金属材料发展历史与展望.ppt

1,金属材料学,2,主讲教师 张静,通讯地址：西北工业大学材料学院公字楼415邮 编：710072,联系电话：,3,上课时间与考察,上课时间：413周 周三、周五的五、六节考试方式：闭卷,陈铮，西北工业大学，金属材料学讲义戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，北京，2005金属材料手册材料科学基础，胡赓祥，蔡珣P401金属材料学，吴承建,4,参考文献,5,我们将学习：,金属材料的地位与作用,历史与发展。金属材料的物理、化学性质,结构。主要金属的基本原理金属与合金:铝、钛、铜、镁、稀土、合金钢等,性质与应用,制造工艺,典型合金。新材料:介绍目前世界上出现的新型金属材料,6,课程特点和要求,7,第一章金属材料的进展,8,本章框架,发展战略,发展史与现状,未来,问题与趋势,作用与地位,展望,回顾,9,第一节 发展史与现状,10,一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。,人类历史的划分,现代社会,三大支柱,能源、信息和材料（1998）,生物工程，信息技术和新材料,石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。,11,12,二、材料的发展史，就是人类科技的发展史。,信息、材料、能源、生物技术,现代高科技,材料人类社会发展的里程碑！,新材料现代科学技术和社会发展的基础和支柱！,社会文明支柱，科技创新的重要标志！,13,金属材料发展的四个阶段,一 原始钢铁生产,4300B.C.金、铜、铁，铸造、锻打中国的宝剑、西欧的大马士革刀，日本武士剑,二 金属材料学科的基础,1778，第一座铁桥；1818，铁船下水；1825，铁路；铁构成金属材料学科的基础,14,19世纪，金属学、金相学、相变理论的发展,1803，道尔顿的原子学说，阿伏加德罗分子论1830，Hessel 的32种晶体类型1839，Miller指数的普及1891，点阵结构理论的创立,1864，Sorby，第一张金相组织照片，9倍1827-1888，Fe3C的分离(Karsten)和认知(Abel)十九世纪中后，钢的金相学发展：Willard Gibbs的相律推导，Robert-Austen奥氏体固溶特性，Roozeboom的Fe-Fe3C相图建立,15,1669,N.Steno,晶面角守恒定律,1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说,1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射,1915,W.H.Bragg and W.L.Bragg*X射线晶体结构分析方法,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术*（STM、AFM）,三 微观组织理论大发展,合金相图、X射线，位错理论,16,Reaumur(1722)Hill(1748)在放大镜下观察出晶粒,Sorbit 发现并描述了细珠光体,Young(1807)提出材料弹性模量概念,Barlow(1826)关于材料强度的测定,Tehernoff(1861)发表了钢临界点的实验报告,Wshery(1860-1870)关于拉伸、扭转、变曲应力的工作及得出的第一条S-N曲线，开辟了材料、组织与性能间关系的科学研究,17,四 微观理论的深入研究,电子显微镜、扫描透射电镜（SYEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子显微镜（AFM）等新仪器的发明为微观研究进一步发展提供可能，随之产生了表面和界面科学,18,三、现代金属材料,1.先进结构材料特点：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损途径：细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术代表：铝镁合金、合金钢，复合材料,2.高温合金材料特点：高比强度、高比刚度，提高高温工作效率途径：颗粒或短纤维增强金属基复合材料用于：航空发动机，涡轮代表：Ti、Ti-Al合金,19,第二节 作用和地位,20,美国国家知识评估大纲,近几年来，由于科学技术的发展，世界运动方式发生了根本变化。长途通讯价格下降，计算机的普及，全球网络的出现，以及生物技术、材料科学和电子工程等领域的发展，创造出10年前根本不可能想象的新产品、新服务系统、新兴行业和新的就业机会，这就是人们所说的知识革命。,21,材料是国民经济、社会进步和国家安全 的物质基础与先导 先进材料具有强烈的基础性、支撑性、技术经济价值和迫切战略需求,材料的基础、先导、战略作用,22,高强高导铜合金，新型耐蚀、耐磨、高散热性等铜合金、高纯铜等。轻质高性能镁材，特别是镁基压铸材料。,典型先进金属材料,高强可焊铝锂合金，超高强铝合金，新型耐热、耐磨、高比强、高比模、高韧性铝合金，纤维增强和颗粒增强铝基复合材料等。,23,典型先进金属材料,高强高韧钛合金、热强钛合金、新型阻燃耐蚀功能钛合金、高性能锆合金、功能重材料钽钨合金、高精度铍材等。,铋系超导带材，钇系超导块材中。稀土永磁材料烧结NdFeB，第四代稀土永磁材料Sm2Fel7Nx。新型高性能稀土储氢材料，在镍氢电池中得到重要应用。,24,导弹与火箭的构件基本上采用铝合金、钛合金、镍基高温合金、镁合金和部分难熔金属合金。钛、铝及其合金成为舰船耐压壳体、核动力系统、武备系统、声纳系统等的主要材料。,一、国防支撑材料,铝材是飞机的主要结构材料，占重量比的5080，民用飞机铝材料用量在70以上。钛及其合金在新型飞机上用作结构材料，飞机越先进，钛用量就越大。,25,航空航天的物质基础,鍛铝2014（LD10）的力学性能,卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。,铝的理论强度4700MPa，当今高强铝合金强度没超过1000MPa。,26,“核时代金属”铍，在核武器中对增大爆炸威力起关键作用。铍的比刚度大，在导航系统中用作制造精密陀螺仪，对增加射程、提高命中精度起关键作用。,国防支撑材料,“原子时代第一金属”的锆，是核动力潜艇不可替代材料，80的锆材用作核动力堆的燃料包壳、容器管、压力管、格架、端塞和其它堆芯结构材料。,铀、铍、钽、钨、铂族金属、锗，被许多国家储存作为战略物资。美国对钨以钨精矿形式，钽和铍以纯金属形式进行储备，铂和钯被列为特殊战略金属。,27,21世纪中叶聚变能和太阳能将成为主要能源，可控核聚变反应堆工程需要大量锂、钼、锆、钛等。,二、高技术关键材料,铌、钛、锡、铋、钇等都是制取超导材料的基本组元，NbTi、Nb3Sn实用低温超导材料已商品化。表面工程和技术,有相当部分是稀有金属薄膜、半导体材料薄膜和贵金属薄膜。,28,高技术关键材料,稀土元素的特殊电子层结构使其在光、电、磁、化学上表现出奇异性能，已出现的一大批功能材料，如稀土磁性材料、稀土发光材料、稀土尾气净化材料、稀土储氢材料、高温超导材料等，2l世纪稀土将在功能材料中处于主体地位。美国公布的22种金属高科技材料中，稀土金属被列为第三位。,29,车辆中以铝代钢，减重50，增加运载量10，节能9.612.5，日常检修工时减少45。,三、国民经济的基础材料,电线、电缆占铜材总消耗量的50，铝材总消耗量的33,没有材料可替代。“蓄电池金属”铅的6070消费在蓄电池中。镍是制造镍氢电池、镍镉电池的原材料。,30,国民经济的基础材料,钛的极好耐蚀性在化工、海洋工程、冶金、能源等部门的应用，我国氯碱行业在5 000多台电解槽上使用钛阳极代替石墨阳极，年节电4亿多度。,钽的高纯化使钽电容器向轻、薄、小型化、可靠化方向发展。稀有金属的碳化物、氮化物成为广泛使用的切削刀具、钻头、耐磨工件、模具和耐磨涂层。,31,国民经济的基础材料,电冰箱、电视机、录相机、洗衣机等对有色金属提出了更高要求。铝材已进入建筑行业，约占铝耗量的20以上，在我国占30。铝用于制造刚性、柔性包装，复合材料容器和密封片盖等，美国包装用铝约占铝消耗总量的20，我国占812。,32,国民经济的基础材料,在世界金和铂的需求量中，90以上的金和3639的铂消费在饰品方面，我国是世界铂首饰第二大消费国。,铝合金管是农业喷灌地面、地下管网的材料，铝制粮仓与钢筋混凝土粮仓相比，建设劳动强度下降90左右，基建投资减少5060。,33,第三节 发展趋势,34,世界科学技术发展的优先领域,信息科学和技术生命科学和生物技术能源科学和技术环境科学和技术材料科学和技术高密度存储材料生态材料生物材料碳材料 高性能结构材料,要加快发展电子信息、生物工程和新材料等高新技术产业，形成工业发展新的增长点。十五届五中全会,6.纳米科学和技术7.先进制造技术,35,新世纪对材料提出新的要求,资源丰富,环境保护,节约能源,新材料,36,当 前 的 材 料,从使用要求：多样化、复合化、智能化、高性能,从 应用：结构材料功能材料结构/功能一体化材料,从材料：金属（合金）-金属间化合物金属/非金属化合物金属/非金属复合材料非金属复合材料,从组织结构：多晶单晶微晶纳米晶非晶,从形态尺度：块体薄膜线材（一维）,37,当代材料研究与制备的共性发展趋势,结构材料复合化、轻量化、功能化,功能材料小型化、多功能化和智能化,先进制备技术,材料科学设计,38,未来材料发展趋势,未来的材料,材料设计,分子设计和材料设计,指导合成和制备具有预期性能和使用效能的材料,智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化、高功能化,39,21世纪初的材料科学技术,随着资源的枯竭，环境的恶化，环境材料将日益受到重视,纳米材料科学技术将成为21世纪初最为活跃的领域,21世纪将逐渐实现按需设计材料,40,21世纪将逐渐实现按需设计材料材料,材料设计是一个很复杂的过程，如:材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质，可变因素多，一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性，以及复杂的环境因素等等。要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；大容量计算机；不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。,41,不同类型材料的发展前景,金属在结构材料中仍占主要位置，钢铁在今后几十年内的产量不会下降,目前全世界产量78亿吨。铜、铅、锌的资源接近枯竭，代用品成为当务之急，加速开发低品位矿的提炼方法。镁和钛将得到更广泛的应用。,42,不同类型材料的发展前景,稀有金属与稀土金属的用途将不断扩大。功能陶瓷将会有更大发展，工程陶瓷的性能将进一步提高。水泥的生产将大量采用矿渣、炉渣等废料，提高水泥标号，改进增强组元，减少水泥产量。玻璃将走向智能化达到节能的目的。,43,不同类型材料的发展前景,碳素材料资源丰富，碳的同素多形体而成为多用途的材料，碳纤维强度高而价廉；金刚石至今仍是最硬的材料，又是高温半导体的候选材料之一；纳米碳管应用前景广阔，将成为21世纪研究与开发的热点。,44,不同类型材料的发展前景,功能高分子材料，包括导电高分子、铁磁高分子、光学高分子，半导体及超导体以及存储和显示材料都已显示有发展前景，但有稳定性和老化问题。树脂基复合材料得到较为广泛的应用，金属基与陶瓷基复合材料成本过高而未打开局面。,45,高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题,高性能结构材料是高比强、高比刚、耐高温、耐腐蚀、抗磨损的结构材料。动力机械工作温度愈高，比强度和比刚度愈高，效率愈高飞机及航空发动机性能的改进，分别为23和12靠材料性能提高。卫星和飞船能减重1公斤就能带来极高的效益。汽车节油有37靠材料的轻量化，40靠发动机的改进，而绝热发动机（不需水冷）主要靠材料性能的提高。,46,2002高技术发展报告我国未来20年材料技术领域15项关键技术,开发出实用的高温超导材料并将其应用到若干领域；转换效率在20以上的太阳能电池进入实用阶段；纳米材料制备技术及纳米材料、纳米器件在若干领域的应用；开发出汽车动力用燃料电池；可在350高温下持续工作的聚合物基复合材料进入实用阶段；开发出与人骨基本相同的磷灰石基复合材料；开发出金属间化合物基高温结构材料；开发出适用于汽车及其他民用工业的钛合金；,47,2002高技术发展报告我国未来20年材料技术领域15项关键技术,汽车等交通工具的低成本、高强度铝、镁合金；开发出实用的全光开关材料和技术；开发出单电子存储器元件；新一代钢铁材料（即“超级钢”）进入实用阶段；开发出适用的塑料再生、循环利用技术；开发出高能量、高密度、持久耐用的充电电池；开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。,48,先 进 结 构 材 料 发 展的 趋 势,材料的复合化结构材料的功能和多功能化传统结构材料的高性能化低成本技术简化材料体系,一材多用先进制备和加工技术提前安排重要新结构材料的研制新材料的环境影响,49,(1)合成与加工技术,合成技术向纯化、细化、强韧化、均质化和复合化的“五化”发展；加工技术向特细、特薄、特精、特异和特大的“五特”发展；生产技术向高速化、连续化、自动化、紧凑化和近终形化的高效、节能、低耗和低成本发展。,50,(2)结构材料高性能化,结构材料的塑性、韧性、强度和硬度等达到以分子、原子水平预测和控制的阶段。新型高强高导框架材料铜合金、弥散强化无氧铜以及同步齿环材料用新型耐磨铜合金等。,51,(2)结构材料高性能化,高温结构钛合金不断提高使用温度，高强钛合金转向使用高温高韧合金。耐蚀钛合金成本、强度和耐蚀性等可与镍基合金竞争。反应堆、核武器、惯性导航仪系统以及空间飞行器的铍结构材料性能更高，铍铝合金可用于3马赫飞机腹翼。,52,(3)功能材料精细化、微型化和高功能化,交流用超细芯NbTi多线超导材料的芯丝直径到0.1m以下。钽电容器体积微型化，高比容钽粉愈来愈细，超细钽丝的精加工。NdFeB永磁材料的磁能积愈来愈高。高性能贵金属精密合金和精细复合材料是精细化、微型化和高功能化的典型代表。,53,(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向发展,非晶硅、多晶硅、单晶硅、GaAs提高转换效率、降低成本稀土镍化合物、镁系化合物和钛系化合物贮氢材料。低温超导材料在质子对撞机、核聚变装置、超导贮能系统、磁浮列车、超导发电机和电动机以及医用核磁共振成像仪等方面得到应用；高温超导电缆倍受重视。,54,(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向发展,核反应堆对包壳材料锆合金提出了高燃耗、长周期、高可靠和低成本的要求。聚核反应堆要求钼、钽、铌、钛、钒和高温结构陶瓷，铍、锆、Zr5Pb3，中子倍增材料。,55,(5)高新技术在合成与加工中相互渗透,“五化”和“五特”等合成与加工新技术，以及在高温、高压、高真空、低温和急冷等极端条件下的特种加工、特种熔炼、快速凝固、定向结晶、单晶控制、材料复合、表面改性、纳米技术、高能加工、薄膜制备、近终形技术、机械合金化、喷射成型和注射成形等新工艺、新技术、新装备。,56,(6)材料设计与建模,微观层次，从原子、分子出发，利用分子动力学、Monte Carlo等方法进行计算模拟。介观层次材料设计，重点在材料显微组织结构和工艺设计，利用相图计算。设计、模拟与制备具有新型材料，成为材料科学发展的重要方向。,57,美国 6070年代 阿波罗登月 7080年代 星球大战 8090年代 信息高速公路 90 纳米科技 俄罗斯 21世纪9项优先发展的科学、工艺、技术中“新材料和化学”排在第三,先进材料科技的国际发展趋势,建立先进材料科技体系,58,第四节 我国材料业的问题和发展战略,59,世界银行：中国与知识经济：把握21世纪2001年,在过去两千年中的很长一段，中国是世界上最大和最先进的国家，直到18世纪末，中国的国内生产总值约占全球25%，1820年为33%。中国的人均收入在12世纪前一直领先于西欧，在18世纪前一直领先于世界平均水平。后来，它错过了工业革命，经济出现停滞，1949年GDP仅占世界5%。,60,2003年全国产钢22012万吨，占全球钢产量的23，超过美国和日本之和，全球第一个年钢产量突破2亿吨的国家，2007年钢产量达到5亿吨,12年钢产量世界第一。2007年十种有色金属总产量继续保持世界第一。,基础材料跃居世界前列,关键要点：基础材料产业的可持续发展：节能、降耗、环境友好,61,2004年中国各种材料总产量及世界排名,62,能耗高,2002年每吨钢铁消耗标准煤0.715吨；日本为0.655吨。每吨铝锭综合能耗标准煤6.318吨，比发达国家高2倍。,63,废气：每吨钢铁排放CO2 2430kg，远 高于发达国家排放指标（芬兰：800kg)。废渣:2002年，黑色金属冶炼业、有色金属矿采选业、黑色金属矿选业的固体废物排放量分别占工业固体废物排放总量16.7%、14.6%、8.6%。废水：2002年，黑色金属冶炼业属于全国4个重点废水排放行业之一，排放量占重点统计企业废水排放量10.3。,环境污染严重,64,65,我国113个大中型有色金属矿山，资源枯竭型矿山占56.6，资源危机型矿山占28.9，后备资源有保证的矿山仅占19.5。长期出口粗级钨产品，我国由钨资源大国变成了钨资源缺乏的国家，20个黑钨矿仅剩2个。,我国几种原材料的单位GNP资源消耗率与世界平均水平的比较,资源消耗大，资源危机：,66,我国先进结构材料与先进国家的差距,未形成自己的体系仍处于仿制阶段,创新能力不足,自主开发的新材料很少。先进结构材料综合性能较低，生产技术和装备落后，通用性差，军用和民用材料两张皮。缺少先进材料的研究开发平台。对材料的制备技术重视不够。,67,加强基础与战略性的材料研究，促进成果转化材料的复合与组装材料智能化及结构功能一体化材料与环境、资源的“协调与融合”材料制备和表征技术经济可承受性和可持续发展军民结合、寓军于民,我国新材料技术发展战略,68,对先进结构材料的需求,航空航天的需求 能源工业的需求交通运输业的需求 武器系统的需求 建筑业的需求机械设备制造业的需求环境保护的需求国家重大工程的需求,69,先进结构材料研究发展重点,先进复合材料 高温结构材料 轻合金材料高强、高韧、耐蚀钢铁材料极端条件下使用的合金材料智能材料与结构 前瞻性先进结构材料传统结构材料的高性能化和绿色化材料先进制备工艺技术材料的表征、寿命预测和安全评估,陈铮，西北工业大学，金属材料学讲义戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，北京，2005金属材料手册材料科学基础，胡赓祥，蔡珣金属材料学，吴承建,70,参考文献,71,致 谢,本课件的基本内容引用国内外学者的专著、教材、论文、课件、报告、网页等，仅列出小部分参考形式，其余并未逐一注释，向相关学者表示感谢。特别感谢陈铮教授分享授课经验、参考资料和课件。张静,72,Thanks for your attention!,谢谢大家！,