金属材料学14级金材-1碳钢概论.pptx

金属材料学 刘飞liufei 金材专业课程 2 材料 能源 信息是现代社会发展的三大支柱 其中材料发展与社会进步有着密切的关系 它是衡量人类社会文明程度的标志之一 为什么要学习这门课 航母 蛟龙号 战斗机 外太空探测器 石器时代 青铜器时代 铁器时代 金属材料是现代文明的基础 始于两三百万年前止于四至六千年前 始于公元前四千年止于公元初年 始于公元初年止于 上图 吴王夫差矛和越王勾践剑右图 铜齿轮 金属材料的应用 在古代 上图沧州铁狮子铸于953年 重约30吨 右图当阳铁塔铸于1061年 八棱13层 塔体分段铸造 它是我国目前最高 七丈十三层 最重 十万六千六百斤 和保存最完整的铁塔 金属材料的应用 在古代 鸟巢 外形结构主要由巨大的门式钢架组成 材质为Q460 共有24根桁架柱 呈鞍形 长轴为332 3米 短轴为296 4米 最高点高度为68 5米 最低点高度为42 8米 埃菲尔铁塔于1889年建成位于法国巴黎战神广场上的镂空结构铁塔 总高324米 使用了1500多根巨型预制梁架 150万颗铆钉 12000个钢铁铸件 金属材料的应用 在近现代 旅行者1号是由美国宇航局研制的一艘无人外太阳系空间探测器重815千克 于1977年9月5日发射 截止到2015年7月仍然正常运作 它曾到访过木星及土星 是提供了其卫星高解像清晰照片的第一艘航天器 现时 它是离地球最远的人造飞行器 旅行者1号现时已经进入太阳系最外层边界 目前处于太阳影响范围与星际介质之间 金属材料的应用 在太空最远处 的里雅斯特 潜水器在1960年1月20日用了4小时零43分钟的时间 潜到了世界海洋最深处 10916米马利亚纳海沟 最大潜水深度为10916米 2012年3月 美国好莱坞著名导演詹姆斯 卡梅隆独自乘坐潜艇 深海挑战者 号 北京时间5 52 下潜至马里亚纳海沟的挑战者海渊底部 这是人类第二次探底马里亚纳海沟 金属材料的应用 在大洋的最深处 蛟龙号 载人深潜器是我国首台自主设计 自主集成研制的作业型深海载人潜水器 设计最大下潜深度为7000米级 也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器 蛟龙号 可在占世界海洋面积99 8 的广阔海域中使用 对于我国开发利用深海的资源有着重要的意义 金属材料的应用 我国深海的探索 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 金属材料的应用 天上飞的 辽宁号航空母舰 简称 辽宁舰 舷号16 是中国人民解放军海军第一艘可以搭载固定翼飞机的航空母舰 前身是苏联海军的库兹涅佐夫元帅级航空母舰次舰瓦良格号 改装后中国将其称为001型航空母舰 歼 15 中文绰号 飞鲨 是中国参考从乌克兰获得苏 33战斗机原型机T 10K 3号机以国产歼 11战斗机为基础进而研制和发展的重型双发舰载战斗机 金属材料的应用 海里游的 11 0 1金属材料的发展 第一阶段 原始金属材料的生产公元前4300年 人类能使用天然的金 铜 公元前2800年 陨铁的使用公元前2000年 青铜的冶炼已经很成熟第二阶段 金属材料学科基础的建立1803年 道尔顿提出了原子假说 1830年 Hessel提出了32种晶体类型 1839年 晶体米勒指数普及英国Austen奥氏体 Austenite 美国Bain贝氏体第三阶段 微观组织理论的发展1900 1940年期间X射线发明 铁的同素异构体晶格类型 Griffith断裂理论的建立第四阶段 微观理论的深入研究1940年以后电镜的发展SEM TEM EPMA STEM AFM 0 2金属材料的分类 0 3金属材料的应用情况 1 从总产量来看 钢铁材料的产量占绝对优势 占世界金属总产量的95 而且有许多良好的性能 能满足大多数条件下的应用 故用量最大 且价格低廉 2 在世界金属矿储量中 铁矿资源虽然比较丰富和集中 但就世界地壳中金属矿产储量来讲 则非铁金属矿储量大于铁矿储量 如铁只占5 1 而非铁金属中铝为8 8 镁为2 1 钛为0 6 0 3金属材料的应用情况 3 但非铁金属冶炼较困难 所需能源消耗大 因而生产成本高 限制了生产总量的增长幅度 4 而非铁金属所创造的价值高 并且它有钢铁所不具备的特殊性能 例如比强度高 耐低温 耐腐蚀等 因而非铁金属产量仍在迅速增长 0 4金属材料的发展热点 1 继续重视高性能的新型金属材料具有高强度 高韧性 耐高 低温 抗腐蚀等性能2 非晶 亚稳态 材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料 金属纳米材料3 特殊条件下应用的金属材料低温 高压 高温 外场以及辐照条件材料的结构 组织和性能的研究4 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 0 5课程性质 本课程是材料科学与工程专业的一门主要专业课 它的主要内容是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 0 6课程内容 金属材料的合金化基础理论 着重讨论了金属材料中的合金元素 金属合金中的相组成与相变 合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用 常用钢铁材料 有色金属及合金材料和新金属结构材料 包括工程构件用钢 机器零件用钢 工模具用钢 不锈钢 耐热钢 铸铁 有色金属及合金 金属间化合物结构材料 金属基复合材料 亚稳金属材料等 0 7参考教材 教材与参考书目录吴承建 陈国良 强文江编著 金属材料学 北京 冶金工业出版社 2000 戴起勋主编 金属材料学 化学工业出版社 2011 凤仪主编 金属材料学 国防工业出版社 2011 0 8考核方式 平时成绩50 期末闭卷笔试成绩50 平时成绩考核方式 14钟因瓦合金记忆合金高熵合金非晶超导材料永磁合金弹性合金减震合金储氢合金金属间化合物结构材料粉末冶金金属基复合材料硬质合金ODS钢 6 7人一组分工合作从第三次课开始 每节课抽出十分钟左右时间听汇报 20 第一篇钢铁材料 钢铁材料的制备 21 钢铁材料的制备 22 第1章碳钢概论 1 1钢中的元素 1 11钢中的杂质元素 1 杂质元素分三种 长存杂质 隐存杂质 偶存杂质 长存杂质 Mn Si S P Mn 0 8 Mn与S形成高熔点MnS 1600 夹杂物 MnS在高温下具有一定的塑性 不会使钢发生热脆 加工后硫化锰呈条状沿轧向分布 Si 0 5 Si与O形成SiO2夹杂物 夹杂物MnS SiO2将使钢的疲劳强度和塑 韧性下降 23 S是炼钢时不能除尽的有害杂质 在固态铁中的溶解度极小 S和Fe能形成FeS 1190 并易于形成低熔点共晶 989 发生热脆 裂 P也是在炼钢过程中不能除尽的元素 磷可固溶于 铁 但剧烈地降低钢的韧性 特别是低温韧性 称为冷脆 但磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能 S和P还可以改善钢的切削加工性能 1 11钢中的杂质元素 24 隐存杂质 N H ON在 铁中可溶解 含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物 N可以与钒 钛 铌等形成稳定的氮化物这些氮化物有细化晶粒和沉淀强化的作用 H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆 O在钢中形成硅酸盐2MnO SiO2 MnO SiO2或复合氧化物MgO Al2O3 MnO Al2O3 1 11钢中的杂质元素 25 偶存杂质 Cu Sn Pb Ni和Cr这些杂质元素和炼钢过程中所使用的矿石和废钢有关 比如炼钢时加入了不锈钢321 1Cr18Ni9Ti 钢中就会引入Cr Ni和Ti等杂质 Cu的来源有两个 一个是含Cu复合矿的高炉冶炼 另一个是含铜废钢的循环使用 1 11钢中的杂质元素 26 合金元素目前钢铁中常见的合金元素有Si Mn Cr Ni W Mo V Ti Nb Al Cu B 合金元素加入的目的是改善钢的工艺性能或者力学性能 很多情况碳素钢的性能不能满足要求 为了提高钢的性能必须计入合金元素 合金元素含量有低有高 高的比如Cr能达到20 30 少的如0 005 B 一般合金元素总量10 为高合金钢 在5 10 之间是中合金钢 1 11钢中的合金元素 27 1 2碳钢的分类 L g a 1 按钢中碳含量的多少分类 1 铁碳合金按Fe Fe3C相图分类亚共析钢 0 0218 wc 0 77 共析钢 wc 0 77 过共析钢 0 77 wc 2 11 2 按钢中碳含量的多少 碳钢通常可分为低碳钢 wc 0 25 中碳钢 0 25 wc 0 6 高碳钢 wc 0 6 28 1 2碳钢的分类 2 按钢的质量 品质 分类 29 1 2碳钢的分类 3 按钢的用途分类 碳钢可分为 1 工程构件用钢 碳素结构钢 主要用于各种工程构件 如桥梁 船舶 建筑构件等 2 机械零件用钢 优质碳素结构钢 主要用于制造各种机器零件 如轴 齿轮 弹簧 连杆等 3 工模具用钢 碳素工具钢 主要用于制造各种工具 如刃具 模具 量具等 4 特殊用途的钢 主要用于耐热耐腐蚀等零件 30 1 2碳钢的分类 4 按钢冶炼时的脱氧程度分类 可分为 1 沸腾钢 F 指脱氧不彻底的钢 钢水中有高于碳氧平衡的氧量 放出CO气体 2 镇静钢 Z 指脱氧彻底的钢 O 0 01 0 002 0 003 优质钢和合金钢 3 半镇静钢 b 指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 4 特殊镇静钢 TZ 指进行特殊脱氧的钢 31 1 2 1工程构件用钢 碳素结构钢 1 主要用于一般工程结构和普通零件 它通常轧制成钢板 钢带 钢管 盘条 型钢 棒钢或各种型材 圆钢 方钢 工字钢 钢筋等 可供焊接 铆接 栓接等结构件使用 应用量很大 钢总产量的70 以上 2 热轧后空冷是这类钢通常的供货状态 用户一般不需要再进行热处理而是直接使用 wC 0 06 0 38 当质量等级为 A B 时 在保证力学性能的要求下 化学成分可根据需方要求作适当调整 32 1 2 1工程构件用钢 碳素结构钢 3 普通碳素结构钢的牌号表示方法牌号表示方法是由代表屈服点的字母 Q 屈服点数值 质量等级符号 A B C D 及脱氧方法符号 F b Z TZ 等四个部分按顺序组成 标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q 屈服点数值共分195 215 235 255 275五个强度等级 33 1 2 1工程构件用钢 碳素结构钢 等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号 也按S P杂质多少来分 以A B C D四个符号代表四个等级 其中 A级wS 0 05 wP 0 045 B级wS 0 045 wP 0 045 C级wS 0 04 wP 0 04 D级wS 0 035 wP 0 035 其中质量等级最高的是D级 达到了碳素结构钢的优质级 A B C三个等级均属于普通级范围 脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略 34 4 典型牌号 性能与用途 Q195 Q215钢含碳量很低 强度不高 但具有良好的塑性 韧性和焊接性能 常用作铁钉 铁丝 钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件 Q235A Q255A用于农机具中的拉杆 小轴 链等 也用于建筑钢筋 钢板 型钢等 Q235B Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件 机械中一般的转动轴 吊钩 自行车架等 Q235C Q235D质量较好 可作一些重要的焊接结构件及机件 Q255 Q275钢强度较高 其中Q275属于中碳钢 可用作制造摩擦离合器 刹车钢带等 1 2 1工程构件用钢 碳素结构钢 1 2 1工程构件用钢 碳素结构钢 1 用于较为重要的机件 可以通过各种热处理调整零件的力学性能 2 供货状态可以是热轧后空冷 也可以是退火 正火等状态 一般随用户需要而定 3 优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示 这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍 这类钢中硫 磷等有害杂质含量相对较低 夹杂物也较少 化学成分控制较严格 质量比普通碳素结构钢好 1 2 2机械零件用钢 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢 它们是08F 10F 15F 半镇静钢标 b 镇静钢一般不标符号 高级优质碳素结构钢在牌号后加符号 A 特级碳素结构钢加符号 E 专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部 或尾部 加上代表产品用途的符号 例如平均碳含量为0 2 的锅炉用钢 其牌号表示为 20g 等 1 2 2机械零件用钢 优质碳素结构钢 38 GB699 99 GB699 15 4 优质碳素结构钢共有31个钢号 08F钢的碳的质量分数低 塑性好 强度较低 可用于各种冷变形加工成型件 10 25等钢的焊接和冷冲压性很好 可用来制造标准件 轴套 容器等 也可以经热处理制造表面硬度高 心部有较高的强度和韧性的耐磨损 耐冲击的零件 如齿轮 凸轮 销轴 摩擦片 水泥钉等 1 2 2机械零件用钢 优质碳素结构钢 45等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨 心部韧性好的零件 如传动轴 发动机连杆 机床齿轮等 高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的 e和屈强比以及足够的韧性和耐磨性 可制造小线径的弹簧 重钢轨 轧辊 铁锹 钢丝绳等 1 2 2机械零件用钢 优质碳素结构钢 1 2 2机械零件用钢 铸造碳素钢 1 主要用于铸铁保证不了其塑性 且形状复杂 不便于用锻压制成的毛坯零件 其碳含量一般小于0 65 2 牌号用标志性符号 ZG 加上最低屈服点值 最低抗拉强度值表示 如ZG340 640表示其屈服强度不小于340MPa 抗拉强度不低于640MPa的铸钢 3 典型的碳素铸钢 1 2 4一般工程用铸造碳素钢 1 2 2机械零件用钢 铸造碳素钢 4 其他类型的铸钢件还有 焊接结构用碳素铸钢件 GB T7659 1987 如ZG230 450H 低合金铸钢件 GB T14408 1993 如ZGD535 720 耐热铸钢件 GB T8492 1987 如ZG40Cr30Ni20 不锈耐酸钢铸件 GB2100 1980 如ZG1Cr18Ni9Ti 中 高强度不锈钢铸件 GB6967 1986 如ZG10Cr13Ni1Mo等 1 主要用于制作各种小型工具 可进行淬火 低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性 可分为优质碳素工具钢 简称碳素工具钢 其wS 0 03 wP 0 035 和高级优质碳素工具钢 wS 0 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