材料科学概论(1)

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1、材料科学概论q铁及铁基合金概述q钢的热处理q合金钢q铸铁q非铁金属及其合金第三章 金属材料金属材料：是指纯金属和以纯金属为基的合金。大部 分金属的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为 金属键和共价键的混合键，但以金属键为主。金属具有 以下特性：（1）良好的导电性和导热性。（2）正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。绝大 多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度电阻突 然下降，趋近于零 （3）良好的反射能力，不透明性和 金属光泽。（4）良好的塑性变形能力。一般金属材料分为两类：铁及铁基合金和非铁合金 。铁和铁基合金包括纯铁、钢和铸铁；非铁合金指铁及 铁基合金以外的所有金属和合金，如铝、铜

2、、钛、镁及 其合金等。 第三章 金属材料一、纯铁纯铁的性能：纯铁的熔点为1538，常温下密度为7.87103kg/m3，具有铁磁性，弹性模量为2000MPa。纯铁的结构：体心立方，20时点阵常数为0.288nm，称为Fe；910发生同素异构转变，9101390具有面心立方结构，915点阵常数为0.364nm，称为Fe；1390以上晶体结构又转变为体心立方，称为Fe。 第一节 铁及铁基合金概述 1、碳钢的定义：碳钢是指以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、 磷、氧、氮等非特意加入元素的钢。碳是其中最主要的 合金元素。铁碳合金按碳的质量分数分为碳钢和铸铁 w(C)2.11%两类。 2、碳在铁碳合金

3、中的作用C在铁碳合金中的作用反映在FeC相图上（P18）。碳在铁、铁和铁中均以间隙形式存在于固溶体中， 分别称为铁素体、奥氏体和固溶体（或高温铁素体） 。它还可以与铁一起形成可用分子式Fe3C表示的化合物 ，称为渗碳体。二、碳钢3、碳钢分类：碳的质量分数分为低碳钢w(C)0.25%、中碳钢0.25w(C)0.6%、高碳钢w(C)0.6%。按钢的质量（杂质硫、磷的质量分数）分为普通碳素 钢w(S)0.055%，w(P)0.045%、优质碳素钢w(S)0.040%，w(P)0.040%、高级优质碳素钢w(S)0.030%，w(P)0.035%。 按用途分为碳素结构钢（用于制造各种工程构件如桥梁、船

4、舶、建筑构件等和机器零件如齿轮、轴、连杆等）、碳素工具钢（用于制造各种工具如刃具、量具、模具等）。 3、碳钢的牌号及用途（1）普通碳素钢：普通碳素钢简称普碳钢，按力学性能供应。国家标准 GB700-88规定钢号有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 等5中。数字表示其最低屈服强度。Q195、Q215、Q235 钢塑性好，有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢管 等，可用于制造桥梁、建筑物等构件，也可用于制造螺钉 、螺帽、铆钉等。Q255、Q275钢强度较高，常轧制成成 形钢、钢板作构件用。 （2）优质碳素结构钢： 优质碳素结构钢对磷、硫的质量的分数限制较严格， 钢号用碳的平均质量分

5、数的万分数表示。例如钢号“20”， 表示w(C)0.20%的优质碳素结构钢。“45”表示w(C) 0.45%的优质碳素结构钢。若钢中锰的质量分数较高，则 在其钢号以符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。优质碳素结 构钢主要用来制造各种机器零件。（3）铸钢： 铸钢牌号的表示是在数字前“ZG”，数字则代表钢 中碳的平均质量分数（以万分数表达）。例如ZG25，表 示w(C)0.25%的铸钢。铸钢可用来制造形状复杂而需 要一定强度、塑性和韧度的零件，如起重运输机中的齿 轮、联轴器及重要的机件。 （4）碳素工具钢：碳素工具钢的w(C)0.651.35%，钢号用碳的平均 质量的千分数表示，并在前冠以“T”

6、字。例如T9是w(C) 0.90%的碳素工具钢。碳素工具钢均为优质钢，若属于高级优质钢，则在 钢号后标注“A”字。碳素工具钢主要用来制造各种刃具 、量具、模具等。一、热处理的含义及其作用热处理是将固态金属或合金在一定的介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。它是改善金属使用性能和工艺性能的一种非常重要的加工方法。热处理工艺基本都包括加 热、保温和冷却3个阶段。 第二节 钢的热处理 二、钢的热处理基本原理1、钢在加热时的组织转变以45钢为例说明钢在加热时的组织转变过程。45钢室 温平衡组织为铁素体加珠光体（铁素体与渗碳体片层间的 机械混合物见P23图3-3）。如图P

7、21图3-1所示，加热温度 超过Ac1（PSK）线时，珠光体转变为奥氏体。随着温度的 提高，铁素体逐渐溶入奥氏体。温度超过Ac3（GS）线时， 铁素体全部溶入奥氏体，这时的组织全部为较细的奥氏体 颗粒，碳在奥氏体中的质量分数与钢中碳的质量分数相同 。w(C)0.77%的钢（称共析钢）加热至Ac1以上时，其组 织为单相奥氏体，w(C)0.77%的过共析钢的组织为渗碳 体奥氏体。由此可见，所有含碳量不同的碳钢在加热温 度超过GSE线时都可以获得单相奥氏体组织。加热使钢的 室温组织转变为奥氏体的工序统称为奥氏体化。 2、钢冷却时的组织转变将加热组织为单相奥氏体的工件，以较高的速度冷却时，奥 氏体冷却

8、温度低于A3、A1。实际转变温度与A3、A1的差值称为 过冷度。以w（C）=0.77%的共析钢为例介绍钢冷却时的组织转变。 奥氏体过冷到723500之间，得到的组织都是层片状铁素体 和渗碳体的机械混合物，统称为珠光体组织。但过冷度不同， 片层组织粗细不同，可将珠光体类组织分为珠光体、索氏体和 托氏体。过冷至230550范围内长期保温时，过冷奥氏体转 变产物为贝氏体类组织。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在分 布在碳过饱和的铁素体基体上或铁素体之间的两相混合物。转 变温度不同，形成的贝氏体形态也明显不同。通常将550 350之间形成的称上贝氏体，350230之间形成的叫下贝氏 体。将奥氏体化后的工件

9、放入水中快速冷却时，奥氏体将在更 低温度范围内转变，转变产物为马氏体。马氏体的结构是体心 立方的单相组织，实质上是渗碳体未从奥氏体中析出，而铁原 子由面心立方转变为体心立方的碳过饱和铁素体。 1、退火退火是指将钢加热到适当温度，保温一定时间，然 后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近于平衡 状态组织的热处理工艺叫退火。根据处理的目的和要求，钢的退火分为完全退火、 等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。 （1）完全退火：又称为重结晶退火，通常用于亚共析 钢，是把钢加热至Ac3以上2030，保温一段时间后 缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处 理工艺。它的目的在于使铸、锻热加工造

10、成的晶粒粗 大、晶粒大小不均匀的组织细化，以提高其力学性能 ；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的 组织，以降低硬度，改善切削加工性能。三、钢的常规热处理（2）等温退火：是将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1） 的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体区的某 一温度，并等温保持，将奥氏体转变为接近平衡组织的 组织，然后缓慢冷却的热处理工艺。它的目的与完全退 火相同，但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对 于奥氏体较稳定的合金钢，常可大大缩短退火时间。 （3）球化退火：是使钢中碳化物球化状的热处理工艺。它 主要用于过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等，目的是 使渗碳体（或碳化物）球化，

11、以降低硬度，改善切削功 能，并为以后的淬火作组织准备。 （4）扩散退火：为减少钢锭、铸件的化学成分的不均匀性 ，将钢锭、铸件加热到略低于始熔温度的温度，长时间 保温并缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火，亦称均 匀退火。 （5）去应力退火：为消除铸造、焊接、锻造和机加工、冷 变形等冷热加工在工件中造成的残留应力而进行的低温 退火，称为去应力退火。加热温度一般为550600。2、正火钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Acm（过共 析钢）以上3050，保温适当时间后，在空气中均 匀冷却，得到珠光体类组织（一般为索氏体）的热处 理称为正火。正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快，使 钢的组织比较细，

12、一般用于以下几方面： 最终热处理，可以细化奥氏体颗粒，使组织均匀化； 减少亚共析钢中的铁素体，使珠光体含量增多并细化 ，从而提高钢的强度、硬度和韧度。对于普通结构钢 零件，力学性能要求不很高时，可以正火作为最终热 处理。 作为预先热处理，截面较大的合金结构钢件，在淬火 或调质处理（淬火高温回火）前常进行回火，以消 除代状组织等，并获得细小而均匀的组织。 改善切削加工功能，低碳钢或低合金钢退火后硬度太 低，不便于切削加工。正火可提高其硬度，改善切削 加工功能。 3、淬火将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理加工工艺称为淬火。马氏体的形态与 钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小和形成

13、条件有密切关 系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。细奥氏体转变成的 马氏体，在光学显微镜下分辨不出组织特征，称隐针马 氏体。 马氏体的形态一般分板条状和针状（或片状）2种 ，主要决定于奥氏体中碳的质量百分数。P23图3-4表明 ，碳的质量百分数在0.6以下时，基本上是板条马氏体 ，碳的质量百分数低于0.25时，为典型的板条马氏体 ；碳的质量百分数大于1.0者，则大多数是针状马氏体 ，而碳的质量百分数在0.6-1.0之间时，为板条和针状 马氏体的混合组织。 4、回火钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。淬火钢一

14、般不直接使用，必须进行回火。这是因为：第一，淬火后得到的是很脆的马氏体组织，并存 在内应力，工件很容易产生变形和开裂；第二，淬火 马氏体和尚未发生转变的残余奥氏体都是不稳定组织 ，在工作中会发生转变，导致零件尺寸变化，这对于 精密零件是不允许的；第三，需要获得要求的强度、 硬度、塑性和韧度的配合，以满足零件的使用要求。 （1）钢在回火时的组织转变：钢淬火后得到的是不稳定的马氏体和 残余奥氏体。回火加热能促进其发生转变。根据转变过程和形成 的组织，回火可分为4个阶段： 第一阶段（200以下）马氏体分解。在200以下加热时，马氏体 中的碳以碳化物的形式析出，而使过饱和度减小，正方度降低 ，形成的组

15、织为回火马氏体。 第二阶段（200300）残余奥氏体分解。马氏体不断分解为回火 马氏体，体积缩小，降低了对残余奥氏体的压力，使之转变为下 贝氏体，下贝氏体和回火马氏体本质相似。残余奥氏体从200开 始分解，到300基本完成，得到的下贝氏体不多，所以这个阶段 的组织主要是回火马氏体。 第三阶段（250400）回火托氏体的形成。马氏体和残余奥氏体 在250以下分解形成碳化物和过饱和度较低的固溶体后，继 续升高温度时，过饱和固溶体很快转变成铁素体；亚稳定的 碳化物也逐渐转变为稳定的渗碳体，此阶段到400时基本完成 ，所形成的铁素体和细粒状渗碳体的混合组织叫做回火托氏体。 第四阶段（400以上）渗碳体

16、的聚集长大。回火托氏体中的固溶 体已恢复为不再过饱和的铁素体，但仍保留着原马氏体的形态， 与此同时，渗碳体不断聚集长大，于约400时聚集球化，600 以上时迅速粗化，如此所形成的铁素体和粒状渗碳体的混合组织 叫做回火索氏体。一、概述随着工业的发展，碳钢不能满足高强度，抗高温、 高压，耐低温，耐磨损等等要求。于是人们在碳钢中特 意加入一种或多种合金元素，形成了能够满足上述要求 的合金钢。 1.合金钢的分类 按所含合金元素的多少，分为低合金钢、中合金钢和高 合金钢； 按所含主要合金元素种类，分为铬钢、铬镍钢、锰钢、 硅锰钢等； 按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢等。第三节 合金钢2、各种合金钢简介工程构件用钢钢 合金渗碳钢钢 合金调质钢调质钢 弹弹簧钢钢 滚动轴滚动轴 承钢钢 合金刃具钢钢 合金模具钢钢 合金量具钢钢 不锈钢锈钢 耐热钢热钢 及高温合金 耐磨钢钢一、概