《工程材料》配套PPT

《工程材料》配套PPT,工程材料,工程,材料,配套,PPT 2022/10/1111.1概述 鈦及其合金是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一類新型結(jié)構(gòu)材料oTi的物理性能 純Ti熔點(diǎn)1668。強(qiáng)度高，強(qiáng)度高，是是Al的的6倍，塑性好，便于冷倍，塑性好，便于冷熱加工。熱加工。還具有超導(dǎo)、記憶、儲氫等特殊性能。o熱處理熱處理 純純Ti不能熱處理強(qiáng)化，只能進(jìn)不能熱處理強(qiáng)化，只能進(jìn)行冷變形強(qiáng)化，行冷變形強(qiáng)化，型鈦合金可熱處理。美美F-22戰(zhàn)機(jī)約戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零重量的零件用鈦合金制造件用鈦合金制造11鈦合金titaniumalloy2022/10/11o純鈦主要用于純鈦主要用于 350以以下工作、強(qiáng)度要求不高下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部水凈化裝置及艦船零部件。件。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦管換熱器鈦制蒸餾塔鈦制蒸餾塔2022/10/1111.1.1鈦的基本性質(zhì)與合金化鈦的基本性質(zhì)與合金化有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。，bcc|882|，hcp 比強(qiáng)度高。比強(qiáng)度高。=4.51g/cm3，可保持到，可保持到550600耐蝕性好。形成保護(hù)膜耐蝕性好。形成保護(hù)膜,耐海水腐蝕性是最好的耐海水腐蝕性是最好的低溫性能好。在低溫性能好。在77K下仍有良好的力學(xué)性能下仍有良好的力學(xué)性能導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低4.5倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等等2022/10/11一、鈦的合金化及分類（一）合金元素與鈦的作用o1）穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大相區(qū)的元素有Al、Sn、O、N、C等。o2）穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大相區(qū)的元素有V、Mo 等。o3）+共析型相圖，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、Ni、Ag等。o4）和全溶型相圖，如Zr、Ha等。圖11.1鈦與合金元素的典型二元線圖a）穩(wěn)定型,Al、Sn；b)穩(wěn)定型V、Mo,c)+共析型,Mn、Cr；d)和全溶型，Ha、ZrTi-Sn相圖2022/10/11穩(wěn)定型(包析)穩(wěn)定型（共析）和全溶型共析型2022/10/11o（二）鈦合金的分類（GB/T362194）o在退火狀態(tài)下，按組織分型鈦合金、型鈦合金和型鈦合金，以TA、TB、TC表示。符號后面的數(shù)字表示順序號。符號后面的數(shù)字表示順序號。oTA7：Ti-5Al-2.5SnoTB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5VoTC4：Ti-6Al-4V2022/10/11各各類類合合金金特特點(diǎn)點(diǎn) 鈦合金鈦合金高溫性能好高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性好，組織穩(wěn)定，焊接性好，是常用耐熱鈦合金，但常溫強(qiáng)度低，塑性不高是常用耐熱鈦合金，但常溫強(qiáng)度低，塑性不高 +鈦合金鈦合金可熱處理強(qiáng)化可熱處理強(qiáng)化，常溫強(qiáng)度高，中溫，常溫強(qiáng)度高，中溫的耐熱性也不錯(cuò)，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差的耐熱性也不錯(cuò)，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差 合金塑性加工性好，合金濃度適當(dāng)時(shí)，通過合金塑性加工性好，合金濃度適當(dāng)時(shí)，通過熱處理可獲得高的常溫力學(xué)性能，是發(fā)展熱處理可獲得高的常溫力學(xué)性能，是發(fā)展高強(qiáng)度高強(qiáng)度鈦鈦合金的基礎(chǔ)，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復(fù)雜合金的基礎(chǔ)，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復(fù)雜 應(yīng)用程度應(yīng)用程度:+合金合金 合金合金 鈦合金鈦合金二、鈦合金特點(diǎn)2022/10/11 1 1、鈦合金鈦合金(Al/Sn)(Al/Sn)主要主要Me是是Al和和Sn，固溶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化:+1%Me，強(qiáng)度，強(qiáng)度3570MPaAl作作用用特特點(diǎn)點(diǎn) A1在在相中固溶度很大相中固溶度很大,耐熱性耐熱性(500)但但Al6后后與與共格有序相共格有序相2（Ti3Al）2是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。Al大于大于25%后，則出現(xiàn)后，則出現(xiàn)相（相（TiAl）應(yīng)應(yīng)用用特特點(diǎn)點(diǎn) 一般工業(yè)用鈦合金一般工業(yè)用鈦合金Al含量很少超過含量很少超過6。鈦合金使用溫度鈦合金使用溫度500。鈦合金不能熱處理強(qiáng)化，退火或熱軋態(tài)鈦合金不能熱處理強(qiáng)化，退火或熱軋態(tài)下使用。下使用。TA7是應(yīng)用最多的一種。是應(yīng)用最多的一種。TA4TA6是是Ti-Al系二元合金系二元合金2022/10/112 2、+鈦合金鈦合金(Al/V、Mo)合合金金化化特特點(diǎn)點(diǎn) 含含46%的的穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素和和同時(shí)強(qiáng)化。同時(shí)強(qiáng)化。+合金性能主要由合金性能主要由相元素來決定。相元素來決定。相元素主要是鋁相元素主要是鋁，67%以免生成以免生成2而而韌性。另補(bǔ)加少量中性元素韌性。另補(bǔ)加少量中性元素錫和鋯錫和鋯。元素選擇較復(fù)雜。元素選擇較復(fù)雜。+Mo和和V等，再適當(dāng)?shù)?，再適當(dāng)+少少量量Mn和和Cr或微量或微量Si。性性能能特特點(diǎn)點(diǎn) +鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金70以上。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的以上。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的+鈦合金鈦合金是是Ti-A1-V系的系的Ti-6A1-4V，即，即TC4合金。合金。2022/10/113 3、鈦合金鈦合金(Mo(Mo、V/Cr)V/Cr)鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力最大的合金。鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力最大的合金。熱處理熱處理特點(diǎn)特點(diǎn) 合金化特點(diǎn)：加入大量合金化特點(diǎn)：加入大量穩(wěn)定元素。穩(wěn)定元素。熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn):室溫為單相室溫為單相組織，經(jīng)時(shí)效可組織，經(jīng)時(shí)效可強(qiáng)度。淬火態(tài)下能冷成型強(qiáng)度。淬火態(tài)下能冷成型進(jìn)行時(shí)效處理。進(jìn)行時(shí)效處理。性能性能特點(diǎn)特點(diǎn)與應(yīng)與應(yīng)用用 強(qiáng)韌性優(yōu)于強(qiáng)韌性優(yōu)于+合金，具有良好的焊接性和合金，具有良好的焊接性和壓力加工性。缺點(diǎn)是壓力加工性。缺點(diǎn)是元素濃度高，密度元素濃度高，密度，易，易偏析，性能波動大。偏析，性能波動大。相元素多是稀有金屬，價(jià)相元素多是稀有金屬，價(jià)格格，200使用，應(yīng)用受限制使用，應(yīng)用受限制.目前應(yīng)用的加工鈦僅目前應(yīng)用的加工鈦僅TB2，主要用于制造各種主要用于制造各種整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等2022/10/1111.1.2鈦合金的相變C0tk2022/10/11基基本本概概念念 相相(bcc)六方馬氏體六方馬氏體(hcp)；斜方馬氏體。斜方馬氏體。tk ：當(dāng)：當(dāng)t淬淬到一定溫度，到一定溫度，相濃度相濃度到到Ck時(shí)，時(shí)，淬火到室溫淬火到室溫相也不發(fā)生相也不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。Ck和和tk是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。Ck：Ms相不發(fā)生相不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的合金濃度轉(zhuǎn)變的合金濃度鈦合金鈦合金M是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式M不同不同1、馬氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變 2022/10/112 2、相的形成相的形成 穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度Ck附近時(shí)，淬火時(shí)附近時(shí)，淬火時(shí)除形成除形成或或r外，還能形成淬火外，還能形成淬火相，用相，用q表示。表示。特特點(diǎn)點(diǎn)性性質(zhì)質(zhì) 是六方晶格，與是六方晶格，與相有共格關(guān)系。相有共格關(guān)系。相形相形狀與狀與Me原子半徑原子半徑r有關(guān)，有關(guān)，r與鈦相差較小的合金，與鈦相差較小的合金，相是橢圓形，相是橢圓形，r相差較大時(shí)為立方體形相差較大時(shí)為立方體形 相硬而脆，雖相硬而脆，雖強(qiáng)度、硬度和彈性模量，強(qiáng)度、硬度和彈性模量，但塑性急劇但塑性急劇。一般情況下。一般情況下,相是有害組織，在相是有害組織，在熱處理時(shí)都要避開它的形成區(qū)間。加熱處理時(shí)都要避開它的形成區(qū)間。加A1能抑制能抑制相的形成相的形成 大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有A12022/10/113、過冷過冷(殘余）殘余）r 的形成的形成o合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，被被凍結(jié)，形成凍結(jié)，形成r，成為，成為鈦合金。鈦合金。o為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦相為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦相近。近。o鈦合金的合金元素量較大，固溶強(qiáng)化效果大；加工硬鈦合金的合金元素量較大，固溶強(qiáng)化效果大；加工硬化性高；時(shí)效強(qiáng)化（析出化性高；時(shí)效強(qiáng)化（析出相強(qiáng)化）高相強(qiáng)化）高。o鈦合金固溶后強(qiáng)度：鈦合金固溶后強(qiáng)度：750-950MPa，時(shí)效后強(qiáng)度，時(shí)效后強(qiáng)度1000-1700MPa。o 相中原子擴(kuò)散系數(shù)大，加熱溫度超過相中原子擴(kuò)散系數(shù)大，加熱溫度超過相變點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)粗大相變點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)粗大晶粒，產(chǎn)生晶粒，產(chǎn)生“脆性脆性”2022/10/114 4、亞穩(wěn)定相的分解、亞穩(wěn)定相的分解 淬火形成的淬火形成的、和和r相都是不穩(wěn)定的相都是不穩(wěn)定的最終產(chǎn)物最終產(chǎn)物都是平衡都是平衡+相相 共析共析型的型的 分解產(chǎn)物是分解產(chǎn)物是+TixMy（）化合物）化合物各種亞各種亞穩(wěn)相分穩(wěn)相分解過程解過程（1）過冷）過冷r相分解相分解;（2）馬氏體分解，鈦合金）馬氏體分解，鈦合金、在在300 400發(fā)生快速分解，在發(fā)生快速分解，在400500回火時(shí)回火時(shí)彌散度高的彌散度高的+相混合物，彌散強(qiáng)化。相混合物，彌散強(qiáng)化。（3）相的分解。相的分解。2022/10/1111.2.1.型鈦合金型鈦合金o主加元素為鋁，還有錫、硼等。主加元素為鋁，還有錫、硼等。o不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，組織為單相狀態(tài)下使用，組織為單相 固固溶體。溶體。o強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越。越。o0.2Pd的加入引起陽極鈍化，使腐蝕抗力提高1000倍。鈦合金氫泵鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體鈦合金氫泵殼體11.2常用鈦合金常用鈦合金2022/10/11o 型鈦合金型鈦合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，較高的強(qiáng)度和良好的韌性，對高溫氧污染有較強(qiáng)的抗力，但成形性能較差。o常用牌號有常用牌號有TA5、TA7等。等。典型的鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），市場占有20，組織穩(wěn)定、焊接性好，比強(qiáng)度是鋁和鋼的兩倍，用作飛機(jī)蒙皮和模鍛件。oAl、Sn可使再結(jié)晶溫度和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度升高。鈦合金泵鈦合金泵圖11.4Ti-Al二元合金相圖鈦端2022/10/11o 型鈦合金型鈦合金主要用于制造主要用于制造500以以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵鈦合金液下泵-Ti合金組織合金組織2022/10/1111.2.2.+型鈦合金型鈦合金o加入的合金元素有鋁、釩、加入的合金元素有鋁、釩、鉬鉬、鉻等。、鉻等。o可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。耐蝕性和低溫韌性。鈦鈦合合金金列列管管式式換換熱熱器器2022/10/11o+型鈦合金共有九個(gè)牌型鈦合金共有九個(gè)牌號，其中以號，其中以TC4(Ti6Al4V)應(yīng)用最廣、應(yīng)用最廣、用量最大，用量最大，占市場55。其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，組織為組織為+時(shí)效析出的時(shí)效析出的針狀針狀。2022/10/11o+型鈦合金型鈦合金主要用于主要用于制造制造400196o以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體箱部件及艦船耐壓殼體等。等。生物醫(yī)生物醫(yī)用材料用材料飛飛機(jī)機(jī)壓壓氣氣機(jī)機(jī)葉葉片片2022/10/11o11.2.3.型鈦合金型鈦合金o加入的合金元素有鉬、加入的合金元素有鉬、鉻、釩等。鉻、釩等。o經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為組織為 相基體上分布相基體上分布著細(xì)小的著細(xì)小的 相粒子。相粒子。o這類合金強(qiáng)度高，但這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接，應(yīng)用受到限制。焊接，應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管鈦合金管應(yīng)用鈦合金管應(yīng)用2022/10/11o 型鈦合金有型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個(gè)牌三個(gè)牌號。號。o主要用于主要用于350以以下工作的結(jié)構(gòu)件和下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件，如飛機(jī)壓緊固件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等?；?、輪盤等。鈦合金棒鈦合金棒鈦合金眼鏡架鈦合金眼鏡架鈦離心泵鈦離心泵2022/10/1111.3 鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用 o 1、鈦合金生產(chǎn)工藝、鈦合金生產(chǎn)工藝 o 冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等 o 2、鈦合金的新發(fā)展、鈦合金的新發(fā)展 o 宇航工業(yè)宇航工業(yè)：AlloyC是一個(gè)新型高溫鈦合金，使用溫度是一個(gè)新型高溫鈦合金，使用溫度o 高達(dá)高達(dá)650，用于制造發(fā)動機(jī)的排氣管；，用于制造發(fā)動機(jī)的排氣管；o 船舶工業(yè)船舶工業(yè)：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近鈦合金鈦合金o Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+鈦合金鈦合金TC4；o 民品工業(yè)民品工業(yè):電磁烹調(diào)器具電磁烹調(diào)器具、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭；o 汽車工業(yè)汽車工業(yè):進(jìn)、排氣閥，目前僅用于賽車和運(yùn)動汽車；進(jìn)、排氣閥，目前僅用于賽車和運(yùn)動汽車；o 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè):反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；o 醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域:骨骼整補(bǔ)等嵌入材料骨骼整補(bǔ)等嵌入材料。2022/10/11 鈦合金是鈦合金是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，且資源豐富，已成小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，且資源豐富，已成為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料 鈦合金塑性差，且不能熱處理強(qiáng)化鈦合金塑性差，且不能熱處理強(qiáng)化.鈦合金主加元素是鈦合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量鋁。主等元素及少量鋁。主要是時(shí)效硬化，因其明顯的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到一定的限制要是時(shí)效硬化，因其明顯的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到一定的限制 +鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時(shí)加入鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時(shí)加入穩(wěn)定穩(wěn)定元素和元素和穩(wěn)定元素，使穩(wěn)定元素，使和和同時(shí)得到強(qiáng)化。力學(xué)性能變同時(shí)得到強(qiáng)化。力學(xué)性能變化范圍較寬，可以適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦化范圍較寬，可以適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金合金70以上。以上。小小 結(jié)結(jié)2022/10/11o1 對于+兩相鈦合金，可采用下述熱處理方法強(qiáng)化 _。oa 再結(jié)晶退火 b 淬火回火oc 淬火時(shí)效 d 上述方法都不能強(qiáng)化o2.根據(jù)退火組織，鈦合金分為哪三類？o3.Ti6Al4V屬于哪一類鈦合金？合金中Al和V對組織各有何作用？o4.為什么在幾乎所有的鈦合金中，均有一定含量的合金元素鋁？為什么鋁的加入量都控制在6-7%以下？o5.為什么國內(nèi)外目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al-4V即TC4合金？o6.簡述鋁和錫在鈦合金中的作用。穩(wěn)定型合金是鈦與哪些元素形成的合金？2022/10/11o7.說明下列符號的物理意義說明下列符號的物理意義oTA7；TC4；TB2；o8.根據(jù)鈦合金在退火狀態(tài)的相組成可分為 ，型鈦合金，分別以 o ,表示。o9.鈦合金淬火時(shí)會得到 ，組織。o10.鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)鈦合金潛力最大的合金。2022/10/11測試題o1下列是什么鋼種？使用狀態(tài)組織？下列是什么鋼種？使用狀態(tài)組織？o20Cro1Cr25Tio40CrMoo14MnVTiReoW18Cr4Vo4Cr13o1Cr18Ni12Mo2Tio12Cr1MoVo9Mn2V o65Mno2.說明下列鋼號括號內(nèi)合金元素的主要作用。說明下列鋼號括號內(nèi)合金元素的主要作用。o低碳珠光體鋼低碳珠光體鋼12Cr1MoV(Cr)o調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼40CrNiMo(Mo)o鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼1Cr25(Cr)o奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti(Ti)o熱作模具鋼熱作模具鋼3Cr2W8V(V)o彈簧鋼彈簧鋼60Si2Mn(Mn)o馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼9Cr18(Cr)o低合金工具鋼低合金工具鋼9SiCr(Si、Cr)o滲碳鋼滲碳鋼 20CrMn(Mn)o普低鋼普低鋼 10MnPNbRe（Re）12鎂合金magnesium alloy12.1概述12.1.1鎂合金的性質(zhì) 相對原子質(zhì)量為相對原子質(zhì)量為24.32，密排六方晶體結(jié)構(gòu)。，密排六方晶體結(jié)構(gòu)。20時(shí)時(shí)1.738g/cm3，結(jié)構(gòu)材料中最輕金屬。，結(jié)構(gòu)材料中最輕金屬。體積熱容最低。體積熱容最低。20時(shí)為時(shí)為1781J/（dm3K），），重要特性是升溫與降溫都比其他金屬快。重要特性是升溫與降溫都比其他金屬快。化學(xué)活潑性化學(xué)活潑性高高。在潮濕大氣、海水等介質(zhì)中。在潮濕大氣、海水等介質(zhì)中會引起劇烈腐蝕，但在干燥大氣、汽油等介質(zhì)中會引起劇烈腐蝕，但在干燥大氣、汽油等介質(zhì)中卻很穩(wěn)定。卻很穩(wěn)定。室溫塑性很差。室溫塑性很差。比強(qiáng)度、比剛度高。比強(qiáng)度、比剛度高。彈性模量較低。受力時(shí)應(yīng)力分布均勻彈性模量較低。受力時(shí)應(yīng)力分布均勻,應(yīng)力集中。在彈性范圍內(nèi)承受沖擊時(shí)，所吸收應(yīng)力集中。在彈性范圍內(nèi)承受沖擊時(shí)，所吸收的能量比鋁高的能量比鋁高50%左右。適于制造承受猛烈撞左右。適于制造承受猛烈撞擊的零件。受沖擊或摩擦，不產(chǎn)生火花擊的零件。受沖擊或摩擦，不產(chǎn)生火花。良好的減振性。在相同載荷下，減振性良好的減振性。在相同載荷下，減振性是鋁的是鋁的100倍，鈦合金的倍，鈦合金的300500倍。倍。切削加工性優(yōu)良，切削速度切削加工性優(yōu)良，切削速度。鑄造性優(yōu)良，所有鑄造工藝都可采用。鑄造性優(yōu)良，所有鑄造工藝都可采用。12.1.2鎂合金的特點(diǎn)分分類類與與牌牌號號變形鎂合金（變形鎂合金（MB）、鑄造鎂合金（）、鑄造鎂合金（ZM）壓鑄鎂合金（壓鑄鎂合金（YM）和航空鎂合金。）和航空鎂合金。純鎂純鎂Mg99.95/99.50/99.0 合金順序號表示合金間化學(xué)成分差異。合金順序號表示合金間化學(xué)成分差異。如如:1號鑄造鎂合金用號鑄造鎂合金用ZMl表示，表示，2號變形鎂合金用號變形鎂合金用MB2表示，表示，5號壓鑄鎂合金用號壓鑄鎂合金用YM5表示，表示，5號航空鑄造鎂合金用號航空鑄造鎂合金用ZM-5表示。表示。12.1.3鎂合金的分類GB/T5153-2003美國美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)：以英文字母加數(shù)字再加英文字母的形式表示。以英文字母加數(shù)字再加英文字母的形式表示。前面的兩位英文字母是其主要代號，前面的兩位英文字母是其主要代號，按元素多少由大到小排列（元素符號有規(guī)定按元素多少由大到小排列（元素符號有規(guī)定A-Al、C-Cu、K-Zr、M-Mn、R-Cr、S-Si、T-Sn、Z-Zn、E-Re、Q-Ag、W-Yb鐿等），鐿等），其后的兩位數(shù)字表示其主要合金元素的大致含量，其后的兩位數(shù)字表示其主要合金元素的大致含量，最后的字母為標(biāo)識代號。最后的字母為標(biāo)識代號。AZ91D，A代表主加代表主加Al，Z代表次高代表次高Zn，9代表鋁含量，代表鋁含量，1代表代表Zn含量，含量，D標(biāo)識代碼，區(qū)分成分和先后序列。標(biāo)識代碼，區(qū)分成分和先后序列。表12.1中國與美國部分鎂合金相近牌號對照種類合金系中國美國（ASTM）變形鎂合金Mg-MnMB1M1MB8M2Mg-Al-ZnMB2AZ31MB5AZ61MB6AZ63MB7AZ80Mg-Zn-ZrMB15ZK60鑄造鎂合金Mg-Zn-Zr（Nd）ZM1ZK51AZM2ZE41AZM4EZ33ZM8ZE63Mg-Al-Zn（Mn）ZM5AZ81AZM10AM100A12.2.112.2.1合金元素對組織和性能的影響合金元素對組織和性能的影響 主要與晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電負(fù)性等因素相關(guān)主要與晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電負(fù)性等因素相關(guān)（1）晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素。鎂是。鎂是HCP結(jié)構(gòu)，但其他結(jié)構(gòu)，但其他HCP結(jié)構(gòu)元素（如鋅和鈹）不能與鎂形成無限固溶體結(jié)構(gòu)元素（如鋅和鈹）不能與鎂形成無限固溶體（2）原子尺寸因素原子尺寸因素。R15%時(shí)能形成無限固時(shí)能形成無限固溶體。約一半金屬元素與鎂可形成無限固溶體溶體。約一半金屬元素與鎂可形成無限固溶體12.2鎂合金的合金化原理（3）電負(fù)性因素電負(fù)性因素。元素之間電負(fù)性相差越大，生。元素之間電負(fù)性相差越大，生成的化合物越穩(wěn)定，化合物往往具有成的化合物越穩(wěn)定，化合物往往具有Laves相結(jié)構(gòu)，相結(jié)構(gòu)，同時(shí)其成分具有正常的化學(xué)價(jià)規(guī)律。同時(shí)其成分具有正常的化學(xué)價(jià)規(guī)律。（4 4）原子價(jià)因素原子價(jià)因素。元素間原子價(jià)相差越大，溶解。元素間原子價(jià)相差越大，溶解度越小。度越小。合金元素有合金元素有Al、Zn、Mn等。等。Fe、Ni、Cu等是有害元素。等是有害元素。圖圖12.1Mg-Al相圖相圖 室溫平衡組織：+：Mg17Al12，在生產(chǎn)條件下，會出現(xiàn)共晶組織分布在 晶界上。1.合金元素Al的作用：Al在Mg中極限固溶度較大：12.7%，隨溫度下降顯著小，可固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度。且提高耐蝕性。析出強(qiáng)化？圖圖12.2Mg-Zn相圖相圖 2.合金元素Zn的作用：Zn在Mg中極限固溶度6.2%，可固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度。MgZn 化合物可起沉淀強(qiáng)化作用。Mg-Zn二元合金組織粗大，幾乎無應(yīng)用?？赏ㄟ^加入第三組元改善強(qiáng)度。LMg7Zn3Mg7Zn3MgZn AZ91擠壓態(tài)組織擠壓態(tài)組織AZ61鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織 AZ31鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織 v3.合金元素Al的作用：vMn在Mg中極限固溶度3.3%，固溶強(qiáng)化效果不大。可提高合金抗應(yīng)力腐蝕傾向，提高抗蝕性能。LMn Mn圖圖12.4Mg-Mn相圖相圖 圖圖12.3MB1變形鎂合金變形鎂合金Alloy AM50擠壓4.合金元素Zr的作用：Zr：提高力學(xué)性能及耐蝕性。vZr高熔點(diǎn)金屬，較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用。且凝固時(shí)析出-Zr，作為異質(zhì)晶核，細(xì)化晶粒。LZr ZrMg-Zr相圖相圖Alloy ZK60鑄態(tài) 12.3、變形鎂合金組織和性能、變形鎂合金組織和性能 常用的合金系為常用的合金系為Mg-Al系與系與Mg-Zn-Zr系。系。典型的合金為典型的合金為MB2、MB5及及MB7。Mg-Al合金具有良合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕等的綜合性能，且價(jià)格較低，好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕等的綜合性能，且價(jià)格較低，所以是最常用的合金系列所以是最常用的合金系列 Mg-Zn-Zr系是高強(qiáng)度鎂合金，強(qiáng)度高，耐蝕性好，無系是高強(qiáng)度鎂合金，強(qiáng)度高，耐蝕性好，無應(yīng)力腐蝕傾向，工藝簡單，但變形能力較差，焊接性差。應(yīng)力腐蝕傾向，工藝簡單，但變形能力較差，焊接性差。常用常用MB15，可制造形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，可制造形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件 加入鋰能獲得超輕變形鎂合金，其加入鋰能獲得超輕變形鎂合金，其1.301.65g/cm3，是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有極優(yōu)的變形性能和較好的是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有極優(yōu)的變形性能和較好的超塑性能，已應(yīng)用在航天和航空器上超塑性能，已應(yīng)用在航天和航空器上12.412.4、鑄造鎂合金的組織和性能、鑄造鎂合金的組織和性能 主要合金系為主要合金系為Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn及及Mg-RE-Zr等。等。大部分為大部分為含稀土元素的鑄造鎂合金含稀土元素的鑄造鎂合金。Mg-Al-Zn系系：最典型和常用的鎂合金是：最典型和常用的鎂合金是ZM5。Mg-Zn-Zr系系：ZM1加入稀土和氫化處理后，各類強(qiáng)度加入稀土和氫化處理后，各類強(qiáng)度得到得到，鑄件致密，易鑄造和焊接，可在，鑄件致密，易鑄造和焊接，可在170200工作，用于飛機(jī)的發(fā)動機(jī)和導(dǎo)彈各種鑄件工作，用于飛機(jī)的發(fā)動機(jī)和導(dǎo)彈各種鑄件.Mg-RE-Zr系系：ZM6是性能最好的合金，熱處理后室是性能最好的合金，熱處理后室溫溫 、高溫瞬時(shí)高溫瞬時(shí) 和蠕變和蠕變 高，可在高，可在250長期工作長期工作1.固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)與溶劑原子差別越大，屈服強(qiáng)度越高。固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)與溶劑原子差別越大，屈服強(qiáng)度越高。溶質(zhì)溶質(zhì)與鎂的原子尺與鎂的原子尺寸差寸差（dmg-dm）/dmg溶質(zhì)每增加溶質(zhì)每增加1%的的強(qiáng)化效果強(qiáng)化效果(屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度)AlZnCaCeThLi1016-24-14-1352545110148212-12.5.鎂合金的熱處理v2.沉淀強(qiáng)化：經(jīng)固溶及時(shí)效處理后理想的沉淀相是彌散分布、與基體有共格關(guān)系、不易粗化。v但鎂合金中尚未發(fā)現(xiàn)GP區(qū)，沉淀相隨溫度升高快速粗化變軟，時(shí)效強(qiáng)化較鋁合金差。v3.細(xì)晶強(qiáng)化：鎂合金細(xì)晶強(qiáng)化效果顯著。v方法（1）加入細(xì)化劑（RE、Zr、Ca、Sr、B）v（2）熱加工、塑性變形工藝。v4.形變強(qiáng)化：由于鎂合金滑移系少，通過形變強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。原理：通過大擠壓比擠壓，使合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，或等角擠壓技術(shù)，獲得細(xì)晶粒。12.6鎂合金的應(yīng)用鎂合金的應(yīng)用 汽汽車車工工業(yè)業(yè) 顯著減輕車重，降低油耗。顯著減輕車重，降低油耗。降低零部件加工和裝配成本；降低零部件加工和裝配成本；可極大改善噪聲、振動現(xiàn)象?？蓸O大改善噪聲、振動現(xiàn)象。目前在汽車上有目前在汽車上有60多個(gè)零部件采用了鎂合金，多個(gè)零部件采用了鎂合金，如方向盤軸、發(fā)動機(jī)閥蓋、變速箱殼等。如方向盤軸、發(fā)動機(jī)閥蓋、變速箱殼等。航航空空領(lǐng)領(lǐng)域域 ZM2、ZM3制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)前支撐殼制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)前支撐殼體和殼體蓋，前艙鑄件；體和殼體蓋，前艙鑄件；ZM5制造地空導(dǎo)彈艙體、戰(zhàn)機(jī)機(jī)艙，制造地空導(dǎo)彈艙體、戰(zhàn)機(jī)機(jī)艙，ZM6擴(kuò)大用于直升機(jī)發(fā)動機(jī)減速機(jī)匣、擴(kuò)大用于直升機(jī)發(fā)動機(jī)減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼肋等重要零件，殲擊機(jī)翼肋等重要零件，稀土超強(qiáng)鎂合金稀土超強(qiáng)鎂合金MB25、MB26代替部分代替部分中強(qiáng)鋁合金，在殲擊機(jī)上獲得了應(yīng)用。中強(qiáng)鋁合金，在殲擊機(jī)上獲得了應(yīng)用。家家用用電電器器 各種便攜式商品上（如數(shù)碼相機(jī)、攝象各種便攜式商品上（如數(shù)碼相機(jī)、攝象機(jī)、手機(jī)等）和播放器、電腦等產(chǎn)品上廣機(jī)、手機(jī)等）和播放器、電腦等產(chǎn)品上廣泛采用鎂合金泛采用鎂合金 鎂合金開發(fā)與應(yīng)用前途無量鎂合金開發(fā)與應(yīng)用前途無量 圖圖12.912.9壓鑄鎂合金在北美產(chǎn)系列汽車中的使用情況壓鑄鎂合金在北美產(chǎn)系列汽車中的使用情況 我國鎂合金材料開發(fā)與研究情況我國鎂合金材料開發(fā)與研究情況v鎂資源世界第一（菱鎂礦儲量世界首位鎂資源世界第一（菱鎂礦儲量世界首位27億噸、白云億噸、白云石礦青海鹽湖廉價(jià)鎂鹽石礦青海鹽湖廉價(jià)鎂鹽31.5億噸）；億噸）；v原鎂產(chǎn)量世界第一（原鎂產(chǎn)量世界第一（20萬噸，占世界產(chǎn)量近萬噸，占世界產(chǎn)量近1/2）；）；v原鎂出口世界第一（原鎂出口世界第一（80%作為初級原材料出口）；作為初級原材料出口）；v鎂及鎂合金深加工應(yīng)用規(guī)模和技術(shù)相對薄弱。鎂及鎂合金深加工應(yīng)用規(guī)模和技術(shù)相對薄弱。v v 49%鋁合金鋁合金v 14%稀土合金稀土合金v 17%鎂壓鑄件鎂壓鑄件 v 18%煉鋼脫硫煉鋼脫硫v 2%金屬還原金屬還原v國家科技部把鎂的產(chǎn)業(yè)化列入國家十國家科技部把鎂的產(chǎn)業(yè)化列入國家十五五重大攻關(guān)項(xiàng)目，把鎂的開發(fā)列入國家重大攻關(guān)項(xiàng)目，把鎂的開發(fā)列入國家863計(jì)劃計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目；v國家計(jì)委把鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展列入國家高新國家計(jì)委把鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展列入國家高新技術(shù)發(fā)展新材料專項(xiàng)；技術(shù)發(fā)展新材料專項(xiàng)；v在新世紀(jì)，鎂及鎂合金材料研究和應(yīng)用的在新世紀(jì)，鎂及鎂合金材料研究和應(yīng)用的快速發(fā)展已成為必然趨勢！快速發(fā)展已成為必然趨勢！v1.說明下列符號的物理意義說明下列符號的物理意義vZM5；MB15；AZ80A；2022/10/11工程材料學(xué)工程材料學(xué)曹志強(qiáng)教授曹志強(qiáng)教授電話：電話：84706169手機(jī)：手機(jī)：13941191184E-mail:大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022/10/11參考書參考書金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社2011年年金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)文九巴主編，機(jī)械工業(yè)出版社文九巴主編，機(jī)械工業(yè)出版社2011年年金屬材料學(xué)金屬材料學(xué) 吳承建吳承建 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 2001年年 金屬材料學(xué)金屬材料學(xué) 王笑天王笑天 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 1987年年 合金鋼合金鋼 章守華章守華 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 1981年年William F.Smith.Structure and Properties of Engineering Alloys 2nd edition.McGraw-Hill Education,1993.Schweitzer,Philip A.，Metallic Materials.New York：Marcel Dekker,Inc，20032022/10/11本課的特點(diǎn)本課的特點(diǎn)核心課程核心課程專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中占很重要位專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中占很重要位置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識最多最直置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識最多最直接的課程接的課程課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗(yàn)性的特點(diǎn)。課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗(yàn)性的特點(diǎn)。2022/10/11本課的特點(diǎn)本課的特點(diǎn)綜合性綜合性是內(nèi)容涉及知識面比較廣，涉及所是內(nèi)容涉及知識面比較廣，涉及所有以前學(xué)過的專業(yè)知識；有以前學(xué)過的專業(yè)知識；應(yīng)用性應(yīng)用性是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正在廣泛使用的材料和技術(shù)；在廣泛使用的材料和技術(shù)；經(jīng)驗(yàn)性經(jīng)驗(yàn)性是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中可變性還比較大。在實(shí)際應(yīng)用中可變性還比較大。2022/10/11本課的目的本課的目的掌握金屬掌握金屬合金化的原理合金化的原理，合金元素對鋼相，合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律；變、組織、性能影響的一般規(guī)律；理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點(diǎn)、理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點(diǎn)、組織形貌和力學(xué)性能組織形貌和力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能、化學(xué)性能和物理性能之間的關(guān)系；之間的關(guān)系；經(jīng)過對常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面經(jīng)過對常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合理理選用材料選用材料，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較成熟的基礎(chǔ)理論，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識來解決金屬材料使用過程中的實(shí)際問題。知識來解決金屬材料使用過程中的實(shí)際問題。2022/10/11 本課的內(nèi)容:緒論（緒論（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）鋼鐵材料（鋼鐵材料（34學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）（包括工程構(gòu)件用鋼、機(jī)器零件用鋼、工模（包括工程構(gòu)件用鋼、機(jī)器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼）具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼）鑄鐵（鑄鐵（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）鐵、可鍛鑄鐵）有色金屬及合金有色金屬及合金(8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí))（鋁合金、銅合金、鈦合金）（鋁合金、銅合金、鈦合金）2022/10/110金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料 0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/1101金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史0.1.1第一階段第一階段原始金屬材料的生產(chǎn)原始金屬材料的生產(chǎn)0.1.2第二階段第二階段金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)0.1.3第三階段第三階段微觀理論大發(fā)展微觀理論大發(fā)展0.1.4第四階段第四階段微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究2022/10/11世界上最早使用鐵是小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前14001400年左右。年左右。年左右。年左右。古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前10001000年。年。年。年。中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前700700年）年）年）年）。0.1.1第一階段第一階段原始金屬材料的生產(chǎn)原始金屬材料的生產(chǎn)2022/10/11 鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進(jìn)入了一個(gè)鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進(jìn)入了封建社會。制的枷鎖而進(jìn)入了封建社會。東漢時(shí)期出現(xiàn)東漢時(shí)期出現(xiàn)鍛打鍛打原始形變熱處理，原始形變熱處理，“浴浴以五牲之溺，淬以五牲之脂以五牲之溺，淬以五牲之脂”水淬和油淬水淬和油淬2022/10/11我國從春秋戰(zhàn)國時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星我國從春秋戰(zhàn)國時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在在天工開物天工開物一書中就記載了古代的一書中就記載了古代的煉鋼和熱處理煉鋼和熱處理等工藝。等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。經(jīng)有了較高的成就。宋應(yīng)星宋應(yīng)星高爐鐵水流入煉鋼爐高爐鐵水流入煉鋼爐（方塘），人急速攪動，（方塘），人急速攪動，利用空氣氧化鐵水中的利用空氣氧化鐵水中的碳，用潮濕泥灰做氧化碳，用潮濕泥灰做氧化劑加速脫碳（低碳鋼，劑加速脫碳（低碳鋼，高碳鋼）高碳鋼）2022/10/11 0.1.2第二階段第二階段金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ) 1803年年原子學(xué)說原子學(xué)說 1830年年-32種晶體類型種晶體類型 1839年年-Miller指數(shù)指數(shù) 1861年年-鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度 1864年年-金相照片金相照片 1888年年-滲碳體滲碳體 1891年年-點(diǎn)陣?yán)碚擖c(diǎn)陣?yán)碚?十九世紀(jì)末十九世紀(jì)末相律、固溶體、平衡相圖相律、固溶體、平衡相圖2022/10/111863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織共晶組織人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的。人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的。2022/10/111912年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。Si表面的重構(gòu)圖象表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀射線衍射儀2022/10/11 0.1.30.1.3第三階段第三階段微觀理論大發(fā)展微觀理論大發(fā)展 19001940年年Tammann建立相圖，建立相圖，Von laue 發(fā)發(fā) 現(xiàn)現(xiàn)X射線，射線，Bragg證實(shí)證實(shí)、相的存在，相的存在，Wever發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大縮小奧氏體區(qū)元素，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大縮小奧氏體區(qū)元素，Laves發(fā)現(xiàn)金發(fā)現(xiàn)金 屬間化合物。屬間化合物。Strauss發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，Brinell布氏布氏 硬度計(jì)，硬度計(jì)，Griffith斷裂理論等。斷裂理論等。AusteniteAusteniteBainiteBainiteSorbiteSorbiteMartensiteMartensiteTroostiteTroostiteLedeburiteLedeburite英英美美英英德德法法德德2022/10/110.1.4第四階段第四階段微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（界的更深層次（10-7m）透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 2022/10/111934年位錯(cuò)理論的提年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識材料的對于人們認(rèn)識材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的度材料具有劃時(shí)代的意義。意義。金屬鈦中的位錯(cuò)金屬鈦中的位錯(cuò)2022/10/111938年，提出TTT曲線、擴(kuò)散、位錯(cuò)滑移、第二相沉淀析出理論，Cottrell氣團(tuán)。發(fā)明了TEM、SEM、STM（掃描隧道顯微鏡）、AFM（原子力顯微鏡）、EPMA等。2022/10/11緒論緒論金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來 0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料 0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/11哥哥哥哥倫倫倫倫比比比比亞亞亞亞號號號號航航航航天天天天飛飛飛飛機(jī)機(jī)機(jī)機(jī)材料是指人類用以制造材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。各種有用器件的物質(zhì)。0.2.1 材料材料2022/10/11材料是人類生產(chǎn)和生活材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手手錘錘銼刀銼刀“神舟神舟神舟神舟”四號飛船成功返四號飛船成功返四號飛船成功返四號飛船成功返回回回回國產(chǎn)渦噴國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機(jī)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)2022/10/11前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)在1957年把年把第一顆人造衛(wèi)星第一顆人造衛(wèi)星送入太空，送入太空，令美國人震驚不已，認(rèn)識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)令美國人震驚不已，認(rèn)識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料。聚合物材料。前前蘇蘇聯(lián)聯(lián)第第一一顆顆人人造造衛(wèi)衛(wèi)星星及及其其運(yùn)運(yùn)載載火火箭箭2022/10/11材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人，是人類社會進(jìn)步的里程碑和劃時(shí)代的標(biāo)志。材類社會進(jìn)步的里程碑和劃時(shí)代的標(biāo)志。材料和能源、信息被稱為人類社會的料和能源、信息被稱為人類社會的“三大三大支柱支柱”。第一次工業(yè)革命（第一次工業(yè)革命（18世紀(jì)）：世紀(jì)）：制鋼工業(yè)制鋼工業(yè)的的發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命（第二次工業(yè)革命（20世紀(jì)中頁以來）：世紀(jì)中頁以來）：單單晶硅材料晶硅材料對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。心作用。2022/10/11材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。龍芯龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)聯(lián)想計(jì)算機(jī)沒有沒有沒有沒有半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。機(jī)技術(shù)。機(jī)技術(shù)。機(jī)技術(shù)。2022/10/11沒有沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。航工業(yè)。飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片波音客機(jī)波音客機(jī)在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片2022/10/110.2.2.材料科學(xué)材料科學(xué)主要是研究材料的材料科學(xué)主要是研究材料的組分、結(jié)構(gòu)與組分、結(jié)構(gòu)與性能性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。2022/10/11使用性能使用性能成分與結(jié)構(gòu)成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)性質(zhì)合成與加工合成與加工MSEMSE四要素四要素使用性能使用性能材料的性質(zhì)材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分結(jié)構(gòu)與成分合成與加工合成與加工2022/10/110.2.40.2.4現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料傳統(tǒng)金屬材料傳統(tǒng)金屬材料:Fe、Cu、Al、Ni、Mg、Ti。金屬間化合物金屬間化合物:NiAl、AlNi3、AlFe3、AlFe、Al3Ti、AlTi、AlTi3等。等。現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料:（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料）高溫合金材料（3）新型工具鋼）新型工具鋼（4）金屬功能材料）金屬功能材料2022/10/11（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料我國鋼鐵世界第一，但我國鋼鐵世界第一，但27依賴進(jìn)口，依賴進(jìn)口，8不能生不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。需要高比強(qiáng)度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、需要高比強(qiáng)度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化的鋼，超細(xì)鋼、純、均、抗老化的鋼，超細(xì)鋼、純、均、細(xì)組織。細(xì)組織。低合金高強(qiáng)度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金。不銹鋼、硬質(zhì)合金。9.11之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。2022/10/11(2)高溫合金材料高溫合金材料耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達(dá)到750-850，對于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他難熔金屬為基體的合金航空發(fā)動機(jī)渦輪盤航空發(fā)動機(jī)渦輪盤 2022/10/11（3）新型工具鋼）新型工具鋼 HIP（熱等靜壓），（熱等靜壓），CPM（坩堝粉末冶金（坩堝粉末冶金法），法），CVD、PVD、離子滲入法涂覆、離子滲入法涂覆TiC、TiN、TiCN、Al2O3等高速鋼。等高速鋼。（4）金屬功能材料）金屬功能材料 光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、生物醫(yī)用材料、儲氫材料、電性材料、料、生物醫(yī)用材料、儲氫材料、電性材料、智能材料等。智能材料等。2022/10/11緒論緒論金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來 0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/110.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢0.3.1 結(jié)構(gòu)材料的高性能化結(jié)構(gòu)材料的高性能化(超級鋼)日本1997 年出臺了超級鋼研究工程(STX-21)項(xiàng)目。其目的是開發(fā)對社會和經(jīng)濟(jì)影響最大的新型結(jié)構(gòu)材料,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)和通過將超級鋼的強(qiáng)度和壽命提高1 倍來降低超級鋼的總成本。1998 年10 月我國在“九七三”項(xiàng)目中批準(zhǔn)了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目,并作為我國第一批“九七三”啟動的項(xiàng)目之一。2022/10/111998 年3 月,在國際鋼鐵協(xié)會(IISI)主持下,由歐洲和北美35 家鋼廠和汽車廠聯(lián)合的“超輕鋼車身”項(xiàng)目出籠(ultralight steel body project,ULSAB),它要求車身強(qiáng)度提高80%,車重減輕25%,車重可由平均1 300kg/輛降至900 kg/輛,達(dá)到百公里燃耗可降0.17L/輛,這項(xiàng)計(jì)劃預(yù)計(jì)2003 年底結(jié)束,實(shí)際鋼材面板屈服強(qiáng)度提高1 倍。2022/10/11中國超級鋼的研究中國超級鋼的研究 國家973項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項(xiàng)目由國家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項(xiàng)目的有五個(gè)大專院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個(gè)研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽金屬所等），九個(gè)鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠），三個(gè)汽車廠。涉及品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等。2022/10/11鋼類鋼類組織組織現(xiàn)有強(qiáng)度現(xiàn)有強(qiáng)度（MPa）目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度（MPa）超細(xì)晶尺寸超細(xì)晶尺寸（m mm）低碳鋼低碳鋼鐵素體珠光體鐵素體珠光體200400(a a)5低（微）低（微）合金鋼合金鋼低碳貝氏體或針低碳貝氏體或針狀鐵素體狀鐵素體400800(a a)1-2合金結(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)鋼回火馬氏體或貝回火馬氏體或貝/馬復(fù)相鋼馬復(fù)相鋼8001500(g g)5研究目標(biāo)研究目標(biāo)0.3.2我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢 鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入衰退階段，原因就是有許多新鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入衰退階段，原因就是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。業(yè)放在第三世界國家。而鋼鐵在我國還在成熟階段，而鋼鐵在我國還在成熟階段，2012年年我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破7億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由例由2004年的年的26.3%上升到上升到2012年的年的48.7%。萬元萬元GDP能耗能耗20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的10倍。倍。2003年中國年中國 消耗全球消耗全球30%原材料和能源，原材料和能源，GDP占世界占世界4。我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢2022/10/112022/10/11我們?nèi)匀幻媾R諸多問題，最明顯的有三個(gè)一，每年我們需要進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼一，每年我們需要進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼20002000萬噸以上。萬噸以上。二、每年鐵礦石價(jià)格定價(jià)上，中二、每年鐵礦石價(jià)格定價(jià)上，中國缺乏發(fā)言權(quán)。國缺乏發(fā)言權(quán)。三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大。我國每萬元的工業(yè)增加值中取水量是90立方，是發(fā)達(dá)國家的37倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52，比發(fā)達(dá)國家低35，單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達(dá)國家水平（2003年CO2 世界第二；有機(jī)污水全球第一）每百萬美元每百萬美元GDP的能耗的能耗2022/10/11（1）開發(fā)高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度、高使用要求的鋼材，如轎車用面板、家電外用板、彩電電子儀器用板、不銹鋼光亮板、石化用板、國防軍工用板、橋梁用板、耐候鋼板、海洋與石油用板。0.3.3我國材料的發(fā)展對策我國材料的發(fā)展對策2022/10/11(2)盡量采用地球儲量豐富或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境影響小的元素。(3)盡量降低強(qiáng)韌化元素的含量或減少合金元素種類，盡量采用同類元素，作為強(qiáng)韌化的元素。(4)開發(fā)通用型、簡單型及節(jié)約型合金鋼。微合金調(diào)質(zhì)鋼。(5)空間金屬Ti合金比強(qiáng)度高、高低溫強(qiáng)度高、耐蝕性高。TiAl、Ti3Al金屬間化合物代替Ni、Nb基高溫合金。2022/10/11作業(yè)：1.現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由材料的（）、（）、（）和（）四個(gè)基本要素組成。2.金屬材料學(xué)課程具有（）、（）和（）的特點(diǎn)。