金属学与造船材料.ppt

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1、哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨工程大学船舶工程学院HarbinEngineeringUniversityShipbuildingEngineeringCollege金属学与造船材料金属学与造船材料(1)(1)一、课程介绍三、金属的组织、结构与性能特点四、造船材料的分类二、材料科学的发展第第1 1章章 绪论绪论一、课程介绍一、课程介绍金属学与造船材料金属学与造船材料是高等工科院校船舶设计与制造专业的基础课是高等工科院校船舶设计与制造专业的基础课程之一程之一 ，主要包含，主要包含金属学、金属的热处理工艺、造船用钢铁材料、其它金属学、金属的热处理工艺、造船用钢铁材料、其它造船材料造船材料等四部分等

2、四部分第第1章章 绪论绪论 1.1 1.1 材料科学的发展材料科学的发展 1.2 1.2 金属的组织、结构与性能特点金属的组织、结构与性能特点1.3 1.3 造船材料的分类造船材料的分类第第2 2章金属的结构与结晶章金属的结构与结晶 2.1 2.1 金属及合金的结构金属及合金的结构 2.2 2.2 金属结晶的条件金属结晶的条件 2.3 2.3 晶核的形成和长大晶核的形成和长大第第3 3章章 合金相图合金相图*3.1 3.1 二元合金相图二元合金相图 3.2 3.2 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 3.3 Fe-Fe3C3.3 Fe-Fe3C碳合金相图分析碳合金相图分析 第第4 4

3、章章 金属的热处理工艺金属的热处理工艺 4.1 4.1 钢在加热和冷却时的转变钢在加热和冷却时的转变 4.2 4.2 金属的热处理工艺金属的热处理工艺 第第5 5章章 造船用钢铁材料造船用钢铁材料 5.1 5.1 船用钢材的冶炼、分类和编号船用钢材的冶炼、分类和编号 5.2 5.2 船用碳素结构钢船用碳素结构钢5.3 5.3 船用合金钢船用合金钢5.4 5.4 船用特种钢船用特种钢第第6章章 其它造船材料其它造船材料 6.1 6.1 造船用有色金属材料造船用有色金属材料 6.2 6.2 造船用非金属材料造船用非金属材料 学习目的1 1、了解金属学的基本知识。、了解金属学的基本知识。2 2、掌握

4、铁碳合金的结构及其相图。、掌握铁碳合金的结构及其相图。3 3、掌握常用船用金属材料的编号、性能及用途。、掌握常用船用金属材料的编号、性能及用途。4 4、了解造船用非金属材料。、了解造船用非金属材料。教学基本要求教学基本要求 任务：任务：使学生掌握金属学与造船材料的基本知识，为学习船使学生掌握金属学与造船材料的基本知识，为学习船舶与海洋工程专业打好基础。通过本课程的学习，应使学生舶与海洋工程专业打好基础。通过本课程的学习，应使学生达到下列基本要求：达到下列基本要求：本课学习本课学习方法方法：预习预习、笔记、笔记、复习、讨论问题、复习、讨论问题本教材的本教材的重点重点：铁碳合金结构及其相图、常见造

5、船材料：铁碳合金结构及其相图、常见造船材料学习要求熟悉常用术语和基本概念熟悉常用术语和基本概念 牢固建立材料的性能取决于材料牢固建立材料的性能取决于材料的组织、结构这一概念的组织、结构这一概念 熟悉造船材料的种类、成分及组熟悉造船材料的种类、成分及组织性能织性能作业作业20期末考试期末考试80 考核学习要求参考书：参考书：1、姜锡瑞，船舶与海洋工程材料，哈尔滨工程大学出版社，20002、徐轶群等，船舶工程材料，大连海事大学出版社，20103、崔忠圻等，金属学与热处理，哈尔滨工业大学出版社，20074、刘宗昌等，金属学与热处理，化学工业出版社，2005参考书籍材料的含义广义的材料包括广义的材料包

6、括人类思想意识之人类思想意识之外的所有外的所有物质物质。材料无处不在，材料无处不在，无处不有。无处不有。绪绪 论论材料材料能源能源信息信息现代技术的三大支柱现代技术的三大支柱材料品种材料品种数量数量质量质量国家现代化程度标志之一国家现代化程度标志之一材料的重要性是人类生产、生活的物质基础人类社会文明程度的重要标志之一 绪绪 论论当代社会经济的先导，是科技进步的关键 石器石器材料科学的发展材料科学的发展陶器陶器铜器铜器钢铁钢铁硅材料硅材料纳米材料纳米材料材料发展概括材料发展概括 天工开物天工开物明朝科学家：宋应星明朝科学家：宋应星 箸箸 石器时代石器时代陶器时代陶器时代铜器时代：铜器时代：司母戊

7、鼎司母戊鼎（公元前（公元前11111616世纪）世纪）1130780110011307801100战国编钟战国编钟（前前475475221221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具）铁器时代铁器时代 沧州铁狮沧州铁狮（公元公元953953年）重年）重30T,30T,长长6.5m,6.5m,宽宽3m,3m,高高5.5m5.5m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等本草纲目本草纲目农政全书农政全书李时珍李时珍徐光

8、启徐光启 智能材料智能材料沧州铁狮沧州铁狮铸造于公铸造于公元元953953年。年。铁狮子通铁狮子通高高5.785.78米，米，身长身长6.56.5米，体宽米，体宽3.173.17米，米，重约重约4040吨吨Y 材料的四大家族材料的四大家族 金属材料：综合性能等。金属材料：综合性能等。陶瓷材料：高温、稳定性能等。陶瓷材料：高温、稳定性能等。高分子材料：耐腐蚀等特殊性能。高分子材料：耐腐蚀等特殊性能。复合材料：复合材料：1 11 1大于大于2 2。材料科学的发展材料科学的发展Y社会需求是材料发展的巨大动力社会需求是材料发展的巨大动力 能能源源与与材材料料：贮贮氢氢材材料料（钛钛锰锰及及稀稀土土类类

9、合合金金）、太太阳阳能能电电池池材材料料（硅硅、合合金金、化化合合物物）、核核能能用用材材料料（锆合金等）。（锆合金等）。航航空空航航天天材材料料：发发动动机机（高高温温合合金金，金金属属基基复复合合材材料料，陶陶瓷瓷与与陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料）、汽汽轮轮机机部部件件（纤纤维维增增强强金金属属基基复复合合材材料料、陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料）、火火箭箭喷喷嘴嘴（难熔金属）等。（难熔金属）等。船船舶舶与与海海洋洋工工程程材材料料：柴柴油油机机(高高温温合合金金、陶陶瓷瓷材材料料)、轮轮机机（铜铜合合金金、铝铝合合金金、轴轴承承合合金金）、船船体体（结结构构钢钢、低合金高强钢、不锈钢）低合

10、金高强钢、不锈钢）人与材料：金属、无机、高分子及其复合材料。人与材料：金属、无机、高分子及其复合材料。材料科学的发展材料科学的发展国家大剧院采用的自清洁玻璃具有广泛应用的纳米材料具有广泛应用的纳米材料材料科学的发展材料科学的发展纳米纳米TiOTiO2 2在可在可见光照射下对见光照射下对碳氢化合物碳氢化合物(如油污、细如油污、细菌菌)有催化作有催化作用，使其进一用，使其进一步被氧化成气步被氧化成气体或很容易被体或很容易被擦掉的物质。擦掉的物质。利用纳米技术还可以直接制造出超微型机械利用纳米技术还可以直接制造出超微型机械以制造出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械器件，而且还发明以制造出纳米齿轮、纳

11、米轴承、纳米弹簧等机械器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。了纳米发动机和纳米执行机构。波士顿大学制造了世界上最小的仅有波士顿大学制造了世界上最小的仅有78个原子组成的分子马达。个原子组成的分子马达。材料科学的发展材料科学的发展美国德克萨斯州的科学家成功研制出了只有人体头发直径五万分之美国德克萨斯州的科学家成功研制出了只有人体头发直径五万分之一大小的汽车一大小的汽车 以色列正尝试采用纳米技术开发一种黄蜂大小的微型机器人，能够以色列正尝试采用纳米技术开发一种黄蜂大小的微型机器人，能够进行追踪、拍照、甚至攻击目标进行追踪、拍照、甚至攻击目标这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础

12、。这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础。材料科学的发展材料科学的发展“拟黄蜂拟黄蜂”军用机器人军用机器人纳米汽车纳米汽车具有广泛应用的纳米材料具有广泛应用的纳米材料纳米红血球纳米红血球纳米直升机纳米直升机纳米探针纳米探针材料科学的发展材料科学的发展材料科学的发展材料科学的发展采用纳米技术对机械关键零部件进行表面涂层处理，可提高机械设采用纳米技术对机械关键零部件进行表面涂层处理，可提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。备的耐磨性、硬度和使用寿命。芬兰在碳钢上涂上纳米复合涂层，涂层硬度达芬兰在碳钢上涂上纳米复合涂层，涂层硬度达20.8GPa，比碳钢大，比碳钢大幅度提高，涂层还具有良

13、好的抗氧化性和耐高温性。幅度提高，涂层还具有良好的抗氧化性和耐高温性。美国西北大学在工具钢沉积碳化物纳米复合多层膜，如美国西北大学在工具钢沉积碳化物纳米复合多层膜，如TiN/AlN和和TiN/VN等，硬度超过等，硬度超过50GPa.材料科学的发展材料科学的发展造船材料的发展造船材料的发展木板船木板船独木舟独木舟木筏木筏古代造船以木材为主，就地取材，优中选优，根据材料不古代造船以木材为主，就地取材，优中选优，根据材料不同的特点和性能用在不同部位。同的特点和性能用在不同部位。鄱阳湖之战朱元璋陈友谅l鄱阳湖之战，是元朝末年朱元璋和陈友谅为争夺南部中国在鄱阳湖水域而进行的一次战略决战，决战以朱元璋的完

14、全胜利而告终。这次战役被视为中世纪世界规模最大水战。造船材料的发展造船材料的发展散货船（普通碳素钢）LNG（低温钢）全铝合金导弹快艇美国“短剑号”碳纤维复合材料高速隐身艇造船材料的发展造船材料的发展造船材料的发展造船材料的发展现代船舶的船体结构制造所用材料主要是一般强度船一般强度船体结构用钢、高强度船体结构用钢、奥氏体不锈钢和体结构用钢、高强度船体结构用钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢、复合钢板、双相不锈钢、复合钢板、Z Z向钢、铝合金、增强塑料向钢、铝合金、增强塑料等。根据CCS 1998年材料与焊接规范和2002、2004年规范修改通报要求，所有金属材料必须从力学性能(强度、塑性、硬度、蠕变)

15、、工艺性能（弯曲、焊接性）、化学成分、脱氧方法、交货状态（热处理）等方面符合规范要求。一、良好的力学性能一、良好的力学性能1.强度 强度金属材料在外力作用下抵抗断裂和变形的能力。2.塑性 塑性金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。3.冲击韧性 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷和脆性破坏的能力。4.疲劳强度 疲劳强度金属材料抵抗外力反复作用下的能力，即在交变载荷无限次作用下不致引起破坏的能力，以N表示。5.硬度 硬度金属材料抵抗比它更硬物体压入表面内的能力。船体结构对金属材料的基本要求船体结构对金属材料的基本要求船体结构对金属材料的基本要求船体结构对金属材料的基本要求二、优良的工艺性能二、

16、优良的工艺性能所谓工艺性能是指材料对各种加工方法的适应性。所谓工艺性能是指材料对各种加工方法的适应性。在现代造船中，采用最多的金属材料加工方法是焊在现代造船中，采用最多的金属材料加工方法是焊接与弯曲。因此，作为船体结构材料必须具有良好接与弯曲。因此，作为船体结构材料必须具有良好的焊接性和优良的承受弯曲加工的性能。的焊接性和优良的承受弯曲加工的性能。船体结构用金属材料在海水中具有较高的耐腐蚀性能，船体结构用金属材料在海水中具有较高的耐腐蚀性能，而目前的一般强度船体结构用钢和高强度船体结构用而目前的一般强度船体结构用钢和高强度船体结构用钢还不能完全满足要求，在海水中的腐蚀都比较严重，钢还不能完全满

17、足要求，在海水中的腐蚀都比较严重，据统计碳素钢为据统计碳素钢为0.10.1毫米毫米/年，含镍合金钢为年，含镍合金钢为0.080.08毫米毫米/年。因此，船舶设计时必须增放腐蚀余量，这就增加年。因此，船舶设计时必须增放腐蚀余量，这就增加了船体自重和材料消耗。了船体自重和材料消耗。从耐腐蚀观点出发，奥氏体不锈钢和双相不锈钢作为从耐腐蚀观点出发，奥氏体不锈钢和双相不锈钢作为造船材料是比较理想的。造船材料是比较理想的。三、良好的耐腐蚀性能三、良好的耐腐蚀性能造船材料要成本低、品种多、质量好、保证大量供应。要满造船材料要成本低、品种多、质量好、保证大量供应。要满足这些要求，必须立足于国内，国产材料应有良

18、好的供应经足这些要求，必须立足于国内，国产材料应有良好的供应经济性，如船板厚度进级可为济性，如船板厚度进级可为0.50.5毫米，角钢可以是不等边不毫米，角钢可以是不等边不等厚。也只有这样，才能保证充足的货源，满足我国造船工等厚。也只有这样，才能保证充足的货源，满足我国造船工业的需要。业的需要。四、良好的经济性四、良好的经济性船体结构用金属材料只有经过严格的、全面的性能试验，才能船体结构用金属材料只有经过严格的、全面的性能试验，才能保证船舶的建造质量和航行安全。其试验项目包括有：拉伸试保证船舶的建造质量和航行安全。其试验项目包括有：拉伸试验、冲击试验、冷弯试验验、冲击试验、冷弯试验,脱氧、晶粒度

19、、化学成分检验，焊脱氧、晶粒度、化学成分检验，焊接认可试验等。接认可试验等。五、良好的试验性能五、良好的试验性能 材料按材料按物质结构物质结构不同分不同分：金属材料金属材料、非金属材料非金属材料（有机高分子材料和陶瓷（有机高分子材料和陶瓷料料)、复合材料复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分：机械工程材料机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按材料按功能功能不同分不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等材料的分类材料的分类世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥(如建造一艘万吨的货轮如

20、建造一艘万吨的货轮)材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料料。现在新材料现在新材料-纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料材料的分类材料的分类船舶、海洋开发是综合性的工业，需要的材料品种多、数量大。船舶、海洋开发是综合性的工业，需要的材料品种多、数量大。据粗略

21、统计，建造一艏万吨轮需要据粗略统计，建造一艏万吨轮需要10001000多种材料和多种材料和50005000多吨钢材多吨钢材造船材料的分类造船材料的分类材料的分类结构材料结构材料 功能材料功能材料 强调利用材料的力强调利用材料的力学性能来满足工程学性能来满足工程结构上的需要结构上的需要 强调材料具有光、强调材料具有光、电、磁、热等特殊电、磁、热等特殊的物理性能的物理性能 性能特点和用途 按按功能：功能：材料的分类金属材料金属材料 非金属材料非金属材料 黑色金属黑色金属有色金属有色金属陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料按按本质、物理和化学性能本质、物理和化学性能：金属是具有正的电

22、阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽 黑色金属的分类船用碳素钢船用碳素钢 铸铁铸铁 船用合金钢船用合金钢 碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢专用碳素结构钢专用碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢铸钢铸钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢灰口铸铁灰口铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁合金铸铁合金铸铁有色金属的分类铜及其合金铜及其合金 滑动轴承合金滑动轴承合金 铝及其合金铝及其合金 工业纯铜工业纯铜黄铜黄铜青铜青铜白铜白铜纯铝纯铝铝合金铝合金材料的分类金属材料金属材料 非金属材料非金属材料 黑色金属黑色金属有色金属有色金属陶

23、瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料非金属材料的分类复合材料复合材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 金属和非金属元素间的化合物。具有很高的强度和硬度，较低的导电、导热性，延性、成型性及耐冲击性都很差。极好的耐高温和耐腐蚀特性,还有一些独特的光学、电学。材料中原子之间的键合特点 复合材料复合材料 材料中原子之间的键合特点 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。非金属材料的分类材料

24、中原子之间的键合特点 复合材料是由两种或两种以上材料组成的，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可能具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。非金属材料的分类复合材料复合材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 结构组织构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。金属的结构、组织与性能含义性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。力学性能力学性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳 熔点、密度以及电、磁、光

25、和热 耐腐蚀和抗老化 组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻造铸造焊接热处理性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性指材料的可加工性 热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 铸造：将液态材料（如金属、塑料等）注入模具中的成型方铸造：将液态材料（如金属、塑料等）注入模具中的成型方法。铸造性能主要用材料的流动性来衡量。法。铸造性能主要用材料的流动性来衡量。性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 塑性加

26、工：利用材料的延展性塑性加工：利用材料的延展性,在外力在外力(如、锻、拉、挤、轧、如、锻、拉、挤、轧、弯弯)作用下将固态材料加工成型的方法。塑牲加工性主要用材料作用下将固态材料加工成型的方法。塑牲加工性主要用材料的变形抗力、变形开裂倾向来衡量。的变形抗力、变形开裂倾向来衡量。性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向可焊性 热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 焊接和胶接：将分离的部件连接到一起的成型方法焊接和胶接：将分离的部件连接到一起的成型方法.通常用可通常用可焊性来衡量材料的焊接性能

27、。焊性来衡量材料的焊接性能。性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向可焊性 热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 热诱发组织转变；经压制、烧结成固体 切削加工热处理热处理:通过对材料加热通过对材料加热(加热温度通常在熔点以下加热温度通常在熔点以下)、保温和冷却来调整其性能的工艺方法。保温和冷却来调整其性能的工艺方法。机械加工机械加工:采用切削加工（如车、铣、钳、刨、镗、采用切削加工（如车、铣、钳、刨、镗、磨等）使固态材料成型。通常用材料的硬度来衡量磨等）使固态材料成型。通常用材料的硬度来衡量其机械加工性能。其机械加工性能。粉末冶金：将材料粉末经压制、烧结成固体的成型粉末冶金：将材料粉末经压制、烧结成固体的成型方法。方法。机械加工机械加工粉末冶金粉末冶金热处理热处理材料的验收外观检查外观检查化学成分分析化学成分分析机械性能试验机械性能试验工艺性能试验工艺性能试验材料的验收谢谢 谢！谢！