材料工程基礎(chǔ)緒論及第一篇

1、材料工程基礎(chǔ)材料工程基礎(chǔ)周根樹一、研究內(nèi)容一、研究內(nèi)容 關(guān)于關(guān)于材料制備、合成、加工以及改性方法的原理及其與材材料制備、合成、加工以及改性方法的原理及其與材料結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系的知識。料結(jié)構(gòu)、性能之間關(guān)系的知識。二、材料工程的地位二、材料工程的地位1.在材料學(xué)科中的地位在材料學(xué)科中的地位2. 在社會發(fā)展中的地位在社會發(fā)展中的地位材料服役材料服役材料性能材料性能組織與結(jié)構(gòu)組織與結(jié)構(gòu)制備與合成制備與合成司母戊鼎司母戊鼎越王劍越王劍3d打印手槍打印手槍PCVD零件零件三、現(xiàn)代材料工程發(fā)展特點(diǎn)三、現(xiàn)代材料工程發(fā)展特點(diǎn)爆發(fā)式（速度）多樣化（種類）重要性四、該課程目的及四、該課程目的及意義意義 了解關(guān)于材

2、料制備、合成的基本原理，為今后從事材料研究、新材料、新工藝開發(fā)打下基礎(chǔ)。五、課程主要內(nèi)容五、課程主要內(nèi)容 鋼鐵冶金、粉末冶金、材料成形加工、熱處理、表面技術(shù)、材料制備新技術(shù)。六、該課程的特點(diǎn)六、該課程的特點(diǎn) 以材料質(zhì)量控制為主線。 第一篇第一篇 鋼鐵冶金鋼鐵冶金緒論緒論一、冶金方法：一、冶金方法：火法冶金、濕法冶金、粉末冶金火法冶金、濕法冶金、粉末冶金二、鋼鐵冶金重要性二、鋼鐵冶金重要性鋼鐵時(shí)代的到來創(chuàng)造了燦爛的人類文明；鋼鐵時(shí)代的到來創(chuàng)造了燦爛的人類文明；第一次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)；第一次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)；至今仍是材料的主宰；至今仍是材料的主宰；鋼鐵產(chǎn)量和用量是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要指標(biāo)；鋼鐵產(chǎn)量和

3、用量是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要指標(biāo)；鋼鐵生產(chǎn)是相對成熟的工藝，對其它冶金有借鑒作用；鋼鐵生產(chǎn)是相對成熟的工藝，對其它冶金有借鑒作用；鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)本身也在進(jìn)步，還需要不斷開發(fā)。鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)本身也在進(jìn)步，還需要不斷開發(fā)。鋼鐵冶金流程材料發(fā)展歷程材料需求材料需求鋼鐵材料鋼鐵材料是最重要是最重要的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)材料腐蝕失效腐蝕失效u20-40%/20-40%/金屬年產(chǎn)量金屬年產(chǎn)量u1 1億噸金屬億噸金屬/ /年年u10-20%/10-20%/鋼結(jié)構(gòu)（中國）鋼結(jié)構(gòu)（中國）鋼材需求量和消費(fèi)強(qiáng)度各種基礎(chǔ)原材料的產(chǎn)量,鋼鐵最高鋼鐵材料強(qiáng)度的發(fā)展材料的回收利用率項(xiàng)目與目標(biāo)項(xiàng)目與目標(biāo) 世界主要產(chǎn)鋼大國超級鋼鐵材料的

4、研發(fā)項(xiàng)目世界主要產(chǎn)鋼大國超級鋼鐵材料的研發(fā)項(xiàng)目第一章第一章 煉鐵煉鐵1.元素在地殼中的含量：如圖元素在地殼中的含量：如圖2.鐵冶金簡史：鐵冶金簡史：古代：古代：“海綿鐵海綿鐵”固相還原固相還原 火法冶金始于春秋時(shí)代、火法冶金始于春秋時(shí)代、成熟于漢代。成熟于漢代。序序3.現(xiàn)代煉鐵方法：高爐煉鐵、現(xiàn)代煉鐵方法：高爐煉鐵、 非高爐煉鐵。非高爐煉鐵。鐵刃銅鉞鐵刃銅鉞鐵獅體重約鐵獅體重約50噸噸(公元公元953年年)身高身高5.78米，長米，長5.34米米，寬，寬3.17米米，中國古代煉鐵技術(shù)中國古代煉鐵技術(shù)1 11 1高爐煉鐵的原料及設(shè)備高爐煉鐵的原料及設(shè)備一、原料：一、原料： 鐵礦石，焦碳，熔劑1.

5、鐵礦石鐵礦石種類：Fe3O4（磁鐵礦）, Fe2O3（赤鐵礦）等。雜質(zhì)（脈石）：SiO2,Al2O3,CaO,MgO。作用：提供鐵元素。要求：品位高，酸性脈石少，粒度均勻合適，強(qiáng)度較高，還原性 好， 成分波動(dòng)小。2.焦碳焦碳作用：提供熱量，還原劑，料柱骨架要求：雜質(zhì)少，水分穩(wěn)定，強(qiáng)度好，粒度均勻3.熔劑熔劑組成：石灰石為主作用：造渣要求：堿性氧化物含量高，雜質(zhì)少，強(qiáng)度高，粒度均勻。二爐渣及其堿度爐渣及其堿度1)按酸堿性分按酸堿性分 酸性氧化物：SiO2, P2O5, V2O5 堿性氧化物：CaO, MgO, FeO, MnO, MnO2 兩性氧化物：Al2O3, Fe2O3, Cr2O3 Ca

6、O, FeO, MnO, MgO,CaF2, Fe2O3, Al2O3, SiO2,P2O5 堿性增強(qiáng) 酸性增強(qiáng) 2)按狀態(tài)分按狀態(tài)分 簡單化合物：CaO, MgO，SiO2 復(fù)雜化合物：2 CaO. SiO2，3 CaO. P2O5 復(fù)雜化合物比簡單化合物穩(wěn)定性高，活性小。1.爐渣的組成爐渣的組成：以氧化物為主2.爐渣堿度（爐渣堿度（R）：爐渣中堿性氧化物和酸性氧化物的濃度比（常用摩爾分?jǐn)?shù)之比） R=% CaO/% SiO2,；或 R=% CaO/% SiO2+% P2O5 若 R1： 堿性渣R1：酸性渣R=1： 中性渣 高爐組成高爐組成爐體爐體爐缸爐缸儲存鐵水、儲存鐵水、爐渣爐渣爐腹?fàn)t腹反

7、應(yīng)、熔化反應(yīng)、熔化爐身爐身反應(yīng)、裝料反應(yīng)、裝料爐喉爐喉加料，排氣加料，排氣加料裝置加料裝置送風(fēng)裝置送風(fēng)裝置實(shí)際生產(chǎn)中的煉鐵高爐實(shí)際生產(chǎn)中的煉鐵高爐1 12 2 高爐內(nèi)基本反應(yīng)高爐內(nèi)基本反應(yīng)鐵水常規(guī)5元素：C,Si,Mn,P,S一煉鐵的實(shí)質(zhì)煉鐵的實(shí)質(zhì)：通過還原反應(yīng)還原出鐵、錳、硅、磷、硫以及碳滲入鐵水中的過程。二反應(yīng)二反應(yīng)：鐵、錳、硅、磷的還原，滲硫及脫硫，滲碳。1.鐵的還原鐵的還原還原劑：CO，C，H2還原過程：Fe2O3Fe3O4FeOFe2. 錳的還原錳的還原 還原過程：MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn CO還原 C還原影響因素： T，Mn R，Mn （ 約40-60%被還原的錳可進(jìn)

8、入鐵水）3.硅的還原硅的還原 還原劑：C 影響因素： T，Si R，Si 4磷的還原磷的還原 1）還原劑：C 2）反應(yīng)：（CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO-Q 3）影響因素：T，PR，P5脫硫反應(yīng)脫硫反應(yīng) 先出現(xiàn)滲硫，再脫硫 1)反應(yīng)：FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO-Q 2) 影響因素：T，SR，SC, S 3) 硫的分配：爐渣、爐氣、鐵中 4）硫的控制： 優(yōu)質(zhì)低硫原料：洗煤、降低焦比（國際上460公斤焦碳/噸生鐵） 高溫，高堿度6滲滲碳：碳： 約4%左右。1.3 1.3 高爐煉鐵工藝高爐煉鐵工藝1 14 4 高爐冶煉產(chǎn)品高爐冶煉產(chǎn)品 1.生鐵生鐵 煉鋼生鐵：8

9、0%，1.5% Si 鑄造生鐵：20%，2.75-3.25% Si 鐵合金2.爐渣爐渣 爐渣：生鐵=0.6：13.爐氣爐氣 爐氣：生鐵=5：1本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)1.高爐煉鐵的實(shí)質(zhì)（基本反應(yīng)）2.原料及其作用3.主要概念：爐渣堿度第二章第二章 煉鋼煉鋼序序一發(fā)展概況一發(fā)展概況 我國古代：炒鋼，“百煉成鋼”；盧定橋鐵索 國外：1740年，坩堝煉鋼 1856年，貝塞麥，酸性轉(zhuǎn)爐 1878年，托馬斯，堿性轉(zhuǎn)爐 1950年前，平爐主導(dǎo) 1952年后，LD轉(zhuǎn)爐逐漸取得主導(dǎo) 目前：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐主導(dǎo)，電弧爐次之。 各種精煉方法、特殊煉鋼方法涌現(xiàn) 二煉鋼的實(shí)質(zhì)二煉鋼的實(shí)質(zhì) 實(shí)質(zhì)：通過氧化反應(yīng)降低生鐵中碳及其其它雜

10、質(zhì)的過程。 鋼與鐵：C：2.1%，生鐵；0.008%C Ca Si Mn脫氧劑特點(diǎn)及應(yīng)用脫氧劑特點(diǎn)及應(yīng)用錳鐵硅鐵鋁復(fù)合脫氧劑脫氧能力弱強(qiáng)更強(qiáng)最強(qiáng)渣排除能力強(qiáng)弱強(qiáng)最強(qiáng)附帶作用綜合硫、強(qiáng)化細(xì)化晶粒應(yīng)用各類鋼鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼3.脫氧方法脫氧方法1)擴(kuò)散脫氧：依靠氧向爐渣中擴(kuò)散而被脫去的方法，亦稱間接脫氧2)沉淀脫氧：脫氧劑進(jìn)入鋼液內(nèi)部進(jìn)行脫氧反應(yīng)而脫氧的方法，亦稱直接脫氧。3)特點(diǎn)及應(yīng)用速度污染條件應(yīng)用擴(kuò)散脫氧慢小還原性氣氛電弧爐沉淀脫氧快大無限制各類煉鋼方法2.2 2.2 一般煉鋼法一般煉鋼法轉(zhuǎn)爐、電弧爐一氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法1.原理：鐵水熱+反應(yīng)熱煉鋼2.設(shè)備 見圖3.原料：鐵

11、水、（廢鋼）+熔劑4.冶煉過程：裝料、吹煉、測溫、脫氧及出鋼5.冶煉特點(diǎn)不需外加熱源反應(yīng)劇烈生產(chǎn)率高 1.11.5萬噸/噸.年煙塵大，是裝入量的0.81.3%產(chǎn)品品種多6.產(chǎn)品質(zhì)量特點(diǎn) 1）鋼中含氣量小 N，H含量低時(shí)效敏感性及脆性低，鋼塑韌性及焊接性能好 2）P，S含量與電弧爐相當(dāng) 脫磷率：9095% 脫硫率：7080% 3）夾雜物及外來元素少 冷變形、抗應(yīng)變時(shí)效和焊接性能好 用途：薄板，焊接鋼管和無縫鋼管等。二電弧爐煉鋼法二電弧爐煉鋼法1原理：利用電弧與燃料之間產(chǎn)生的電弧進(jìn)行熔煉2種類 酸性電弧爐：用于鑄鋼車間。 堿性電弧爐：用于煉鋼。3設(shè)備 見圖4冶煉過程：補(bǔ)爐、裝料、熔化、氧化、還原（

12、脫氧、脫硫）、出鋼5電弧爐冶煉特點(diǎn)爐溫高：3000OC，可熔化任何金屬熱效率高：體積小，密封好熔池溫度易于控制爐內(nèi)氣氛易于控制可用合金、廢鋼、非高爐生鐵熔煉爐內(nèi)溫差大，元素易燒損。生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)率較低電離的H、N易進(jìn)入鋼中。6.電弧爐鋼質(zhì)量特點(diǎn)1) P，S含量低2)夾雜物少（擴(kuò)散脫氧，爐溫高，渣易上?。?)冶煉成分易控制 4)N，H含量高。應(yīng)用于高合金工具鋼、不銹鋼及耐熱 鋼等。2.3 2.3 鋼的澆注和鋼錠鋼的澆注和鋼錠一鋼錠的澆注鋼錠的澆注（自學(xué)）二鋼錠結(jié)構(gòu)鋼錠結(jié)構(gòu)1鋼錠類型鋼錠類型O%應(yīng)用鎮(zhèn)靜鋼0.00150.008優(yōu)質(zhì)碳素鋼半鎮(zhèn)靜鋼0.0040.02沸騰鋼0.0150.04普通低碳鋼

13、 2. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 見圖 外 內(nèi) 鎮(zhèn)靜鋼：激冷層 柱狀晶 中心等軸晶 沸騰鋼：堅(jiān)殼層 蜂窩氣泡帶，中間堅(jiān)固帶 二次氣泡帶 錠心等軸晶 沸騰鋼鋼錠結(jié)構(gòu)3.各種鋼錠特性比較各種鋼錠特性比較鋼種鋼種力學(xué)性能力學(xué)性能收得率收得率成本成本表面質(zhì)量表面質(zhì)量內(nèi)部質(zhì)量內(nèi)部質(zhì)量偏析偏析沸騰鋼沸騰鋼低低90%低低高高氣孔多氣孔多頭部偏析頭部偏析大大半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼中中90%較高較高一般一般較多較多頭部偏析頭部偏析鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼高高80%高高有發(fā)紋有發(fā)紋完整完整少少三連續(xù)鑄鋼三連續(xù)鑄鋼定義：采用連續(xù)鑄機(jī)直接把鋼液凝固成鋼坯定義：采用連續(xù)鑄機(jī)直接把鋼液凝固成鋼坯1工藝過程工藝過程澆注-結(jié)晶器冷凝-二次冷卻-矯直-

14、切割2工藝參數(shù)工藝參數(shù)注溫：大于模鑄2050OC注速：V=K.L/A，K系數(shù)；L周長；A面積冷速：過低拉漏，切漏；過高間隙，裂紋3.連鑄工藝特點(diǎn)冷速快、污染小、長度方向質(zhì)量一致4連鑄鋼質(zhì)量特點(diǎn)連鑄鋼質(zhì)量特點(diǎn)a 結(jié)構(gòu)致密，均勻;b 偏析小;c夾雜物總量小d易出現(xiàn)表面裂紋;e易出現(xiàn)中心偏析和縮孔（疏松）5技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)a收得率高;b質(zhì)量優(yōu) 結(jié)晶器結(jié)晶器2.4 2.4 鋼的冶金質(zhì)量及控制鋼的冶金質(zhì)量及控制冶金質(zhì)量：成分、氣體、夾雜物、缺陷常存元素：C,Si,Mn,P,S,H,N,O常規(guī)5元素：C,Si,Mn,P,S合金元素：為獲得一定的組織和性能特意加入的 一一. . 化學(xué)成分的影響化學(xué)成

15、分的影響1.硅硅益：固溶強(qiáng)化、脫氧、提高淬透性害：夾雜、降低塑韌性2.錳錳 益：固溶強(qiáng)化、綜合硫、脫氧、細(xì)化晶粒、提高淬透性 害：夾雜、Ms降低 3.硫硫易形成熱裂、熱脆焊接中易形成氣孔及縮松（SO2）降低鋼的使用性能各向異性耐蝕性可改善切削性能物質(zhì)FeSFeS-FeFeS-Fe-FeO熔點(diǎn)（OC）11909899404.磷磷1）易形成熱裂、熱脆2）加劇偏析3）冷脆4）回火脆性5）抗大氣腐蝕6）切削性能 物質(zhì)Fe-Fe3PFe-Fe3C-Fe3P熔點(diǎn)（OC）1050940二氣體二氣體1氫氫危害：形成氫脆或白點(diǎn)1)氫脆氫脆 定義：由于氫而導(dǎo)致的在低應(yīng)力載荷下的脆性斷裂 特點(diǎn)：屬應(yīng)變時(shí)效型脆性（滯

16、后破壞），即在應(yīng)力作用一定時(shí)間后材料突然發(fā)生 斷裂 影響因素：形變速率 H Sb、Sn、S等 氫脆工作溫度：-100100度 晶粒度組織：塑性 1108鋼級螺桿在650MPa應(yīng)力下延遲斷裂2）白點(diǎn)定定義義：縱向斷口上出現(xiàn)的圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，亦稱發(fā)裂原原因因：局部氫與應(yīng)力的綜合作用3)改善措施：H ，去氫退火2氮1）影響時(shí)效脆性易形成氣泡和疏松細(xì)化晶粒，擴(kuò)大奧氏體區(qū)2）改善措施減少氣體進(jìn)入，除氣合金化三非金屬夾雜物三非金屬夾雜物1來源來源外來夾雜物 內(nèi)生夾雜物2種類種類 氧化物, 硫化物, 氮化物, 硅酸鹽3影響影響 1）導(dǎo)致應(yīng)力集中及裂紋產(chǎn)生 2）使塑韌性下降，疲勞強(qiáng)度降低 3）易形成熱裂、熱脆 4）影響表面質(zhì)量及模具壽命 5）切削性能下降 6）加劇腐蝕 7）影響熱處理性能：淬火開裂、氮化中引起起泡4.減少減少非金屬夾雜物的途徑非金屬夾雜物的途徑1）原材料控制夾雜元素含量2）煉鋼中的排除3）澆注時(shí)的鎮(zhèn)靜