金属材料学(全套课件)

材料工程系 金属材料学 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 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 图材料学主线示意图 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 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 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 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 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 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 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 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 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 现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向 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 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 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 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 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 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 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 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 世界上第一个载人宇宙飞船 世界上第一个 太空人 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 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 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 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 第1章钢的合金化原理 1 1Me和Fe基二元相图一 钢中的Me1 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 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 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 2 稳定化元素 使A3 A4 区缩小 a 完全封闭 区 Cr V W Mo TiCr 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 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 1 2Me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 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 铬对钢 区的影响锰对钢 区的影响 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 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 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 R 8 可以形成无限固溶 15 形成有限固溶 15 溶解度极小 结论 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 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 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 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 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 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 MeFeMnCrVMoWTiNbrc rMe0 610 600 610 570 560 550 530 53 二 K形成的一般规律 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 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 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 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 M3C M7C3 M23C6 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 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500 700 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 1 5Me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 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 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 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 Mn DP 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 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 碳 氮 化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 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 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 C 曲线五种形状 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 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 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 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Me ac 阻止了渗碳体的析出长大 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 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 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 二 回火时K的形成 各元素明显开始扩散的温度为 MeSiMnCrMoW VT 300 350 400 500 500 500 550 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KT 500能否形成特殊K 取决于 Me性质 NM NC比值 T和t 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 3 特殊K的形成原位析出 M 0 M3CMXCY 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 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 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 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 1 9Me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 表达式 对于C N等间隙原子 n 0 33 2 0 对于Mo Si Mn等置换式原子 n 0 5 1 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 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 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 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 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 晶界处位错塞积现象 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 位错被质点障碍物所挡住 在低碳结构钢中各种强化效果示意图 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 图强化和弱化的演变1 M分解 2 弥散析出 3 综合效应 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 1 0 15 C钢 需0 1 0 2 V 0 08 0 12 Nb 2 5 3 0 Cr 强化 弱化 Me最小浓度临界值 K类型含C量 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 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 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 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 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 20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能 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 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 1 10Me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 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 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170 230HB 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 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 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 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 贝氏体淬透性 合金化基本元素是0 5 Mo 微量B 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 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 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 钢的编号方法自学 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 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 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 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 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 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 表某些金属元素对人体的毒害作用系数 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 表常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比 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 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 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 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 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 50 100 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 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 s 85MPa TK 量多时可大为降低塑韧性 所以Si控制在 1 1 Mn 固溶强化作用大 1 Mn s 33MPa 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 Nb VTi Al 形成稳定细小的K等 粒子2 10nm 既细晶又沉淀强化 s AK 综合效果 TK 改善焊接性 作用顺序 Ti Nb Al V 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 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 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 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 CuP 耐大气腐蚀性最有效的元素 一般含量 0 025 0 25 Cu 0 05 0 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 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 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 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 10 25 片层状P 75 90 多边形F 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 5 m 碳钢 和1 2 m 微合金钢 碳钢的 s由200MPa提高到350 400MPa 低合金钢由350 400MPa提高到600 700MPa 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 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TK 22 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 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 图各种轧制程序模式图CR 控制轧制 AcC 控制冷却 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 沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb C N 和VC Nb 0 04 时 G ph Nb 0 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 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 acicularferrite 简写AF 钢实际上属于超低碳贝氏体钢 0 06 C 适量Mn Mo Nb等 具有高密度位错 1010cm 2 亚结构的 针状F 组织 超低碳B s达700 800MPa 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 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 10 0 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450 980MPa 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 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 2 7双相钢 成分 主要成分为 0 2 C 1 2 1 5 Si 0 8 1 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 强度MPa双相钢600400普通钢20010203040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500 700MPa 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10 30 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 采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图 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 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 3 1概述 一 机器零件用钢的性能要求1 具有良好的冷热加工工艺性如锻造 冲压 热处理 车 铣 刨 磨等 2 具有良好的力学性能不同零件 对钢强 塑 韧 疲劳 耐磨性等有不同要求 一般为亚共析钢 低合金或中合金 优质钢或高级优质钢 二 机器零件用钢合金化特点 主加元素 Cr Mn Si Ni 主要作用 淬透性和力学性能 辅加元素 Mo W V等 过热敏感性 回脆 淬透性 最佳范围 获得最佳性能 称为极限合金化理论结构钢常用范围为 1 2 Si 2 Mn 1 2 Cr 1 4 Ni 0 5 Mo 0 2 V 0 1 Ti 0 4 0 8 W 或是单独加入 或是复合加入 三 零件材料和工艺选择途径 低碳马氏体型结构钢 采用淬火 低温回火 为 耐磨性 可进行渗碳处理 汽车拖拉机齿轮类为代表 回火索氏体型 选择中碳钢 采用淬火 高温回火 为 耐磨性 可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法 轴类零件为典型 1 对于要求良好综合力学性能 零件选材料的途径为 2 如要求更高的强度 则适当牺牲塑韧性 可选择中碳钢 采用低温回火工艺 如低合金中碳马氏体钢 农业机械较多 3 如要求高的弹性极限和屈服强度 又要有较高的塑性和韧度 则选择中高碳钢 进行中温回火 如弹簧钢 4 零件要求高强度 高硬度 高接触疲劳性和一定的塑性和韧度 可用高碳钢 淬火 低温回火 如轴承钢 辨证思维 由于不同机器零件的服役条件和失效方式不同 主要的设计依据和失效判据也不同 所以应合理选择钢的含碳量和热处理工艺 应该明确 一般情况下 某零件制造的材料并不是唯一的 某一种钢采用不同的热处理工艺可以制造不同类型的零件 某一零件用某一材料制造 其热处理工艺方法也可能是多种的 3 2整体强化态钢 基本情况 整体强化态钢均承受拉 压 扭等交变应力 大部分是整体受力 其主要失效形式是疲劳破坏 主要性能指标 1 Rm AK KIC等 总体上要求良好的综合力学性能 主要应用 主要制造轴 杆 轴承类等机器零件 如连杆 螺栓 主轴 半轴等 这类钢主要有调质钢 弹簧钢 轴承钢 低碳马氏体钢 超高强度钢等 汽车半轴a 一端法兰式 b 二端花键式 c 变截面台阶式 M7150A砂轮主轴 汽 拖用连杆 下图T615K镗床镗杆 上图S7332螺纹磨床丝杠 3 2 1调质钢 1 淬透性原则淬透性相同的同类调质钢 可互相代用 0 25 0 45 C的合金钢经调质后室温性能变化 屈服强度相同的碳钢和合金结构钢断面收缩率变化 结构钢抗拉强度与硬度的关系 结构钢是否淬透对屈强比的影响 2 合金化及常用钢含碳量在0 25 0 45 常用合金元素作用 Mn 淬透性 但 过热倾向 回脆倾向 Cr 淬透性 回稳性 但 回脆倾向 Ni 基体韧度 Ni Cr复合 淬透性 回脆 Mo 淬透性 回稳性 细晶 回脆倾向 V 有效细晶 淬透性 过热敏感性 在机械制造工业中 调质钢是按淬透性高低来分级的 DC为油淬临界直径 低淬透性合金钢 DC 30 40mm 有40Cr 40Mn2 42SiMn 35CrMo 42Mn2V等 中淬透性合金钢 DC 40 60mm 有40CrNi 42CrMo 40CrMn 30CrMnSi等 高淬透性合金钢 DC 60 100mm 有37CrNi3 40CrNiMo 40CrMnMo等 分析比较 40Cr 40CrNi 40CrNiMo 淬透性 回脆性 回稳性 塑韧性 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 40CrNi 40Cr 40CrNi 40Cr 40CrNiMo 思考 以Mn代Ni 在性能上有什么差别 3 调质钢强韧化工艺的发展 正确认识性能指标 AK是一次大能量冲击性能指标 小能量多冲条件下工作的 很难正确反映 有些重要零件应以断裂韧度KIC来衡量 由于服役条件差异 钢最佳综合性能也不一定都是高温回火态好 零件在承受冲击能量大时 钢强度应低些 塑性和韧度宜高些 冲击能量较小时 强度应高些 以达最佳配合 综合强化工艺 如复合热处理 即热处理强化 表面处理及形变强化工艺结合起来 如汽车转向节园角处进行高频淬火处理后 疲劳寿命提高了50倍 冷变形 锻造余热淬火 如滚压 喷丸等冷变形方法的效果也比较好 能提高零件寿命 既能节约能源 简化工序 又能细化组织 提高零件的强韧性 如柴油机连杆 已普遍采用锻造余热淬火工艺 3 2 2微合金非调质钢 一 微合金元素对强韧化的贡献非调钢组织 主要是F P 弥散析出K 主要强化作用 细化组织和相间沉淀 微合金化元素 Ti Nb V N等元素 V是主要的 多元适量 复合加入 Nb V N和Ti V等 主要贡献是细化组织 二 获得最佳强韧化的工艺因素 相间析出 沉淀强化 细化组织 工艺参数是关键 细化组织和沉淀析出要协调 控制轧制控制冷却 决定各种强化机制的效果 相间沉淀析出示意图 三 组织因素对强韧性贡献的大小 间隙型碳氮化合物沉淀析出的强化量一般认为可提高150 400MPa 甚至可达到600MPa 细化组织强化量大约在50 300MPa 脆化矢量为 0 66 M