金属材料学全套ppt课件

金金 属属 材材 料料 学学第一章概论参考书目:1.钢铁材料学,章守华吴承建主编2.金属热处理原理,刘云旭主编已修课程:一.材料分类:1.按用途:能源材料、建筑材料、电子材料、航空材料、核材料、生物材料等。2.按性能:结构材料是用以制造受力构件,性能要求以力学性能为主。功能材料是性能要求为物理、化学性能等,包括声、光、电、磁、热。3.按化学属性:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。二.材料发展史回顾:旧石器时代:约一百万年以前，人类开始用石头做工具。新石器时代:约一万年以前，人类对石头进行加工，制成精致的工具和器皿。青铜器时代:新石器时代已发明了用粘土成型，再火烧而成为陶器。烧制陶器过程中，偶然发现金属铜和锡,这是铜、锡的氧化物在高温下被炭还原的产物，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇铸成型的青铜器铁器时代:约3000年前中国最早出土的铁制品约在公元前9世纪,到春秋(公元前770476年)末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先于世界其他地区，如用生铁退火而制成韧性铸铁,及发明了以生铁炼钢的技术。18世纪发明了蒸汽机，19世纪发明了电动机，对金属材料提出了更高要求。20世纪中叶，陶瓷材料通过合成及其他制备方法，做出各种类型的先进陶瓷(如SiC、BN、ZrO2等)，成为近几十年来材料中非常活跃的研究领域。不同类型材料之间存在着颇多相似之处,原理相通,如马氏体相变是金属学家提出来的,而且广泛地被用来作为金属热处理的理论基础；但在氧化锆陶瓷中也发现了马氏体相变现象，并用来作为陶瓷增韧的一种有效手段。又如光电材料GaN是用外延法制备,GaN在Al2O3衬底上生长,但GaN与Al2O3晶格失配度高达14%,因而位错密度大,性能差,如何改善性能?检测设备有颇多共同之处,例如光学显微镜、电子显微镜、物性与力学性能测试设备及表面测试等可用于各类材料。虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备,但在材料生产中，许多加工、制备方法及装置也有许多相通之处(如粉末冶金法),可以相互借鉴,从而加速材料的发展。三.内容及方法第二章合金化原理1.概述一.铁碳合金:碳钢是铁碳合金,组织参看Fe 与 C 的二元相图,为提高性能在碳钢中加入合金元素。二.合金元素作用：良好的强韧性配合;良好的工艺性能：淬透性;良好的耐蚀性等。这是由于合金元素与铁、碳及合金元素之间的交互作用,改变了组织。三.合金元素在钢中存在形式：1.固溶体：Ni/Fe，C/Fe等铁基固溶体 2.第二相：碳化物:TiC,NbC,VC等金属间化合物:Ni3Al,Fe2Mo等3.夹杂物:Al2O3，MnS等 2.铁基固溶体一种类（一）扩大奥氏体相区的合金元素:使A3降低,A4升高,称为奥氏体形成元素,此类元素在Fe有较大溶解度,并使Fe稳定分为两种:1.开启相区：Mn,Co,Ni2.扩大相区：C,N,Cu图21a.开启相区相图图21b.Fe-Ni相图图22a.扩大相区相图图22b.Fe-C相图（二）缩小奥氏体相区的合金元素:称为铁素体形成元素,使A3升高,A4降低,在Fe有较大溶解度分为两种：1封闭相区：V,Cr,Ti,Mo,W,Al,P,Sn,Sb,As2缩小相区：B,Zr,Nb,Ta,S,Ce二影响溶解度的因素：1对间隙式固溶体：C,N 原子尺寸比Fe、Fe的间隙大，因而有限溶解2对代位式固溶体：1）晶格类型：F.C.C与Fe同类型 2）原子尺寸：(DFe-DM)/DFe15%,崎变能大，溶解度小。3）电负性：某种原子夺取电子成为负离子的能力，若两者电负性差别大，易形成化合物，溶解度小，反之亦然。周期表中距离远，两者电负性差别大。例1：第四周期中Ni,Mn,Co与Fe：F.C.C；周期表中距离近；原子尺寸相近：因而与Fe无限溶解例2：Ti,Ni,Mo,W原子尺寸大，与Fe形成化合物（AB2相，Fe2Mo）例3：d层电子参与金属键结合，如3d层电子：Ti-2,V-3,Cr-5,Mn-5,Fe-6,Co-7,Ni-8,Cu-10,如3d层电子5缩小相区,如Ti,V,3d层电子5扩大相区,如Mn,Co,Ni3.合金元素与晶体缺陷的交互作用 一.内吸附：合金元素在缺陷处(晶界)吸附，其晶界浓度 平均浓度,又称为晶界偏聚,Cg=C0 exp(E/RT),Cg:晶界浓度,C0:平均浓度,R:气体常数 E:晶界偏聚驱动力，是溶质原子在晶界与晶内引起的畸变能之差,一般由溶质与基体原子尺寸差别引起的畸变能之差来估算,E=020 kJ/mol。尺寸较大的溶质原子趋向于受膨胀区域,尺寸较小的溶质原子趋向于受压缩的区域,可使点阵畸变松弛,从而降低系统内能。常见内吸附元素如表:周期IV族V族VI族2CNO3SiPS4GeAsSe5SnSbTe6Bi二影响因素：1.E:如溶质原子与基体原子尺寸差别大，驱 动力E大 2.T:T低，Cg/C0 大，T高，Cg/C0 小。3.C0:C0低，形成晶界偏聚难4异类溶质原子的相互影响：1).晶界偏聚倾向强烈的元素可减弱另一种元素的晶界偏聚：如加入Sb可减弱S的晶界偏聚2).一种元素影响另一种元素的晶界偏聚速度：Ce减慢Sb的晶界偏聚速度3).溶质元素在晶界相互作用形成共偏聚或原子团,如高温回火时 Mn-P,Ni-Sb 形成共偏聚促进回火脆性.下图为各种合金的晶界偏聚区,P的偏聚区约为6nm,Sb的偏聚区约为7nm.各种合金的晶界偏聚区可用生成热H来表示两种元素的相互作用程度,下表中:H高,如Mn-S形成化合物析出,H较高如Mn-Sb,Ni-Sb,Ni-P形成共偏聚.M-IH(kJ/mol)共偏聚倾向Mn-Sb25.1较强Ni-Sb33.1较强Ni-P55.2较强Mn-S102.5强,析出 4.碳化物形成规律 一碳化物特点：高硬度、高熔点、脆性大 碳化物形成元素是过渡族元素，其与碳的亲和力与d层电子有关.d层电子少，形成的碳化物稳定。如第四周期:TiVCrMnFeCoNi3d层电子数:23556783d层电子少的Ti,V形成的碳化物比Cr,Mn形成的碳化物稳定。形成的碳化物倾向依次下降:Ti,Zr,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe二碳化物形成规律：金属按一定规律排列，处于点阵结点上，碳处于间隙位置。(一)按间隙大小分为2种：1.间隙相：若间隙大，可稳定容纳碳原子，形成点阵结构简单的间隙相2.间隙化合物：若间隙小，不足以容纳碳原子，形成点阵结构复杂的间隙化合物。(二)按原子尺寸分类：rC:碳原子半径rM:金属原子半径1.rC/rM0.59:复杂立方：M23C6：Cr23C6，Cr7C3(三).复合碳化物：1.完全溶解：Fe3C,Mn3C可完全溶解，形成(FeMn)3C，TiC,VC可完全溶解，形成（TiV)C,Fe3(WMo)3C2.有限溶解：(FeMo)3C,(FeCr)3C三.碳化物的稳定性：稳定性是指碳化物溶入固溶体的难易程度，碳化物是否容易聚集长大.1.碳化物的稳定性依次下降：MC，M2C，M6C，M23C6，M7C3，M3C2.影响因素：碳化物中溶入更强的的碳化物形成元素其稳定性上升，例：(FeWMOCr)3C比Fe3C稳定性高反之（VMn）C比VC稳定性低5.钢中的金属间化合物一.金属间化合物种类：金属键结合AB型,AB2型,AB3型例：1.AB型:相,存在于不锈钢，耐热钢，高硬度（1100 Kg/mm2）1)尺寸因素：尺寸差别小，如W-Co 系中，尺寸差别为12，2)电子因素：S+d层电子浓度5.77.6之间，如：Fe-Cr的相:Fe:3d6 4S2，Cr:3d5 4S1,(8+6)/2=72.AB2型:钢中强化相，FeMo23.AB3型（有序相）：Ni3Al,Ni3Ti,强化相，存在于高温合金中6.合金元素对铁碳相图的影响一.合金元素对临界点的影响：1.扩大奥氏体相区的合金元素：如Ni,Mn,Cu等使A3、A1降低2.缩小奥氏体相区的合金元素：如Mo,W,Si,Al,Nb,V,Ti等使A3升高Mn对铁碳相图的影响Mo对铁碳相图的影响Cr对铁碳相图的影响二.合金元素对共析温度的影响：三.合金元素对共析碳量的影响：一般使共析碳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7.合金元素对钢在加热时转变的影响一合金元素对奥氏体形成的影响：加热转变过程为：1).奥氏体形成，这主要取决于碳化物溶解(C的扩散)2).奥氏体中合金元素均匀化3).奥氏体晶粒长大对奥氏体形成的影响：1强碳化物形成元素：Ti,Zr,Nb,V使奥氏体形成困难，其原因是：（1）使Qc（C在奥氏体中激活能）增加，使Dc(C的扩散系数)下降（2）其碳化物稳定，只有在高温下才溶解2非碳化物形成元素：Ni,Co,使Qc下降，使Dc增加,使奥氏体形成容易二.合金元素对奥氏体成分均匀化的影响：1碳化物形成元素：与C 亲和力强，在碳 化物形成元素富集区，C 浓度高，因而 奥氏体成分不均匀2.合金元素难以扩散，如合金元素较多，需使奥氏体化温度提高，保温时间加长，使奥氏体成分均匀。三.合金元素对奥氏体晶粒长大的影响：加热时晶粒长大是自发倾向，通过晶界移动进行。合金元素的影响：1.C,P,Mn促使晶粒长大:C在晶界内吸附使晶界原子的自扩散激活能减小,由288kj/mol减小到138kj/mol，因而扩散系数加大，奥氏体晶粒长大。2Ti,Zr,Nb,V,Al阻止晶粒长大：在晶界形成细小、稳定的碳化物质 点阻止晶粒长大Al：Al2O3,AlN质点处于晶界，钉扎晶界。8.合金元素对过冷奥氏体分解的影响一.过冷奥氏体恒温转变动力学曲线:TTT图（Time-Temperature-Transformation),又称C曲线,如图示:1.C曲线测定方法:将试样加热到奥氏体状态,保温后迅速冷到t1,t2,t3,随后在各温度等温,等温一定时间取出一个试样迅速淬入水中。如保温时间短过冷奥氏体尚未开始转变,试样淬入水中全转变为马氏体。保温时间超过一定值后,等温过程中过冷奥氏体开始转变,转变产物水淬时保持不变,而过冷奥氏体未转变部分水淬时转变为马氏体,在显微镜下区分两种产物,测定其相对量,可作出C曲线。2.孕育期:每一温度C曲线的转变开始点与Y轴的距离表示过冷奥氏体等温分解所需的准备时间,称为孕育期,不同温度的孕育期不同。转变速度与温度的关系如下图,影响转变速度有两个因素：1)自由能差2)扩散速度转变温度较高,过冷度较小,奥氏体与珠光体的自由能差较小,相变驱动力较小,所以孕育期长。转变温度下降,奥氏体与珠光体的自由能差加大,相变驱动力加大,所以孕育期减小。对共析钢：约550oC孕育期最短，转变速度最快，称为C曲线鼻尖。转变温度继续下降,扩散速度减小成为相变的主要因素,所以孕育期又加长。3.转变产物:1).鼻尖以上为高温转变区，转变产物为珠光体.2).鼻尖以下与Ms之间，为中温转变区，转变产物为贝氏体.3).Ms以下，为低温转变区，转变产物为马氏体.二过冷奥氏体连续冷却转变曲线：1.连续冷却转变曲线:将冷却曲线与过冷奥氏体恒温转变动力学曲线（TTT图）重叠，可定性研究过冷奥氏体连续冷却转变。图中可看到不同冷速时，开始转变温度不同。2.临界冷速：临界冷速示意图如冷速大于临界冷速,过冷奥氏体不转变,淬入水中可获得马氏体,临界冷速的大小表示淬火获得马氏体的难易程度。如C曲线右移,临界冷速减小,甚至空冷就可获得马氏体。三合金元素对C曲线的影响：1.多数合金元素增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移,临界冷速减小,（Co,Al除外）2.非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素（Ni,Si,Cu,Mn）只改变C曲线的位置，不改变C曲线的形状。3.碳化物形成元素Cr,Mo,W,V,Ti不但改变C曲线的位置，且改变C曲线的形状。形成双C形状.有2个鼻尖，上鼻尖为珠光体区转变鼻尖，下鼻尖为贝氏体转变区鼻尖。4.Si,Ti,V,Mo,W,使上鼻尖上升，Ni,Mn,Cu使上鼻尖下降。5.碳化物形成元素使下鼻尖下降,多数合金元素使马氏体点（Ms）下降,Co,Al使Ms上升综合影响如图示：四合金元素对珠光体转变的影响：1合金元素对碳化物形成的影