1、第第1章章 材料的分类与钢铁生产材料的分类与钢铁生产1.1 材料的分类材料的分类1.2 钢铁生产钢铁生产何谓材料？何谓材料？人类用以制造各种有用物品的物质。人类用以制造各种有用物品的物质。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信二十世纪七十年代，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。息并列，称作现代文明的三大支柱之一。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 铁是人类生产和生活铁是人类生产和生活 所必须的物质基础所必须的物质基础。材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时
2、代。家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展史材料的发展史l 石器时代（公元前石器时代（公元前10万年）万年）l 青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前3000年）年）l 铁器时代（公元前铁器时代（公元前1000年年l 水泥时代（公元水泥时代（公元0年）年）l 钢时代（钢时代（1800年）年）l 硅时代（硅时代（1950年）年）l 新材料时代（新材料时代（1990年）年）l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，中华年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流期又出现了瓷器，并流传海外。传海外。4000
3、年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我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。国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。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星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。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。面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星 龙芯龙芯波音客机波音客机l 按
4、应用领域分类按应用领域分类 1.机械工程材料机械工程材料 2.建筑工程材料建筑工程材料 3.电子工程材料电子工程材料 4.航空材料等航空材料等l 按性能结构特点分类按性能结构特点分类 1.结构材料结构材料（承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料（承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料）2.功能材料功能材料（具有一种或几种特定功能，用于非承载目的材料（具有一种或几种特定功能，用于非承载目的材料）l按组成与化学键分类按组成与化学键分类 1.金属材料金属材料 2.无机非金属材料无机非金属材料 (陶瓷材料）陶瓷材料）3.高分子材料高分子材料 4.复合材料复合材料 特点特点l以金属键结合为主以金属键
5、结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导 热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 ，熔点较高。，熔点较高。l用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属铁及铁合金（铁及铁合金（钢铁材料钢铁材料）有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,半金属，半金属，稀有金属稀有金属 及其合金及其合金黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿吨，亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。鸟巢鸟巢4.2万吨万吨Q460钢材钢材2.无机非金属材料无机非金属材料特点：（以陶瓷为例）特点：（以陶
6、瓷为例）l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐高温抗氧化、耐耐高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨、脆性腐蚀、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、陶瓷等传统陶瓷传统陶瓷，是以天然材料，是以天然材料(如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等)为原料的为原料的陶瓷，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发动机陶瓷发动机特种陶瓷特种陶瓷，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），常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。物），常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。塑料、
7、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等l以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主l分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小好，密度小 高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮高分子材料在机械、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。中被广泛应用。ETFEETFE（聚氟乙烯）耐腐蚀（聚氟乙烯）耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁性、保温性俱佳，自清洁能力强能力强 按基体材料可分为按基体材料可分为l金属基复合材料金
8、属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的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。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玻璃纤维增强高分子复合材料航空发动机航空发动机材料发展的历程示意图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、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。耐高温、耐腐蚀
9、、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材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。料及材料加工方面的问题。l 工程材料学工程材料学 论述工程上常用材料的论述工程上常用材料的成分、成分、组织结构组织结构、加工工艺与性加工工艺与性能能之间关系及其应用的一门学科之间关系及其应用的一门
10、学科 l任务任务 了解工程材料的基本理论知识；了解工程材料的基本理论知识；掌握化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系掌握化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系 了解常用材料的用途和加工工艺；了解常用材料的用途和加工工艺；初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺 路线的能力。路线的能力。化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。组成材料各元素在材料中的浓度。组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察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。到的金属内部的情景。钢锭的宏观组织钢锭的宏观
11、组织显微组织显微组织电镜组织电镜组织 结构：结构：材料中各原子的具体组材料中各原子的具体组合状态。一般通过合状态。一般通过X-射线衍射射线衍射或透射电镜研究。或透射电镜研究。Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱举例举例1 1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前金刚石（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）（因晶体结构不同，见下图）举例举例2 2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯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
12、不易弯曲，即塑性不同曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。（因两者成分不同）。举例举例3 3两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（800800），然后一根水冷，），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧一根空冷，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）（因加工工艺不同导致组织不同，见下图）主线：主线：强化强化 纯金属做为结构材料其性能特点是强度、硬度低；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、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
13、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、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。改善材料的性能。1.2 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介一、炼铁一、炼铁l原料：原料：铁矿石、焦炭和石灰石铁矿石、焦炭和石灰石 l设备：设备：高炉高炉l过程：过程：燃料的燃烧、铁的还原、燃料的燃烧、铁的还原、增碳、杂质的混入、选渣增碳、杂质的混入、选渣l高炉
14、产品：高炉产品：生铁生铁 根据含硅量不同分炼钢生铁和根据含硅量不同分炼钢生铁和 铸造生铁铸造生铁l副产品：副产品：炉渣和高炉煤气炉渣和高炉煤气l本质：本质：利用氧化的方法去利用氧化的方法去除生铁中的硅、锰、硫、除生铁中的硅、锰、硫、磷杂质和过量的碳，使成磷杂质和过量的碳，使成分达到标准规定的要求，分达到标准规定的要求，以改善其性能。以改善其性能。l基本过程：基本过程：氧化过程和脱氧化过程和脱氧过程氧过程l炼钢方法：炼钢方法：转炉炼钢法转炉炼钢法和电炉炼钢法和电炉炼钢法a)氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉 b）电弧炉）电弧炉l炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸炼好的钢常浇铸成钢锭或连铸成钢坯。成钢坯。l在炼钢脱
15、氧过程中，通过控制在炼钢脱氧过程中，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是否完全把钢分为镇静钢与沸腾钢。腾钢。图图1-3钢的浇注钢的浇注a）型铸）型铸 b）连铸）连铸图1-4 钢锭a）镇静钢 b）沸腾钢l板材和型材：板材和型材：轧机轧制轧机轧制 l管材：管材：通过成形辊把带钢弯成管形，再焊接成有缝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。用特殊的方法轧至所需尺寸的管材。l线材：线材：直径在直径在6mm以下的线材多采用拉丝机生产。以下的线材多采用拉丝机生产。
