材料学概论_第二章__金属材料

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1、第二章 金属材料,一、概述周期表中有84种金属（半金属）元素。 金属的主要特征： （1）。有光泽，反光强；不透明。 （2）。 高强度；延展性好（塑性变形能力强。 （3）。较大的导电能力。 （4）。具有磁、热光等许多物理特性。 （5）。表面工艺性能优良。,Periodic Table,元素周期表Periodic Table,IA IIA .Groups IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA,Excellent Reference: http:/www-tech.mit.edu/Chemicool/,Atm # Symbol Wgt,Lanthanides,Actinides,1

2、H 1.01,B Groups,金属材料发展的基础 1).生产加工工艺成熟，生产规模大，成本低。使用方便。 2).材料的综合性能好（弹性高，韧性大，耐高温，导电性强，有强磁性等）。 3).原材料仍未枯竭。 4). 性能价格比高。 金属材料仍在材料中占主导地位。 我国的钢产量2003年已超过2亿吨。相当于当年美国和日本的总和。04年估计达到2。65亿吨。,- 冶金要闻 - http:/ 1。成熟的生产工艺，相当大的生产规模。 2。有优越的综合性能（弹性、韧性，电性能，磁性等）和加工性能： 3。有相当的资源。 4。价格低廉、供应稳定。,（三）。金属材料的分类 （1）。黑色金属钢，生铁，铸铁，铁合金

3、。 （2）。有色金属铜，铝，其他金属材料及合金。,第二节 黑色金属材料,黑色金属1.钢;2.生铁，铁合金。3. 铸铁.4.粉末冶金。,一。钢的分类 钢号表示方法,分类： 1）。化学成分分类： a。碳素钢C2% 的铁碳合金，（含的其它元素还有S，P，（Cu，Si，Mn，Al 少量）。b。合金钢 含一定量的Cu，Si，Mn，Al，及其它元素,2。按品质分类： 普通钢 优质钢 高级优质钢 （含S,P量的分类） 此外，对钢的均匀度还有一定的要求。,3 按冶炼方法分类 炉分类：平炉钢，转炉钢，电炉钢。 氧气吹炼，空气吹炼。 脱氧程度分类： 沸腾钢（F）， 半镇静钢（b）， 镇静钢（Z）。 （沸腾钢：锰铁

4、脱氧，脱氧不完全，铸锭时钢水会沸腾。） （镇静钢：脱氧完全, C级钢 D级钢）,二。碳素钢,碳素钢又称为碳钢，是含碳量小于211的铁碳合金。它具有较好的机械性能，能满足 工业上一般使用要求。同时工艺性能也较好、容易加工、冶炼方便，因此得到了广泛的应用。 据统计，碳钢产量约占工业用钢总量的80一90在工业用金属材料中占有重要位置。,普通碳素结构钢,1.形态一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等。2.成分特点和钢种普通碳素结构钢平均碳的质量分数为 0.06%0.38%，满足一般工程结构及普通零件的性能要求。碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。如Q195和Q275。,(1)。硫的影响硫是在炼钢时由矿石

5、和燃料带进的。 当钢在1000一1200进行热加工时，由于晶界上的硫化铁晶体熔化，从而使钢材沿晶界开裂，这种现象称为热脆或红脆。,硫的影响 硫与铁生成熔点为1190左右的FeS，且FeS常与Fe一起形成低熔点（约989）的共晶体，分布在奥氏体晶界上；当钢进行热加工时（如在9001200锻造或轧制、焊接等），共晶体将熔化，使钢的强度、尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。增加钢中的含锰量，使S与Mn优先生成高熔点（约1620）的MnS，从而避免热脆。,磷的影响 磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显的提高强度、硬度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性、尤其是低温韧性，并使冷脆转化温度升

6、高；此外，过多的磷也会生成极脆的Fe3P化合物，且易偏析于晶界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。,2、碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，通常是按钢的化学成分、用途、金相组织、冶炼方法等进行分类的。(一)按含碳量分类 低碳钢：含碳量小于025中碳钢：含碳量025一06高碳钢：含碳量大于06,(二)按钢的用途分类,碳素结构钢；这类钢可制造各种机器零件(如齿轮、轴、连杆、螺栓、螺帽等)和工程构件(如桥梁、船舶、建筑构件等)，属于低、中碳钢。碳素工具钢：这类钢主要用来制造各种刀具、量具和模县属于高碳钢。,(三)按钢的质量分类,根据钢中所含有害杂质硫、磷的多少分，碳钢可分为 普通碳素钢：钢中含S0055；

7、P 0045. 优质碳素钢：钢中 S 0040，P 0040 高级优质碳素钢：钢中：S 0030， P 0035。,4。按冶金过程分类,按冶炼时的脱氧程度，碳钢可分为沸腾钢(用锰脱氧不完全的钢)、镇静钢(脱氧比较完全的钢)和半镇静钢(脱氧程度处于两者之间的钢)。,（2）碳素钢的牌号,我国的碳素钢按照GB700一88来统一划分种类和牌号，一般将它分为 1.普通碳素结构钢、 2.优质碳素结构钢、 3.碳素工具钢、 铸钢、易切削结构钢五种。,(一)普通碳素结构钢(简称为碳素结构钢)这类钢的含碳量在006一038之间，含有害杂质和非金属夹杂物较多，但性能上可以满足一般工程结构和普通零件的要求，因而应用

8、广泛。它通常轧成钢板或各种型村供应。其牌号方法是由屈服点“屈”字汉语拼音字母头“Q”十钢材屈服强度。ss值质量等级符。,普通碳素钢的钢号表示方法是由代表屈服强度的字母(Q)、屈服强度数值、质量等级符号(A、B、C、D)及脱氧方法符号(F、b、Z)等四部分按顺序组成。如Q235-AF，表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号反映碳家结构钢中硫、磷质量分数的多少, A、B、C、D质量依次增高。,(二)优质碳素结构钢,优质碳素钢比普通碳素钢： 纯度高、杂质少、均匀性好及表面质量好。优质碳素钢中硫、磷的含量均限制在 0.035以下，非金属杂质也较少。 出厂时既要保证化学成分，又要保证机械性

9、能。 塑性和韧性都比普通碳素钢的好，而且含碳量的波动范围也比较小。,优质碳素结构钢的编号,钢号用两位数字表示，以001为单位，表示钢中含碳虽的万分之几。如45钢表示钢中平均含碳量为045%；08钢表示钢中平均含碳量为008。当钢中含锰量较高时(即含碳量为015一06的碳素钢中含碳锰量超过07(在0710)；含碳量大于060的碳素钢中含锰量超过09(在0912)时都称之为高锰钢)，6须将锰元素标出来。如20Mn、40Mn、60Mn等。,2优质碳素结构钢的用途 10、15、20号钢有良好的冷冲压性能与焊接性能，常用来制造受力求大、韧性要求较高的构件或零件。如焊接的容器、螺钉、螺母、杠杆、抽套等。如

10、经过渗碳及随后的热处理，表面硬，心部韧，可用来制造凸轮、齿轮、摩擦片、十字头、活塞销、螺栓等。,20、30、25、40、45、50#钢在机械制造业中应用广泛，特别是45钢，经调质处理后, 具有良好的综合机械性能，主要用来制造齿轮、曲轴、凸轮轴、螺栓、车铀、飞轮等机械零件。表面淬火后，表面硬而耐磨，芯部有良好的韧性，因此可制做耐磨的零件。,高碳的60、65、70#钢经淬火后，有良好的弹性极限和屈服强度，主要用于制造弹簧、弹簧垫圈，钢丝绳等。,低碳钢，强度很低，但塑性很好，一般制成薄板，用于制造冲压零件。 中碳钢属于调质钢，经过淬火和高温回火(或称调质处理)后具有较好的强度和韧性。,(三)碳素工具

11、钢,1碳素工具钢的牌号和分类根据钢少硫、磷含量的个同碳素工具钢可分为优质和高级两类。这类钢的编号是在“T” 或“碳”字的后面附以数字表示，数字表示钢中的平均含碳量为干分之几。例如，T8、T10分别表示平均含碳员为08和10的碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢、要在钢号数字 后面再加上“高”或“A”，例T12A、“T8A”等。若是含锰量较高的高级优质碳素工具钢，则在 数字后面还要加上“锰”或“Mn”。例如T8MnA为高级优质高锰碳素工具钢。,碳素钢的小结,种类和牌号：三大类 普通碳素钢 (P,S0.05%,C:0.06-0.38)， 优质碳素钢 (P,S0.045%,C:0.08-0.85) 碳

12、素工具钢(P,S0.035%,C:0.6-1.3) Q195Q275五级 0845#70-85# T7-T13,一些有用的文字资料可在 上海钢材网上得到： http:/www.ex-,附：无机材料科学的补充知识： 3。相图 4。热处理,附：无机材料科学的补充知识,3。金属的相图 Metals Phase diagram,铅锡合金 焊锡： 合金的最低 熔点为： 183 共晶点,附：无机材料科学的补充知识,附：无机材料科学的补充知识,一、 Fe-Fe3C相图,简化相图,Metals Phase diagram for Iron and Carbon,2003 Brooks/Cole, a divi

13、sion of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 11.15 The Fe-Fe3C phase diagram ( a portion of the Fe-C diagram). The vertical line at 6.67% C is the stoichiometric compound Fe3C.,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning

14、 is a trademark used herein under license.,Figure The eutectoid portion of the Fe-Fe3C phase diagram,碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，简称为铁素体()；最大溶碳量为727时的wc=0.0218%,最小为室温时的wc=.0008%；性能：b180280MPa、0.2100170MPa. 碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，()，最大溶碳量为1495时的0.09。,一、铁素体（Ferrite）,碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148时的wc=2.11，最小为727

15、时的wc=0.77；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：b400MPa、40%50%、170220HBS。 奥氏体主要存在于727以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。,二、奥氏体（Austenite）,4。热处理基本知识,一、钢的退火将钢加热到临界温度以上，保温一定时问，然后续慢冷却(如炉冷、坑冷、灰冷)获得接近 平衡组织(铁素体渗碳体（Fe3C）的工艺，称为退火。 (一)退火的实质对于共析钢来说，退火是奥氏体化后进行珠光体（铁素体与渗碳体组成的层片状组织）转变。对于亚、过共析钢则是奥氏体化后进行先共析转变加珠光体转变。,附：无机材料科学的补充知识,二、钢的正火将钥加热到上临界点以上30一50，保温一定的时间，进行完全奥氏体化然后在空气中冷却(夏天有时需要吹风或喷雾)，这种热处理工艺称为正火或“常化”。,附：无机材料科学的补充知识,正火的目的I细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化；2用于低碳钢(C035)，可提高硬度，改善切削加工性(因为低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易“粘刀”，且光洁度很差)。,附：无机材料科学的补充知识,