第九章-常用金属材料

常用金属材料,金属,金属是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。,常见金属材料,钢铁材料：铸铁、钢非铁金属材料：铜、铝、钛、轴承合金、其他合金,铸铁材料,合金钢,非铁金属,思考：,为什么金属材料具有其他材料没有的特性？为什么不同的金属材料会表现出不同的特性？为什么同一种金属材料会表现出不同的特性？,常见金属的晶体结构,固态物质由原子组成：,根据原子排列的特征：,晶体,非晶体,固定的熔点、各向异性,无固定的熔点、各向同性,如松香、玻璃、石蜡等,晶体结构为了研究方便，把构成晶体的原子抽象成纯粹的几何点，这些点在空间呈规律性重复排列，我们用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，构成几何空间格子称为晶格。晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。这种能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。,晶格常数：金属在组成晶胞后，晶胞的大小和形状是不一样的：大小可用棱边长度来表示，形状可用棱边之间的夹角来表示，它们统称为晶格常数。,常见晶格类型：体心立方结构：面心立方结构：密排六方晶格：,体心立方结构,具有这种晶格的金属有:-FeCrVNbWMo等。,晶格常数：a=b=c；=90，每个晶胞中原子数为2=1/88+1。,面心立方结构,具有这种晶格的金属有:室温下的-FeNiCuAlAg等。,晶格常数：a=b=c；=90每个晶胞中原子数为4=1/88+1/26,密排六方晶格,具有这种晶格的金属有:室温下的BeMgZn-Ti等。,晶格常数：a=bc；=90、=120；每个晶胞中原子数为：6=1/612+1/22+3。,实际的金属结构晶粒：由一个空间几何结构图形贯穿整个晶体。单晶体：由一个晶粒构成的晶体。多晶体：整块晶体由大量晶粒组成，或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。（晶粒间的交界处叫晶界）,晶粒,晶界,多晶体中的各晶粒位向不同，一般在总体上不显示出各向异性，似乎是各向同性，即伪各向同性。,晶体缺陷在实际晶体中原子的排列不像理想晶体那么规则、完整，而是或多或少存在各式各样的偏离规则排列的不完整区域，将这种现象和这些区域称为晶体缺陷。,a.点缺陷,b.线缺陷,c.面缺陷,a.点缺陷：空位、间隙、置换原子晶格畸变力学性能发生变化（强度、硬度升高）,在空位和间隙原子存在的地方，由于在缺陷处原子之间的张力相对正常时产生了变化，从而导致晶格常数和晶格形状有所改变，这种现象叫作晶格畸变。,b.线缺陷：位错晶格畸变力学性能发生变化（少量位错使金属强度降低、大量位错使金属强度升高）,c.面缺陷,面缺陷是指晶界和亚晶界。实际晶体多为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体组成的，这些小晶体的晶体结构完全相同，但彼此之间的排布取向不同，称为位向差（一般为几度或几十度）晶粒之间的接触面称为晶界。,实践证明，即使是在一个晶粒内部，其晶格位向也不像理想晶体那样完全相同，而是分割成许多尺寸很小，位向差也很小的小晶块，它们组成了一个大的晶粒，这种小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列也是不规则的。,晶界的特点：常温晶界强度高于晶体强度，高温下晶界强度低于晶粒强度,面缺陷对性能的影响？,合金：由两种或者两种以上的金属元素（金属与非金属元素）组成的具有金属性质的物质。,二、金属的结晶,一、结晶的基本概念,（一）结晶：,由液态转变为固态晶体的过程,（二）理论结晶温度：,凡是纯元素（金属非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为理论结晶温度。符号T0。,理论上，上述温度就是液态和晶态的分界线：,当TT0时SL（由固态转变为液态）,当TT0时LS（由液态转变为固态）,当TT0时LS（液态、固态平衡共存）,过冷现象,过冷：实际结晶温度T1总是低于平衡结晶温度T0的现象（理论）,过冷度T=T0-T1冷速T结晶的必要条件：过冷（结晶的动力）,结晶过程纯金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程。液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些微小而稳定的小晶体，称为晶核。随着温度下降，晶核逐渐长大。在晶核长大的同时，液体中又不断产生新的晶核并不断长大，直到它们互相接触，液体完全消失为止，下图是金属的结晶过程示意图。,结晶时细化晶粒的主要方式,1提高冷速（提高过冷度）,2变质处理浇注前加入粉末物质,振动搅拌机械振动、超声波、电磁波搅拌金属,某些金属在固态下随着温度的变化，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。,三、金属的同素异构转变,以工业纯铁为例，其冷却曲线如下：,合金的定义合金的几个基本概念合金的种类,四、合金,合金定义：两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）融合在一起形成的具有金属特性的物质。几个概念：1）组元：组成合金的最基本的独立元素2）相：合金中具有同一种化学成分和结晶构造的组成部分。（相与相直接由明显的界限）3）组织：金属和合金中由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物。（通过显微镜可以观察到）,合金种类：1）固溶体,2）金属化合物组成合金的组元按一定原子数量比相互化合而形成的完全不同于原组元的晶格的新相，并且具体明显金属性的物质叫金属化合物。如Fe3C,3）机械混合物当组成合金的组元，在固态下既不能相互溶解，由不能形成化合物，而是机械的混合在一起，这种组成物称为机械混合物。（保持了各自的晶体结构）,五、钢铁基本组织与分类相图,钢铁基本组织结构与性能杂质元素对钢性能的影响碳素钢的分类、编号及用途,1）铁素体(F)-(Ferrite)碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。铁素体的含碳量很低，在室温时仅为0.008，由于含碳量低，铁素体的强度和硬度都很低，但塑性和韧性很好；,钢铁基本组织结构与性能,2）.奥氏体(A)-Austenite碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体的强度较低，但塑性好，其机械性能与含碳量及温度有关。对于普通碳素钢，一般在室温下没有单一奥氏体存在，但在某些合金钢（含有较高合金元素锰或镍的钢）中，室温时也会有奥氏体存在，甚至全部都是奥氏体组织。,3.渗碳体(Fe3C)-Cementite铁与碳形成的金属化合物。它的含碳量为6。67，其晶体结构比较复杂，熔点为12271600。渗碳体的硬度很高，塑性几乎为零，是一个硬而脆的相。它在钢铁中的分布可以成片状、粒状、网状或板状，它的形态、大小及在钢中的分布状况，对钢的性能有很大影响。,4.珠光体(P)-Pearite,铁素体和渗碳体组成的机械混合物。一般情况下，铁素体和珠光体多以片层状相间排列混合在一起，称为片状珠光体。渗碳体也能以小圆球的形式分布在铁素体的基体上，称为球状珠光体。,图中铁素体呈黑色片层状组织，渗碳体呈灰白色片层状组织。,5.莱氏体(Ld)-Ledeburite,低温莱氏体，由珠光体和渗碳体组成的机械混合物。（变态）高温莱氏体，由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，用符号Ld或（A+Fe3C）表示。由于其中的奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存于727以上。高温莱氏体冷却到727以下时，将转变为珠光体和渗碳体机械混合物（P+Fe3C）,称低温莱氏体，用Ld表示。莱氏体含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即极为硬脆。,在本金相图中的珠光体呈绿色组织，渗碳体呈黄色组织。,常见金属：非合金钢（碳素钢）,杂质元素对钢性能的影响碳素钢的分类、编号及用途,含碳量小于2%，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。,MnMn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于F，使钢强化，锰对钢有益。锰能降低S对钢的危害。一般碳素钢中把锰控制在0.25%0.8%范围内。,SiSi主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆”。硅在碳素钢中一般控制在0.170.37%范围内,1.有益元素,杂质元素对钢性能的影响,2.有害元素:,PP会引起钢的“冷脆”。（P在钢中全部溶于-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时，塑性和韧性显著降低。当钢中含P量达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低温时更为严重。）P还降低钢的焊接性能。所以，P在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。但是，P能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。,SS可使钢的“热脆”性增加。（S不溶于-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔点为1190，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上，其熔点仅为985。）S对钢的焊接性能也有不良影响，容易导致焊缝热裂。所以，S在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善钢材的切削性能。,3.气体元素氧会降低钢的力学性能，尤其是疲劳强度。对钢无益，越少越好。N会以氮化物的形式析出，增加钢的强度和硬度，但会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。H会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。H会使钢中产生裂纹，称为“白点”。,碳素钢的分类、编号及用途,碳素钢的分类碳素钢的编号及用途,一)碳素钢的分类,1.按碳的质量分数分类:*低碳钢:Wc0.25%*中碳钢:0.25%Wc0.6%*高碳钢:Wc0.6%,2.按钢的质量分类:,*碳素钢:Wp=(0.035%0.045%)Ws=(0.035%0.050%),*优质碳素钢:Wp=0.035%Ws=(0.030%0.035%),*高级优质碳素钢:Wp0.030%Ws=(0.020%0.025%),3.按钢的用途分类:,碳素结构钢(carbonstructuralsteel)用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。,碳素工具钢(carbontoolsteel)用于制造各种工具。一般为高碳钢。,含碳量在0.651.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具,二)碳素钢的编号及用途,1.碳素结构钢:Q235AF,用途：作受力不高的结构，如建筑钢筋、型钢、钢板等。,2.优质碳素结构钢,*45-Wc=45%00,*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn-Wc=45%00;WMn=0.7%1.0%,用途：作一般用途的零件、结构件，如轴类、连杆、标准件、盘套类零件等,常用牌号：08F、15、45、60、60Mn等。,用两位数字表示，两位数字表示钢中含碳量的万分之几。,3.碳素工具钢,T12A,用途：作手工具条、锉刀等。,（WC=0.65%1.35%属高碳钢）,4.铸造碳钢,ZG200-400,用途：作形状较为复杂的结构件，如轧钢机框架、机车部件等。,合金钢,合金钢是在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目地的加入一些元素，如：硅、锰、鉻、镍、钼、鎢、鐇、钛、铝、硼、铌、锆和稀土元素等。使钢的性能进一步提高，以满足不同的需要。,一、合金元素在钢中的作用1.强化铁素体或奥氏体（大多数合金元素）。2.形成合金碳化物。3.细化晶粒（除Mn外）。4.提高钢的淬透性（Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B）。5.提高稳定性、热硬性。,二、合金钢的分类及编号按合金元素总含量分类：低合金钢：合金元素总量5%中合金钢：合金元素总量5%10%高合金钢：合金元素总量10%,二、合金钢的分类及编号按质量分类：优质钢：S、P0.035%高级优质钢:S、P0.025%特级优质钢:S0.015%，P0.025%,二、合金钢的分类及编号按用途分：合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,合金钢的牌号,1、合金结构钢：合金结构钢的编号原则上采用“二位数字(含碳量)+化学元素符号+数字（含合金量）”表示。当合金元素的质量分数少于1.5%时，只标元素符号，如果质量分数大于1.5%、2.5%、3.5%时，则相应的以2、3、4表示40Cr40-表示含碳量为0、40%。Cr-表示鉻，其后无数字，鉻的质量分数小于1.5%。Si2Mn60-含碳量0、60%Si2硅的质量分数2%Mn锰的质量分数小于1、5%。,2、合金工具钢：一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量）优质“A”，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标39Mn2VCr12MoV9碳的质量分数为0、9%Mn锰的质量分数为2、0%V鐇的质量分数小于1、5%,3、特殊性能钢：原则：与工具钢相同。一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量）优质“A”，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。0.03%C0.1%，用“0”，C0.03%，用“00”表示。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。1Cr18Ni9,铸铁,铸铁是碳的质量分数大于2、11%，并且含有少量硅、锰、硫、磷等杂质的铁碳合金。根据碳在合金中存在的不同形态，铸铁可以分为以下几种：白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。,铜及铜合金,一工业纯铜纯铜呈紫红色曾称紫铜。有较高的导电性和导热性，是最常用的导电和导热材料。纯铜具有面心立方结构，无同素异构转变，无磁性。根据杂质含量不同，工业纯铜分为三种：T1、T2、T3纯度为99、95%-99、7%，编号越大，纯度越低。主要用于配制铜合金，制作导电、导热材料及耐蚀器件等。二铜合金按合金的成分，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜。,1黄铜黄铜是以锌为主加元素的铜合金，分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜-即铜锌合金，具有良好的抵抗海水和大气腐蚀的能力。标记示例：H68H-黄的第一个字母68-含铜量68%，其余为锌，约占32%。特殊黄铜-在铜锌合金中再加入铝、锰、锡、铅、铁、镍、硅等元素的铜合金称为特殊黄铜。有压力加工用黄铜和铸造用黄铜。如：ZCuZn40Pb2表示含锌量为40%，含铅为2%，其余为铜58%的铸造铅黄铜。由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。制造板料、条材、棒材、管材，铸造零件等。含铜在62%68%，塑性强，制造耐压设备等。,2.白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，被广泛使用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用