金属材料学 全套 课件

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1、材料工程系,金属材料学,一、课程特点和要求 课程特点：综合性 、应用性、经验性。 金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程,课程要求：掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设计 的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、 组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地 选择材料和制订工艺。 二、课程要点及思路 主线：材料成分-工艺-组织-性能-应用之间的有机关系 核心：合金化原理 “思想”：作用的辨证与矛盾的转化。,三、教学安排 教学：详略，有的内容自学； 实践：课堂讨论，小论文，综合性实验，思考题； 考试：考试+平时+课堂讨论与实验,图 材料学主线示意图,绪论 金属材料的过去、

2、现在和将来,0.1 金属材料发展简史 1、第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。,上图：吴王夫差矛和越王勾践剑 右上：商周时期的青铜敦和尊 盘- 国家一级文物 右下：商代青铜纵目人面像,擂鼓礅二号墓编钟复制件 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。

3、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。,2、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， Ro

4、bert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建 立了Fe-Fe3C系的平衡图。,钢的组织命名： Austenite英金属学家Austen； Bainite美科学家Bain； Sorbite英科学家Sorby； Martensite德科学家Marten； Troostite法化学家Troost； Ledeburite德学者Ledebur 新合金钢发明： 1820年，铁-铬合金； 1857年，钨钢；1898年,含钨高速钢雏形 1871年，锰钢和硅钢。 开始了合金钢的新纪元,3、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（

5、）-Fe是bcc，-Fe是 fcc；固溶体规律。 1931年：发现合金元素的扩大和缩小区作用. 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。,4、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 看到了钢中第二相沉

6、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 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 .,0.2 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：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料结构材料，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 关键是工艺。“新一代钢铁材料” 强度相当于现有钢铁材料

7、两倍。 美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 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，铝镁合金技术成熟，已应用。,现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向,水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车,材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变,美国飞行汽车将于2009年上市销售,MX-400空中汽车 美国莫勒潜心研究.被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是

8、它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。,自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后，各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。,世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的.在 “9.11”事件中，该双子大楼遭到袭击， 毁于一旦。但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将永远载入史册。,泰坦尼克号快速沉没的原因,小问题引大灾难.泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没,经查明是 因为含有9%矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架.,0.3 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

9、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%。 我国资源短缺 ；资源浪费严重；污染严重。,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

10、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。,钛合金 被称为“空间金属”、“未来钢铁”。 钛合金比强度是最高的，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。,世界上第一个载人宇宙飞船,世界上第一个“太空人”,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

11、，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.,未来对材料和技术的要求,环境和能源因素 放在很重要的位置,思考题,1、1958年世界工业博览会在比利时召开，博 览会大楼是由9个巨大金属球组成，金属球直径为 18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什 么? 说明什么意义?,2、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科 列宁大街上建造了40英尺高的雕象，雕象材料是 钛合金。为什么用钛合金做? 代表什么意义?,3、金子从古到今都是作为世界上的流通货 币，为什么? 铜是人类最早认识和使用的金属， 为什么?,4、1983年,在上海召开的第4届国际材料及 热处理大会的会标是小炉匠锤打的图

12、案，代表 什么意义?为什么古代著名的刀剑都要经过反复 锻打?,5、为什么建筑上的楼板、大梁混凝土中要用 钢筋? 而且国家都有使用标准?,第1章 钢的合金化原理,1.1 Me和Fe基二元相图 一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）,常存杂质,冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。,隐存杂质,偶存杂质,生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。,与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。,热脆性 S FeS(低熔点989)；？ 冷脆性 P Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 H 白点。,2、合金元素（alloying-element） 为合金

13、化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。,二、Me和Fe的作用 纯Fe Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：,1、稳定化元素,使A3，A4，区扩大,a) 与区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启区 量大时， 室温为相；,b) 与区有限固溶 C、N、Cu 扩大区。,2、稳定化元素,使A3，A4，区缩小,a) 完全封闭区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与-Fe完全互溶，量大时相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解,b) 缩小区 Nb等。,稳定相 A形成元素，稳定相 A形成元素。,(a) Ni，Mn，Co,(b)

14、C，N，Cu,(c) Cr，V,(d) Nb,B等,图1 合金元素和Fe的作用状态,1.2 Me对Fe-C相图的影响 一、对S、E点的影响 A形成元素均使S、E点向左下方移动， F形成元素使S、E点向左上方移动。 S点左移意味着共析C量减小 ； E点左移意味着出现莱氏体的C量降低 。,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析碳量的影响,二、对临界点的影响 A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动,三、对-Fe区的影响 A形成元素Ni、Mn等使-Fe区扩大钢在室 温下也为A体 奥氏体钢； F形成元素Cr、Si等使-Fe区缩小钢在高 温下仍为

15、F体 铁素体钢。,铬对钢区的影响 锰对钢区的影响,1.3 铁基固溶体 一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况,注：有些元素的固溶度与C量有关,不同元素的固溶情况是不同的。为什么? 简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。,常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径,注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值,（1）Ni、Mn、Co与-Fe的点阵结构、原子 半径和电子结构相似无限固溶；,（2）Cr、V与-Fe的点阵结构、原子半径和 电子结构相似无限固溶；,（3）Cu和-Fe点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大有限固溶；,（4）原子半径对溶解度影响：R8%，

16、可以形成无限固溶；15%，形成有限 固溶； 15%，溶解度极小。,结 论,合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律,决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似., 有限固溶 C、N、B、O等, 溶解度,溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的 如-Fe与-Fe 。,溶质原子大小：r，溶解度。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。,间隙位置 优先占据有利间隙位置 畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。,二、间隙固溶体,1.4 碳（氮）化物,一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很 重要的作用。,非