材料科学与人类文明第5章 金属材料XX

材料科学与人类文明第5章 金属材料XX 第五章常用结构材料简介金属材料金属材料简介钢铁碳素钢合金钢金属材料黑色金属材料有色金属材料灰口铸铁球墨铸铁?白口铸铁Cu、Al、Ti、Mg合金碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢碳素钢成分(GB/T13304-91)合金元素Cr MnMo NiSi TiW V最大含量wt.0.301.000.050.300.500.050.100.04按成分分类低碳钢中碳钢高碳钢普通质量钢优质钢高级优质钢w c?0.25%w c0.25-0.60%w c0.60%w S?0.050%w P?0.045%w S?0.035%w P?0.035%w S?0.020%w P?0.030%按用途分类碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢碳素结构钢牌号-b脱氧方法沸腾钢；b半镇静钢质量等级、屈屈服点?s主要牌号及应用牌号Q195Q215Q235Q255Q275主要应用举例受载荷较小的钢丝、开口销、钉子、拉杆、焊接件铆钉、短轴、拉杆、垫圈、渗碳件、焊接件连杆、螺栓、螺母、轴类支架、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、焊接件轴类、吊钩、型钢轴、齿轮w c0.06-0.38%常用热处理一般不热处理，直接使用碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢Q235-AF A级沸腾钢优质碳素结构钢牌号45平均含碳量的万分数。 数字后加F表示沸腾钢加Mn表示含Mn量较高。 主要牌号、性能及应用牌号08F、 1015、 20、25（碳素渗碳钢） 30、 35、 40、 45、50（碳素调质钢） 55、 60、 65、65Mn（碳素弹簧钢）性能特点强度低、塑性好强度较低、塑性韧性较好渗碳后获得表面硬度高、心部韧性好的零件强度、塑性、韧性配合较好经调质后可获得优良的综合力学性能强度高、塑性低淬火中温回火处理后有较好的弹性应用举例冷冲压件、焊接件负载不大的轴、销、齿轮、垫片及渗碳件轴类、齿轮、紧固件、要求不高的表面淬火件简单的耐磨件、简单的弹簧、钢丝绳等w c0.05-0.75%常用热处理正火、调质、淬火、回火、渗碳碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢随含C量提高，强度增大，塑性降低性能调节方法渗碳、回火钢合金钢碳素工具钢牌号T10A碳平均含碳量的千分数。 数字后加A表示高级优质碳素工具钢w c0.65-1.35%常用热处理球化退火、淬火、低温回火主要牌号T 7、T 8、T 9、T 10、T 11、T 12、T13性能特点热处理后，硬度、耐磨性高；塑性、韧性低；淬透性差主要应用小截面刃具、模具碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢T8MnA，含C%=0.8%、含Mn、高级P P、S S含量低于一般优质碳素工具钢铸造碳钢牌号ZG200-400铸钢?s?b w c0.15-0.60%主要牌号ZG200-400,ZG230-450,ZG270-500,ZG310-570,ZG340-640主要应用形状复杂、力学性能要求高、铸铁难以满足的零件碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢合金钢主要合金元素Al、Co、Si、Cu、Mo、Ni、Cr、Mn合金元素的主要作用?细化晶粒?固溶强化（形成合金渗碳体或特殊碳化物）?提高淬透性?提高回火稳定性?获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）合金钢调质钢机器结构钢工程结构钢渗碳钢合金结构钢合金工具钢低合金结构钢锅炉用钢造船用钢刃具钢弹簧钢轴承钢易切削钢耐候钢模具钢量具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢工程结构钢成分特点?低含碳量（w c0.2%）?根据不同要求添加合金元素，总量3%用途建筑、船舶、桥梁、运输工具、高压容器、军工性能要求?一定的综合力学性能和屈强比?良好的压力加工和焊接性能?耐侯性和耐冷脆性级别300MPa350MPa400MPa450MPa500MPa650MPa牌号12Mn09MnNb16Mn12MnPRe16MnNb10MnNbRe14MnVTiRe15MnVN14MnMoVBRe18MnMoNb14CrMnMoVB用途船舶、低压锅炉、容器、油罐桥梁、车辆船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构、起重机械建筑结构、船舶、化工容器桥梁、起重机港口工程结构、造船、石油井架桥梁、高压容器、电站设备、大型船舶大型焊接结构、大桥、造船、车辆中温高压容器(500?C)锅炉、化工、石油的高压厚壁容器(1.0%时不标注。 高速钢不标注含碳量合金结构钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢刃具钢模具钢量具钢工具钢金相T7(碳素工具钢)经球化退火高速钢铸态特殊性能钢超高强度钢耐磨钢易削钢耐热钢耐蚀钢性能要求?高强度?合适的塑性?高疲劳强度?一定的冲击韧性和断裂韧性?承受严重冲击和摩擦?良好切削性?热强性?抗氧化性?耐腐蚀主要种类或成分特点低合金中碳马氏体型中合金低碳马氏体型中合金中碳二次硬化型高合金超低碳马氏体时效钢高锰铸钢(受冲击后表面产生加工硬化)提高S S、P P含量加S、Se、Te等改变非金属夹杂物的组成加Pb形成金属夹杂奥氏体耐热钢铁素体耐热钢马氏体耐热钢珠光体耐热钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢主要钢种举例30CrMnSiNi2A40Cr5MoSiV1(H13)25Si2Mn2CrNiMoVA Ni25Ti2AlNb ZGMn8ZGMn13Y 12、Y 20、Y40Mn、YP 40、Y35S、Y40CrS、YP12CrNi,YP30CrMo1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr131Cr11MoV1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr13,2Cr133Cr13,4Cr13合金结构钢合金工具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢易切削钢不锈钢金相奥氏体不锈钢马氏体不锈钢铸铁分类、特点及应用分类成分/wt.%组织性能应用牌号灰口铸铁C:2.5-4.0Si:1.0-3.0Mn:0.5-1.2S:0.15P:0.12?抗拉强度低、压缩强度高?塑性、韧性低?减摩、减震性好?缺口敏感性好机床床身，发动机缸体，箱体，阀体，泵体等HT100HT150HT200HT250HT300HT350球墨铸铁C:3.6-3.9Si:2.0-2.8Mn:0.3-0.6S:0.07P:0.10?具有灰铁基本性能?抗拉强度高、屈服强度高?有一定塑性、韧性?疲劳强度较高曲轴，连杆，凸轮轴，飞轮，机器底座，汽缸等QT400-18QT450-10QT500-7QT700-2QT900-2蠕墨铸铁C:3.5-3.9Si:2.2-2.8Mn:0.4-0.8S:0.10P:50%在6501000范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力?钴基超耐热合金:受限于钴资源的短缺含钴量4065的奥氏体高温合金在7301100下，具有一定的高温强度、良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。 超耐热合金的分类超低温对材料的特殊要求常温以下直至绝对零度的较大温度范围低温沸点天然气-163液氮-195.88液氢-253液氦-269超低温合金1.防止低温脆性2.需要具备低温下的热性能低温合金膨胀系数尽可能小3.必须是非磁性合金超低温技术多在磁场下利用带有磁性的合金，在构件中就会由于产生电磁力的作用而造成对磁场的不良影响超低温材料的要求超低温合金的研究?高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。 即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率热膨胀系数特别小缺点机械加工性不佳，耐冲击性也较差。 ?铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝取代而制得低温下强度、韧性都十分优异常温下良好的加工性。 超塑性合金超塑性合金现象金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。 57超塑性的概念一般说来，如果材料的延伸率超过100，就可称为超塑性。 凡具有能超过100延伸率的材料，则称之为超塑性材料。 现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过1000，有的甚至可达200058?纳米铜的室温超塑性59在不同温度下ZnAl22的拉伸变形(250时延率)%1083?60Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸率%1950?实用超塑性合金 11、锌合金是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料.用于一般不需切削的简单零件。 如Zn-22Al的成型温度为250-270，压力为0.39-1.37MPa。 Zn-22Al合金的超塑性拉伸试样 22、铝合金超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强度可达686MPa，使用温度可达150。 如Al-6Cu-0.42Zr、Al-5Ca-5Zn等超塑性温度为300-600，在3310-22/秒的应变速率下可达408%变形率。 超塑性变形形Al-Li合金件传统方式变形铝合金件 33、镍合金镍基高温合金由于高温强度高，难以锻造成型。 利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。 与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型(快快速凝固粉末的热挤压坯料两步成型) 44、超塑性钢:将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品化程度。 近年来研究的IN-744Y超塑性不锈钢，具有铁素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在0.03%,可产生几倍的伸长率。 碳素钢的超塑性基础研究正在进行,其中含碳1.25%的碳钢在650-700的加工温度下,取得400%的伸长率。 超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%） 55、超塑性钛合金以Ti-6Al-4V为代表，其伸长率可达2000%。 .1.高变形能力的应用超塑性加工可制备复杂零件，成型零件尺寸精度高。 缺点是加工速度慢，效率低.2.固相粘结能力的应用超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。 利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料.3.减振能力的应用-合金在超塑性温度下具有使振动迅速衰减的性质，因此可将超塑性合金直接制成零件以满足不同温度下的减振需要。 超塑性合金的应用超塑性成形实例轮胎架轮胎架装饰用人工石面装饰用人工石面国外SPF/DB制品F-15E机身在SPF/DB前后的比较?SPF/DB ProvidedPart Reduction726Part DetailsEliminated10,000Fewer Fastners前后?氢能-除核燃料外发热值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍-燃烧产物最干净-丰富，若能从水中制取氢，取之不尽用之不竭。 储氢合金氢能使用的问题储存和运输。 储氢技术室氢能利用走上实用化，规模化的关键。 传统储氢方法-高压钢瓶(氢气瓶）。 缺点储存氢气容积小，还有爆炸危险-储存液态氢，将气态氢降到-253C。 缺点储存箱体积庞大，需要极好的绝热装置。 氢气储存与储氢合金储氢合金在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料储氢合金储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍?一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。 ?将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。 储氢原理22H2H)M HMH2xxQ?放热（吸入）吸热（放出合金的吸氢反应机理H2传质化学吸附氢的解离H2?2H ad表面迁移吸附的氢转化为吸收氢H ad?H abs氢在相的稀固溶体中扩散相转变为氢化物（相）H abs()?H abs()氢在相中扩散。 氢原子在合金晶格中形成固溶体储氢合金种类?稀土系储氢合金最好的储氢合金，应用最为广泛。 最典型的LaNi5。 ?钛系储氢合金具有储氢容量高，循环寿命长等优点，是目前研究开发热点。 eg:TiMn,TiCr,TiFe?镁系储氢合金密度小，储氢容量高，价格低廉。 eg:Mg2Ni贮氢容器重量轻、体积小氢以金属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大1000倍；节省能量，安全可靠用贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝热措施，安全性能好，无爆炸危险Application贮氢容器贮氢容器贮氢合金制作的贮氢装置Example在高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器”混合贮氢容器中国首座为燃料电池汽车服务的加氢站是上海安亭国际汽车城。 安亭加氢站主要为使用燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气。 氢燃料电池车的尾气排放几乎为零，能显著改善城市空气质量。 非晶态金属材料（金属玻璃）非晶态是指原子呈长程无序的状态。 具有非晶态结构的合金称为非晶态合金，非晶态合金又称金属玻璃被称为“魔鬼金属”非晶态金属是对高温金属熔体以每秒10万摄氏度的超急冷方法使其凝固而来不及结晶所形成的。 Performance&use非晶态金属材料的性能与用途（ （1）高强度高韧性的力学性能用途非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。 （ （2）高导磁、低铁损的软磁性能易于磁化；磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料（在外磁场作用下容易被磁化）目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。 用途金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料等。 软磁材料硬磁材料（ （3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性不存在第二相，组织均匀其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷本身活性很高，能够在表面迅速形