工程材料第1章材料的分类与钢铁生产

工程材料河北工程大学机电学院相关事宜成绩评定方法：平时成绩和实验成绩20%，期末考试成绩占80%。学时：40讲课36+实验6（实验与机电实验室牛兰芹老师联系）答疑：周二下午，A02-405联系方式：李丽，138310832766教材：《工程材料》王建民主编参考教材：《机械工程材料》于永泗主编第1章材料的分类与钢铁生产1.1材料的分类1.2钢铁生产何谓材料？人类用以制造各种有用物品的物质。§1.1材料的分类二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机材料是人类生产和生活所必须的物质基础。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。一、材料的发展史石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）狩猎图石刀、石茅、石箭早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。司母戊大方鼎4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。越王勾践剑我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图宋应星埃菲尔铁塔国家游泳中心——水立方国家体育场——鸟巢龙芯磁悬浮列车波音客机二、材料的分类按应用领域分类1.机械工程材料2.建筑工程材料3.电子工程材料4.航空材料等按性能结构特点分类1.结构材料（承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料）2.功能材料（具有一种或几种特定功能，用于非承载目的材料）按组成与化学键分类1.金属材料2.无机非金属材料(陶瓷材料）3.高分子材料4.复合材料1.金属材料特点以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽，熔点较高。用量最大、应用最广泛黑色金属—铁及铁合金（钢铁材料）有色金属—轻金属,重金属,贵金属,半金属，稀有金属及其合金黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。鸟巢4.2万吨Q460钢材金属材料制品2.无机非金属材料特点：（以陶瓷为例）以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨、脆性大混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等传统陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷发动机特种陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。3.高分子材料塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等以分子键和共价键为主分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。ETFE（聚氟乙烯）耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁能力强4.复合材料按基体材料可分为金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料航空发动机材料发展的历程示意图随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。三、工程材料课程的目的和特点工程材料学论述工程上常用材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及其应用的一门学科任务⑴了解工程材料的基本理论知识；⑵掌握化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系⑶了解常用材料的用途和加工工艺；⑷初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。①化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。②组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。钢锭的宏观组织显微组织电镜组织③结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。Al的高分辨透射电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点举例1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构不同，见下图）举例2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。举例3两根锯条，同时加热（800℃），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因加工工艺不同导致组织不同，见下图）主线：强化纯金属做为结构材料其性能特点是强度、硬度低；塑性、韧性好，做机械零件强度、硬度不足；塑性、韧性有余。因此，强化是本课程的主线，全书都是围绕如何强化纯金属来编写的，如固溶强化、细晶强化、形变强化、合金化、马氏体强化、时效强化等。每一种强化方法都是为了改善材料内部的组织结构，从而改善材料的性能。§1.2钢铁材料生产简介一、炼铁原料：铁矿石、焦炭和石灰石设备：高炉过程：燃料的燃烧、铁的还原、增碳、杂质的混入、选渣高炉产品：生铁根据含硅量不同分炼钢生铁和铸造生铁副产品：炉渣和高炉煤气二、炼钢本质：利用氧化的方法去除生铁中的硅、锰、硫、磷杂质和过量的碳，使成分达到标准规定的要求，以改善其性能。基本过程：氧化过程和脱氧过程炼钢方法：转炉炼钢法和电炉炼钢法a)氧气顶吹转炉b）电弧炉炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸成钢坯。在炼钢脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度。通常按脱氧是否完全把钢分为镇静钢与沸腾钢。图1-3钢的浇注a）型铸b）连铸图1-4钢锭a）镇静钢b）沸腾钢三、钢材生产板材和型材：轧机轧制管材：通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝管材;无缝管材：先用斜轧穿孔机在实心管坯上穿孔，再用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。线材：直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产。