金属材料学1.ppt

金属材料学 2007年9月 一 引言 材料是人类社会发展的基础 材料 能源 信息构成人类文明 而材料是基础任何物质只要能为人类经济地使用 就成为材料结构材料是基础的基础 人类社会的发展是以材料作为基础标志的 旧石器时代 新石器时代 陶器 铜器时代 铁器时代 结构材料的性能要求1 稳定的形态 温度 湿度 外力作用下稳定 较高的刚度 排除了气体和液体 较高的承载能力 屈服强度与断裂强度 抗拉 抗压 抗弯 耐磨 抗疲劳 轻量化要求如高层建筑 运输工具 温度稳定性 冷脆 热强性 环境介质作用稳定性 耐候性 结构材料的性能要求2 安全性 韧性 冲击载荷作用下吸收能量 耐温 不同使用条件下有不同要求 如低温钢 耐火钢 耐蚀 不同使用条件下有不同要求 如耐候钢 耐海水腐蚀钢 耐酸钢 自我修复 如加工硬化 结构材料的性能要求3 易于成型和加工 不同结构要求不同的形状 流态成型 铸造 沉积 半固态成型 带液芯轧制或锻造 固态成型 压力加工 热加工与冷加工 固态成型 机械加工 反复软化与硬化 连接成型 焊接 粘合 机械结合 复合 涂饰 结构材料的性能要求4 生产成本低廉且能大规模生产 资源丰富且易于开采 接近自然平衡态 硅酸盐材料具有特殊优势 满足大规模生产要求 生产工艺技术 成型工艺技术 产品生产工艺技术 性能提高的工艺技术等 环境友好 结构材料的性能要求5 舒适性与装饰性 现代要求且是发展趋势 表面质量与涂装 金属光泽与抗氧化 抗震降噪隔热 色彩 如彩钢 特殊性能 如抗菌 手感 主要结构材料 硅酸盐材料 价格低廉 年用量上千亿吨 其中天然沙石量上千亿吨 水泥22 1亿吨 中国10 6亿吨 占48 陶瓷1 85亿吨 中国0 96亿吨 占52 木材 天然材 但涉及环境保护 年消耗量约40亿立方米 中国约5亿立方米 钢铁材料 年产量11 29亿吨 中国3 5239亿吨 占31 有色金属 年产量8100万吨 中国1635万吨 高分子材料 塑料年产量2 12亿吨 中国2199万吨 中国水泥产量发展 钢铁材料的特点 资源丰富地壳中5 的丰度成本低廉大部分钢材的售价在3000元 吨便于回收90 的钢铁材料可回收 性能优良且多样强度和韧度耐腐蚀性能耐磨性能低温性能特殊功能固态多形性相变使得性能可大幅改变 钢铁材料与技术的发展方向 提高产量 满足经济建设发展需求高性能 高强度 高韧性 长寿命高内部质量 高洁净度 高均匀性 超细晶粒高表面质量 高尺寸精度和光洁度微合金化 改善组织和性能多品种 钢种和材型低成本 降低合金含量和工艺操作成本绿色化 易于回收和利用 可持续发展 提高产量 中国钢铁产量的发展空间 目前世界人均钢产量160kg 年发达国家在实现工业化期间 人均钢产量300 1000kg 年 持续生产时间为50 80年 人均累积用钢25 50吨发达国家基础设施建设达到饱和后 仍保持人均300 500kg 年的生产供应水平在后工业化社会 钢铁材料仍占全部金属材料的90 以上 我国2003年人均占有钢已达到世界平均水平约160kg 人 总产量达到2 24亿吨 2005年钢产量为3 52亿吨 人均267kg 预计近年内将达到5亿吨左右的峰值 人均占有钢达到350 400kg 人中国要实现全面工业化 达到发达国家整体水平 基础设施建设时间约需50年 累积用钢应达到200 300亿吨 人均15 20吨 中国后工业化社会仍需保持200kg 人年 即3亿吨 年的钢铁材料生产供应水平 提高性能 改善钢材品种结构 增加品种 Howmanydifferenttypesofsteelgradesareavailable Steelisnotasingleproduct Therearecurrentlymorethan3 500differentgradesofsteelwithmanydifferentproperties physical chemical environmental 75 ofwhichhavebeendevelopedinthelast20years Sources http www worldsteel org 生产结构调整 地区结构调整 降低生产成本提高成材率 连铸比与粗钢产量 采用先进钢铁生产工艺技术 高炉喷煤技术10年多喷吹煤粉 重点高炉喷煤比达到120kg t 节约焦炭712万吨 节约成本11亿元 溅渣护炉技术普通转炉最长炉龄已大于3万炉 重点企业平均3600炉 复吹炉最高大于2 9万炉 按年产1亿吨转炉钢计算年经济效益3亿元 连铸工艺与装备技术10年间连铸比增加61 9个百分点 节约成本约95亿元 棒线材连轧10年间共提高了45个百分点 节约成本17亿元 综合节能技术10年降低0 691吨标煤 节约成本356亿元 高效化生产工艺 生产结构优化的重点 缩短工艺优化流程 紧凑化 连续化实现封闭生产 达到零排放管理信息化 生产智能化环境友好 建立节能型钢铁厂 薄板坯连铸连轧高效化生产工艺 国外薄板坯连铸连轧生产线水平为 单流130万吨 双流200万吨 国内投产的7条薄板坯连铸连轧生产线 研究开发和采用高效化生产工艺 使单流产量达到150万吨 年 双流产量达到300万吨 年 将对我国和世界薄板坯连铸连轧生产工艺产生巨大的影响 微合金钢与微合金化技术是钢铁材料发展的重要方向 超细晶粒钢 微米级晶粒尺寸的获得与控制超微细第二相强化钢 纳米级第二相的获得与控制屈强比问题 提高抗拉强度及均匀延伸率是重要方向 而第二相与夹杂物的尺寸控制是钢铁材料中微裂纹尺寸控制的关键 电炉炼钢新技术 20年后 电炉炼钢将成为最主要的钢铁生产方式 废钢原料将超过铁矿石原料 超大功率节能降耗紧凑生产 铜在钢中的应用与控制 废钢原料的大量应用必然带来铜在钢中的富积铜在钢中产生热脆铜提高钢的耐候性铜在钢中可产生强烈的沉淀析出强化 AlN在钢中的作用研究 铝广泛用于脱氧 故在钢中普遍存在 合金化成本低廉AlN不仅可能以六方ZnS晶体结构的形态存在 近年来发现还可能以面心立方NaCl晶体结构的形态出现 从而具有类似于微合金碳氮化物的作用奥氏体区析出控制晶粒粗化并适当调节形变奥氏体再结晶行为 铁素体区析出产生强烈沉淀强化效果 N在钢中的作用研究 Fe C相图与Fe N相图的比较扩大奥氏体区元素 替代镍用于生产不锈钢 不锈钢需求量的增长速度大致是钢产量增长速度的2 3倍 世界性镍资源匮乏 预计镍资源可用时间仅为数十年 强烈的间隙固溶强化氮化物比碳化物更稳定 颗粒尺寸更细小冶炼难度很大 高压熔炼 加入高氮合金甚至氮化物粉体 钢铁材料研究的挑战与机遇 上千年的发展使其进一步创新难度增大工业化试验费用很高企业创新观念需加强 经济效益显著 对国民经济影响较大上千年的发展积累了丰富的经验和奠定了良好的基础中国正逐步成为世界钢铁研究的中心 二 Fe C合金 Fe Fe3C相图 Fe Fe3C相图 特征点 A 0 C 1538 B 0 52 C 1495 C 4 3 C 1148 D 6 69 C 约1227 E 2 11 C 1148 F 6 69 C 1148 G 0 C 912 H 0 09 C 1495 J 0 17 C 1495 K 6 69 C 727 N 0 C 1394 P 0 0218 C 727 Q 0 C 273 S 0 77 C 727 Fe Fe3C相图 相区 ABCD线以上 L相区 液相区 AHN区 铁素体区GPQ区 铁素体区5个单相区NJESG区 奥氏体区DFK线 Fe3C区ABH区 铁素体 液相区HJN区 铁素体 奥氏体区JBCE区 奥氏体 液相区CDF区 Fe3C 液相区7个双相区EFKS区 奥氏体 Fe3C区GPS区 铁素体 奥氏体区QPK线以下 铁素体 Fe3C区 Fe Fe3C相图 三相平衡反应 1 1495 铁素体 0 09 C L液相 0 52 C A奥氏体 0 17 C 2 1148 L液相 4 3 C A奥氏体 2 11 C Fe3C3 727 A奥氏体 0 77 C 铁素体 0 0218 C Fe3C Fe Fe3C相图 基本相 液态铁L Liquidiron 密度7 035t m3 铁素体 Ferrite 又称高温铁素体 BCC晶体结构 1394 的点阵常数为0 29318nm 密度7 360t m3A奥氏体 Austenite 相 FCC晶体结构 912 的点阵常数为0 36468nm 密度7 420t m3F铁素体 Ferrite BCC晶体结构 室温点阵常数0 286645nm 密度7 875t m渗碳体Fe3C Cementite 正交晶体结构 分为一次 共晶 二次 共析 三次渗碳体 室温点阵常数为0 45235 0 50890 0 67433nm 密度7 683t m3 Fe Fe3C组织图 基本组织 珠光体 Pearlite 铁素体与渗碳体的共析混合物 平衡状态下呈片层状 渗碳体质量11 22 铁素体质量88 78 但从金相形貌上看差别没有这么大莱氏体 Ledeburite 铁碳合金共晶反应混合物 高温莱氏体为奥氏体和渗碳体的共晶混合物 渗碳体质量52 18 奥氏体质量47 82 低温莱氏体为珠光体 30 69 与共晶渗碳体 52 18 二次渗碳体 17 13 的混合物 共析钢 亚共析钢 过共析钢冷却过程中的组织演变 Fe 石墨相图 4 26 Fe 石墨相图与Fe Fe3C相图比较 Fe 石墨相图的共析温度升高了11 共晶温度升高了6 相应地使C E S P点向低碳含量方向移动了0 04 0 03 0 09 0 0012 Fe 石墨相图的右端为100 碳含量 而Fe Fe3C相图仅为6 69 石墨比渗碳体更为稳定 故Fe 石墨相图才是真正的平衡相图 而Fe Fe3C相图是亚稳平衡相图Fe 石墨相图主要在铸铁生产中应用 石墨 Fe 石墨相图中出现的重要相石墨为六方结构的层状晶体 室温点阵常数为0 24612nm 0 67078nm 密度为2 267t m3 熔点3825 石墨强度 硬度较低且多孔隙 是良好的导电 导热材料 减摩润滑 减震降噪在钢铁材料中同样可分为一次 共晶 二次 共析 三次石墨石墨密度明显比铁低 钢铁凝固过程中可减少缩孔率钢铁中的石墨形态有片状 球形 蠕虫形等 三 钢铁材料的强韧化理论 钢铁材料的性能控制因素 每一门学科均存在对研究对象的性质起基础控制作用的因素 它们构成了该学科的研究基础层次化学的基础层次是原子 原子物理学的基础层次是层子 天文学的基础层次是星体结构材料学的基础层次是显微缺陷组织 它控制了材料的力学性能 组织性能关系 材料性能力学性能物理性能化学性能腐蚀与磨损工艺性能 材料组织化学分析金相分析X射线晶体学电子显微分析相分析 组织性能关系金属学金属物理材料物理化学强韧化原理 材料工艺技术热处理原理与工艺热加工工艺 冶炼 铸造 轧钢 锻造 焊接 材料学钢铁材料学合金化原理 组织性能关系 组织性能关系 组织性能关系 复杂问题分段解决性能F F 各种成分及工艺参量 该函数关系式将非常复杂而难于实际应用性能F F 各种显微缺陷组织参量 显微缺陷组织参量f f 各种成分及工艺参量 由此可将复杂的问题分解为两步 过程中可剔除明显不需要研究的部分 显微缺陷组织 点缺陷 空位 间隙原子 固溶原子 置换固溶 间隙固溶 线缺陷 位错面缺陷 晶界 相界 表面体缺陷 第二相 夹杂物 组织性能关系 强韧化原理 位错与各种显微缺陷组织的相互作用 间隙固溶原子 置换固溶原子 林位错 晶界 第二相 相应的强韧化技术 间隙固溶强化 置换固溶强化 位错强化 晶粒细化强化 第二相强化 强韧化工艺解析 马氏体强化 碳间隙固溶强化 孪晶界强化 相变位错强化 低温回火后 碳化物沉淀强化加工硬化或应变硬化 位错强化沉淀强化或时效硬化 第二相强化 位错点阵阻力 位错运动的点阵阻力 即P N力 P 位错点阵阻力 由P N模型可知 位错宽度增加将使P N力降低 因而刃位错较螺位错的P N力低而更容易滑移 位错柏矢量绝对值减小及位错滑移面间距的增大将使P N力降低 因而位错总是在密排面上沿密排方向滑移 由于面心立方点阵和密排六方点阵的晶体较体心立方点阵的晶体在密排面上的原子排列更紧密 因而面心立方点阵和密排六方点阵的晶体的P N力较低而体心立方点阵的晶体的P N力较高 位错点阵阻力 表1一些金属晶体在室温的 P实验测定值 MPa 体心立方金属M为2 故铁的P N力约56 8MPa 强固溶强化元素的固溶强化强度增量 碳含量变动较小时 也可表述为 kC kN通常取为4570MPa 小于0 2 时 弱固溶强化元素的固溶强化强度增量 常见置换固溶元素的强化作用系数值kM MPa Mn 37 Si 84 P 470 Cu 38 Cr 40 Ni 0 固溶强化效果比较 固溶强化效果比较 C N间隙固溶强化是钢中最经济有效的强化方式 0 2 提供强度增量约900MPa 0 8 提供强度增量约1800MPa Fe C合金 含氮钢的发展 大多数置换固溶元素的固溶强化是很不经济的强化方式注意M M 的区别 只有处于固溶态的部分才能产生固溶强化作用 位错强化 钢铁材料中 大致在0 4 0 5之间位错密度 退火态大致在105 106 mm2 正火态大致在107 mm2 低碳位错马氏体中或表面冷变形强化的钢铁材料中大致在108 109 mm2 剧烈冷加工态钢铁材料中最高可达5 1010 mm2 位错强化效果 退火态 6 4 20 3MPa正火态 64MPa低碳位错马氏体或表面冷变形强化 203 641MPa剧烈冷加工态 最高4529MPa 目前人们获得的最高强度就是在冷拉钢丝中通过剧烈冷加工得到 突出的问题是位错密度测定或估算 晶粒细化强化 Hall Petch关系式 低碳钢中比例系数约为17 4MPa mm1 2 高碳钢中约为22 3MPa mm1 2 但晶粒超细化后比例系数将降低 该类型关系式可用于抗拉强度 断裂强度等 晶粒细化强化效果 ASTM8级晶粒度相当于20 m的晶粒尺寸 约7 07mm 1 2 晶粒度级别增大2级 晶粒尺寸减小为一半 mm 1 2数增大为21 2倍 传统热轧钢材保证6级晶粒度 5mm 1 2 晶粒细化强度增量87MPa控制轧制钢材可达5 m的晶粒尺寸 14 14mm 1 2 晶粒细化强度增量246MPa 第二相强化 Orowan机制与切过机制 Orowan机制下的强度增量 第二相体积方式很小时 f1 2远小于0 854 1 2 钢铁材料中 G为80650MPa 泊松比 为0 291 b为0 24824nm 可得 Orowan机制下的强度增量 高碳钢中渗碳体体积分数可高达15 平均尺寸1 m 1000nm 强度增量27 1MPa 最佳控制条件下平均尺寸100nm 强度增量191MPa 微合金钢中微合金碳氮化物体积分数仅为0 1 最佳控制条件下平均尺寸2nm 强度增量228MPa 若体积分数增加至0 28 强度增量约410MPa 强化作用的叠加 不同固溶元素所产生的固溶强化效果可以直接线性叠加 置换固溶强化效果与位错强化 细晶强化或第二相强化的强化效果也可线性叠加某一强化方式的强化效果远大于其他强化方式的强化效果时 可忽略同类其他强化方式的强化效果而将非同类强化方式产生的强化效果直接线性叠加位错强化和细晶强化采用均方根叠加不同种类第二相的强化效果采用均方根叠加 脆性矢量 强度必须有足够的韧性做保证才能充分发挥作用 但强度和韧性是一对矛盾 提高强度时一般均将使材料韧性下降 因此 强韧化原理必须包括韧性方面的考虑低碳钢及低合金钢韧性的最主要指标是韧脆转变温度TC每提高强度1MPa使韧脆转变温度TC升高的温度数称为该强化方式的脆性矢量 脆性矢量 脆性矢量 晶粒细化强化的脆性矢量为 0 67 MPa 是唯一的在提高强度的同时提高材料韧性的强化方式 因而获得最广泛的重视合金元素Al Mn对晶粒细化有较好作用沉淀强化 0 26 MPa 相对较小片层状渗碳体强化 1 07 MPa位错强化 0 4 MPa间隙固溶强化的C N 1 53 2 0 MPa置换固溶强化P 3 53 Sn 1 13 Si 0 53 Cr Mn 0 MPa 抗拉强度与屈服强度的相互影响 屈服强度对微裂纹的形成过程具有重要影响 抗拉强度是其屈服强度提高的极限 屈服强度超过抗拉强度是不可能的 而屈服强度相当接近于甚至等于抗拉强度的钢材在实际工程中是不可能安全应用的 抗拉强度在很大程度上是一个重要的塑性指标 抗拉强度Rm与屈服强度RP之间的差值是材料塑性的重要指标材料屈服后继续变形将产生加工硬化 流变应力随均匀塑性变形量增加而不断增大 达到断裂应力后将不再继续均匀塑性变形而将发生断裂 抗拉强度Rm与屈服强度RP之间适当的差值一方面保证了均匀塑性的实现 屈服比很大时均匀塑性变形未完成就可能发生断裂 另一方面对非均匀塑性 乃至总塑性 有重要的影响 屈强比在塑性变形中具有重要作用 材料的屈强比被定义为RP Rm屈强比大于或等于1的材料无塑性 且实际屈服强度被降低屈强比在0 9以上的钢材在使用安全性方面存在隐患屈强比在0 6以下的钢材具有良好的冷加工变形性能 抗拉强度在很大程度上是一个重要的韧性指标 静力韧度UT被定义为静拉伸实验中材料断裂前单位体积所吸收的功 抗拉强度在很大程度上是一个重要的韧性指标 断裂韧度将材料的断裂强度与微裂纹尺寸结合为一个韧性指标 材料断裂强度 由Griffith脆性断裂理论推导并经塑性修正后的平面应变状态下材料的断裂强度SC为 提高材料断裂强度的机制 减小微裂纹尺寸aC增大裂纹尖端塑性变形功 P 材料基体的比表面能 S变化幅度很小 一般在1 1 5J m2范围 而裂纹尖端单位面积塑性变形功 P变化范围可从0变化到100000J m2 微裂纹的产生 原有未钝化的孔洞或裂纹弱化的界面 晶界或相界 此时适当的微区塑性变形是必须的 因而材料的屈服强度对抑制微裂纹的产生具有重要作用位错塞积与位错反应 微裂纹尺寸的控制因素 塑性材料主要受屈服强度影响 大规模塑性撕裂可产生较大尺寸的微裂纹高强度材料主要受弱化的晶界尺寸或第二相 包括夹杂物 尺寸的影响 微裂纹的扩展 只有达到临界尺寸的微裂纹才会失稳扩展导致断裂 因而控制材料中的微裂纹失稳扩