材料-理论-技术讲座.ppt

材料、理论、技术 的演化和发展 刘宗昌 内蒙古科技大学 石器－铜器－铁器 材料的演化伴随着社会的进步。材料科学技术的每—次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人们生活带来巨大的变化。 远古，我们的祖先是以石器材料为工具，他们在寻找石器的过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世纪产业革命的物质基础。 一、关于新材料 新材料建构人类文明的大厦 当今公认：材料、能源和信息技术是现代社会文明的三大支柱。历史证明，每一项重大的新技术发现，往往都有赖于新材料的发展。如半导体材料的出现对电子工业的发展具有极大的推动作用。以电子计算机为例，自1946年世界上第一台真空管电子计算机问世以来，由于锗、硅等半导体材料、半导体器件的相继研制成功和广泛应用，计算机技术获得了极其迅速的发展，在60年里，经历了一代代产品更新。现在一台微型计算机和世界第一台大型电子管计算机的功能相当，但运算速度快了几千倍，体积仅为原来的三十万分之一，重量仅为六万分之—。 我国新材料的研究、发展和产业化 新材料研发取得了长足的进步，一大批新材料填补了国内空白，有些已达到国际先进水平。例如信息材料方面，我国的无机非线性光学晶体已达到国际领先水平。在能源材料方面，结合我国富有的稀土资源而研发的新型贮氢材料，已经成功地应用于镍氢电池的制造，形成国际市场。在高性能金属材料方面，我国继美国、德国等少数国家之后已经成功地建成了年产百吨级的非晶合金。在先进陶瓷方面我国也取得了令人瞩目的成绩。我国在先进复合材料的研制方面也已取得显著进步。 我国正在新材料的主要领域积极跟踪国际先进水平，努力创新，充分发挥本国资源和人才方面的优势，逐步形成具有中国特色的新材料体系。 世界钢铁材料发展动向： 1.高性能、高质量、低成本。 2.节约能源、少无污染。 3.提高材料比强度，从而减少构件重量。 4.材料可回收并循环使用。 重点发展的钢种是： 1.控轧、控冷低碳微合金钢。 2.非调质钢。 3.高纯净钢。 4.相变塑性钢。 5.冷作强化钢。 理论依据：（1）钢铁材料材的力学性能 屈服强度：σs σo+σG+σD+σP+σC σo：基体基本强度； σG Kyd-1/2，细晶强化，d为晶粒直径，Ky系数； σD KDρ1/2,位错强化，ρ位错密度，KD αμb, α系数，μ切变模量，b柏矢； σP：弥散强化，与第二相颗粒大小、间距、类型、体积分数f有关。 σC ：合金元素的固溶强化的作用。 （2）钢铁材料的韧性 韧性一般以脆性转化温度（Tc 来衡量，或FATT 出现50%解理断口的温度 。它和K1C也有对应关系。尤其板材和管线钢要求低温韧性。因此FATT十分重要。 对V-Nb微合金化控制轧制F/P钢给出以下关系式： FATT ℃ 131t1/2- 12.7d-1/2+0.45σP+46 其中：t碳化物平均尺寸，d,晶粒直径, σP第二相颗粒的强化作用。此式说明细化晶粒是降低FATT ℃ 最好的选择。 大力发展微合金化钢 1.V、Ti微合金化，适用于低碳和中高碳钢。 2.Nb 微合金化。仅对低碳钢 0.1%C 特别是IF钢效果明显。但是不能改善钢的热加工性能，可能出现热轧开裂，需要提高开轧温度。 3.用V-N进行微合金化。强化效果最佳，加入0.01% V ，强度可提高100MPa. 综合加入V、Ti、Nb、N进行多元微合金化，发展微合金化钢。 研发高纯钢 降低S、P等杂质含量可使塑、韧性明显提高 1. 研究表明，轴承钢氧含量降低到5-10ppm,其疲劳寿命可超过瑞典SKF名牌产品。 2.管线钢S从0.005%降至0.002%，低温冲击韧性 夏氏 由70J提高到150J。 3.铁素体不锈钢，C+N小于150ppm,可抗应力腐蚀并提高可焊性。 4. P有冷脆倾向。在4340钢中，P由0.03%降至0.003%时，冲击韧性可提高10J. 我国973计划中的纯净钢项目 1998年“新一代钢铁材料（超级钢）的重大基础研究”列入国家973计划。 新一代钢铁材料方向： （1）高纯净度 S、P、O、N、H等杂质总量低于100PPm ； （2）超细晶粒，晶粒直径小于4 μm （12级晶粒，平均直径d＝5.5μm） 。 （3）成分、组织的高均匀性。 日本“超级钢铁材料”目标是： 在不增加环境合金元素的前提下，将普通低高强度合金钢的强度提高一倍（由400MPa提高到800MPa），而且可以焊接，焊后不降低强度。 研究耐海水腐蚀的新钢种，使其寿命延长一倍。 超临界耐热锅炉钢板，服役条件：650℃，350大气压，