材料科学概论(1).ppt

材料科学概论 铁及铁基合金概述钢的热处理合金钢铸铁非铁金属及其合金 第三章金属材料 金属材料 是指纯金属和以纯金属为基的合金 大部分金属的结合键完全为金属键 过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合键 但以金属键为主 金属具有以下特性 1 良好的导电性和导热性 2 正的电阻温度系数 即随温度升高电阻增大 绝大多数金属具有超导性 即在温度接近于绝对零度电阻突然下降 趋近于零 3 良好的反射能力 不透明性和金属光泽 4 良好的塑性变形能力 一般金属材料分为两类 铁及铁基合金和非铁合金 铁和铁基合金包括纯铁 钢和铸铁 非铁合金指铁及铁基合金以外的所有金属和合金 如铝 铜 钛 镁及其合金等 第三章金属材料 一 纯铁纯铁的性能 纯铁的熔点为1538 常温下密度为7 87 103kg m3 具有铁磁性 弹性模量为2000MPa 纯铁的结构 体心立方 20 时点阵常数为0 288nm 称为 Fe 910 发生同素异构转变 910 1390 具有面心立方结构 915 点阵常数为0 364nm 称为 Fe 1390 以上晶体结构又转变为体心立方 称为 Fe 第一节铁及铁基合金概述 1 碳钢的定义 碳钢是指以铁和碳元素为主 含有少量锰 硅 硫 磷 氧 氮等非特意加入元素的钢 碳是其中最主要的合金元素 铁碳合金按碳的质量分数分为碳钢和铸铁w C 2 11 两类 2 碳在铁碳合金中的作用C在铁碳合金中的作用反映在Fe C相图上 P18 碳在 铁 铁和 铁中均以间隙形式存在于固溶体中 分别称为铁素体 奥氏体和 固溶体 或高温铁素体 它还可以与铁一起形成可用分子式Fe3C表示的化合物 称为渗碳体 二 碳钢 3 碳钢分类 碳的质量分数分为低碳钢 w C 0 25 中碳钢 0 25 w C 0 6 高碳钢 w C 0 6 按钢的质量 杂质硫 磷的质量分数 分为普通碳素钢 w S 0 055 w P 0 045 优质碳素钢 w S 0 040 w P 0 040 高级优质碳素钢 w S 0 030 w P 0 035 按用途分为碳素结构钢 用于制造各种工程构件如桥梁 船舶 建筑构件等和机器零件如齿轮 轴 连杆等 碳素工具钢 用于制造各种工具如刃具 量具 模具等 3 碳钢的牌号及用途 1 普通碳素钢 普通碳素钢简称普碳钢 按力学性能供应 国家标准GB700 88规定钢号有Q195 Q215 Q235 Q255 Q275等5中 数字表示其最低屈服强度 Q195 Q215 Q235钢塑性好 有一定的强度 通常轧制成钢板 钢筋 钢管等 可用于制造桥梁 建筑物等构件 也可用于制造螺钉 螺帽 铆钉等 Q255 Q275钢强度较高 常轧制成成形钢 钢板作构件用 2 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢对磷 硫的质量的分数限制较严格 钢号用碳的平均质量分数的万分数表示 例如钢号 20 表示w C 0 20 的优质碳素结构钢 45 表示w C 0 45 的优质碳素结构钢 若钢中锰的质量分数较高 则在其钢号以符号 Mn 如15Mn 45Mn等 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 3 铸钢 铸钢牌号的表示是在数字前 ZG 数字则代表钢中碳的平均质量分数 以万分数表达 例如ZG25 表示w C 0 25 的铸钢 铸钢可用来制造形状复杂而需要一定强度 塑性和韧度的零件 如起重运输机中的齿轮 联轴器及重要的机件 4 碳素工具钢 碳素工具钢的w C 0 65 1 35 钢号用碳的平均质量的千分数表示 并在前冠以 T 字 例如T9是w C 0 90 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若属于高级优质钢 则在钢号后标注 A 字 碳素工具钢主要用来制造各种刃具 量具 模具等 一 热处理的含义及其作用热处理是将固态金属或合金在一定的介质中加热 保温和冷却 以改变整体或表面组织 从而获得所需性能的工艺 它是改善金属使用性能和工艺性能的一种非常重要的加工方法 热处理工艺基本都包括加热 保温和冷却3个阶段 第二节钢的热处理 二 钢的热处理基本原理 1 钢在加热时的组织转变以45钢为例说明钢在加热时的组织转变过程 45钢室温平衡组织为铁素体加珠光体 铁素体与渗碳体片层间的机械混合物见P23图3 3 如图P21图3 1所示 加热温度超过Ac1 PSK 线时 珠光体转变为奥氏体 随着温度的提高 铁素体逐渐溶入奥氏体 温度超过Ac3 GS 线时 铁素体全部溶入奥氏体 这时的组织全部为较细的奥氏体颗粒 碳在奥氏体中的质量分数与钢中碳的质量分数相同 w C 0 77 的钢 称共析钢 加热至Ac1以上时 其组织为单相奥氏体 w C 0 77 的过共析钢的组织为渗碳体 奥氏体 由此可见 所有含碳量不同的碳钢在加热温度超过GSE线时都可以获得单相奥氏体组织 加热使钢的室温组织转变为奥氏体的工序统称为奥氏体化 2 钢冷却时的组织转变将加热组织为单相奥氏体的工件 以较高的速度冷却时 奥氏体冷却温度低于A3 A1 实际转变温度与A3 A1的差值称为过冷度 以w C 0 77 的共析钢为例介绍钢冷却时的组织转变 奥氏体过冷到723 500 之间 得到的组织都是层片状铁素体和渗碳体的机械混合物 统称为珠光体组织 但过冷度不同 片层组织粗细不同 可将珠光体类组织分为珠光体 索氏体和托氏体 过冷至230 550 范围内长期保温时 过冷奥氏体转变产物为贝氏体类组织 贝氏体是碳化物 渗碳体 分布在分布在碳过饱和的铁素体基体上或铁素体之间的两相混合物 转变温度不同 形成的贝氏体形态也明显不同 通常将550 350 之间形成的称上贝氏体 350 230 之间形成的叫下贝氏体 将奥氏体化后的工件放入水中快速冷却时 奥氏体将在更低温度范围内转变 转变产物为马氏体 马氏体的结构是体心立方的单相组织 实质上是渗碳体未从奥氏体中析出 而铁原子由面心立方转变为体心立方的碳过饱和铁素体 1 退火退火是指将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 一般为随炉冷却 以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺叫退火 根据处理的目的和要求 钢的退火分为完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火和去应力退火等 1 完全退火 又称为重结晶退火 通常用于亚共析钢 是把钢加热至Ac3以上20 30 保温一段时间后缓慢冷却 随炉冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 它的目的在于使铸 锻热加工造成的晶粒粗大 晶粒大小不均匀的组织细化 以提高其力学性能 或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织 以降低硬度 改善切削加工性能 三 钢的常规热处理 2 等温退火 是将钢件或毛坯加热到高于Ac3 或Ac1 的温度 保温适当时间后 较快地冷却到珠光体区的某一温度 并等温保持 将奥氏体转变为接近平衡组织的组织 然后缓慢冷却的热处理工艺 它的目的与完全退火相同 但转变较易控制 能获得均匀的预期组织 对于奥氏体较稳定的合金钢 常可大大缩短退火时间 3 球化退火 是使钢中碳化物球化状的热处理工艺 它主要用于过共析钢 如工具钢 滚珠轴承钢等 目的是使渗碳体 或碳化物 球化 以降低硬度 改善切削功能 并为以后的淬火作组织准备 4 扩散退火 为减少钢锭 铸件的化学成分的不均匀性 将钢锭 铸件加热到略低于始熔温度的温度 长时间保温并缓慢冷却的热处理工艺 称为扩散退火 亦称均匀退火 5 去应力退火 为消除铸造 焊接 锻造和机加工 冷变形等冷热加工在工件中造成的残留应力而进行的低温退火 称为去应力退火 加热温度一般为550 600 2 正火钢材或钢件加热到Ac3 亚共析钢 和Acm 过共析钢 以上30 50 保温适当时间后 在空气中均匀冷却 得到珠光体类组织 一般为索氏体 的热处理称为正火 正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快 使钢的组织比较细 一般用于以下几方面 最终热处理 可以细化奥氏体颗粒 使组织均匀化 减少亚共析钢中的铁素体 使珠光体含量增多并细化 从而提高钢的强度 硬度和韧度 对于普通结构钢零件 力学性能要求不很高时 可以正火作为最终热处理 作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件 在淬火或调质处理 淬火 高温回火 前常进行回火 以消除代状组织等 并获得细小而均匀的组织 改善切削加工功能 低碳钢或低合金钢退火后硬度太低 不便于切削加工 正火可提高其硬度 改善切削加工功能 3 淬火将钢加热至奥氏体化后 快速冷却 使组织转变为马氏体的热处理加工工艺称为淬火 马氏体的形态与钢的成分 原始奥氏体晶粒的大小和形成条件有密切关系 奥氏体晶粒越小 马氏体越细 细奥氏体转变成的马氏体 在光学显微镜下分辨不出组织特征 称隐针马氏体 马氏体的形态一般分板条状和针状 或片状 2种 主要决定于奥氏体中碳的质量百分数 P23图3 4表明 碳的质量百分数在0 6 以下时 基本上是板条马氏体 碳的质量百分数低于0 25 时 为典型的板条马氏体 碳的质量百分数大于1 0 者 则大多数是针状马氏体 而碳的质量百分数在0 6 1 0 之间时 为板条和针状马氏体的混合组织 4 回火钢件淬火后 为了消除内应力并获得所要求的性能 将其加热到Ac1以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火 淬火钢一般不直接使用 必须进行回火 这是因为 第一 淬火后得到的是很脆的马氏体组织 并存在内应力 工件很容易产生变形和开裂 第二 淬火马氏体和尚未发生转变的残余奥氏体都是不稳定组织 在工作中会发生转变 导致零件尺寸变化 这对于精密零件是不允许的 第三 需要获得要求的强度 硬度 塑性和韧度的配合 以满足零件的使用要求 1 钢在回火时的组织转变 钢淬火后得到的是不稳定的马氏体和残余奥氏体 回火加热能促进其发生转变 根据转变过程和形成的组织 回火可分为4个阶段 第一阶段 200 以下 马氏体分解 在200 以下加热时 马氏体中的碳以 碳化物的形式析出 而使过饱和度减小 正方度降低 形成的组织为回火马氏体 第二阶段 200 300 残余奥氏体分解 马氏体不断分解为回火马氏体 体积缩小 降低了对残余奥氏体的压力 使之转变为下贝氏体 下贝氏体和回火马氏体本质相似 残余奥氏体从200 开始分解 到300 基本完成 得到的下贝氏体不多 所以这个阶段的组织主要是回火马氏体 第三阶段 250 400 回火托氏体的形成 马氏体和残余奥氏体在250 以下分解形成 碳化物和过饱和度较低的 固溶体后 继续升高温度时 过饱和固溶体很快转变成铁素体 亚稳定的 碳化物也逐渐转变为稳定的渗碳体 此阶段到400 时基本完成 所形成的铁素体和细粒状渗碳体的混合组织叫做回火托氏体 第四阶段 400 以上 渗碳体的聚集长大 回火托氏体中的 固溶体已恢复为不再过饱和的铁素体 但仍保留着原马氏体的形态 与此同时 渗碳体不断聚集长大 于约400 时聚集球化 600 以上时迅速粗化 如此所形成的铁素体和粒状渗碳体的混合组织叫做回火索氏体 一 概述随着工业的发展 碳钢不能满足高强度 抗高温 高压 耐低温 耐磨损等等要求 于是人们在碳钢中特意加入一种或多种合金元素 形成了能够满足上述要求的合金钢 1 合金钢的分类按所含合金元素的多少 分为低合金钢 中合金钢和高合金钢 按所含主要合金元素种类 分为铬钢 铬镍钢 锰钢 硅锰钢等 按用途分为结构钢 工具钢和特殊性能钢等 第三节合金钢 2 各种合金钢简介 一 概述铸铁是碳的质量分数大于2 11 的铁碳合金 通常含有较多的Si S P等元素 1 铸铁的石墨化过程石墨化就是铸铁中碳原子形成石墨的过程 铸铁的石墨化过程可分为3个阶段 铸铁液体结晶出一次石墨和在1154 石墨与奥氏体同时从液相中析出的共晶反应形成共晶石墨 在1154 738 范围内奥氏体析出二次石墨 在738 石墨与铁素体同时由奥氏体通过共析反应析出石墨 第四节铸铁 2 铸铁中的合金元素按对石墨化的作用 合金元素可分为两大类 促进石墨化的元素C Si Al Cu Ni Co等 阻碍石墨化的元素Cr W V等 以及杂质元素P S 3 铸铁的组织和分类 根据石墨的形态对非白口铸铁分类 片状石墨的为灰口铸铁 团絮状的为可锻铸铁 球状石墨的为球墨铸铁 蠕虫状石墨的铸铁为球墨铸铁 4 铸铁性能特点石墨对基体的严重割裂导致灰口铸铁的抗拉强度和塑性较低 应力集中对石墨形态十分敏感 片状石墨引起严重应力集中 团絮状和球状石墨引起的应力集中较轻 由于石墨的存在 铸铁具有某些特殊性能 因石墨造成脆性切屑 铸铁切削加工性能优异 铸铁的锻造性能良好 铸铁凝固时形成石墨形成所产生的膨胀 减小了铸件的体积收缩 并且降低了铸件中的内应力 石墨有良好的润滑作用 并能存储润滑油 使铸铁有良好的耐磨性 石墨对震动的传递起削弱作用 使铸铁具有良好的减振性能 大量石墨的割裂作用 使铸铁具有良好的减振性能 大量石墨的割裂作用 使铸铁对缺口不敏感 二 各种铸铁的组织性能 一 铝及铝合金1 铝及铝合金的特性 密度低 比强度高 优良的物理 化学性能 加工性能良好 2 纯铝纯铝按纯度分为3分类 高纯铝 工业高纯铝 工业纯铝 纯铝的强度很低 不能作为结构材料使用 3 铝合金铝合金的固溶处理和时效 将成分位于 p49 相图中D与F之间的合金加热到 相区 经保温获得单相 固溶体后迅速水冷 可在室温得到过饱和的 固溶体 这种热处理过程叫做固溶处理 这种组织不稳定 在室温下放置或低温加热时 强度和硬度会明显升高 这种现象称为时效或时效硬化 铝合金的分类 分为形变铝合金和铸造铝合金2类 成分低于D的合金 加热时能形成单相固溶体组织 塑性较好 适于变形加工 称为形变铝合金 成分接近D的合金 熔点较低 溶液流动性好 适于铸造生产 称为铸造铝合金 第五节非铁金属及其合金 二 铜及铜合金1 铜及铜合金的特性 优异的物理 化学性能 加工性能良好 某些特殊的力学性能 色泽美观 2 纯铜纯铜常称紫铜 主要用于制作电导体及配制合金 强度低 不宜用作结构材料 3 铜合金黄铜 以Zn黄铜不仅有良好的变形加工性能 而且有优良的铸造性能 黄铜的耐蚀性比较好 与纯铜接近 超过铁 碳钢以及许多合金钢 为了获得更高的强度 抗蚀性和良好的铸造性能 可加入Al Fe Si Mn等元素 形成复杂黄铜 青铜 原指铜锡合金 但工业上统称含Al Si等的铜基合金 包括锡青铜 铝青铜 铍青铜 白铜 以Ni为主要合金元素的铜合金称为白铜 普通白铜具有较好的强度和塑性 能进行冷热变形 冷变