金属材料92911

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1、第三章,常用仪器材料特性和选材方法,“发现号”航天飞机,先进材料举例,X-37B太空飞机 (2010.4.22 ),人造太阳可控核聚变装置图,切尔诺贝利核（裂变）电站,合金,燃气轮机燃烧室火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造,纳米陶瓷复合人工股骨头及钴铬钼合金股骨柄,合金,热电材料的应用,复合材料的应用,FACC（AG advanced composite components）为空客A380生产的复合材料构件,航空复合材料包括应用于飞机结构上的各种高性能碳纤维、硼纤维等先进材料。航空复合材料主要用于制造航空器的结构件和内饰部件，包括机翼、机身、肋板、发动机罩盖、导流罩和座椅、内部

2、装饰、舷窗等。,从上世纪70年代开始服役的波音737客机，其复合材料用量不到10%，空客最新研制的世界最大的商用飞机A380采用占全机身重量25%的复合材料，而这一指标在波音的“梦幻飞机”787身上将达到惊人的50%。,中航工业西飞收购奥地利先进复合材料公司,复合材料的应用,中航工业西飞收购奥地利先进复合材料公司,FACC为波音787生产的复合材料部件,先进热塑性复合材料,减轻汽车的重量,日本三菱,3.1概述,工程 材料,金属材料概述,黑色金属（钢铁材料）,有色金属（非铁金属）,金属 材料,陶瓷材料,高分子材料,复合材料,非金属 材料,合成橡胶,塑料,合成纤维,3.2.1 材料的力学性能,Th

3、e four types of stresses,3.2 材料的基本性能,Mechanical properties of metallic materials,应力应变曲线,Mechanical properties of metallic materials,刚度(Stiffness)：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。,弹性模量：E/ 强度(Strength)：材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破 坏的最大能力。 屈服强度：表示材料发生明显塑性变形的抗力 Ps或,抗拉强度：b=Pb/F0 大应力,断裂前单位面积上所承受的最,Mechanical properties of metallic

4、materials,塑性(Plasticity)：外力作用下，材料发生不可逆的永 久性变形而不破坏的能力。,韧性(Ductility)：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收 能量的能力。,应,力,Mechanical properties of metallic materials 强度范畴 韧性范畴 刚度范畴 塑性范畴,应,变,Mechanical properties of metallic materials,疲劳强度(Fatigue strength)：材料抵抗交变应力作用下 断裂破坏的能力。,疲劳极限(Fatigue limit)：材料经无数次应力循环而不发 生疲劳断裂的最高应力值。,硬

5、度(Hardness)：材料在表面上的小体积内抵抗变 形或破裂的能力。,延展性材料的断裂,断面形貌,Al,3.2.2材料物理化学性能,物理性能：密度、比重、熔点、导电性、热膨胀及导热性、磁性和耐磨性等。,化学性能：抗腐蚀性和抗氧化性等。,3.2.3材料的工艺性能,铸造性、焊接性、可锻性、切削加工性,3.3 金属材料概述 钢铁是经济产业的基本支柱，主要用于铁路、建筑、桥梁、汽车 工业等领域。 中国钢铁产量世界第一， 2005年钢铁产量约3.5亿吨，占全世界 产量的30%，是美国和日本的总和。2009年粗钢产量达5.678亿吨 ， 占全球半壁江山。中国目前至少有1/3的不符合质量要求。 特种钢材主

6、要靠进口。,钢铁材料,钢铁航母,铝合金轮毂,金属材料(Metallic Materials),纯金属和以纯金属为基体的合金 材料的总称。,纯金属(Pure Metal)：由一种金属元素构成的单质；,合金(Alloy)：由两种或两种以上的金属元,素或金属与非金属元素构成。,合金中的相,固溶体(Solid solution)：合金组元间以不同比例相互混合形成 的具有与某一组元相同晶体结构的合金,置换固溶体(Replaceable solid solution),间隙固溶体(Interstitial solid solution),金属间化合物(Intermetallics)：合金组元相互作用形成的

7、具 有自己独特的晶体结构和性质的新相。,正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物,在103种元素中，金属元素有81种 (1) 金属材料的分类 黑色金属(Ferrous Metals),Metallic Materials,有色金属(Nonferrous Metals),特殊金属(Special Metals) 工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属， 如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、 镍、锌、钛、铜等金属及合金。,giveup1e,giveup2e,giveup3e,accept2e,accept1e,inertgases,S,THE PERIODIC TABL

8、E Columns: Similar Valence Structure Metal,H,Nonmetal,He,Li Be,Intermediate,O,F,Ne,Na Mg K Ca Sc,Cl Ar Se Br Kr,Rb Sr,Y,Te,I,Xe,Cs Ba Fr Ra Electropositive elements: Readily give up electrons to become + ions.,Po At Rn Electronegative elements: Readily acquire electrons to become - ions. 6,钢铁材料分类 Ca

9、st iron (铸铁) 含2 C 4 Carbon steel (碳素钢),Ferrous Metals,Steel (钢) 含C 0.042,Alloy steel (合金钢) Iron (纯铁) 含C 0.04 钢铁：占人类使用金属的90以上 含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低,有,色,金,属,有色金属分类 青 铜 器,Heavy metal (重金属),Cu、Pb、Zn、Ni,80 余 种,铝合金轮毂,Light metal (轻金属) Al、Mg、Ti Noble metal (贵金属) Au、Ag、Pt Rare metal (稀有金属) W、Mo、U、Ta、稀土金属,铂合金首

10、饰,镁合金笔记本电脑,Special Metals (特殊金属),非晶体合金变压器比常规的硅钢片变压器,约能降低铁损60, 终结者3中的T-3000可以任意变形,非晶态金属、形状记忆合金(阿波罗天线）、减震合金、,超塑金属、储氢合金、超导合金等,Special Metals (特殊金属),(2) 金属材料的性质,1、常温下为固体（Hg除外）,2、熔点较高 也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al 3、密度较大（Mg、Al除外 3g/cm3以下）,4、有光泽,5、延展性、韧性、可加工性好,6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al 7、易氧化,(3) 钢铁材料(黑色金属),纯铁 (Pure iron),

11、铁碳合金 (Fe-C alloy) 合金钢 (Alloy steel) 铸铁 (Cast iron),无,磁,性,有,磁,性,纯铁(Fe) 熔点：1538,温度 1538 ,-Fe 体心立方BCC,密度：7.87g/cm3 塑性和韧性好 强度低 铁磁性高磁导率 主 用 要 途 仪器仪表的铁芯,1394 912 770 0 , -Fe 面心立方FCC -Fe 体心立方BCC,铁素体F(Ferrite)：碳溶于-铁中的间隙固溶体,BCC结 构,性能与纯铁相似，塑性、韧性好。,奥氏体A(Austenite)：碳溶于-铁中的间隙固溶体,FCC 结构，塑性好，没有磁性。,渗碳体Fe3C(Cementit

12、e) ：铁与碳形成的间隙化合物 Fe3C，正交晶格，硬度高，脆性很大。,珠光体P(Pearlite)：铁素体和渗碳体相间叠加的层片状 组织，铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相 物。,Fe and Fe-based alloys 铁碳合金中碳的存在形式,间隙固溶于铁 化合态的渗碳体 游离态的石墨,铁素体：碳溶于-铁中的间隙固溶体 奥氏体：碳溶于-铁中的间隙固溶体 铁与碳形成的间隙化合物Fe3C 亚稳态，在一定条件下分解 为铁和石墨 稳定态，可以从铸铁溶液中 析出，也可以从奥氏体中析出,碳钢分类,按含碳质量百分数分类,低碳钢 C:0.25%,中碳钢 C:0.25%C0.6% 高碳钢 C:0.

13、6%,含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低,按钢的质量分类(杂质硫、磷的含量）,普通碳素钢 S0.055%，P0.045%,优质碳素钢 S0.040%，P0.040%,高级优质碳素钢 S0.030%，P0.035%,按用途分类,碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机 器零件等。,碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等。,用途,碳钢的牌号与用途 普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q275等。 数字表示最低屈服强度。 Q195、 Q215、 Q235 塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。 Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等。 优质碳素结构钢：钢号以碳的平

14、均质量万分数表示。 如20、45、 60、65等。,用途,主要用于制造各种机器零件,碳钢的牌号与用途,碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。,如 T9、T12等。T9表示含C：0.9% (千分之9)。,用途 主要用于制造各种刀具、量具、模具等,铸钢：钢号以碳的平均质量万分数表示，在前冠以ZG 。,如 ZG25，表示含C：0.25%。,用途 主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑,性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。,碳钢的缺点,基本相 ( F、 Fe3C ) 性能差；,淬透性低；,回火稳定性差，使用温度不能超过200； 没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐 磨。,铸铁(Cast

15、 iron),成份： 性质: 柴油发电机箱体,C 2.11% Si、Mn、S、P等。 铸造性能良好； 切削加工性能优异； 耐磨； 良好的减振性； 对缺口不敏感； CK7516A/20A数控车床,Cast iron,历史悠久,工程上最常用：机械制造、冶金、矿山、,石油化工、交通。,汽车：5070;机床：6090。,生产设备和工艺简单，价格便宜,铸铁分类,根据碳在铁中的存在形式 和断裂断口颜色 普通灰铸铁 片状,灰口铸铁,石墨形态,球墨铸铁,球状,Grey cast iron 游离石墨；暗灰色 白口铸铁 White cast iron 渗碳体；白亮色 麻口铸铁 Mottled cast iron

16、渗碳体+游离石墨；,可锻铸铁 蠕墨铸铁,团絮状 蠕虫状,可 锻 铸 铁,普 通 灰 铸 铁,蠕 墨 铸 铁,球 墨 铸 铁,石墨对铸铁性能的影响,数量：石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。,(石墨相当于铁基体中的裂纹和空洞，它降 低基体的抗拉强度，并引起应力集中。),大小：中等为宜 分布：均匀,形态：影响较大,片状力学性能最差,球状、团絮状力学性能最好,钢的热处理,热处理,退火,正火,淬火,普通热 处理,表面热 处理,低温回火,回火,中温回火,高温回火,热处理与零件设计、切削加工关系密切,热处理,退火,正火,淬火,普通热 处理,表面淬火,化学热处理,表面热 处理,低温回火,中温回火,高温回火,合金钢 Alloy steel 在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之 为合金钢(Alloy steel)。,按含合金元素 的多少分,低合金钢 10w,按含合金元 素种类分 按用途分,铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。 结构钢、工具钢、特