用钢生产及技术进展（车轴钢、弹 簧钢、车轴钢、钢轨钢、道钉钢、车轮钢等） 3. 核电用钢生产及发展
60
2.4 8-10
2
0.0011
优
良
3×10-6 >1016 不燃 燃烧
23
塑料
无机材料
玻纤增强尼龙-6 陶瓷 玻璃
215
2,050
1.4
4
2.6
150
120 90
107
10 120 2-3 0.0024 优 5×1011
难燃
30
35
390 －
0.85
0.017 差
7×104 不燃
70 －
0.9
0.0083 差
加工：除了上述三个方面外，还包括在较大尺
和分布是立体变化的
度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。
合成和加工的区别已变得模糊
26
结构上几乎无限的变化同样会引起 与此相应的一系列复杂的材料性质
1.5 金属材料的应用情况
1）从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金 属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多 数条件下的应用，价格低廉。
15
1.3.1 大材料分类
1.3.2 金属材料的分类
22
1.3.3 材料的性能
已经发现的材料达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工 业价值的也有8万余种；
表1－4 各种材料的主要物性
性能
熔点，°C 密度 g /cm3
金属 钢铁 铝 1,535 660 7.8 2.7
27
美国8个工业部门对材料的要求
所需特性
质轻高强 耐高温 耐腐蚀 迅速开关 高效加工 近无余量成型 材料回收 所需使用寿命 预测物理性能 材料数据库
航空 航天
√ √ √
√ √
√ √ √
汽车 √
√
√ √ √ √ √ √
工业部门
生物材料
化 工
电子
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
能源
√ √ √ √ √
32
记忆型镍钛牙弓丝
33
人工髋关节
34
城域光纤宽带网，适用于电信、 网通、广电等数据网络运营商 ■ 多媒体传输：图像、话音、 数据综合传输、适用于远程教 学、会议电视、可视电话等应 用 ■ 实时监控：实时控制信号、 图像及数据同时传输 ■ 抗恶劣环境：适用于强电磁 干扰、远距离的恶劣环境下组 网；
是合成或加工后材料结构和成分所 产生的结果
使用性能
包括可靠性、有效寿命、速度、能
量利用率、安全性和寿命期费用等
材料在最终使用状态时的行为
合成和加工 指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在
从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进 行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件 的演变过程
材料固有性质与产品设计、工程能 力和人类需要相融合在一起的一个 要素
➢ 材料制备两个过程：① 材料合成，即通过 原料的化学反应过程实现；② 材料化过程， 保证它的物性、强度、形状。
1.2 材料的发展与人类文明
第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料； 第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料； 第三代材料：高分子材料，从石油、煤等矿物资源中来； 第四代材料：复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，
分三组进行，要求全部参与（材料搜集、 PPT制作、课堂汇报、回答问题等）
3
压水堆核电站的用钢情况
教材及参考书
《合金结构钢》，项程云主编，冶金工业出版社，1999 《金属材料学》，吴承建等主编，冶金工业出版社，2000 《金属材料先进制备技术》，严彪等主编，化学工业出版社，2006 《特种熔炼与金属功能材料》，崔雅茹等编，冶金工业出版社，2010 《有色金属及合金的熔炼与铸锭》，王文礼等编，冶金工业出版社，2009 《感应炉冶炼》，王振东等编，冶金工业出版社，2007 《高温合金》，黄乾尧主编，冶金工业出版社，2000 《精密合金材料学》，何开元主编，冶金工业出版社，1991 《现代电炉炼钢工艺及设备》，阎立懿等编，冶金工业出版社，2011 Metallic Materials Physical, Mechanical, and Corrosion Properties，Marcel
而复合材料以各向异性为特征； 第五代材料：材料的特征随环境和时间而变化的复合材料；
金属材料发展历史回顾
石器时代 公元前10000-公元前4000年
旧 石 器 时 代
新 石 器 时 代
10
金属材料发展历史回顾
铁
铜
器
器
时
时
代
代
1公1 元前一千二百年
十九世纪末到二十世纪中叶
低合金高强度钢
不锈钢
超高强度钢
1012 不燃
1.4 材料4要素
材料四面体 （tetrahedron）
性质和现象（properties）—赋予了材料的价值和应 用性。
材料功能特性和效用( 如电、磁、光、热、力学等性质 )的定量 度量和描述。也表示了其对外界刺激 (如电场、磁场、温度场、力场 等)的整体响应；
使用性能（performance ）—是材料在使用条件下应 用性能的度量，用于制造各种器件和物品。
耐热钢
合金工具钢
铝合金
耐磨钢
铜合金
电工用钢
钛合金 钨合金
钼合金
13
高速钢
材料与技术革命
➢ 人类的四次技术革命 ，开创了高炉、转炉、电炉 制造优质钢材和优质合金的工业化，促进了材料 的发展。
➢ 在相当一段时间里，金属有过辉煌的地位，直到 20世纪50年代，以钢铁为代表的金属材料仍居统 治地位。随着无机非金属材料( 尤其是特种陶瓷 )、 高分子材料（第三代）及先进复合材料（第四代） 的出现和发展，钢铁老人的地位受到了挑战。
14
1.3 材料的分类
按物态划分：气态、液态和固态。 按物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、
有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材 料。（按成分、功能、应用来划分） 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、 仪表材料、能源材料、核材料、航空航天材料等。 按照尺寸（维数）和结晶状态分类；
√ √ √
金属
√ √
√ √ √ √ √ √
通讯
√ √ √ √ √ √
28
超导电缆
29
由光导纤维构成的光缆
30
形状记忆合金
机械手柔性三维运动
31
生物金属材料
金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长 期安全服役的却不多。经过长期 研究和临床筛选而得到广泛应用 的金属材料主要有不锈钢、钴基 合金、钛及其合金、形状记忆合 金和贵金属，此外还有钽、铌、 锆和磁性合金等。
织和性能的研究。 4）材料的设计及选用科学化 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。
37
此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！
2）金属矿储量中，铁矿资源虽较丰富和集中，但地壳中非 铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金 属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。
3）非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本 高，限制了生产总量的增长。
4）非铁金属所创造的价值高，并且有钢铁所不具备的特殊 性能，例如比强度（按单位质量计算的材料的强度）高， 耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。
Dekker, INC. 2003 Materials Science and Engineering: an introduction，William D. Callister
Jr., John Wiley & sons, Inc. 2003 《现代冶金学》，朱苗勇主编，冶金工业出版社，2005
聚丙烯 175 0.9
拉伸强度，MPa
460 80-280 35
比拉伸强度 (拉伸强度/密度) 拉伸模量，GPa 热变形温度，°C 膨胀系数，×105，1/K
传热系数，W/m2×K 韧性[注] 体积电阻率，W×cm 燃烧性
59
210 － 1.3 0.4
优 10-5 不燃
30-104 39
70
1.3
－
结构与成分(composition-structure)—包括了决定 材料性质和使用性能的原子类型和排列方式。
合成、制备和加工(synthesis-processing）—实现 了特定原子排列。
24
固体物理、无机 化学、有机化学、
物理化学等
用于制造各种结 构和功能器件或
物品
使用性能
材料工程
通过结构设计和加工 以达到利用材料的某 一特殊性质的目的
35
单纤双向光纤收发器
1.6 材料的发展
1.6.1 材料的未来发展趋势 复合化、功能化、智能化、低维化； 建立定量的结构与性能关系； 分子设计； 先进制造技术：低成本、高质量、高效率； 节省资源、节约能源、回收再生；
36
1.6.2 金属材料的发展热点
1）高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2）非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。 3）特殊条件下应用的金属材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组
取决于材料的基本性能，也应注意 加工工艺技术的影响
合成：指原子和分子组合在一起制造新材料的 物理和化学方法，包括Fra bibliotek成新材料、用新技术
结构与成分 每个特定的材料都含有一个以原子
合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、 和电子尺度到宏观尺度的结构体系
将已知材料按特殊用途的要求来合成
大多数材料结构尺度上的化学成分
结构/成份
合成/制备 • 合成/制备
• 结构/成份
材料科学 性质和现象
研究材料的结构和性 质之间的关系
• 性质和现象 • 使用性能
同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同， 可成为用途迥异25 的不同类型和性质的材料。
性质
材料功能特性和效用（如电、磁、 光、热、力学等性质）的定量度量 和描述
材料对外界刺激（如电场、磁场、 温度场、力场等）的整体响应
➢ 一定的组成和配比； 成型加工性 ➢ 形状保持性； 经济性 ➢ 回收和再生性
注意:
➢ 材料是物质，但不是所有物质都可以称为 材料。例如用铁矿石和焦炭炼成钢铁，铁 矿石和焦炭是原料，而钢铁是材料，可用 于制成各种机械、汽车、飞机等。
➢ 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能 转化为材料，如玻璃的制备。