工程材料与成形工艺基础绪论与第一章金属材料基

机械制造教研室课程名称：《机械工程材料及成形工艺基础》第一章金属材料基础知识黎明职业大学机电工程及自动化学院学习目标与学习方法相关概念、金属材料性能金属材料成形加工的基本过程微观结构和微观组织特征、及其对宏观性能的影响日常生活现象本章主要内容学习目标与学习方法1、冰冻三尺非一日之寒学习目标与学习方法水分子结构1、冰冻三尺非一日之寒学习目标与学习方法水分子结构1、冰冻三尺非一日之寒学习目标与学习方法冰的结构六面体晶格结构1、冰冻三尺非一日之寒学习目标与学习方法六角棱柱体2、雪花是如何形成的？简单六角棱柱体星形盘状雪花学习目标与学习方法扇形分区盘状雪花雪花形状星形树枝有分枝和侧枝蕨类星形树枝学习目标与学习方法空柱体雪花是如何形成的？针状学习目标与学习方法戴帽柱状体雪花是如何形成的？十二边学习目标与学习方法三角形晶体雪花是如何形成的？霜晶体学习目标与学习方法高空、低温水汽结晶，形成降雪的必要条件：一是水汽饱和二是凝结核三是必要的环境温度3、为什么雪花融化后会形成粉末沉淀现象？固体微粒学习目标与学习方法金属之最(1)熔点最高：钨（W）3410℃；最低：汞（Hg）-39℃(2)密度最大:锇（Os）22.45g/cm3；最小:锂（Li）0.53g/cm3(3)硬度最大：铬（Cr）(4)延展性最好:金（Au），可制成万分之一毫米的金箔(5)导电导热性最好:Ag，Cu次之，Au第三。(6)人体内最多的金属：钙(7)地壳中含量最多的金属：铝(8)人类冶炼最多的金属：铁第一章金属材料基础知识第二节钢铁材料生产过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属材料的分类一第四节金属材料的性能四分类（按化学成分分）复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料1第一节金属材料的分类一概念1第一节金属材料的分类一金属纯金属合金合金钢钢铁的组成=95%以上铁+（0.05～4%）碳+1%杂铁碳合金(按钢铁材料的含碳量的质量分数w(C))含碳量＜0.0218%为工业纯铁；含碳量0.0218~2.11%为钢；含碳量＞2.11%为铸铁（生铁、白口铸铁）；含碳量＞4.3%无实用价值。钢与生铁的区别钢与生铁的区别钢的分类1第一节金属材料的分类一1.钢的分类①按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢的分类1第一节金属材料的分类一钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015②按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：有害物质钢的分类1第一节金属材料的分类一③按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢第一章金属材料基础知识第二节钢铁材料生产过程概述二第三节机械制造过程概述三1第一节金属材料的分类一第四节金属材料的性能四钢铁材料第二节钢铁材料生产过程概述二钢铁是使用最多的金属材料原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二钢铁冶炼技术发展简史远古至13世纪末：半熔融状态的铁块—海绵铁(spongeiron)；13世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁→粗钢，形成两步法炼钢；19世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；1864年法国人发明了平炉炼钢法(OH)；1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二全球部分钢厂产量排名排名公司国家2006年(百万吨)2005年(百万吨)同比增长2006200511米塔尔荷兰63.6649.8927.622安赛乐卢森堡54.3246.6516.433新日铁日本33.7032.9012.444JFE日本32.0229.578.355浦项韩国31.2031.42-0.766宝钢中国22.5322.73-0.9926唐钢中国19.0616.0818.51618鞍钢中国15.0011.9026.11722沙钢中国14.6312.0221.71816武钢中国13.7613.055.52424济钢中国11.2410.437.82527马钢中国10.919.6513.12625莱钢中国10.7910.344.42723首钢中国10.5510.441.02831华菱中国9.918.4517.2中国年粗钢产量增长情况19901992199419961998200020022004200620085010015020025030035040045050036.4年代粗钢产量/Mt.a-1中国粗钢产量中国粗钢占全球粗钢产量的比例8.489.6311.212.2512.7212.6113.4113.6314.7715.6615.4017.8520.122.925.833.7965.3571.0080.9389.5492.6195.36101.24108.91114.56123.35127.64151.63181.55202.31272.80418.78489.00349.360481216202428323630.9钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二现代钢铁冶炼的两种基本流程钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二现代钢铁冶炼的两种基本流程烧结/球团—高炉—转炉—连铸机—轧机直接还原或熔融还原—电炉—连铸机—轧机非高炉炼铁高炉炼铁长流程短流程钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二钢材加工工艺流程钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二钢铁生产的典型工艺（长流程）钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二高炉炼铁(BlastFurnaceIronmaking)钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料(fuel)（焦炭和喷吹燃料）、熔剂(flux)（石灰石与白云石等）。冶炼1t生铁1.6~2.0t矿石0.4~0.6t焦炭(coke)0.2~0.4t熔剂钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二高炉冶炼用的原料主要有铁矿石磁铁矿（Fe3O4）-magnettie赤铁矿（Fe2O3）-hematite褐铁矿（mFe2O3·nH2O）-limonite菱铁矿（FeCO3）-siderite钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二黄铁矿—FeS2磁铁矿—Fe3O4褐铁矿—2Fe2O3·3H2O菱铁矿—FeCO3赤铁矿--Fe2O3钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二暗红色铁铝榴石晶体，产地奥地利立方体黄铁矿晶体，产地西班牙祖母绿、黄铁矿、方解石共生，产地哥伦比亚钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二铁矿石处理工艺流程矿石(ore)→破碎(crush)→筛分(screen)→富矿(high-gradeore)→混匀(mix)→高炉；矿石→破碎→筛分→贫矿(leanore)→磨矿(grinding)→筛分→选矿→造块→人造富矿→高炉钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二铁水预处理铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。预脱硫：电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂预脱硅：铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂预脱磷：盛铁水容器中喷吹氧化剂铁水预处理按需要可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中时行。简化炼钢过程，提高钢的质量易引起热脆，铁水脱硫条件比钢水脱硫优越减少转炉石灰消耗量，减少渣量和铁损；预脱磷的需要使钢产生冷脆性HotMetalPretreatment钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二铁水预脱硫扒渣工艺钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料金属料铁水；废钢；铁合金；辅助材料造渣材料；氧化剂；冷却剂；还原剂和增碳剂。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一般占金属料的70～100%。铁水成分和铁水温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标非常重要。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——铁水成分Si：发热元素，转炉热量来源。根据[P]，[Si]一般在0.4～0.8％范围内Mn：有利元素。[Mn]一般在0.2～0.4％左右P：有害元素，强发热元素。P是高炉不能去除的元素，故只能要求[P]稳定，采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除。S：有害元素。[S]0.04％。采用铁水预处理脱硫，[S]0.015％。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——铁水温度铁水温度应1200～1300℃，且保持稳定，以利于炉子热行，迅速成渣。有铁水预处理工艺，铁水温度应适当提高。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——废钢废钢是电炉炼钢的基本原料，用量占钢铁料的70％～90％。对转炉来说，既是金属料也是冷却剂。合金钢废钢应按所含合金分组堆放。应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的泥沙、耐火材料和炉渣等。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进行解体和切割；对轻薄料要打包或压块，以缩短装料时间。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——铁合金炼钢中广泛使用的各种脱氧和合金化元素与铁的合金。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金；还有铝、锰、镍等金属。铁合金应合理选用以降低成本，使用前应烘烤以减少气体带入。另外要纯净，不得混有其它夹杂物，块度要适当。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——辅助材料造渣材料石灰（CaO）。碱性炼钢方法的基本造渣材料，有强的脱磷、脱硫能力，对炉衬危害小。石灰要求含有效CaO大于80～85％，含S和SiO2低，块度小而均匀，且无细粉；生烧过烧率要小；不能潮解，应保持干燥、新鲜。萤石（CaF2）。熔点低（1418℃），能使CaO熔点显著降低，加速化渣，改善渣的流动性。萤石要求：CaF285%。白云石（MgO）。增加渣中Mg含量，以减少炉衬中MgO向炉渣中转移，且能促进前期化渣。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——辅助材料氧化剂氧气。炼钢中氧的重要来源。一般要求氧气纯度应大于98％，冶炼低氮钢种时，应大于99.5％。还应脱除水分。铁矿石、氧化铁皮。铁矿石要求含铁高，SiO2、P和水分少，使用前要加热。氧化铁皮要求杂质少，不含油污和水分，使用前必须烘烤。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——辅助材料冷却剂富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮。利用它们所含FexOy氧化金属中的杂质时，需要吸收大量的热而起到冷却的作用。石灰石。缺少以上冷却剂时，可以使用，CaCO3分解时吸收大量热量。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二炼钢用原材料——辅助材料还原剂和增碳剂电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼中、高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂。钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二转炉炼钢（BOS）钢铁材料生产过程第二节钢铁材料生产过程概述二电炉炼钢(EAF(Electricarcfurnace)steelmaking)钢铁材料生产过程第