金属材料发展简史
2023-05-09 13:49:40 作者:材子笔记 来源:材子笔记 分享至:

1、金属材料的过去、现在和将来


一阶段——原始钢铁生产


公元前4300年:自然的金、铜及锻打等工艺


公元前2800年:铁的熔炼


公元前2000年:青铜器兴盛,编钟与武器(商、周、春秋战国)


东汉时:反复锻打钢→最原始形变热处理工艺。


淬火技术:“浴以五牲之溺,淬以五牲之脂” (现代的水淬、油淬)。


吴王夫差矛和越王勾践剑


商周时期的青铜敦和尊盘


商代青铜纵目人面像


擂鼓墩二号墓编钟复制件


1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套,音律准确,音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟,总音域达5个8度以上,可自己转调,奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出,众声齐发,交响叠鸣,无愧为古代音乐之绝响。

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第二阶段——金属材料学科的基础


奠定金属材料学科基础:金属学、金相学、相变和合金钢等。


1803年:道尔顿提出原子学说,阿伏加德罗提出分子论。


1830年:Hessel提出32种晶体类型,普及晶体指数。


1891年:俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结构理论。


1864年:Sorby制备第一张金相照片,9倍,但意义重大。


1827年:Karsten从钢中分离出了Fe3C,1888年Abel证明了这是Fe3C。


1861年:俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。


19世纪末:马氏体研究已成为时髦,Gibbs得到了相律,Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性,Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡图。

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第三阶段——微观组织理论大发展


合金相图,X射线发明及应用,位错理论的建立。


1912年:发现X射线,证实α(δ)-Fe是bcc,γ-Fe是fcc;固溶体规律。


1931年:发现合金元素的扩大和缩小γ区作用。


1934年:俄国Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自独立地提出了位错理论,解释钢的塑性变形;马氏体转变的晶体学。


1938年:发明了电子显微镜。


1910年:发明A不锈钢,1912年发明了F不锈钢等。


1990年:发明了布氏硬度计,Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹。

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第四阶段——微观理论的深入研究


微观理论的深入研究:原子扩散及其本质的研究;钢TTT曲线测定;贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。


位错理论建立:电子显微镜的发明,促使看到了钢中第二相沉淀析出,位错滑移,发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象,发展出位错理论。


新科学仪器不断发明:电子探针,场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜(STEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。

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2、现代金属材料


先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。


开发高性能结构材料:从高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损功能的追求到降低机械重量、提高性能、延长使用寿命。复合材料到结构材料的广泛应用,如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢。


改造传统结构材料:重要途径是组织更细、更均匀,材料更纯洁,注重工艺。“新一代钢铁材料” 强度相当于现有钢铁材料两倍。美“9.11”事件,暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差,由此推动开发高强热轧耐火耐候钢。


开发其他高性能钢:利用各种新工艺、新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向,工具材料的各种表面处理技术开发,在新型工具材料的开发上具有重要的意义。


先进制备工艺:如金属半固态加工技术,铝镁合金技术的成熟与应用,现有钢的技术界限和钢强韧化是努力的方向。

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3、金属材料的可持续发展与趋势


2004年提出了 “循环型社会的材料产业——材料产业的可持续发展”。


微生物冶金:无废物的生产,已在许多国家进行了工业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%,日本人工培植海鞘以提取钒。海水是一种液态矿,海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中提取镁、铀等元素,全世界生产的镁大约有20%来自海水,美国靠这种镁已满足着需求量的80%。


循环材料产业:适应时代需要,把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中,提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形成“资源→材料→环境”良性循环的产业。


合金发展的主流方向是少合金化与通用合金,形成绿色/生态材料体系,有利于材料的回收与再生利用。要研究开发与人民生活密切相关的绿色材料以及环境友好材料。

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4、钛合金被称为“空间金属”、“未来钢铁”


钛合金在高温和低温下都能保持高强度,耐蚀性也是无可匹敌的。钛在地球中含量不少(0.6%)。但是提炼工艺复杂,成本高,广泛应用受到限制。钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一。


5、有色金属


资源面临着不可持续发展的严重问题,主要是资源破坏严重和利用率很低,浪费惊人。精深加工技术落后,高档产品缺乏;创新成果少,高新技术成果产业化程度不高。开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流,如:铝锂合金、快速凝固铝合金等。有色金属功能材料也是发展方向。

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