金属材料(28).ppt

金属材料学学时80学时理论课48学时实验课32学时,一、金属材料的历史地位二、金属材料的分类三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史五、金属材料的发展现状及趋势六、关于本课程,绪论,主要内容,一、金属材料的历史地位,1.材料是衡量人类社会文明程度的标志之一。,金属材料是现代文明的基础。,2.目前，人类还处在金属器时期。,比高分子材料更高的强度、模量、耐热性；,比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；,石器时代→青铜器时代→铁器时代,二、金属材料的分类,,黑色金属,有色金属,金属材料,铸铁,,钢,工程构件用钢,,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢不锈钢及耐热钢,,轻金属铝,镁,钛,重金属铜,锌,铅,镍,贵重金属金,银,铜,稀有金属钨钼钒铌钴,放射金属镭铀钍,三、金属结构材料的应用情况,1.总产量钢铁材料占世界金属总产量的95％，用量最大，且价格低廉。,2.世界金属矿产储量铁5.1％，非铁金属中铝8.8％．镁2.1％，钛0.6％。,3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。,4.非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备的特殊性能，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产量仍在迅速增长。,钢铁仍将是21世纪中国结构材料的支柱,生产能源消耗低,可大批量生产,丰富的矿产资源,低廉的生产成本和销售价格,优异的使用性能和良好的加工性能,公元前4300年自然的金、铜及锻打、热加工等工艺,公元前2800年铁的熔炼,四、金属材料发展的历史,公元前3800年人工冶炼的铜器；,公元前3000年我国出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610％Sn）。,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。,我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。,现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。,19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。,20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。,非铁金属冶金方面,19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；,用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；,同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。,20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。,19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。,铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。,上图吴王夫差矛和越王勾践剑右上青铜鼎右下商代青铜纵目人面像,上图沧州铁狮子铸于953年，重40余吨。右图当阳铁塔铸于1061年，八棱13层，塔体分段铸造,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。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。,水陆两用汽车轻型吊轨磁悬浮列车,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。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用2年多来，它最高飞行时速超过了600多公里，比直升机快2倍，可载4人，飞行最大高度9000米，航程1500公里。,材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变,机身材料的变迁钢--铝合金--钛材料--各种复合材料,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。,五、金属材料的发展现状及趋势,1．继续重视高性能的新型金属材料,高强度及超高强度金属材料,超易切削钢和超高易切削钢,高温合金与难熔合金,有序金属间化合物,硬质合金与金属陶瓷,金属基复合材料,共晶合金定向凝固材料,3．材料的设计及选用科学化按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。,2．非晶（亚稳态）材料日益受到重视,超细纳米颗粒金属材料,快速冷凝金属非晶及微晶材料,本课程的目的、内容及学习要求,1.目的,讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。,金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。,3.本课程的内容,4.学习要求,掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。,掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。,能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，正确确定热处理技术条件。,能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。,5.参考书目录,戴起勋编著。金属材料学，化学工业出版社，2005。,王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，1987。,王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，1999。,Chapter1钢铁中的合金相,,1.1碳钢概论,1.2钢铁中的合金元素,1.3合金钢的分类、牌号,主要内容,碳钢中的常存杂质碳钢的分类碳钢的用途,铁基固溶体Me与钢中晶体缺陷的相互作用钢铁中的碳化物和氮化物钢中的金属间化合物Fe-Fe3C相图及Me的影响,重点及基本要求,1.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用;2.第二节是本章重点。要求全面掌握Me对钢的组织及性能的影响规律。难点是Me对钢中基本合金相结构的影响;3.掌握合金钢的分类、牌号.,1.1碳钢概论,一、碳钢中的常存杂质-Mn和Si（1）,Mn和Si是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。,1Mn基体平均浓度。,晶界脆性当P，As，Sn，Bi，Sb在晶界发生偏聚时；,晶界迁移与晶界扩散,晶间腐蚀,相变成核相变时晶体缺陷处优先成核。,晶界强化耐热钢中加入B，Zr等，提高晶界强度；,对组织与性能影响很大,淬透性硼钢中的B在A体晶界上吸附，↑↑钢的淬透性；,缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多；,偏聚机理,结构学,原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓，符合自然界最小自由能原理。,能量学,该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。,热力学,影响因素,缺陷处溶质浓度,从溶质和基体原子尺寸差引起的畸变能估计E值。E020KJ/Mol,温度TT↓，内吸附强烈；,偏聚是一个扩散过程，溶质原子只有在能够扩散的温度范围内才能产生偏聚。,H原子0℃左右扩散就比较显著并形成柯氏气团；,C、N原子在室温左右即可产生偏聚；,Mo、Nb、V等高熔点溶质原子在500℃以上才能发生明显的偏聚现象。,时间t偏聚需要原子扩散→需要一定时间；,可控制时间因素来控制吸附。,缺陷本身缺陷越混乱，E↑，吸附也越强烈;,其它元素其它元素对偏聚元素的作用主要有间接作用和直接作用两类。,①间接作用优先吸附问题,引起E值大的溶质元素优先发生偏聚，如B与C。,②直接作用影响吸附元素的D。,Mn↑DP，使P扩散↑，↑了钢的回火脆性；,Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。,点阵类型,对置换式溶质原子的内吸附无影响；,对间隙溶质原子有影响；间隙溶质原子在bcc结构中将产生强烈的吸附；,如C、N原子在F中的吸附比在A中更显著。,只有与完整晶体内原子间距偏差在一定临界值的晶体点阵，才能接纳大的或小的代位溶质原子。,一、钢中常见的碳化物,K的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。,非K形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等，与碳不能形成K，但可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其它化合物，如氮化物等。非K形成元素均处于周期表Fe的右侧。,K形成元素Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它们都是过渡族元素；K形成元素均位于Fe的左侧。,1.2.3钢铁中的碳化物和氮化物,M6CW，Mo，Fe6C，不是一种金属K。复杂立方点阵。常在含W、Mo的合金钢中出现。,钢中常见K的类型,M3C渗碳体，正交点阵；,M7C3Cr7C3，复杂六方；可形成复合K,如Cr,Fe,Mo，7C3,M23C6Cr23C6，复杂立方；多为复合K,M2CMo2C、W2C。密排六方；,MCVC、TiC，简单面心立方点阵；,复杂点阵结构M23C6、M7C3、M3C。特点硬度、熔点较低，稳定性较差；,简单点阵结构M2C、MC。又称间隙相。特点硬度高，熔点高，稳定性好。,M6C型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。,在钢中，铁的K与合金K相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干Me的原子所取代。如Fe,Mn3C、Fe,Cr3C等。,Fe-M-C形成的三元KM6C型复杂立方，W、Mo的KFe3Mo3C,Fe4Mo2C,Fe3W3C,Fe4W2C。M23C6型复杂立方，W、Mo的KFe21Mo2C6，Fe21W2C6。,二、碳化物形成的一般规律,各元素的rc/rMe的值如下MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53,1、碳化物类型的形成,碳化物类型与Me的原子半径有关。,rc/rMe0.59复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；,rc/rMeVW,MoCrMnFe各种K相对稳定性如下MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C（高-------------------低）,三、氮化物及其形成规律,基本性能特点高硬度、脆性、高熔点。,氮化物一般形成间隙相。,强氮化物形成元素Ti、Zr、Nb、V；中强氮化物形成元素Mo、W；弱氮化物形成元素Cr、Mn、Fe,氮原子比碳原子小，氮原子半径rN和金属原子半径rM之比rN/rM均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。,例如1NaCl型简单立方点阵TiN，VN，CrN，Fe4N（γ）等2简单密排立方点阵WN，MoN，Cr2N，Fe2-3N（ε）等氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化物相类似。,合金钢中由于Me间以及Me与Fe之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物，保持金属的特点。合金钢中比较重要的金属间化合物有σ相（AB）拉维斯相（AB2）有序相（AB3）,1.2.4钢中的金属间化合物,高Cr不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，会出现σ相。,一、σ相,伴随着σ相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。,周期表中第一长周期的第七族和第八族过渡族金属与周期表中第五族和第六族能形成σ相。,如Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co、Mo-Mn等。,第二长周期的第八族与第五族和第六族也能形成σ相。,AB2相是尺寸因素起主导作用的化合物，两组元原子直径之比为dAdB1.21.,二、AB2相,在含W、Mo、Nb和Ti的复杂成分耐热钢和耐热合金中存在。是现代耐热钢和耐热合金中的强化相。,如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2,Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al、Ni3Fe，,三、AB3相,各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于无序固溶体到化合物的过渡状态。有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体，如Ni3Fe,Ni3Mn等；,有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如Ni3Al,Ni3Ti,Ni3Nb。,Ni3Al是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的强化相。,