金属学与造船材料.ppt

金属学与造船材料(1),一、课程介绍,三、金属的组织、结构与性能特点,四、造船材料的分类,二、材料科学的发展,第1章 绪论,一、课程介绍,金属学与造船材料是高等工科院校船舶设计与制造专业的基础课程之一，主要包含金属学、金属的热处理工艺、造船用钢铁材料、其它造船材料等四部分,第1章 绪论 1.1 材料科学的发展 1.2 金属的组织、结构与性能特点1.3 造船材料的分类第2章金属的结构与结晶 2.1 金属及合金的结构 2.2 金属结晶的条件 2.3 晶核的形成和长大第3章 合金相图*3.1 二元合金相图 3.2 铁碳合金的组元及基本相 3.3 Fe-Fe3C碳合金相图分析,第4章 金属的热处理工艺 4.1 钢在加热和冷却时的转变 4.2 金属的热处理工艺 第5章 造船用钢铁材料 5.1 船用钢材的冶炼、分类和编号 5.2 船用碳素结构钢5.3 船用合金钢5.4 船用特种钢第6章 其它造船材料 6.1 造船用有色金属材料 6.2 造船用非金属材料,学习目的,掌握有关金属材料学科的基本概念、基本原理和基本方法,为合理地选材和制订船舶材料的热加工工艺规程奠定坚实基础。,1、了解金属学的基本知识。2、掌握铁碳合金的结构及其相图。3、掌握常用船用金属材料的编号、性能及用途。4、了解造船用非金属材料。,教学基本要求,任务：使学生掌握金属学与造船材料的基本知识，为学习船舶与海洋工程专业打好基础。通过本课程的学习，应使学生达到下列基本要求：,本课学习方法：预习、笔记、复习、讨论问题本教材的重点：铁碳合金结构及其相图、常见造船材料,学习要求,熟悉常用术语和基本概念,牢固建立材料的性能取决于材料的组织、结构这一概念,熟悉造船材料的种类、成分及组织性能,作业20期末考试80,考核,学习要求,参考书：1、姜锡瑞，船舶与海洋工程材料，哈尔滨工程大学出版社，20002、徐轶群等，船舶工程材料，大连海事大学出版社，20103、崔忠圻等，金属学与热处理，哈尔滨工业大学出版社，20074、刘宗昌等，金属学与热处理，化学工业出版社，2005,参考书籍,材料的含义,广义的材料包括人类思想意识之外的所有物质。材料无处不在，无处不有。,绪 论,材料能源信息,现代技术的三大支柱,材料品种数量质量,国家现代化程度标志之一,材料的重要性,是人类生产、生活的物质基础,人类社会文明程度的重要标志之一,绪 论,当代社会经济的先导，是科技进步的关键,石器,材料科学的发展,陶器,铜器,钢铁,硅材料,纳米材料,材料发展概括,天工开物明朝科学家：宋应星 箸,石器时代,陶器时代,铜器时代：,司母戊鼎（公元前1116世纪）11307801100,战国编钟（前475221年）65个 总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝,泥巴（日晒原始陶器；火烧瓷器用具）,铁器时代 沧州铁狮（公元953年）重30T,长6.5m,宽3m,高5.5m,人工复合材 料,塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,本草纲目,农政全书,李时珍,徐光启,智能材料,沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,材料的四大家族 金属材料：综合性能等。陶瓷材料：高温、稳定性能等。高分子材料：耐腐蚀等特殊性能。复合材料：11大于2。,材料科学的发展,社会需求是材料发展的巨大动力 能源与材料：贮氢材料（钛锰及稀土类合金）、太阳能电池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（锆合金等）。航空航天材料：发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。船舶与海洋工程材料：柴油机(高温合金、陶瓷材料)、轮机（铜合金、铝合金、轴承合金）、船体（结构钢、低合金高强钢、不锈钢）人与材料：金属、无机、高分子及其复合材料。,材料科学的发展,国家大剧院采用的自清洁玻璃,具有广泛应用的纳米材料,材料科学的发展,纳米TiO2在可见光照射下对碳氢化合物(如油污、细菌)有催化作用，使其进一步被氧化成气体或很容易被擦掉的物质。,利用纳米技术还可以直接制造出超微型机械以制造出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。波士顿大学制造了世界上最小的仅有78个原子组成的分子马达。,材料科学的发展,美国德克萨斯州的科学家成功研制出了只有人体头发直径五万分之一大小的汽车 以色列正尝试采用纳米技术开发一种黄蜂大小的微型机器人，能够进行追踪、拍照、甚至攻击目标 这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础。,材料科学的发展,“拟黄蜂”军用机器人,纳米汽车,具有广泛应用的纳米材料,纳米红血球,纳米直升机,纳米探针,材料科学的发展,材料科学的发展,采用纳米技术对机械关键零部件进行表面涂层处理，可提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。芬兰在碳钢上涂上纳米复合涂层，涂层硬度达20.8GPa，比碳钢大幅度提高，涂层还具有良好的抗氧化性和耐高温性。美国西北大学在工具钢沉积碳化物纳米复合多层膜，如TiN/AlN和TiN/VN等，硬度超过50GPa.,材料科学的发展,造船材料的发展,木板船,独木舟,木筏,古代造船以木材为主，就地取材，优中选优，根据材料不同的特点和性能用在不同部位。,鄱阳湖之战,朱元璋,陈友谅,鄱阳湖之战，是元朝末年朱元璋和陈友谅为争夺南部中国在鄱阳湖水域而进行的一次战略决战，决战以朱元璋的完全胜利而告终。这次战役被视为中世纪世界规模最大水战。,造船材料的发展,散货船（普通碳素钢）,LNG（低温钢）,全铝合金导弹快艇,美国“短剑号”碳纤维复合材料高速隐身艇,造船材料的发展,造船材料的发展,现代船舶的船体结构制造所用材料主要是一般强度船体结构用钢、高强度船体结构用钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢、复合钢板、Z向钢、铝合金、增强塑料等。根据CCS 1998年材料与焊接规范和2002、2004年规范修改通报要求，所有金属材料必须从力学性能(强度、塑性、硬度、蠕变)、工艺性能（弯曲、焊接性）、化学成分、脱氧方法、交货状态（热处理）等方面符合规范要求。,一、良好的力学性能,1.强度 强度金属材料在外力作用下抵抗断裂和变形的能力。2.塑性 塑性金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。3.冲击韧性 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷和脆性破坏的能力。4.疲劳强度 疲劳强度金属材料抵抗外力反复作用下的能力，即在交变载荷无限次作用下不致引起破坏的能力，以N表示。5.硬度 硬度金属材料抵抗比它更硬物体压入表面内的能力。,船体结构对金属材料的基本要求,船体结构对金属材料的基本要求,二、优良的工艺性能,所谓工艺性能是指材料对各种加工方法的适应性。在现代造船中，采用最多的金属材料加工方法是焊接与弯曲。因此，作为船体结构材料必须具有良好的焊接性和优良的承受弯曲加工的性能。,船体结构用金属材料在海水中具有较高的耐腐蚀性能，而目前的一般强度船体结构用钢和高强度船体结构用钢还不能完全满足要求，在海水中的腐蚀都比较严重，据统计碳素钢为0.1毫米/年，含镍合金钢为0.08毫米/年。因此，船舶设计时必须增放腐蚀余量，这就增加了船体自重和材料消耗。从耐腐蚀观点出发，奥氏体不锈钢和双相不锈钢作为造船材料是比较理想的。,三、良好的耐腐蚀性能,造船材料要成本低、品种多、质量好、保证大量供应。要满足这些要求，必须立足于国内，国产材料应有良好的供应经济性，如船板厚度进级可为0.5毫米，角钢可以是不等边不等厚。也只有这样，才能保证充足的货源，满足我国造船工业的需要。,四、良好的经济性,船体结构用金属材料只有经过严格的、全面的性能试验，才能保证船舶的建造质量和航行安全。其试验项目包括有：拉伸试验、冲击试验、冷弯试验,脱氧、晶粒度、化学成分检验，焊接认可试验等。,五、良好的试验性能,材料按物质结构不同分：金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料 材料按用途不同分：机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料 材料按功能不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等,材料的分类,世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥(如建造一艘万吨的货轮),材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料指钢铁、有色金属等材料,非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。,现在新材料-纳米材料、智能材料,材料的分类,船舶、海洋开发是综合性的工业，需要的材料品种多、数量大。据粗略统计，建造一艏万吨轮需要1000多种材料和5000多吨钢材,造船材料的分类,材料的分类,结构材料,功能材料,强调利用材料的力学性能来满足工程结构上的需要,强调材料具有光、电、磁、热等特殊的物理性能,性能特点和用途,按功能：,材料的分类,金属材料,非金属材料,黑色金属,有色金属,陶瓷材料,高分子材料,复合材料,按本质、物理和化学性能：,金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽,黑色金属的分类,船用碳素钢,铸铁,船用合金钢,碳素结构钢,优质碳素结构钢,专用碳素结构钢,碳素工具钢,铸钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,灰口铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,有色金属的分类,铜及其合金,滑动轴承合金,铝及其合金,工业纯铜,黄铜,青铜,白铜,纯铝,铝合金,材料的分类,金属材料,非金属材料,黑色金属,有色金属,陶瓷材料,高分子材料,复合材料,非金属材料的分类,复合材料,陶瓷材料,高分子材料,金属和非金属元素间的化合物。具有很高的强度和硬度，较低的导电、导热性，延性、成型性及耐冲击性都很差。极好的耐高温和耐腐蚀特性,还有一些独特的光学、电学。,材料中原子之间的键合特点,复合材料,材料中原子之间的键合特点,陶瓷材料,高分子材料,非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。,非金属材料的分类,材料中原子之间的键合特点,复合材料是由两种或两种以上材料组成的，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可能具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。,非金属材料的分类,复合材料,陶瓷材料,高分子材料,结构,组织,构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。,指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。,金属的结构、组织与性能含义,性能,使用性能,工艺性能,指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。,力学性能,物理性能,化学性能,强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳,熔点、密度以及电、磁、光和热,耐腐蚀和抗老化,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,指材料的可加工性,热处理,粉末冶金,机械加工,铸造：将液态材料（如金属、塑料等）注入模具中的成型方法。铸造性能主要用材料的流动性来衡量。,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向,热处理,粉末冶金,机械加工,塑性加工：利用材料的延展性,在外力(如、锻、拉、挤、轧、弯)作用下将固态材料加工成型的方法。塑牲加工性主要用材料的变形抗力、变形开裂倾向来衡量。,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向,可焊性,热处理,粉末冶金,机械加工,焊接和胶接：将分离的部件连接到一起的成型方法.通常用可焊性来衡量材料的焊接性能。,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯；延展性；变形抗力、变形开裂倾向,可焊性,热处理,粉末冶金,机械加工,热诱发组织转变；,经压制、烧结成固体,切削加工,热处理:通过对材料加热(加热温度通常在熔点以下)、保温和冷却来调整其性能的工艺方法。机械加工:采用切削加工（如车、铣、钳、刨、镗、磨等）使固态材料成型。通常用材料的硬度来衡量其机械加工性能。粉末冶金：将材料粉末经压制、烧结成固体的成型方法。,机械加工,粉末冶金,热处理,材料的验收,任何材料的制造过程中不可避免地要与最适宜的制造工艺条件有些偏差，因此在使用之前要按其用途进行验收，以确定它们的性能是否符合要求,外观检查,化学成分分析,机械性能试验,工艺性能试验,材料的验收,