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1、第1章材料的分类与钢铁生产第1页，本讲稿共41页相关事宜相关事宜l成绩评定方法：成绩评定方法：平时成绩和实验成绩平时成绩和实验成绩20%，期末考试成绩，期末考试成绩占占80%。l学时：学时：40 讲课讲课34+实验实验6l答疑：答疑：周二下午周二下午，A02-405 l联系方式联系方式：李丽，：李丽，138310832766l教材教材：工程材料工程材料王建民主编王建民主编 参考教材：参考教材：机械工程材料机械工程材料于永泗主编于永泗主编第2页，本讲稿共41页第第1章章 材料的分类与钢铁生产材料的分类与钢铁生产1.1 材料的分类材料的分类1.2 钢铁生产钢铁生产第3页，本讲稿共41页何谓材料？何
2、谓材料？人类用以制造各种有用物品的物质。人类用以制造各种有用物品的物质。1.1 材料的分类材料的分类 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，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。称作现代文明的三大支柱之一。第4页，本讲稿共41页手手锤锤锉刀锉刀“神舟神舟神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返回回回回国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活 所必须的物质基础所必须的物质基础。第5页，本讲稿共41页材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据由
3、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。人类所使用的材料来划分时代。一、材料的发展史一、材料的发展史l 石器时代（公元前石器时代（公元前10万年）万年）l 青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前3000年）年）l 铁器时代（公元前铁器时代（公元前1000年年）l 水泥时代（公元水泥时代（公元0年）年）l 钢时代（钢时代（1800年）年）l 硅时代（硅时代（1950年）年）l 新材料时代（新材料时代（1990年）年）第6页，本讲稿共41页狩猎图狩猎图狩猎图狩猎图第7页，本讲稿共41页石刀、石茅、石箭石刀、石茅、石箭石刀、石茅、石箭石刀、石茅、石箭第8页，本讲稿共41页司母戊大方鼎司
4、母戊大方鼎司母戊大方鼎司母戊大方鼎 象形尊象形尊(西周西周)第9页，本讲稿共41页铁器铁器第10页，本讲稿共41页第11页，本讲稿共41页埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔第12页，本讲稿共41页国家游泳中心国家游泳中心国家游泳中心国家游泳中心水立方水立方水立方水立方 国家体育场国家体育场国家体育场国家体育场鸟巢鸟巢鸟巢鸟巢 第13页，本讲稿共41页龙芯龙芯第14页，本讲稿共41页磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列车第15页，本讲稿共41页波音客机波音客机第16页，本讲稿共41页二、材料的分类二、材料的分类l按性能结构特点分类按性能结构特点分类 1.1.结构材料结构材料 承受外加载荷
5、而保持其形状和结构稳定的材料承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料 2.2.功能材料功能材料 具有一种或几种特定功能，用于非承载目的材具有一种或几种特定功能，用于非承载目的材 第17页，本讲稿共41页l按组成与化学键分类按组成与化学键分类 1.金属材料金属材料 2.无机非金属材料无机非金属材料 (陶瓷材料）陶瓷材料）3.高分子材料高分子材料 4.复合材料复合材料第18页，本讲稿共41页1.金属材料金属材料金属材料金属材料 特点特点l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导 热性、热性、延展性和金属光泽延展性和金属光泽 ，熔，熔点较高。点较高。l用量最大、应用最广泛
6、用量最大、应用最广泛黑色金属黑色金属铁及铁合金（钢铁材料铁及铁合金（钢铁材料）有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,半金属，半金属，稀有金属稀有金属 及其合金及其合金第19页，本讲稿共41页黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达1212亿吨，在机亿吨，在机亿吨，在机亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的械产品中的用量已占整个用材的械产品中的用量已占整个用材的械产品中的用量已占整个用材的60%60%以上。以上。以上。以上。鸟巢鸟巢4.2万吨万吨Q460钢材钢材第2
7、0页，本讲稿共41页金属材料制品金属材料制品第21页，本讲稿共41页2.无机非金属材料无机非金属材料特点：（以陶瓷为例）特点：（以陶瓷为例）l以共价键和离子键为以共价键和离子键为主主l熔点高、硬度高、耐高熔点高、硬度高、耐高温抗氧化、耐腐蚀、耐温抗氧化、耐腐蚀、耐磨、脆性大磨、脆性大 混凝土、水泥、耐火材料、混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等陶瓷等第22页，本讲稿共41页传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷，是以天然材料，是以天然材料，是以天然材料，是以天然材料(如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，为原料的陶瓷，为原料的陶瓷，为原料的陶瓷，主
8、要用作建筑材料使用。主要用作建筑材料使用。主要用作建筑材料使用。主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机特种陶瓷特种陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。第23页，本讲稿共41页3.高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等l以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主l分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小密度小 第
9、24页，本讲稿共41页高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等高分子材料在机械、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制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。应用。应用。应用。ETFEETFE（聚氟乙烯）耐腐蚀（聚氟乙烯）耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁性、保温性俱佳，自清洁能力强能力强 第25页，本讲稿共41页4.复合材料复合材料 按基体材料可分
10、为按基体材料可分为l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以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。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玻璃纤维增强高分子复合材料第26页，本讲稿共41页 特点特点l抗疲劳性能良好抗疲劳性能良好l结构件减震性好结构件减震性好l比强度和比刚度高比强度和比刚度高l耐烧和耐高温性能好耐烧和耐高温性能好l具有良好的减摩、耐摩具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能和耐润滑性能 航空发动机航空发动机第27页，本讲
11、稿共41页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、耐越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐越苛刻，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。腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车
12、美国美国F-117隐身飞机隐身飞机第29页，本讲稿共41页新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。第30页，本讲稿共41页机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。第31页，本讲稿共41页l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材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。料及材料加工方面的问题。l要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材要求机械工程技术人员掌握必要的
13、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。理安排加工工艺路线的能力。第32页，本讲稿共41页三、工程材料课程的目的和特点三、工程材料课程的目的和特点三、工程材料课程的目的和特点三、工程材料课程的目的和特点l 工程材料学工程材料学 论述工程上常用材料的论述工程上常用材料的成分、成分、组织结构组织结构、加工工艺与性能加工工艺与性能之之间关系及其应用的一门学科间关系及其应用的一门学科 l任务任务 了解工程材料的基本理论知识；了解工程材料的基本理论知识；掌握化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系掌握化学成分、组织结构
14、、加工工艺与性能之间的关系 了解常用材料的用途和加工工艺；了解常用材料的用途和加工工艺；初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺 路线的能力。路线的能力。第33页，本讲稿共41页 化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。组成材料各元素在材料中的浓度。组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的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。金属内部的情景。结构：结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或射线衍射或透射电镜研究。透射电镜研究。Al的
15、高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象第34页，本讲稿共41页举例举例举例举例1 1 1 1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软中最坚硬的固体，而后者却很软中最坚硬的固体，而后者却很软中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构不同，见下图）（因晶体结构不同，见下图）（因晶体结构不同，见下图）（因晶体结构不同，见下图）举例举例2 2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，同样长的一段铁丝和
16、钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。（因两者成分不同）。第35页，本讲稿共41页举例举例3 3两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（800800），然后一根水冷，一根空），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因加工工艺不同导致组织不同，见下图）（因加工工艺不同导致组织不同，见下图）第36页，本讲稿共41页主线：主线：强化强化 纯金属做为结构材料其性能特点是强度、硬度低；塑性、纯金属做为结构材料其性能特点是强度、硬度低；塑性、韧性好，做机械零件强度、硬度不足；塑性、韧性有
17、余。因韧性好，做机械零件强度、硬度不足；塑性、韧性有余。因此，强化是本课程的主线，全书都是围绕如何强化纯金属来此，强化是本课程的主线，全书都是围绕如何强化纯金属来编写的，如固溶强化、细晶强化、形变强化、合金化、马氏编写的，如固溶强化、细晶强化、形变强化、合金化、马氏体强化、时效强化等。每一种强化方法都是为了改善材料内体强化、时效强化等。每一种强化方法都是为了改善材料内部的组织结构，从而改善材料的性能。部的组织结构，从而改善材料的性能。第37页，本讲稿共41页1.2 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介一、炼铁一、炼铁l原料：原料：铁矿石、焦炭和石灰石铁矿石、焦炭和石灰石 l设备：设备：高炉高炉l过
18、程：过程：燃料的燃烧、铁的还原、燃料的燃烧、铁的还原、增碳、杂质的混入、选渣增碳、杂质的混入、选渣l高炉产品：高炉产品：生铁生铁 根据含硅量不同分炼钢生铁和根据含硅量不同分炼钢生铁和 铸造生铁铸造生铁l副产品：副产品：炉渣和高炉煤气炉渣和高炉煤气第38页，本讲稿共41页二、炼钢二、炼钢l本质：本质：利用氧化的方法去除利用氧化的方法去除生铁中的硅、锰、硫、磷杂生铁中的硅、锰、硫、磷杂质和过量的碳，使成分达到质和过量的碳，使成分达到标准规定的要求，以改善其标准规定的要求，以改善其性能。性能。l基本过程：基本过程：氧化过程和脱氧过氧化过程和脱氧过程程l炼钢方法：炼钢方法：转炉炼钢法和电转炉炼钢法和电
19、炉炼钢法炉炼钢法a)氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉 b）电弧炉）电弧炉第39页，本讲稿共41页l炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸成钢炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸成钢坯。坯。l在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度。通常按脱氧是否完全把钢分为镇度。通常按脱氧是否完全把钢分为镇静钢与沸腾钢。静钢与沸腾钢。图图1-3钢的浇注钢的浇注a）型铸）型铸 b）连铸）连铸图1-4 钢锭a）镇静钢 b）沸腾钢第40页，本讲稿共41页三、钢材生产三、钢材生产l板材和型材：板材和型材：轧机轧制轧机轧制 l管材：管材：通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝管材通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝管材;无缝管材：先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，再无缝管材：先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，再 用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。l线材：线材：直径在直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产。以下的线材多采用拉丝机生产。第41页，本讲稿共41页