材料的分類(lèi)與鋼鐵生產(chǎn)

1、第第1章章 材料的分類(lèi)與鋼鐵生產(chǎn)材料的分類(lèi)與鋼鐵生產(chǎn)1. 1 材料的分類(lèi)材料的分類(lèi)1. 2 鋼鐵生產(chǎn)鋼鐵生產(chǎn)何謂材料？何謂材料？人類(lèi)用以制造各種有用物品的物質(zhì)。人類(lèi)用以制造各種有用物品的物質(zhì)。 二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱(chēng)作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。息并列，稱(chēng)作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。手手錘錘銼刀銼刀國(guó)產(chǎn)渦噴國(guó)產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 鐵是人類(lèi)生產(chǎn)和生活鐵是人類(lèi)生產(chǎn)和生活 所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是人類(lèi)進(jìn)化的里程碑。材料是人類(lèi)進(jìn)化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學(xué)由于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類(lèi)所使用的材料來(lái)

2、劃分時(shí)代。家根據(jù)人類(lèi)所使用的材料來(lái)劃分時(shí)代。材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史l 石器時(shí)代（公元前石器時(shí)代（公元前10萬(wàn)年）萬(wàn)年）l 青銅器時(shí)代（公元前青銅器時(shí)代（公元前3000年）年）l 鐵器時(shí)代（公元前鐵器時(shí)代（公元前1000年年l 水泥時(shí)代（公元水泥時(shí)代（公元0年）年）l 鋼時(shí)代（鋼時(shí)代（1800年）年）l 硅時(shí)代（硅時(shí)代（1950年）年）l 新材料時(shí)代（新材料時(shí)代（1990年）年）l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器時(shí)代，中華年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。傳海外。

3、4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在星在天工開(kāi)物天工開(kāi)物一書(shū)中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。一書(shū)中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在金屬材料及熱處理方這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。面就已經(jīng)有了較高的成就。生鐵炒熟鐵圖生鐵炒熟鐵圖宋應(yīng)星宋應(yīng)星 龍芯龍芯波音客機(jī)波音客

4、機(jī)l 按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi) 1. 機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料 2. 建筑工程材料建筑工程材料 3. 電子工程材料電子工程材料 4. 航空材料等航空材料等l 按性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)按性能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi) 1. 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料（承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料（承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料） 2. 功能材料功能材料（具有一種或幾種特定功能，用于非承載目的材料（具有一種或幾種特定功能，用于非承載目的材料） l按組成與化學(xué)鍵分類(lèi)按組成與化學(xué)鍵分類(lèi) 1. 金屬材料金屬材料 2. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 (陶瓷材料）陶瓷材料） 3. 高分子材料高分子材料 4. 復(fù)合材料復(fù)合材料

5、特點(diǎn)特點(diǎn)l以金屬鍵結(jié)合為主以金屬鍵結(jié)合為主 l良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)良好的導(dǎo)電性、導(dǎo) 熱性、延展性和金熱性、延展性和金屬光澤屬光澤 ，熔點(diǎn)較高。，熔點(diǎn)較高。l用量最大、應(yīng)用最用量最大、應(yīng)用最廣泛廣泛黑色金屬黑色金屬鐵及鐵合金（鐵及鐵合金（鋼鐵材料鋼鐵材料）有色金屬有色金屬輕金屬輕金屬, ,重金屬重金屬, ,貴金屬貴金屬, ,半金屬，半金屬， 稀有金屬稀有金屬 及其合金及其合金黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)12億噸，億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。以上。鳥(niǎo)巢鳥(niǎo)巢4.2萬(wàn)噸萬(wàn)噸Q460鋼材鋼材2. 無(wú)機(jī)非金屬

6、材料無(wú)機(jī)非金屬材料特點(diǎn)：（以陶瓷為例）特點(diǎn)：（以陶瓷為例）l以共價(jià)鍵和離子鍵以共價(jià)鍵和離子鍵為主為主l熔點(diǎn)高、硬度高、熔點(diǎn)高、硬度高、耐高溫抗氧化、耐耐高溫抗氧化、耐腐蝕、耐磨、脆性腐蝕、耐磨、脆性大大 混凝土、水泥、耐火材混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等料、陶瓷等傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷，是以天然材料，是以天然材料( (如黏土、石英、長(zhǎng)石等如黏土、石英、長(zhǎng)石等) )為原料的為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)特種陶瓷特種陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），常用作工程上的耐熱、耐蝕、

7、耐磨零件。物），常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。 塑料、橡膠、合成纖維、粘合劑、涂料等塑料、橡膠、合成纖維、粘合劑、涂料等l以分子鍵和共價(jià)鍵為主以分子鍵和共價(jià)鍵為主l分子量大，無(wú)明顯熔點(diǎn)，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性分子量大，無(wú)明顯熔點(diǎn)，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小好，密度小 高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)、輪高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。中被廣泛應(yīng)用。 ETFEETFE（聚氟乙烯）耐腐蝕（聚氟乙烯）耐腐蝕性、保溫性俱佳，自清潔性、保溫性俱佳，自清潔能

8、力強(qiáng)能力強(qiáng) 按基體材料可分為按基體材料可分為l金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料l陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料l高分子復(fù)合材料高分子復(fù)合材料 l是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展的歷程示意圖材料發(fā)展的歷程示意圖隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要求越來(lái)越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、求越來(lái)越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高

9、韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。 國(guó)產(chǎn)東風(fēng)國(guó)產(chǎn)東風(fēng)4D-0088內(nèi)燃機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)車(chē)美國(guó)美國(guó)F-117隱身飛機(jī)隱身飛機(jī)新材料在不斷地涌現(xiàn)。新材料在不斷地涌現(xiàn)。機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。l隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。 l在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，會(huì)遇到越來(lái)越多的材在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，會(huì)遇到越來(lái)越多的材料及材料加工方面的問(wèn)題。料及材料加工方面的問(wèn)題。 l 工程材料學(xué)工程材料學(xué) 論述工程上常用材料的論述工程上常用材料的成分、成分、組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)、加工工藝

10、與性加工工藝與性能能之間關(guān)系及其應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科之間關(guān)系及其應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科 l任務(wù)任務(wù) 了解工程材料的基本理論知識(shí)；了解工程材料的基本理論知識(shí)； 掌握化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系掌握化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系 了解常用材料的用途和加工工藝；了解常用材料的用途和加工工藝； 初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝 路線的能力。路線的能力。 化學(xué)成分化學(xué)成分( (成分成分) )：組成材料各元素在材料中的濃度。組成材料各元素在材料中的濃度。 組織：組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察用肉眼或借助于不同放

11、大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。到的金屬內(nèi)部的情景。鋼錠的宏觀組織鋼錠的宏觀組織顯微組織顯微組織電鏡組織電鏡組織 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過(guò)合狀態(tài)。一般通過(guò)X-射線衍射射線衍射或透射電鏡研究。或透射電鏡研究。Al的高分辨透射電鏡象的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的純鐵晶體的X-射線衍射譜射線衍射譜舉例舉例1 1金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前者是自然界中最堅(jiān)硬的固體，而后者卻很軟者是自然界中最堅(jiān)硬的固體，而后者卻很軟（因晶體結(jié)構(gòu)不同，見(jiàn)下圖）（因晶體結(jié)構(gòu)不同，見(jiàn)下圖） 舉例舉例2 2同樣長(zhǎng)的一段

12、鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎同樣長(zhǎng)的一段鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同（因兩者成分不同）。（因兩者成分不同）。舉例舉例3 3兩根鋸條，同時(shí)加熱（兩根鋸條，同時(shí)加熱（800800），然后一根水冷，），然后一根水冷，一根空冷，用手折時(shí)，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌一根空冷，用手折時(shí)，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌（因加工工藝不同導(dǎo)致組織不同，見(jiàn)下圖）（因加工工藝不同導(dǎo)致組織不同，見(jiàn)下圖） 主線：主線：強(qiáng)化強(qiáng)化 純金屬做為結(jié)構(gòu)材料其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度低；純金屬做為結(jié)構(gòu)材料其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度、硬度低；塑性、韌性好，做機(jī)械零件強(qiáng)度、硬度不足；塑性、塑性

13、、韌性好，做機(jī)械零件強(qiáng)度、硬度不足；塑性、韌性有余。因此，強(qiáng)化是本課程的主線，全書(shū)都是圍韌性有余。因此，強(qiáng)化是本課程的主線，全書(shū)都是圍繞如何強(qiáng)化純金屬來(lái)編寫(xiě)的，如固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、繞如何強(qiáng)化純金屬來(lái)編寫(xiě)的，如固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、合金化、馬氏體強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化等。每一形變強(qiáng)化、合金化、馬氏體強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化等。每一種強(qiáng)化方法都是為了改善材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而種強(qiáng)化方法都是為了改善材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料的性能。改善材料的性能。 1.2 鋼鐵材料生產(chǎn)簡(jiǎn)介鋼鐵材料生產(chǎn)簡(jiǎn)介一、煉鐵一、煉鐵l原料：原料：鐵礦石、焦炭和石灰石鐵礦石、焦炭和石灰石 l設(shè)備：設(shè)備：高爐高爐l過(guò)程：過(guò)程：燃料

14、的燃燒、鐵的還原、燃料的燃燒、鐵的還原、 增碳、雜質(zhì)的混入、選渣增碳、雜質(zhì)的混入、選渣l高爐產(chǎn)品：高爐產(chǎn)品：生鐵生鐵 根據(jù)含硅量不同分煉鋼生鐵和根據(jù)含硅量不同分煉鋼生鐵和 鑄造生鐵鑄造生鐵l副產(chǎn)品：副產(chǎn)品：爐渣和高爐煤氣爐渣和高爐煤氣l本質(zhì)：本質(zhì)：利用氧化的方法去利用氧化的方法去除生鐵中的硅、錳、硫、除生鐵中的硅、錳、硫、磷雜質(zhì)和過(guò)量的碳，使成磷雜質(zhì)和過(guò)量的碳，使成分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，以改善其性能。以改善其性能。 l基本過(guò)程：基本過(guò)程：氧化過(guò)程和脫氧化過(guò)程和脫氧過(guò)程氧過(guò)程l煉鋼方法：煉鋼方法： 轉(zhuǎn)爐煉鋼法轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電爐煉鋼法和電爐煉鋼法a)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐 b）電弧爐）電弧爐l煉好的鋼常澆鑄成鋼錠或連鑄煉好的鋼常澆鑄成鋼錠或連鑄成鋼坯。成鋼坯。l在煉鋼脫氧過(guò)程中，通過(guò)控制在煉鋼脫氧過(guò)程中，通過(guò)控制脫氧劑的種類(lèi)和加入量可以控脫氧劑的種類(lèi)和加入量可以控制鋼的脫氧程度。通常按脫氧制鋼的脫氧程度。通常按脫氧是否完全把鋼分為鎮(zhèn)靜鋼與沸是否完全把鋼分為鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼。騰鋼。 圖圖1-3鋼的澆注鋼的澆