金属材料学PPT课件.ppt

材料工程系,金属材料学,1,一、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,2,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,3,图 材料学主线示意图,4,绪论 金属材料的过去、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。,5,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,6,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。,7,2、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， Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建 立了Fe-Fe3C系的平衡图。,8,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,9,3、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（）-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。,10,4、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 .,11,0.2 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。,12,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。,13,现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向,14,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,15,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。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。,16,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。,17,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。,18,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.,19,0.3 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。,20,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。,21,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。,22,世界上第一个载人宇宙飞船,世界上第一个“太空人”,23,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，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.,24,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,25,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?,26,3、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?,27,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。,28,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。,29,二、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。,30,2、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。,31,(a) Ni，Mn，Co,(b) C，N，Cu,(c) Cr，V,(d) Nb,B等,图1 合金元素和Fe的作用状态,32,1.2 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,33,二、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F体 铁素体钢。,34,铬对钢区的影响 锰对钢区的影响,35,1.3 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。,36,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,37,（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%， 可以形成无限固溶；15%，形成有限 固溶； 15%，溶解度极小。,结 论,38,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.,39, 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,40,1.4 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K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等 K形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）,41,钢中常见的K类型有： M3C：渗碳体，正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方 ； M2C：例Mo2C、W2C。密排六方 ； MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 ； M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵 。 K也有空位存在 ；可形成复合K , 如(Cr,Fe,Mo，)7C3,42,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。,43,1、K类型 K类型与Me的原子半径有关。 各元素的rc/rMe的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53,二、K形成的一般规律,44,rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；,rc/rMe 0.59 简单结构相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。,Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。,45,2、相似者相溶,完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。,有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 20%Cr， 2%W， 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。,溶入强者,使K稳定性 ;溶入弱者,使K稳定性,46,3、强者先，依次成,K形成元素中，强者优先与C结合，随C， 依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C，依 次形成M6C，Cr23C6 ，Cr7C3 , Fe3C。 如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固 溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都 在基体固溶体中。,47,4、NM/NC比值决定了K类型,形成什么K主要决定于当时的NM/NC比值。,退火态: 在Cr钢中，随NM/NC ，先后形 成顺序为：M3CM7C3M23C6 。 回火态:基体中的NM/NC，则析出的K中 NM/NC也。如W钢回火时，析出顺序为： Fe21W2C6 WC Fe4W2C W2C，NW/NC 是不断。,48,5、强者稳，溶解难， 析出难，聚集长大也是难,MC型在1000以上才开始溶解；回火时， 在500700才析出，并且不易长大，产生“二 次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强 化方法。,49,1.5 Me在钢中的存在形式 一、Me在不同状态下的分布,1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。,2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。,3、回火态 低回: Me不重新分布； 400，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。,50,二、Me的偏聚（segregation ）,偏聚 现象,Me偏聚 缺陷处C 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。,偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.,Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.,51,偏聚 机理,溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能， 符合自然界最小自由能原理。,结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；,能量学：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。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。,热力学：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。,52,影响 因素,缺陷处 溶质浓度,温度T ：T，内吸附强烈； 时间t：偏聚需要原子扩散需要一定时间； 缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈; 其它元素：间接作用 : 优先吸附问题 , B与C 直接作用: 影响吸附元素D , MnDP，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。 点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈,53,1.6 合金钢的加热A化 一、K在A中的溶解规律,基 本 规 律,1）K稳定性越好，溶解度就越小；,2）温度，溶解度， 沉淀析出；,3）K稳定差的先溶解 ;,4）A中有弱K形成元素，则会C 活度ac ， K的溶解；非K形成元素（如Ni）则相 反,ac，K的溶解。如：较多Mn的存在 使VC的溶解温度从1100降至900。,54,碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系,55,二、A体均匀化 A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ?,三、A体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大； 2）C、N、B晶粒长大； 3）Ni、Co、Cu作用不大 。,56,1.7 过冷A体的分解 一、过冷A体的稳定性,过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。,1）Ni、Si和Mn，大致保持 C钢的“C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；,2） Co不改变“C”线，但使“C”线左移；,3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。 Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致 有五种。,57,“C”曲线五种形状,58,常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响 (上左) 强K形成元素 (上右) 中、弱K形成元素 (下左) 非K形成元素,59,二、过冷A体的P、B转变 P转变 ：需要C和Me都扩散 ； 综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变 ：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。 影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si ，而W、Mo等影响很小。 三、Me对Ms的影响 各种Me对Ms位置的影响程度是不同的。,60,思考题： W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解? 对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太低，为什么?,61,1.8 合金钢的回火转变 一、M分解,低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大,中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不 同程度影响:,1）Ni、Mn的影响很小；,2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们 与C的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了 渗碳体的析出长大；,62,3）Si比较特殊： 300时强烈延缓M分解,Si 和Fe的结合力 Fe和C的结合力 ,ac,-FeXC的形核、长大,Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要从中出去, Fe3C,效果: 含2% Si能使M分解温度从260提高到350以上,63,4）合金钢回火时M中含C量变化规律,基 本 规 律, 渗碳体形成开始温度与合金化无关；, 含非碳化物形成元素（Si除外）的合金 钢（线2）和C钢（线1）规律相同；, 在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含 C量要比C钢的高，如图中的C3 C1，2 ；, 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是 不同的。,64,回火时马氏体中C量的变化 线1 -C钢; 线2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢; 线3 -含碳化物形成元素的合金钢,65,二、回火时K的形成,各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550,1）K长大 聚集温度：M3C型，350 400；其它K ， 450 600；,2）K成分变化和类型转变 K转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊K特殊K T, 500 能否形成特殊K，取决于: Me性质、NM/NC比值； T和t 。,66,钒钢（0.3C,2.1V）在1250淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化,67,3）特殊K的形成 原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊K析出 二次硬化，直接析出 贡献最大,68,三、回火脆性 1、第1类回火脆性,脆性 特征, 不可逆； 与回火后冷速无关； 晶界脆断。,产生 原因,Me 作用, Fe3C薄膜在晶界形成； 杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界， 晶界强度。,Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性； Si 脆性温度区.,69,2、第2类回火脆性,脆性 特征, 可逆； 回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断 .,产生 原因, 杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物,晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化 合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。,Me 作用,N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂,70,Me对相图的影响,Me与C的作用,Me在材料处理各过 程中的行为表现,加热,冷却,回火,温 度,时间,一方面要清楚材料处理各过程的演化规律; 另一方面要掌握Me在各过程中的作用和影响. 为理解Me的作用 要了解钢的基本强化机理.,71,1.9 Me对钢强韧化的作用,一、Me对钢强化的形式及其机理 强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,72,表达式,对于C、N等间隙原子， n = 0.332.0； 对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n = 0.51.0,机理,效果,提高强度，降低塑韧性,原子固溶 晶格发生畸变 产生弹性 应力场，与位错交互作用位错运动阻力,1、固溶强化,73,合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。,74,合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应 -间隙元素，-F形成元素，-A形成元素,75,2、位错强化,表达式,机理,位错密度 位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动 钢强度。 对bcc晶体，位错强化效果较好 ?,效果,在强化的同时，同样也降低了伸长 率，提高了韧脆转变温度TK,76,3、细晶强化,表达式,机理,晶粒越细 晶界、亚晶界越多 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。,效果,钢的强度，又塑性和韧度 这是最理想的强化途径.,著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Kg为系数,77,晶界处位错塞积现象,78,4、第二相强化,表达式,机理,微粒第二相钉扎位错运动强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。,效果,有效提高强度，但稍降低塑韧性。,钢强度表达式,79,位错被质点障碍物所挡住,80,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,81,二、合金钢强化的有效性 最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。 1、强化的有效性,强化: 弥散析出,P |-S|,硬度峰值,弱化: M分解,P |-S|,弱化缓慢,82,图 强化和弱化的演变 1- M分解；2-弥散析出；3-综合效应,83,2、Me对强化有效性的影响 强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。 Me量 弥散相量(有足够的C) 二次硬化,例：含0.10.15%C钢， 需0.10.2%V；0.080.12%Nb； 2.53.0%Cr,强化 弱化,Me最小浓度 临界值,K类型 含C量,84,图 V对40钢回火硬度的作用,不同含C量 的V钢，如 产生二次硬 化，V的临 界浓度是不 同的，为什 么?,85,对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与C钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响，并且Me的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。,需要充分理解,86,三、Me对钢韧性的影响 1、影响韧性的因素,强化 因素,一般情况，钢强度塑韧, 称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地韧性。 危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小,但对强化贡献较大。,合金 元素,Ni韧性；Mn在少量时也有效果；其它 常用元素都在不同程度上韧性,87,晶粒 度,细晶既S，又TK, 即 韧性 最佳组织因素。,第二 相,K韧性。K 小、匀、圆、适量 工艺努力方向。,杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， 提高钢的冶金质量是必须的。,杂质,88,合金元素对铁素体 冲击韧度的影响,晶粒大小对强度、韧脆转 变温度TK的影响,89,20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能,90,2、提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织 如Ti、V、Mo； 2）回火稳定性 如强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 Ni ； 4）细化K 适量Cr、V，使K小而匀 ； 5）回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当含C量. 冶金质量。,91,思考题： 有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态?,92,1.10 Me对钢工艺性的影响,一、冷成型性 冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。 冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变 脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷 成型性差。P、Si、C等元素冷作硬化率。 需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能 Si、C等量。,93,二、热压力加工性 热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。 Me溶入基体 产生畸变,热变形抗力 热压力加工性能。如Mo、W、Cr、V等元素 影响较大。C和Me量较多时，形成共晶K，热 压力加工性更差。 合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢 等高合金钢的热压力加工难度是较大的.,94,三、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑 速度；精加工主要考虑表面粗糙度。 C钢 硬度在170230HB，切削性能最好. 对组织来说，P:F=1:1较佳。不同含C量的钢要 得到较好的切削性，其预处理是不同的： 对C钢: 0.8%C,宜球化退火,95,思考题： 为什么钢的切屑是连续的，而铸铁的切屑是碎 片状断开的?,96,四、材料的热处理工艺性,淬透性 一般是指淬火时获得M的能力. 合金元素复合作用大,不是简单加和.,97,在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大 到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 。,淬透 性好 的作 用,可以使工件得到均匀而良好的力学 性能，满足技术要求；,在淬火时，可选用较缓和的冷却介 质，以减小工件的变形与开裂倾向,98,贝氏体 淬透性,合金化基本元素是0.5%Mo + 微量B。,99,淬硬性 理想淬火条件下,形成M能达到的最高硬度. 淬硬性主要与钢的含碳量有关。,变形开裂倾向 热应力变形;组织应力 开裂;附加应力 较复杂.影响因素比较复杂,要综合分析. 采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降 低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球 化退火等预先热处理也可减小零件的变形。,100,过热敏感性和氧化脱碳倾向 奥氏体晶粒急剧长大的敏感性, Mn.如 40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。 氧化和脱碳往往伴随产生. Si.含硅钢氧 化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、 60Si2Mn、30CrMnSi等。 脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度， 脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有 害的.,101,回火稳定性(热稳定性) 合金钢回火稳定性要比碳钢好.同样回火硬 度,合金钢的回火温度高,时间也可长些,应力 消除也大些;同样塑韧性,合金钢的强度比碳 钢高.,回火脆性 (前面已介绍),102,钢的编号方法自学,103,1.8 金属材料的环境协调性设计,目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三 千多种。 材料的废弃物再生循环很困难,可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个 重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发 展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所 以就出现了通用合金和简单合金的概念。,104,1.8.1 通用合金与简单合金,通用 合金,又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。 Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn钢. 通过改变Fe、Cr、Ni（Mn）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。 Cr-Mo钢, 耐热钢,105,简单 合金,组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设计上有几个特点： 合金组元简单，再生循环过程中容易分选； 原则上不加入目前还不能用精炼方法除去的元素； 尽量不使用环境协调性不好的合金元素。,106,两个 基本 原则,（1）在维持合金高性能的前提 下，尽量减少合金组元数；,（2）获得合金高性能时，以控 制显微组织作为加入合金元素的替 代方法。,这种设计合金的思路叫省合金化设计或最小 合金化法。简单合金的主要用途是代替大量消 费的金属结构件材料。,107,Si-Mn合金钢就是目前重点开发的一 种普通的简单合金。可以通过各种热处 理获得不同的组织结构，如F+P、F+B、 B+M、B、M等，得到不同强度、塑 性配比的性能，以满足各种用途。 Si和Mn作为主要合金元素，在地球上 储量相当大，并容易提取。是一个有前 途的环境材料系列。在汽车薄板和冲压 件上得到了广泛的应用,典 型 例 子,108,1.8.2 环境协调性合金设计,环境协调性合金的成分设计,尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素 和对生态环境人体有较大毒害作用的元素。,对人体毒害作用比较大的元素有Cr、As、Pb、Ni、 Hg等。含有这些元素的材料废弃后，会造成空气、土壤 的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。 因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的 影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子,109,表 某些金属元素对人体的毒害作用系数,110,性能环境负荷比,环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数 据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是 较大的。表面技术处理涉及到表面处理过程中的 能源消耗、资源消耗和废弃物排放.,从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言， 按电子束表面处理电火花表面处理激光表面 处理加热处理气体表面渗碳处理火焰表面 处理离子化学热处理，从弱到强排列.,111,表 常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比,112,小 结,材料学核心是合金化基本原理，这是材料强韧 化矛盾的主要因素。,要真正理解“合金元素的作用，主要在于对合 金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合 适的处理条件下才能得到体现。”,掌握了合金元素作用及其在加工过程中的演 化规律，才能更好地理解各类钢设计与发展，才 能更好地开发新工艺、新材料。,113,合金化 设计,K类型 及性质,K形成 规律,对相图 影响,对C线 的影响,组织 设计,Me对过 程影响,Me对工 艺性作用,强韧化矛盾 演化规律,钢强化 基本机理,合金韧化 基本途径,114,第2章 工程结构钢,工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢 种。在钢总产量中，工程结构钢占90左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。 低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。 按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等,115,116,高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔,客车及农业机械,镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架,浦东国际机场侯机楼及道路护栏,现代化蔬菜棚,耐候Z型钢用于体育馆,117,2.1 工程结构钢的基本要求,工程结构件长期受静载；互相无相对运动 受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击； 一般在-50100范围内使用； 如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.,服役 条件,生产 工艺,焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要 经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺,技术 要求,1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）； 2、良好的焊接性和成型工艺性； 3、良好的耐腐蚀性； 4、低的成本。,118,2.2 低合金高强度结构钢的合金化 1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响,C,固溶强化效果和珠光体含量，低成本。 C，塑、韧性，焊接性、冷成型。 如0.1%C，TK为-50，0.3%C，TK为50 一般均应限制在0.2%以下,Si,最常用且较经济的元素。强化F较显著， 1%Si，s85MPa，TK，量多时可大为 降低塑韧性，所以Si控制在1.1%,119,Mn,固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。 约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，TK。 同样量多时可大为降低塑韧性. 所以Mn控制在1.8%。,NbV TiAl,形成稳定细小的K等，粒子210nm， 既细晶又沉淀强化，s，、AK， 综合效果TK。改善焊接性。 作用顺序:TiNbAlV。,Re,脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，TK,所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳， 稍高的锰含量，并适当用硅强化。,120,合金元素对低合金高强度钢的固溶强化,钢的韧脆转折温度与碳含量的关系,121,（a）强化机制的影响 （b）成分的影响 图 铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧-脆转折温度的影响,122,2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢 固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧 性，没有裂纹及各种缺陷。,控制 C,C 焊缝处硬化与脆化倾向，焊接裂 纹。提高淬透性的Me种类及其数量也应适 当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。,Cu P,耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量: 0.0250.25% Cu ，0.050.15 P 。 P，冷脆 和时效倾向增加。用Al脱氧 细晶粒钢。 复合加入适量元素，则钢耐蚀性效果更佳。 如090CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B,123,时效 现象,低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）,产生 原因,C、N等间隙原子偏聚或内吸附于 位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低 塑性和韧度。如：某钢板刚变形时， AK120J，十天后降为35J；焊接钢板 在三个月后由92J降为33J。,当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等,124,思考题： 退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后长进行深冲，为什么?,125,2.3 铁素体-珠光体钢,最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到级，则 F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa,F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根 据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级 为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊 质量级，有低温冲击韧性要求。 组织： 1025片层状P+ 7590多边形F。,126,低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 2004年度国家科学技术进步一等奖,主要 特点,超细晶粒、高洁净度、高均匀性。 生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，成本，具有更高的经济效益。 如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。,具体 指标,采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5m（碳钢）和12m（微合金钢）。碳钢的s由200MPa提高到350400MPa；低合金钢由350400MPa提高到600700MPa。,127,低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品,128,2.4 微珠光体低合金高强度钢,石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线 用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。 输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气 管线用钢发展为微P低合金高强度钢。,强化 机理,对F-P钢, P量每10%，将使TK22。 油气管线用钢:C, 0.1%；为保证， 就必须采用其它不损害或少损害焊接性和 韧度的强化措施。 析出强化和晶粒细化钢性能。 Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。,129,控制轧制和控制冷却技术 高温形变热处理F大幅度晶粒细化强度和韧度。,控制轧制和控制冷却的组织变化模式图,图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成,130,图 各种轧制程序模式图 CR：控制轧制 ；AcC:控制冷却,131,3、微合金元素的作用 Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要 有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢 晶粒主要通过以下两种方式： （1）阻止加热时奥氏体晶粒长大 （2）抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶 使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的 碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧 作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的 运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。,132,沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)和VC。 Nb0.04%时，Gph；Nb0.04%时，ph 增量大大增加，而G保持不变。V引起析出强化增量 ph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。,微合金元素对钢的屈服强度的影响 （G：晶粒细化的贡献Ph：析出强化的贡献）,133,2.5 针状铁素体钢,对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要 求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金 高强度钢。,基本 特点,针状铁素体（acicular ferrite，简写AF） 钢实际上属于超低碳贝氏体钢。 0.06C + 适量Mn、Mo、Nb等 具有 高密度位错（1010cm2）亚结构的“针状F” 组织（超低碳B）。s 达700800MPa，低 温冲击韧性、焊接性更好. 用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被 称为21世纪的控轧钢。,134,2.6 低碳贝氏体和马氏体钢,低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%，使 用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空 冷或控制冷却，直接获得B组织。 由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳 量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和 良好的韧度，屈服强度可达450980MPa .,135,主要 特点,合金元素是保证在较宽的冷速范 围内获得以贝氏体为主的组织,成分特点: ? 0.5%左右Mo + 微量B（0.005%） +Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V,主要用于制造容器的板材和其他 钢结构。,14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的 低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级,136,低碳马氏体钢,工程机械上相对运动部件和低温下使用部件， 要求有更高的强度和良好的韧性。,0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之 配合 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。,BHS-1钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。 锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质 后的性能水平。,制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和 拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。,137,2.7 双相钢,成分,主要成分为： 0.2%C，1.21.5%Si， 0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4%Mo， 少量V 、Nb、Ti。（质量分数）,组织,F+M组织，F基体上分布不连续岛 状混合型M（20%） 双相钢。 F中非常干净，C、N等间隙原子很 少；C和Me大部分在M中.,138,强度 MPa 双相钢 600 400 普通钢 200 10 20 30 40 应变 / % 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较,性能,低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、 下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大， 冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后 s可达500700MPa。,139,应 用,冲压型双相钢主要是板材，广泛用 于各种容器和汽车冲压件。 非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋 薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后 控制冷却，得到F加M双相钢组织， 然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。 可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车 的前后保险杠、发动机悬置梁等，使 用双相钢可使汽车重量降低1030%,140,141,低合金高强度钢发展趋势,低碳超低碳,0.06%甚至0.02%,高纯净化,微合金化技术,控轧和控冷工艺,超细晶粒化,自动化在线控制,在线生产系统,复合微合金化,净化钢中的有害杂质,组织微细化,计算机控制和性能预报,142,采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图,143,144,小 结,在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和 控冷工艺是关键因素。组织变化是在T-t-P三元处 理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合 强化。这是对传统T-t二元处理的一个突破，从而 对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展,Ti、Nb、V等元素在控轧和控冷工艺过程的各 个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复 合加入使各强化机制得到了最佳的发挥,145,第3章 机器零件用钢,根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。,146,3.1