材料世界漫谈1

(4) 锰 锰可提高钢的强度和硬度，消除硫的热脆性，提高 钢的淬透性。 (5) 硅 硅可提高钢的强度、硬度和弹性。在合金钢中，硅 可提高钢的淬透性和回火稳定性，提高耐热钢的抗氧化 性；在电工钢中，可降低铁损，提高磁感强度。 (6) 铬 铬能提高钢的耐蚀性和抗氧化能力,是不锈钢、电热 合金中不可缺少的重要元素。 (7) 镍 镍可提高钢的韧性和淬透性，与铬配合使用可提高 钢的耐蚀性和耐热性。
青铜之冠
秦陵铜车马严格按真车马的１／２制作 。造型精 美，比例恰当，装饰华丽，工艺精湛，形体庞大，所 以很多专家学者把它称之为“青铜之冠”。
马踏飞燕
1969年，在甘肃武威出土。 中国雕塑史上的不朽之作。
1983年，定为中国旅游标志图形。
2002年， “马踏飞燕”的
仿 制品作为国礼赠布什。
三、铝及铝合金
二、材料的应用推动经济发展 1、城市的建立 城市是世界文明的主要标志之一。城市化是经济发展和 社会进步的必然结果。 2、产业革命 第一次产业革命：蒸汽机和纺织工业的推广应用； 第二次产业革命：石油和新能源的开发； 第三次产业革命：核能、飞机、汽车、化工和电子计算机 的发明和发展； 有人将信息科学、材料科学和生物科学的发展做为“第四次 产业革命”的标志。
第一节
材料与物质
一、材料和物质的关系 通常认为材料是人类用以制成生活和生产中的物品、器件、 构件、机器和其他产品的那些物质。 材料是物质，但不是所有的物质都可以成为材料。 二、材料的定义 有用的并能用来制造物品(件)的物质；一般系指固态的、 可用于工程上的物质；作为材料科学研究对象的材料则主要是 那些制造器件或物品的人造物质。 材料是人类社会所能接受的、可经济地用于制造生活和生 产中使用的机器、构件、器件和产品的物质，是人类赖以生存 和发展的物质基础。
三、材料的几个判据 1、人类社会所能接受的 2、可经济地 3、制造有用物件等 战 略 性 判 据 资源 能源 环保 经济 价 廉 物 美
性能
第二节
材料是人类文明的里程碑
一、材料是人类历史阶段的标志
20世纪末，国外有人基于人类使用材料的历史并充分考虑近三、 四十年的发展，认为从过去到现在共经历了7个时代。
第四节
1、节约原材料 2、材料代用 3、政策导向 4、以质补量
新世纪的材料发展策略
一、金属材料的资源危机的对策
二、材料的可持续发展策略 由单向循环模式向双向循环模式转变。 1、材料的单向循环模式
材料的单项循环模式示意图
资源开采 地球 冶金等初加工 工业原料
原材料
工程材料 组合加工制造
产品 人类使用后失效
2、炼钢 高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成 气体或炉渣而除去。 炼钢的过程：降碳、调硅锰、除硫磷。
炼钢的方法：平炉炼钢、转炉炼钢、电炉炼钢。
炼出的钢水先浇铸成钢锭，再将钢锭经塑性加工成各种 型材；也可由炼出的钢水立即经连铸连轧工艺设备轧制成各 种型材，降低能耗。
第二节
一、金属的分类
(8) 钨、钼 在一般钢中，可提高钢的淬透性和回火稳定性；提 高钢的高温强度；在不锈钢中，钼可提高钢对强腐蚀介质 含氯离子介质的耐腐蚀性。 (9) 铌、钒、钛 都是强碳化物形成元素，可提高钢的强度、硬度、 韧性和焊接性能，可防止晶间腐蚀并提高钢的高温强度。 (10) 铜 提高钢的抗大气腐蚀能力，特别是和磷配合使用时。
六、化学元素对钢铁性能的影响
(1) 碳 碳对钢的性能有极为重要的影响,一般来说, 钢的碳含量越高, 其强度、硬度越高，耐磨性越好，而塑性、韧性及焊接性则逐渐 降低。 (2) 硫 硫是由生铁及燃料带入钢中的有害元素,硫能引起热脆性,影 响钢的热加工性能和焊接性能,并降低钢的塑性、韧性和疲劳强度。 硫对钢的唯一有利作用是能改善钢的切削加工性能。 (3) 磷 磷是由生铁等原料带入钢中的有害元素，磷能引起冷脆性， 影响钢的冷加工性能和焊接性能，并能显著降低钢的塑性、韧性。 但磷可提高钢的耐大气腐蚀能力，改善钢的切削加工性能。
稀散金属:地壳中几乎平均分布，没有单独矿物和矿床， 从冶金工业和化学工业部门的各种废料或中间 产品提取。如： 铟、锗、镓、铊等
金属的共性
铜（紫红色）金（黄色）
汞（液态）
1、大多数金属为银白色 2、大多数金属为固体 3、大多数金属有光泽 4、大多数金属能导电导热 5、大多数金属熔沸点高 6、大多数金属有延展性
七、不锈钢
1、定义
不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等 化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。 不锈钢：耐弱腐蚀介质腐蚀的钢 不锈耐酸钢 耐酸钢：耐化学介质腐蚀的钢 不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。
2、化学成分
不锈钢基本合金元素主要有铬、镍、钼、钛、铌、铜、 氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。
废料
传统产业： 资源开采——生产加工——消费使用——废物丢弃 后果： 资源紧缺——能源浪费——环境污染
2、材料的双向循环模式
地球
综合利用变为无害废物
综合利用变为无害废物
原材料
工业用原料
经过人类处理重新利 用后的无害废物
工程材料
产品
废料
材料的双项循环模式示意图
四、关于钢铁的几个概念
1、金属
金属：
具有不透明、金属光泽、良好的导热和导电性，富有延 展性等特性的物质。（不仅包括纯金属，而且包括合金） 合金： 由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金
1、纯铝 铝的发现： 1825年由丹麦化学家奥斯德发现。 1827年德国化学家武勒重复了奥斯德的实验，并不断改进 制取铝的方法。 1854年德国化学家德维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得铝锭。 铝的存在： 铝以化合态存在于各种岩石或矿石里，如长石、云母、高 岭土、铝土矿、明矾。 地壳中含量7%以上，在全部化学元素 中含量占第三位(仅次于氧和硅)，在全部金属元素中占第一位。
地球
清除
废料
机器
结构
三、材料循环的特点
1、材料的循环总是一个从生到死的封闭系统； 2、材料循环是一项巨大的产业； 3、材料循环在国际交往中起着一种相互联系的作用； 4、材料循环中的增值； 5、材料循环受社会需要的推动，社会发展受材料循环的制约。
四、材料与能源的关系 1、生产材料要消耗大量能源； 2、能源工业本身离不开材料的应用与发展； 3、要节省能源、节省材料，节材本身就是节能。 五、材料与环境
第三节
材料循环：材料、能源、环境
一、材料对近、现代科学技术以及社会现代化的促进作用 1、科学技术的作用表现在： 提供新的物质和材料； 开发新能源； 发明灵巧机器。 2、材料是社会现代化的物质基础和先导。新材料的研究、 开发与应用反映了一个国家的科学技术与工业水平。 二、材料的循环 材料的供应
材料的使用和消耗
属特性的物质。如：碳钢是Fe-C 合金。
2、黑色金属与有色金属
黑色金属:
通常指铁、铬、锰及其合金。 如：生铁、铸铁、钢、钢材、铁合金是最常用的黑 色金属。 有色金属:
除铁、络、锰三种金属以外的所有金属。
如 : 镍、钼、钒、钛、钨等。
3、钢与铁 钢和铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的 合金，统称为铁碳合金。 铁：碳含量＞2.11%的铁碳合金。 钢：碳含量＜2.11%的铁碳合金。
4、钢与钢材 钢：（C＜2.11%） 钢水、钢锭、钢坯。 钢材：钢经塑性变形后，具有一定形状和物理、 化学性能的材料。
五、钢的分类
按冶炼方法分:
平炉钢：1930～1960年的主要炼钢方法。
转炉钢：主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。 电炉钢：我国主要用于冶炼优质钢和合金钢。
按化学成分分: ①按碳含量分: 低碳钢(C＜0.25%)：强度较低，塑性好； 中碳钢(C:0.25%-0.6%)：强韧性高； 高碳钢(C ＞0.60%)：硬而耐磨； 铸铁(C＞2%)：消震性、铸造性好，塑性差。 ② 按合金总量分： 低合金钢:合金总含量＜5% 中合金钢:合金总含量:5%-10% 高合金钢:合金总含量＞10%
1、耐热钢
耐热钢是指在高温下具有热稳定性和热强性的特殊性能钢。 2、耐磨钢 广义地讲，耐磨钢是指用于制造高耐磨零件及构件的一类 钢。习惯上，耐磨钢主要是指高锰钢。 3、硅钢 硅钢是应用最大的软磁材料。软磁材料是指易反复磁化， 在外磁场去掉后容易退磁的材料。
九、钢铁的冶炼
1、炼铁
将金属铁从含铁矿物（主要为铁的氧化物）中提炼出来的 工艺过程，主要有高炉法，直接还原法，熔融还原法，等离子法。 炼铁的主要炉料是铁矿石、焦炭和石灰石。 原理：（1）还原剂的形成 C＋O2＝CO2＋Q CO2＋C＝2CO－Q （2）铁的还原 Fe2O3＋3CO＝2Fe＋3CO2 （3）炉渣的形成 CaCO3＝CaO＋CO2 CaO＋SiO2＝CaSiO3
开采、生产和加工材料，必然对地球环境造成损伤和破坏。
第二节
现代战争武器与材料
一、军用坦克的发展：特殊的装甲材料。 二、隐身材料：B-2A和F117的保护神。 缩短军事目标被监视器或探测器发现的距离(尺度)，以 便不被发现的技术，称为隐身技术。 三、烧蚀防热材料：洲际导弹等航天器的隔热屏障。 耐烧蚀件的设计和应用主要为了解决导弹、航天飞机、 火箭等在大气层高速飞行时产生的高温对材料的烧蚀作用。 对耐烧蚀件的要求，主要是能在短时间内承受高温加热 效应，保护其内的高速飞行器本体及内部仪器、装载物等。
稀有轻金属:相对密度很小，约在0.53～1.87g/cm3 锂、铍、铷、铯等 稀有高熔点金属:钨、钼、钛、锆、铪、钒、铌、铼、钽
稀 有 金 属 稀土金属:物理化学性质非常相近，在矿石中总是伴生的， 单独提取各种纯稀土金属或化合物相当困难 钪、钇、镧及镧系元素等共17种 稀有放射性金属:钋、镭、锕及锕系元素
不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低。 不锈钢中的主要合金元素是Cr，只有当Cr含量达到一定 值时，钢才有耐蚀性。
3、分类 按钢的组织结构分类可分为：铁素体不锈钢、双相不 锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
铁素体不锈钢
双相不锈钢
奥氏体不锈钢
马氏体不锈钢 沉淀硬化不锈钢
八、其他特殊性能钢
人类使用材料的7个时代的开始时间
前10万年
前3000年
前1000年
公元0年
1800年
1950年
1990年
石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代
硅时代 新材料时代
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自 然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来 巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。
第三节
新世纪的材料需求与忧患
一、目前，困扰人类社会的三大难题： 人口膨胀、资源短缺、环境恶化。 二、新世纪的材料需求： 1、结构和功能相结合 2、智能化 3、减少污染 4、可再生性 5、节省能源 6、长寿命
三、新世纪材料开发应用中必须考虑的因素
1、重视材料制备工艺与技术开发。
2、材料的考虑因素： 材料的使用性能； 使用寿命及可靠性； 环境适应性，包括生产过程与使用期间； 价格。 四、传统材料地位 1、传统材料与国民经济支柱产业密不可分； 2、对发展中国家，传统材料比新材料更重要； 3、传统材料量大面广，稍有改进，则收益可观； 4、传统材料消耗资源多，污染严重； 5、金属材料资源危机。
丰富多彩的有色金属
黑色金属
金 属 有 色 金 属 有色重金属:密度较大，约为7～11g/cm3 铜、镍、锡、铅、锑、钴、汞等 有色轻金属:密度小于5g/cm3 铝、镁、钙、钾、钠、钡等 贵金属:价值比一般金属贵，空气中不会被氧化 金、银及铂族金属(铂、铑、钯、铱、锇、 钌)等 稀有金属:发现较晚，工业上应用较迟，在自然界中 分布比较分散，提取方法上比较复杂
金属之最
地壳中含量最高的金属元素── 铝 人体中含量最高的金属元素── 钙 目前世界年产量最高的金属── 铁 导电、导热性最好的金属── 银 硬度最高的金属── 铬
熔点最高的金属── 钨
熔点最低的金属── 汞 密度最大的金属── 锇 密度最小的金属── 锂
二、有色金属的应用史 青铜器时代
司母戊鼎是中国目前 已发现的最重的青铜器。 司母戊鼎含铜84.77％、锡 11.64％、铅27.9％。充分 显示出商代青铜铸造业的 生产规模和技术水平。
材料循环示意图
原材料 矿石、煤沙、 木材、石油、岩 石、植物 大块材料
选矿 精炼 工艺
金属 化学产品、纸张 水泥、纤维
加工 工艺
工程材料 合金、晶体、 陶瓷、塑料、混凝土 纺织品
采矿 钻井 收获
木材 矿石 石油
矿业及农业科学 与工程范畴
回收
材料科学与工程范畴
设计 制造 装配
器件 性能 维修 使用
产品