《现代粉末材料》PPT课件.ppt

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1、现代粉末材料,上课周次：27周教室：逸夫教学楼 207上课时间：周3晚上教材或参考书：粉末冶金原理 粉末冶金学 粉末冶金基础教程考试时间：第7周 周3 晚上平时作业：考试方式：开卷笔试,贾成厂：金物楼 230（办）6233-4271,尹海清：8237-7286（办）,绪论1.1 材料概述,材料：可以直接做成制品的东西。用于生产或生活的物质。（提供著作内容的产物，可供参考的事实等）Materials:That from which something is or made.材料：作，原料，。,材料的重要性,人类历史曾以材料划分 石器时代、铜器时代、铁器时代材料是社会发展、科技进步的三大支柱之一

2、能源、信息、材料材料无处不在材料对于我们来说既“陌生”又“熟悉”,以材料划分人类社会,石器时代：考古学分期中最早的一个时代，从人类起源到青铜器出现。200300万年。旧石器时代：粗糙的打制石器，渔猎、采集中石器时代：新石器时代：磨制石器、陶器，农业、畜牧业。铜器时代：使用青铜工具，农业、畜牧业发展。BC2000夏铁器时代：普遍制造和使用铁器。BC500东周,材料的历史功绩,新设计的产生取决于新材料的出现,晶体管 半导体材料激光 新的晶体与玻璃高效率燃气轮机 新型耐高温材料,工业革命的驱动力与标志,第一次工业革命 新型钢铁材料的出现第二次工业革命（信息时代）半导体硅的研究开发成功光计算机时代 电

3、子功能材料,2006年中国粗钢产量突破4亿吨,2006年生产粗钢41878.2万吨,比上年增加6533.25万吨，增长18.48%；生产生铁40416.7万吨，比上年增加6675.57万吨，增长19.78%，分别占全球粗钢、生铁产量的33.79%、46.6%；,【2006年中国粗钢产量大于世界排序26位国家粗钢产量之和。中国河北9096万吨】,2010年突破5亿吨,中国钢铁快速增长的势头没变,2007年中国粗钢产量4.89241亿吨,2007年世界粗钢产量13.44265亿吨,2007年全年出口钢材6265万吨，比上年(4301)增长45.7%；进口钢材1687万吨，比上年(1851)下降8.

4、9%；全年净出口钢材4578万吨,增长86.9%(2006:2450)。出口钢坯643万吨，比上年下降28.9%(2006:904)；进口钢坯24万吨，比上年下降35.1%。(2006:37)全年净出口钢坯619万吨。(2006:867)坯材合计2007年净出口5197万吨,增长56.7%(2006:3317),折成粗钢5489万吨,增长58%(2006:3473),中国钢铁的需求还有增长空间，但中国钢铁产量增长速度快于需求增速，钢铁供需关系在2005年是个转折点，2006年开始，中国粗钢产量大于国内粗钢消费，进入供大于求阶段。,2005年粗钢产量年增长速度下降，这意味着经济将从高速总长，过渡

5、到持续、较快增长,钢铁工业增速变缓。,中国钢的需求还有增长空间，但随着供需关系的变化，中国钢铁的主要矛盾从规模扩张转到结构调整。,上海,中卫,靖边,鄯善,轮南,西气东输一线,20002002年建设的西气东输管道工程西起新疆轮南,东至上海市白鹤镇.穿越吕梁山、太岳山、太行山,穿(跨)越黄河3次、淮河1次、长江1次。干线线路总长4000KM。管径为1016mm，壁厚14.26.2mm（其中14.6mm壁厚为SSAW焊管，17.5、21、26.4mm为LSAW焊管），钢级为X70，输气压力10MPa，西气东输工程共采购钢材167万吨，,川渝,南昌,上海,广州,南宁,中卫,靖边,鄯善/红柳,塔里木,霍

6、尔果斯,秦皇岛,中亚气,300,武汉,西气东输二线,西气东输二线工程西起新疆霍尔果斯口岸，南至广州，东达上海，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、湖南、广东、广西、浙江、上海、江苏、安徽等个省区市，管道主干线和8条支干线全长公里。工程设计输气能力亿立方米/年，总投资约亿元。西气东输二线管道与拟建的中亚天然气管道相连，工程建成投运后，可将我国新疆地区生产以及从中亚地区进口的天然气输往沿线中西部地区和长三角、珠三角地区等用气市场。,到2005年底全球已有的X80管线工程,管道输送是目前长距离输送石油天然气等物体的重要输送方式。能源结构调整，天然气需求上升，促进了天然气管线的发展。为节省管

7、线工程的建设投资、降低运营费用，长输管道的输送压力逐渐增高，这样采用高强度等级的管线钢将更加经济和合理。现代管线钢的技术发展趋势是高强度、高韧性、良好的焊接性。,2007年中国大陆产钢1000万吨以上的省市有15个,合计产钢42107.66万吨,占全国钢产量86.07%,2007年中国钢铁粗钢产量分布,造船,建筑,轻工,汽车,机械,集装箱,石油化工,铁道,电力,煤炭,制造业,能源,交通,建筑,奥运在京比赛场馆 新 建 场 馆(12)912万吨1 国家体育场2 国家游泳中心3 国家体育馆4 北京射击馆5 五棵松体育馆6 老山自行车馆7 奥林匹克水上公园8 中国农业大学体育馆9 北京大学体育馆10

8、 北京科技大学体育馆11 北京工业大学体育馆26 奥林匹克森林公园网球场,奥运在京比赛场馆 改 建 场 馆(11)111万吨12 奥体中心体育场13 奥体中心体育馆14 工人体育场15 工人体育馆16 首都体育馆17 丰台垒球场18 英东游泳馆19 老山自行车场20 北京射击场飞碟靶场21 北京理工大学体育馆22 北京航空航天大学体育馆,奥运在京比赛场馆 临时场馆(8)0.58万吨23 国家会议中心击剑馆24 奥林匹克森林公园曲棍球场25 奥林匹克森林公园射箭场27 五棵松棒球场28 沙滩排球场29 小轮车赛场30 铁人三项赛场31 城区公路自行车赛场奥运京外比赛场馆 2.74万吨青岛;香港;

9、天津;上海;秦皇岛;沈阳,用钢量新建场馆:12-9万吨改扩建场馆:11-1万吨临建场馆:8-0.5万吨京外主要场馆工程:4-2.7万吨相关设施:5-0.2万吨主要相关配套钢结构工程:9-25万吨,鸟巢的弯扭构件,Q460、Q420、Q390级钢生产Q460、Q420、Q390级钢厚板工程应用Q460E-Z35厚板热加工及焊接性试验研究 Q460E-Z35+GS-2OMn5V（铸钢）焊接工艺评定试验冬季焊接与低温焊接技术焊接应力与变形的控制,资料来源:奥运工程钢结构及其关键技术吴竞军 侯兆欣(奥运工程钢结构创新技术集成课题组)2007年11月17日,国家大剧院,国家游泳中心,北京眼摩天轮,奥运会

10、主会场,国贸三期330米,央视新楼,首都机场3#航站楼,英国泰晤士报不久前报道了一项建筑评比,评比世界范围内正在建设的10大最具雄心的建筑工程,北京占据3项.,北京新建筑,中国成为全球钢铁产品出口大国,2006年全年出口钢材4300.7万吨，比上年增长109.58%；进口钢材1851万吨，比上年下降28.3%；全年净出口钢材2450万吨。出口钢坯903.55万吨，比上年增长27.83%；进口钢坯37.04万吨，比上年下降71.82%。全年净出口钢坯867万吨。,中国是钢铁大国，2006年粗钢产量与世界排序2位的国家粗钢产量之和（4.25亿吨）相当。,安赛乐和米塔尔重组后，是世界上最大的钢铁企业

11、。2005年粗钢产量与排序第25企业（新日铁、浦项、JFE、宝钢）的粗钢产量之和相当。,出口钢材价格低，数量多进口钢材价格高，数量少这样一种格局有合理的一面：中国钢铁进步需要过程，就业、社会稳定的需要，但可怕的是向那个趋向发展？,财富：中国在财富积累上的差距,目前我国正处在工业化过程中期，无论是经济发展水平，还是社会财富积累程度都具有相当大的差距。,资源：中国在钢铁积累上的差距,英国大约花了200年的时间完成工业化过程；美国用近100年的时间走完了这段历程日本、韩国用了大约50年达到或即将达到与之相近的人均社会财富积累水平。,ARCELOR 汽车用钢研究中心和建筑用钢生产研究中心,日本抗震钢材

12、:A,B,C,谐,和,有饭吃经济,都说话民主,从前的新闻，现在叫媒体从前的馊招，现在叫创意从前的倒爷，现在叫经纪从前的个性，现在叫酷毙,汉语新词汇：酷 超女 外国语最近也出现了一个新词汇：BRIC（巴西、俄罗斯、印度和中国）,到2040年,BRIC(巴西,俄罗斯,印度和中国)的经济将超过G6(美英法德日意),到2039年中国经济将超过美国,2033年,印度经济将位于美国,中国之后,位于世界第三,国外新词汇：BRIC（巴西、俄罗斯、印度和中国）,材料专业的佼佼者,罗 干：原中共中央政治局常委刘 琪：中共中央政治局委员徐匡迪：全国政协副主席、中国工程院党组书记黄孟复：冯炯华:宁夏回族自治区政府副主

13、席,材料与高新科技领域,航空航天火箭、飞船、卫星军事两弹、先进武器微电子计算机通讯交通运输能源,宇航材料,对材料要求：高比强度、高比刚度 飞行器每减重1公斤所得经济效益随飞行速度增加而增加火箭喷管和导弹再入时表皮温度都是超高温（3000），用高温材料W-Cu、石墨、C/C复合材料等卫星、载人飞船、空间站有关材料 环境恶劣：高真空、电离层、地磁场、宇宙线、太阳 电磁辐射、微流星、空间垃圾.关键部件：展开式天线（6m）大型太阳能电池阵 大型承力筒（复合材料）防热技术（1200）：C/C，陶瓷瓦，隔热毡.,卫星有效载荷支架,火箭仪器仓,火箭低温箱,材料与人类生活,材 料,衣纺织机械,食蔬菜大棚,住建

14、筑材料,行交通工具,改善舒适性轻质高强、隔音隔热墙体门窗、整体洁具飞机车辆、大小船舰高速列车的车体结构,提高安全性抗冲韧性、吸收能量汽车保险杠轿车底板自诊断机敏复合材料高层建筑抗地震灾害,提高健康水平修复植入人造器官成分设计、调整应力生物相容性人工关节、夹骨板,电缆桥架,风力发电叶片,汽车储气罐,车站,蔬菜大棚,高可靠性,飞机材料难度大长寿命，反复使用，对发动机材料而言，热端2000小时，冷端4000小时；飞船材料环境恶劣，易出故障：1988年挑战者号失事密封圈失灵；2001年哥伦比亚号失事隔热瓦破坏。,建筑材料.1 汽车材料.10 民航材料 1,000 军机材料 1,500 空间材料.15,

15、000 医用生物材料.50,000,相对价格,以效能为重点,以价格为重点,不同材料使用性能与价格关系（价格 VS 效能）,材料性能要求高，价格更高,材 料 的“梦”,充分利用太阳能的新光电材料和平利用核聚变反应的炉壁材料发动机部件用超耐热材料电阻为零的超导线登天有术的“天梯”材料,能源,Shell对世界能源发展预测,充分利用太阳能的新材料,太阳能取之不尽，用之不竭关键在于转化效率现在的光电材料的转化率仅约12如果能够提高到50,压水核电站 气冷核反应堆,核聚变反应的炉壁材料,用于核聚变反应的氕、氘、氚的资源可以供人类使用上亿年。控制反应速度。找到安全可靠的 炉壁材料。（不泄漏、无后遗问题）,发

16、动机部件用超耐热材料,发动机的效率取决于工作温度。现在的效率低于30。金属材料的耐热温度有限。陶瓷材料的耐热温度较高，但太脆。效率提高1倍就相当于节省二分之一的能源。,超 导 线,超导体：电阻为零的导体。电阻为零，则热损耗为零。E=I2 R电力的充分利用磁悬浮列车提高超导体的临界温度。液氦冷却、液氮冷却改善超导体的可加工性。临界温度高的超导体是氧化物。,磁悬浮列车：时速500km以上,1kg,1kg 1000 500 500000kg 500t,假定卫星距地面500km，每m钢筋重1kg,“天梯”材料,碳的同素异形体：金刚石、石墨、无定形碳、碳60、纳米碳管,纳米碳管,纳米碳管具有特别的场发射

17、性能,因此可以作为电子枪,具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和高真空等优点,可以应用于平板显示器中。杨氏模量和剪切模量与金刚石相当,强度可以达到1.0以上。其强度大约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。如何做出长的纳米碳管？现在为微米级。,材料的分类,金属 Metal：高导电、高导热、不透明、表面具有光泽、大多数较重、具有塑性。例如Fe、Cu、Al等。陶瓷 Ceramics：金属-非金属的化合物，硬、脆、耐高温、绝缘。例如Al2O3、SiC等。高分子（聚合物）Polymer：密度小、绝热、绝缘、反光性差、性能柔顺。例如塑料、树脂。复合材料 Composites：两种以

18、上的固相以微观和宏观形式加工而成。,材料的性能,材料的性能源于材料的内部结构 电视机 元件、设计、及电路材料科学与工程的主要任务：研究各种材料的成分、结构与性能的关系，运用理论和实践知识，为满足各种特定的需要而发展、制备、改进各种材料的工艺技术。,发展方向与趋势、前景预测,全国有200多所高等学校设有材料科学与工程专业原来从事物理、化学、力学等的研究人员加盟于材料科学与工程的研究北京大学、中国科技大学等理科院校也都在加强材料领域的研究毕业生出国与读研比例不断增大前景广阔,国家对材料领域非常重视,某年度全国材料科学与工程一级学科排名,1.2 粉末材料,1.2.1 粉末与粉末材料粉末：0.1 m1

19、mm的固体 致密体：大于 1 mm固 粉末体：0.1 m1mm 胶体：小于0.1 m液气,1.2 粉末材料,粉末冶金：一种制取金属粉末，以及采用成形与烧结工艺将粉末制成制品的工艺技术（金属陶瓷法）。粉末材料：以粉末方式使用的材料粉末冶金材料,粉末冶金,说到“冶金”会让人们很自然地联想到巍巍的高炉和滚滚的铁水，然而，还有另一类不需将材料熔化的冶金方法，这就是粉末冶金。粉末冶金是冶金和材料科学的一个分支学科。它是首先制取金属粉末，然后采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)制成材料和制品的工艺技术。粉末冶金制品的应用范围十分广泛：从普通机械制造到精密仪器，从五金工具到大型机械

20、，从电子工业到电机制造，从民用工业到军事工业，从一般技术到尖端高技术，都可以见到粉末冶金工艺的身影。由于粉末冶金技术的种种优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。,基本工序,粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。粉末冶金有时也称为金属陶瓷法。粉末冶金还与我们日常生活中的蒸馒头有相似之处。蒸馒头也有3个重要的步骤，一是将原材料面粉准备好（制粉），二是做成馒头的样子（成形），三是将其放入蒸笼中蒸熟（烧结）。只不过蒸馒头所使用的是小麦面粉，而粉末冶金所使用的是金属粉末。,1.2 粉末材料,1.2.2 粉末冶金技术的发展 粉

21、末冶金的定义：萌芽时期：3000年前埃及人用海绵铁锻制工具；印度人制造6吨重大铁柱；欧洲人用粉末加工金属铂。近代粉末冶金：1910年可锻金属钨；钨丝、钼丝；金属过滤器；烧结摩擦片；硬质合金；W-Cu合金；青铜含油轴承；烧结金属磁体；（战后）金属陶瓷；复合材料；弥散强化合金；烧结钛合金；粉末高速工具钢；粉末高温合金；等。,粉末冶金,熔融法所无法获得的材料与制品不经熔化而直接由矿石或化合物制取难熔金属在熔融温度以下制备难熔金属碳化屋、氮化物等制备多孔材料，过滤器、自发汗、电极等W-Cu、WC-Ag等特殊材料 复合材料，弥散强化、纤维强化等非平衡材料，非晶、微晶等,性能优于熔铸材料晶粒细小、组织均匀

22、偏析小,经济效益高机加工少、利用率高工序短、成本低设备通用性好,1.2.2 粉末冶金材料的优越性,以金属钨为例,钨是稀有高熔点金属，银白色，外形似钢。钨是迄今为止人类所发现的物质中熔点最高的，为341020。由于钨的熔点非常高，所以难以用熔炼铸造的方法来制备。再者，即使是能够将钨熔化为液态，也难以找到盛放它的容器，因为几乎所有的耐火材料的熔点都低于钨的熔点。,钨,用仲钨酸铵（APT）作原料。将仲钨酸铵在 500左右的空气中焙烧成三氧化钨,或在450左右的氢气中轻微还原成蓝色氧化钨。再用氢气将钨的氧化物还原成金属钨粉，还原过程一般分两步进行：第一步在630左右还原成二氧化钨（棕色氧化钨）,第二步

23、在820左右还原成金属钨粉。将钨粉在一种特制的模子中压制成细长的方条。把方条在氢气中通电，用自电阻加热(温度达3000左右)的方法进行烧结，烧结后钨条的密度可达到理论值的85以上。这种钨条便可以用旋锻方法加工成直径为3mm左右的钨杆，然后进一步用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。,各种金属加工方法的经济性的比较,粉末冶金材料,多孔材料及制品,机械材料和零件,硬质工具材料,电工材料磁性材料,耐热材料,原子能工程材料,粉末冶金材料的优越性,制造其它方法无法制备的材料难熔金属、稀有金属金属与非金属的化合物多孔材料（发汗、自润滑轴承）任意比例的特殊材料弥散强化材料非平衡材料（非晶、微晶、过饱和材

24、料）,粉末冶金材料的优越性,性能优越于同成分的熔融铸造材料晶粒细化、组织均匀成分偏析小经济效益高直接成形、减少机加工，提高材料利用率缩短工序、降低成本设备通用性好、降低能耗,发汗材料,火箭尾喷管喉衬3000度以上高温、气速1000m/s、经受固体颗粒冲刷,发汗材料,先将高熔点金属（钨：熔点3410）制成骨架，再渗入低熔点金属（铜：熔点1083、沸点2595），制备成复合材料。使用时利用铜的熔化与汽化带走大量的热，使尾喷管喉衬的温度维持在钨骨架所能够承受的温度之下。,温度升高,钨+铜,铜熔化,铜气化,热量,结构零件代替铸造及机加工的机械零件。铁、铜、铝等。,机械材料和零件,摩擦材料以铁、铜为基，

25、添加固体润滑及耐磨成分的材料,减摩材料以铁、铜、铝等为基，添加金属或非金属润滑成分的组合材料,多孔材料及制品,金属过滤器：由青铜、镍、不锈钢、钛等粉末烧结成的多孔板、管、盘等过滤元件。,热交换（冷却）材料：由镍、Ni-Cr、钛等粉末烧结成的孔隙为1520%的多孔材料。,泡沫金属：孔隙度极高的发泡金属，易变形，做减震、隔音材料。,硬质合金难熔金属化合物与Co等烧结成的金属陶瓷刀具与模具。,硬质工具材料,粉末高速钢用粉末冶金方法制备的高速切削工具钢,复合工具材料以合金或硬质合金黏结的金刚石或碳化硼等制成的工具。,金刚石工具用粉末冶金方法制备的、以金刚石为硬质相的工具,电接触材料,电触头合金：难熔金

26、属与银、铜等粉末烧结成的假合金或组合材料。,集电材料：烧结的金属-石墨电刷，用于电机和集成滑块。,烧结软磁材料：纯铁、铁合金等。,烧结硬磁材料：Sm-Co,Nd-Fe-B等。,铁氧体材料：硬磁、软磁、矩磁等。,磁性材料,耐热材料 难熔金属及合金（W、Mo、Ta、Nb等）氧化物弥散强化材料 粉末高温合金 难熔化合物基金属陶瓷 纤维强化材料原子能工程材料 核燃料 中子减速与控制材料 屏蔽材料 反射材料,为我国早日成为材料强国而奋斗,材料科学是一门具有悠久历史、又充满现代科学技术的科学。社会的发展、科技的进步、生活水平的提高，一时一刻都离不开材料。材料也是一个充满神秘的世界，在材料领域是大有可为的。使我国早日成为材料强国需要我们的坚实的基础与不懈的努力。,