金屬材料發(fā)展歷史與展望.ppt

1,金屬材料學,2,主講教師 張靜,通訊地址：西北工業(yè)大學材料學院公字樓415 郵 編：710072,聯(lián)系電話：E-mail：,3,上課時間與考察,上課時間：413周 周三、周五的五、六節(jié) 考試方式：閉卷,陳錚，西北工業(yè)大學，金屬材料學講義 戴起勛，金屬材料學，化學工業(yè)出版社，北京，2005 金屬材料手冊 材料科學基礎，胡賡祥，蔡珣P401 金屬材料學，吳承建,4,參考文獻,5,我們將學習：,金屬材料的地位與作用, 歷史與發(fā)展。 金屬材料的物理、化學性質(zhì), 結(jié)構(gòu)。 主要金屬的基本原理 金屬與合金: 鋁、鈦、銅、鎂、稀土、合金鋼等,性質(zhì)與應用,制造工藝,典型合金。 新材料: 介紹目前世界上出現(xiàn)的新型金屬材料,6,課程特點和要求,7,第一章 金屬材料的進展,8,本章框架,發(fā)展戰(zhàn)略,發(fā)展史與現(xiàn)狀,未來,問題與趨勢,作用與地位,展望,回顧,9,第一節(jié) 發(fā)展史與現(xiàn)狀,10,一、材料的發(fā)展史，就是人類社會的發(fā)展史。,人類歷史的劃分,現(xiàn)代社會,三 大 支 柱,能源、信息和材料（1998）,生物工程，信息技術(shù)和新材料,石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代。,11,12,二、材料的發(fā)展史，就是人類科技的發(fā)展史。,信息、材料、能源、生物技術(shù),現(xiàn)代高科技,材料人類社會發(fā)展的里程碑！,新材料現(xiàn)代科學技術(shù)和社會發(fā)展的基礎和支柱！,社會文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標志！,13,金屬材料發(fā)展的四個階段,一 原始鋼鐵生產(chǎn),4300B.C. 金、銅、鐵， 鑄造、鍛打 中國的寶劍、西歐的大馬士革刀，日本武士劍,二 金屬材料學科的基礎,1778，第一座鐵橋； 1818，鐵船下水； 1825，鐵路；鐵構(gòu)成金屬材料學科的基礎,14,19世紀，金屬學、金相學、相變理論的發(fā)展,1803，道爾頓的原子學說，阿伏加德羅分子論 1830，Hessel 的32種晶體類型 1839，Miller指數(shù)的普及 1891，點陣結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立,1864，Sorby，第一張金相組織照片，9倍 1827-1888，F(xiàn)e3C的分離(Karsten)和認知(Abel) 十九世紀中后，鋼的金相學發(fā)展：Willard Gibbs的相律推導，Robert-Austen奧氏體固溶特性，Roozeboom的Fe-Fe3C相圖建立,15,1669, N. Steno, 晶面角守恒定律,1885, A. Bravais, 晶體空間點陣學說,1912, M. Laue*, 晶體的X射線衍射,1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg* X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法,電子顯微鏡（SEM、TEM）,掃描探針顯微術(shù)*（STM、AFM）,三 微觀組織理論大發(fā)展,合金相圖、X射線，位錯理論,16,Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大鏡下觀察出晶粒,Young(1807)提出材料彈性模量概念,Barlow(1826)關(guān)于材料強度的測定,Tehernoff(1861)發(fā)表了鋼臨界點的實驗報告,Wshery(1860-1870)關(guān)于拉伸、扭轉(zhuǎn)、變曲應力的工作及得出的第一條S-N曲線，開辟了材料、組織與性能間關(guān)系的科學研究,17,四 微觀理論的深入研究,電子顯微鏡、掃描透射電鏡（SYEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子顯微鏡（AFM）等新儀器的發(fā)明為微觀研究進一步發(fā)展提供可能，隨之產(chǎn)生了表面和界面科學,18,三、現(xiàn)代金屬材料,1.先進結(jié)構(gòu)材料 特點：高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損 途徑：細化、均勻化組織，合金化，改進加工技術(shù) 代表：鋁鎂合金、合金鋼，復合材料,2.高溫合金材料 特點：高比強度、高比剛度，提高高溫工作效率 途徑：顆?；蚨汤w維增強金屬基復合材料 用于：航空發(fā)動機，渦輪 代表：Ti、Ti-Al合金,19,第二節(jié) 作用和地位,20,美國國家知識評估大綱,近幾年來，由于科學技術(shù)的發(fā)展，世界運動方式發(fā)生了根本變化。 長途通訊價格下降，計算機的普及，全球網(wǎng)絡的出現(xiàn)，以及生物技術(shù)、材料科學和電子工程等領域的發(fā)展，創(chuàng)造出10年前根本不可能想象的新產(chǎn)品、新服務系統(tǒng)、新興行業(yè)和新的就業(yè)機會，這就是人們所說的知識革命。,21,材料是國民經(jīng)濟、社會進步和國家安全 的物質(zhì)基礎與先導 先進材料具有強烈的基礎性、支撐性、 技術(shù)經(jīng)濟價值和迫切戰(zhàn)略需求,材料的基礎、先導、戰(zhàn)略作用,22,高強高導銅合金，新型耐蝕、耐磨、高散熱性等銅合金、高純銅等。輕質(zhì)高性能鎂材，特別是鎂基壓鑄材料。,典型先進金屬材料,高強可焊鋁鋰合金，超高強鋁合金，新型耐熱、耐磨、高比強、高比模、高韌性鋁合金，纖維增強和顆粒增強鋁基復合材料等。,23,典型先進金屬材料,高強高韌鈦合金、熱強鈦合金、新型阻燃耐蝕功能鈦合金、高性能鋯合金、功能重材料鉭鎢合金、高精度鈹材等。,鉍系超導帶材，釔系超導塊材中。稀土永磁材料燒結(jié)NdFeB，第四代稀土永磁材料Sm2Fel7Nx。新型高性能稀土儲氫材料，在鎳氫電池中得到重要應用。,24,導彈與火箭的構(gòu)件基本上采用鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金、鎂合金和部分難熔金屬合金。 鈦、鋁及其合金成為艦船耐壓殼體、核動力系統(tǒng)、武備系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)等的主要材料。,一、國防支撐材料,鋁材是飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，占重量比的5080，民用飛機鋁材料用量在70以上。鈦及其合金在新型飛機上用作結(jié)構(gòu)材料，飛機越先進，鈦用量就越大。,25,航空航天的物質(zhì)基礎,鍛鋁2014（LD10）的力學性能,衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費用20%。,鋁的理論強度4700MPa，當今高強鋁合金強度沒超過1000MPa。,26,“核時代金屬”鈹，在核武器中對增大爆炸威力起關(guān)鍵作用。鈹?shù)谋葎偠却螅趯Ш较到y(tǒng)中用作制造精密陀螺儀，對增加射程、提高命中精度起關(guān)鍵作用。,國防支撐材料,“原子時代第一金屬”的鋯，是核動力潛艇不可替代材料，80的鋯材用作核動力堆的燃料包殼、容器管、壓力管、格架、端塞和其它堆芯結(jié)構(gòu)材料。,鈾、鈹、鉭、鎢、鉑族金屬、鍺，被許多國家儲存作為戰(zhàn)略物資。美國對鎢以鎢精礦形式，鉭和鈹以純金屬形式進行儲備，鉑和鈀被列為特殊戰(zhàn)略金屬。,27,21世紀中葉聚變能和太陽能將成為主要能源，可控核聚變反應堆工程需要大量鋰、鉬、鋯、鈦等。,二、高技術(shù)關(guān)鍵材料,鈮、鈦、錫、鉍、釔等都是制取超導材料的基本組元，NbTi、Nb3Sn實用低溫超導材料已商品化。 表面工程和技術(shù),有相當部分是稀有金屬薄膜、半導體材料薄膜和貴金屬薄膜。,28,高技術(shù)關(guān)鍵材料,稀土元素的特殊電子層結(jié)構(gòu)使其在光、電、磁、化學上表現(xiàn)出奇異性能，已出現(xiàn)的一大批功能材料，如稀土磁性材料、稀土發(fā)光材料、稀土尾氣凈化材料、稀土儲氫材料、高溫超導材料等，2l世紀稀土將在功能材料中處于主體地位。 美國公布的22種金屬高科技材料中，稀土金屬被列為第三位。,29,車輛中以鋁代鋼，減重50，增加運載量10，節(jié)能9.612.5，日常檢修工時減少45。,三、國民經(jīng)濟的基礎材料,電線、電纜占銅材總消耗量的50，鋁材總消耗量的33,沒有材料可替代。 “蓄電池金屬”鉛的6070消費在蓄電池中。鎳是制造鎳氫電池、鎳鎘電池的原材料。,30,國民經(jīng)濟的基礎材料,鈦的極好耐蝕性在化工、海洋工程、冶金、能源等部門的應用，我國氯堿行業(yè)在5 000多臺電解槽上使用鈦陽極代替石墨陽極，年節(jié)電4億多度。,鉭的高純化使鉭電容器向輕、薄、小型化、可靠化方向發(fā)展。 稀有金屬的碳化物、氮化物成為廣泛使用的切削刀具、鉆頭、耐磨工件、模具和耐磨涂層。,31,國民經(jīng)濟的基礎材料,電冰箱、電視機、錄相機、洗衣機等對有色金屬提出了更高要求。鋁材已進入建筑行業(yè)，約占鋁耗量的20以上，在我國占30。 鋁用于制造剛性、柔性包裝，復合材料容器和密封片蓋等，美國包裝用鋁約占鋁消耗總量的20，我國占812。,32,國民經(jīng)濟的基礎材料,在世界金和鉑的需求量中，90以上的金和3639的鉑消費在飾品方面，我國是世界鉑首飾第二大消費國。,鋁合金管是農(nóng)業(yè)噴灌地面、地下管網(wǎng)的材料，鋁制糧倉與鋼筋混凝土糧倉相比，建設勞動強度下降90左右，基建投資減少5060。,33,第三節(jié) 發(fā)展趨勢,34,世界科學技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領域,信息科學和技術(shù) 生命科學和生物技術(shù) 能源科學和技術(shù) 環(huán)境科學和技術(shù) 材料科學和技術(shù) 高密度存儲材料 生態(tài)材料 生物材料 碳材料 高性能結(jié)構(gòu)材料,要加快發(fā)展電子信息、生物工程和新材料等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，形成工業(yè)發(fā)展新的增長點。 十五屆五中全會,6. 納米科學和技術(shù) 7. 先進制造技術(shù),35,新世紀對材料提出新的要求,資源豐富,環(huán)境 保護,節(jié)約 能源,新材料,36,當 前 的 材 料,從使用要求：多樣化、復合化、智能化、高性能,從 應用：結(jié)構(gòu)材料功能材料結(jié)構(gòu)/功能一體化材料,從材料：金屬（合金）-金屬間化合物金屬/非金屬化合物金屬/非金屬復合材料非金屬復合材料,從組織結(jié)構(gòu)：多晶單晶微晶納米晶非晶,從形態(tài)尺度：塊體薄膜線材（一維）,37,當代材料研究與制備的共性發(fā)展趨勢,結(jié)構(gòu)材料復合化、輕量化、功能化,功能材料小型化、多功能化和智能化,先進制備技術(shù),材料科學設計,38,未來材料發(fā)展趨勢,未來的材料,材料設計,分子設計和材料設計, 指導合成和制備具有預期性能和使用效能的材料,智能化、 仿生化、 復合化、 納米化、 輕量化、 高功能化,39,21世紀初的材料科學技術(shù),隨著資源的枯竭，環(huán)境的惡化，環(huán)境材料將日益受到重視,納米材料科學技術(shù)將成為21世紀初最為活躍的領域,21世紀將逐漸實現(xiàn)按需設計材料,40,21世紀將逐漸實現(xiàn)按需設計材料材料,材料設計是一個很復雜的過程，如: 材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學； 有些結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)，可變因素多，一個微小缺陷都會產(chǎn)生很大影響； 表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性，以及復雜的環(huán)境因素等等。 要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫；建立正確的物理模型；大容量計算機；不同學科科學家與工程技術(shù)人員的通力合作。,41,不同類型材料的發(fā)展前景,金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍占主要位置，鋼鐵在今后幾十年內(nèi)的產(chǎn)量不會下降,目前全世界產(chǎn)量78億噸。 銅、鉛、鋅的資源接近枯竭，代用品成為當務之急，加速開發(fā)低品位礦的提煉方法。 鎂和鈦將得到更廣泛的應用。,42,不同類型材料的發(fā)展前景,稀有金屬與稀土金屬的用途將不斷擴大。 功能陶瓷將會有更大發(fā)展，工程陶瓷的性能將進一步提高。 水泥的生產(chǎn)將大量采用礦渣、爐渣等廢料，提高水泥標號，改進增強組元，減少水泥產(chǎn)量。 玻璃將走向智能化達到節(jié)能的目的。,43,不同類型材料的發(fā)展前景,碳素材料資源豐富，碳的同素多形體而成為多用途的材料，碳纖維強度高而價廉； 金剛石至今仍是最硬的材料，又是高溫半導體的候選材料之一；納米碳管應用前景廣闊，將成為21世紀研究與開發(fā)的熱點。,44,不同類型材料的發(fā)展前景,功能高分子材料，包括導電高分子、鐵磁高分子、光學高分子，半導體及超導體以及存儲和顯示材料都已顯示有發(fā)展前景，但有穩(wěn)定性和老化問題。 樹脂基復合材料得到較為廣泛的應用，金屬基與陶瓷基復合材料成本過高而未打開局面。,45,高性能結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)是永恒的主題,高性能結(jié)構(gòu)材料是高比強、高比剛、耐高溫、耐腐蝕、抗磨損的結(jié)構(gòu)材料。 動力機械工作溫度愈高，比強度和比剛度愈高，效率愈高 飛機及航空發(fā)動機性能的改進，分別為23和12靠材料性能提高。 衛(wèi)星和飛船能減重1公斤就能帶來極高的效益。 汽車節(jié)油有37靠材料的輕量化，40靠發(fā)動機的改進，而絕熱發(fā)動機（不需水冷）主要靠材料性能的提高。,46,2002高技術(shù)發(fā)展報告 我國未來20年材料技術(shù)領域15項關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)出實用的高溫超導材料并將其應用到若干領域； 轉(zhuǎn)換效率在20以上的太陽能電池進入實用階段； 納米材料制備技術(shù)及納米材料、納米器件在若干領域的應用； 開發(fā)出汽車動力用燃料電池； 可在350高溫下持續(xù)工作的聚合物基復合材料進入實用階段； 開發(fā)出與人骨基本相同的磷灰石基復合材料； 開發(fā)出金屬間化合物基高溫結(jié)構(gòu)材料； 開發(fā)出適用于汽車及其他民用工業(yè)的鈦合金；,47,2002高技術(shù)發(fā)展報告 我國未來20年材料技術(shù)領域15項關(guān)鍵技術(shù),汽車等交通工具的低成本、高強度鋁、鎂合金； 開發(fā)出實用的全光開關(guān)材料和技術(shù)； 開發(fā)出單電子存儲器元件； 新一代鋼鐵材料（即“超級鋼”）進入實用階段； 開發(fā)出適用的塑料再生、循環(huán)利用技術(shù)； 開發(fā)出高能量、高密度、持久耐用的充電電池； 開發(fā)出實用的太陽能分解水制造氫的技術(shù)。,48,先 進 結(jié) 構(gòu) 材 料 發(fā) 展的 趨 勢,材料的復合化 結(jié)構(gòu)材料的功能和多功能化 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的高性能化 低成本技術(shù) 簡化材料體系,一材多用 先進制備和加工技術(shù) 提前安排重要新結(jié)構(gòu)材料的研制 新材料的環(huán)境影響,49,(1)合成與加工技術(shù),合成技術(shù)向純化、細化、強韌化、均質(zhì)化和復合化的“五化”發(fā)展； 加工技術(shù)向特細、特薄、特精、特異和特大的“五特”發(fā)展； 生產(chǎn)技術(shù)向高速化、連續(xù)化、自動化、緊湊化和近終形化的高效、節(jié)能、低耗和低成本發(fā)展。,50,(2)結(jié)構(gòu)材料高性能化,結(jié)構(gòu)材料的塑性、韌性、強度和硬度等達到以分子、原子水平預測和控制的階段。 新型高強高導框架材料銅合金、彌散強化無氧銅以及同步齒環(huán)材料用新型耐磨銅合金等。,51,(2)結(jié)構(gòu)材料高性能化,高溫結(jié)構(gòu)鈦合金不斷提高使用溫度，高強鈦合金轉(zhuǎn)向使用高溫高韌合金。耐蝕鈦合金成本、強度和耐蝕性等可與鎳基合金競爭。 反應堆、核武器、慣性導航儀系統(tǒng)以及空間飛行器的鈹結(jié)構(gòu)材料性能更高，鈹鋁合金可用于3馬赫飛機腹翼。,52,(3)功能材料精細化、微型化和高功能化,交流用超細芯NbTi多線超導材料的芯絲直徑到0.1m以下。 鉭電容器體積微型化，高比容鉭粉愈來愈細，超細鉭絲的精加工。 NdFeB永磁材料的磁能積愈來愈高。 高性能貴金屬精密合金和精細復合材料是精細化、微型化和高功能化的典型代表。,53,(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向發(fā)展,非晶硅、多晶硅、單晶硅、GaAs提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本 稀土鎳化合物、鎂系化合物和鈦系化合物貯氫材料。 低溫超導材料在質(zhì)子對撞機、核聚變裝置、超導貯能系統(tǒng)、磁浮列車、超導發(fā)電機和電動機以及醫(yī)用核磁共振成像儀等方面得到應用；高溫超導電纜倍受重視。,54,(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向發(fā)展,核反應堆對包殼材料鋯合金提出了高燃耗、長周期、高可靠和低成本的要求。 聚核反應堆要求鉬、鉭、鈮、鈦、釩和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，鈹、鋯、Zr5Pb3，中子倍增材料。,55,(5)高新技術(shù)在合成與加工中相互滲透,“五化”和“五特”等合成與加工新技術(shù)，以及在高溫、高壓、高真空、低溫和急冷等極端條件下的特種加工、特種熔煉、快速凝固、定向結(jié)晶、單晶控制、材料復合、表面改性、納米技術(shù)、高能加工、薄膜制備、近終形技術(shù)、機械合金化、噴射成型和注射成形等新工藝、新技術(shù)、新裝備。,56,(6)材料設計與建模,微觀層次，從原子、分子出發(fā)，利用分子動力學、Monte Carlo等方法進行計算模擬。 介觀層次材料設計，重點在材料顯微組織結(jié)構(gòu)和工藝設計，利用相圖計算。 設計、模擬與制備具有新型材料，成為材料科學發(fā)展的重要方向。,57,美國 6070年代 阿波羅登月 7080年代 星球大戰(zhàn) 8090年代 信息高速公路 90 納米科技 俄羅斯 21世紀9項優(yōu)先發(fā)展的科學、工藝、技術(shù)中“新材料和化學”排在第三,先進材料科技的國際發(fā)展趨勢,建立先進材料科技體系,58,第四節(jié) 我國材料業(yè)的問題和發(fā)展戰(zhàn)略,59,世界銀行：中國與知識經(jīng)濟：把握21世紀2001年,在過去兩千年中的很長一段，中國是世界上最大和最先進的國家，直到18世紀末，中國的國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全球25%，1820年為33%。 中國的人均收入在12世紀前一直領先于西歐，在18世紀前一直領先于世界平均水平。 后來，它錯過了工業(yè)革命，經(jīng)濟出現(xiàn)停滯，1949年GDP僅占世界5%。,60,2003年全國產(chǎn)鋼22012萬噸，占全球鋼產(chǎn)量的23，超過美國和日本之和，全球第一個年鋼產(chǎn)量突破2億噸的國家，2007年鋼產(chǎn)量達到5億噸,12年鋼產(chǎn)量世界第一。 2007年十種有色金屬總產(chǎn)量繼續(xù)保持世界第一。,基礎材料躍居世界前列,關(guān)鍵要點：基礎材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展：節(jié)能、降耗、環(huán)境友好,61,2004年中國各種材料總產(chǎn)量及世界排名,62,能耗高,2002年每噸鋼鐵消耗標準煤0.715噸；日本為0.655噸。 每噸鋁錠綜合能耗標準煤6.318噸，比發(fā)達國家高2倍。,63,廢氣： 每噸鋼鐵排放CO2 2430kg，遠 高于發(fā)達國家排放指標（芬蘭：800kg)。 廢渣 : 2002年，黑色金屬冶煉業(yè)、有色金屬礦采選業(yè)、黑色金屬礦選業(yè)的固體廢物排放量分別占工業(yè)固體廢物排放總量16.7%、14.6%、8.6% 。 廢水：2002年，黑色金屬冶煉業(yè)屬于全國4個重點廢水排放行業(yè)之一，排放量占重點統(tǒng)計企業(yè)廢水排放量10.3。,環(huán)境污染嚴重,64,65,我國113個大中型有色金屬礦山，資源枯竭型礦山占56.6，資源