材料概论 Ⅱ(1)课件

1、材料概论 第一节 合金元素在钢中的作用第二节 低合金高强度钢第三节 合金结构钢第四节 合金工具钢第五节 不锈钢与耐热钢第六节 铸铁第七节 铝合金第八节 钛合金第九节 铜合金碳钢的主要缺点：淬透性低强度和屈强比低回火稳定性差不能满足耐热性、耐磨性、耐蚀性等特殊性能要求碳钢有意识的加入合金元素合金钢第一节 合金元素在钢中的作用(合金化原理)一、合金元素对钢平衡组织与性能的影响 钢中常加入的合金元素 Ti、Zr、Nb、V ， W、Mo、Cr ， Mn、Fe 强K形成元素 中强K形成元素 弱K形成元素 Al、Si、Ni、N、Co、Re 非K形成元素1.合金元素在钢中的分布K形成元素，强，碳化物稳定性，

2、熔点，硬度，溶入A中难易程度，聚集长大倾向合金渗碳体 通式：(Fe,Me)3C 例如：(Fe，Mn)3C (Fe,Cr)3C (Fe,W)3C 钢的硬度、强度和耐磨性。特殊碳化物 VC WC r23C6、 简单晶格（间隙相） 复杂晶格（间隙化合物） 钢的硬度、强度和耐磨性弥散强化形成合金碳化物形成金属间化合物 如：Ni3Al Ni3Ti， Ni3Mo FeTi， FeCr （） 强化相微量元素偏聚于晶界 如：As、Sb、Sn等，造成高温回火脆性 2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1. 扩大相区元素（使A3、A4）：Mn、Ni、Co 、 C、N、Cu等，使S、E点向左下方移动 。2. 缩小相

3、区元素（使A3、A4）：Cr、V，Mo、W、Ti、Si、Al等，使S、E点向左上方移动 。Me对Fe-Fe3C相图S、E点的影响回火稳定性指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。 合金钢回火后综合性能优于碳钢：回火到相同温度，合金钢的强度、硬度较高；在相同回火硬度的条件下，合金钢的韧性较高。回火稳定性获得碳钢所不具备的特殊性能不锈钢、耐热钢、耐磨钢等特殊性能钢钢的分类 1. 按化学成分不同，分为碳钢和合金钢 碳 钢: 低碳钢（wC0.25%） 中碳钢（wC0.250.60%） 高碳钢（wC0.60%）； 合金钢: 低合金钢（wMe5%） 中合金钢（wMe5%10% ） 高合金钢（wMe10%）

4、。 钢的分类及编号2. 按钢的质量等级 普通钢(WS0.0350.050%、WP 0.0350.045%) 优质钢(WS0.035%、WP 0.035%) 高级优质钢(WS0.025%、WP 0.025%) 。3. 按钢的主要用途 结构钢（工程构件用钢和机器零件用钢） 工具钢（刃具钢、模具钢及量具钢） 特殊性能钢（不锈钢、耐热钢及耐磨钢） 编号原则 中国钢号的编号，根据GB221-1979规定，由三部分相结合组成：化学元素符号，用以表示钢中所含化学元素种类（采用国际化学元素符号）；汉语拼音字母，用以表示产品的名称、用途、冶炼方法等特点，常采用的缩写字母及含义见表10.3；阿拉伯数字，用以表示钢

5、中主要化学元素含量（质量百分数）或产品的主要性能参数或代号。如何学习“工业用钢”部分内容？ 理清思路,紧紧围绕主线索来识记此部分内容。典型钢号钢的类别（按用途分类）典型用途主要性能要求化学成分特点（碳含量，合金元素的作用）最终热处理工艺及相应组织 工程构件用钢 工作条件、常见的失效形式以及主要性能要求 此类构件一般不做相对运动，长期承受静载荷作用；有一定使用温度要求（如锅炉的使用温度可达250以上，而桥梁可在-30-50寒冷的低温条件下使用）；通常暴露在野外大气或海水浸蚀条件下服役；在成型过程中经受剧烈的冷变形，如冷弯、冲压、剪切，经焊接而成等。 常见的失效形式有在生产成型过程中钢板发生破裂，

6、或钢板成型焊接过程中由于热影响区产生裂纹而失效，在严寒的天气下使用时船体或桥梁发生断裂等 。 在首先满足良好的冷变形性与可焊性等工艺性能前提下，要求有较高的屈服强度、抗拉强度、良好的塑、韧性，以保证工程结构的可靠性；较低的韧脆转变温度（TK）和较好的耐大气或海水腐蚀性，以适应工作环境的要求等 。普通碳素结构钢（普碳钢）典型钢号Q235：易于冶炼、工艺性能好、价格低廉，工程上用量很大，约占钢总产量的70%80%，一般不经热处理强化，大多以热轧成品供货。 机器零件用钢综述 机械结构用钢系指用以制造各种机器零件的钢种，例如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构等，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械

7、、电站设备、飞机及火箭等装置上。 1. 工作条件与性能要求2. 淬透性3.机器零件用钢的分类1.工作条件与性能要求 主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载荷同时作用。可以是恒载或变载，作用力的方向是单向或反复的。工作环境是大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。 一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂。为保证机械零件正常工作，必须要求有良好的力学性能，如足够高的强度、塑性、冲击韧度和疲劳强度等。 很显然，欲满足机械结构用钢的性能要求，必须对其进行热处理强化，才能充分发挥钢材的性能潜力。M相变及随后的回火转变综合应用了固溶强化、沉淀强化、细晶强化和相变强化的机理，是最重要

8、、最经济的强化手段。3.机器零件用钢的分类 按热处理工艺特点和用途不同，将其分为调质钢、表面硬化钢（渗碳钢、渗氮钢）、超高强度钢、弹簧钢、滚动轴承钢及易切削钢等。P392 例题调质钢滚动轴承钢 编号原则：一位数字+元素符号+数字 含碳量（千分之一，1%不标） Me含量 工具钢总体特性 对结构钢而言，常用力学性能指标b（s）、-1、ak等作为判断该钢在某种工作条件下能否胜任的重要依据；而对工具钢来说，大多是在承受很大局部压力和磨损条件下工作，用硬度、耐磨性表示该工具对局部压力和磨损的抗力，其耐磨性取决于马氏体的高硬度及碳化物的性质、数量、形态与分布。工 具 钢基本性能要求: 高硬度、高耐磨性化学

9、成分：高碳(0.65%)Me的主要作用： 主加元素 Cr、 W、Mo、V 提高硬度 提高耐磨性 辅加元素 Cr、 Mn、Ni、Si 提高淬透性，提高回火稳定性锻造及预先热处理 锻造时应采用大的锻造比、反复锻造以获得均匀分布的K；而K的形状和大小则与预先热处理球化退火工艺密切相关，所以工具钢在淬火前必须进行球化退火以获得细小、均匀、颗粒状K。 最终热处理：淬火+低温回火组织：细针状M回火+ 细小均匀的颗粒状K + 少量Ar工具钢的分类及特点1. 刃具钢（1）碳工钢（T12A）（2）低合金刃具钢（9SiCr）（3）高速钢（W18Cr4V）2. 冷作模具钢（Cr12MoV）3. 热作模具钢（5CrN

10、iMo、3Cr2W8V）4. 量具钢（CrWMn） 特殊性能钢 特殊性能钢系指具有特殊物理、化学性能的钢。常用的有不锈钢、耐热钢及耐磨钢等。 1. 有关金属腐蚀的概念（1） 金属腐蚀的主要形式（均匀腐蚀，点腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀、腐蚀疲劳等）；（2） 金属腐蚀类型（化学腐蚀、电化学腐蚀）不锈钢1. 有关金属腐蚀的概念(1) 化学腐蚀钢的高温氧化(2)电化学腐蚀有腐蚀电流产生总是电位低的阳极金属遭到腐蚀2. 防腐蚀的途径(1)形成钝化膜；加入Cr,Si,Al(2)形成单相组织;Cr,Ni,Mn(3)提高基体的电极电位； Cr,Ni3. 常用不锈钢（1）马氏体不锈钢（如1Cr13，2C

11、r13，3Cr13，4Cr13）（2）铁素体不锈钢（如1Cr17Ti） （3） 奥氏体不锈钢（如1Cr18Ni9Ti， 1Cr18Mn8Ni5N ）（4）F-A型不锈钢（00Cr18Ni5Mo3Si2）（5）沉淀硬化不锈钢（0Cr17Ni7Al）晶间腐蚀及其防止方法 A不锈钢在400800等温或缓慢冷却时，易产生晶间腐蚀。原因：沿A晶界析出r23C6防止方法：（1）降低碳含量（2）加入强碳化物形成元素如Ti、Nb等1. 有关耐热性的概念 热稳定性（高温抗氧化性） 合金化： Cr、Al、Si 热强性(高温强度） 当TTR时, 随T 、b（s）； 一定时（ 2.08%(E)的铁碳合金，杂质元素 多

12、 组织上: C主要以游离石墨形式存在，相当于在钢的基体上分布着不同形状、大小和数量的石墨 钢基体不同形态的G1.铸铁的分类 根据碳在铸铁中的存在形式分类 灰口铸铁 G 暗灰色 白口铸铁 Fe3C 亮白色 麻口铸铁 G、 Fe3C 灰、白相间 根据G的形态分类 普通灰铸铁 片状G HT 可锻铸铁 团絮状G KT 蠕墨铸铁 蠕虫状G RuT 球墨铸铁 球状G QT 2.石墨（G）的构造与作用G的晶体结构密排面上原子间共价鍵结合，原子间距0.142nm；密排面间为分子鍵结合，面间距0.304nm。G的力学性能强度20MPa，硬度35HBS,塑、韧性0。G对铸铁的作用缺点： 空洞、裂纹， 应力集中，强

13、度、 塑性、韧性 较低优点： 良好的铸造性、切削加工性、减摩性、 减震性、缺口敏 感性 二、铸铁的石墨化1.复线铁碳相图Fe-Fe3C 亚稳系Fe-G 稳系2.铸铁的石墨化过程液态阶段石墨化 LG LcAE+ G共晶 Fe3C 3Fe+G中间阶段石墨化 AE G Fe3C 3Fe+G固态阶段石墨化 AS FP+G共析 Fe3C共析 3Fe+G石墨化程度不同，所得铸铁组织、类型不同3.影响石墨化的主要因素 化学成分： C、Si 冷却速度： 浇注温度，铸型材料，铸件壁厚 普通灰铸铁 严重割裂基体 强度利用率30%50% 可锻铸铁 减轻了对基体的割裂 40%70% 球墨铸铁 对基体割裂作用最小 70

14、%90% 三、石墨形态对铸铁组织与性能的影响 常用铸铁简介铸铁名称典型牌号石墨形态组织特征用途灰铸铁HT350HT200片状F+G片，P+G片F+P+G片床身、机座机身、车床卡盘、齿轮可锻铸铁KTH350-10KTZ450-06团絮状F+G团P+G团汽车、拖拉机的前后轮壳、制动器、冷暖器接头球墨铸铁QT600-3QT800-2球状F+G球，P+G球F+P+G球轴瓦、传动轴、飞轮曲轴、连杆、球磨机齿轮蠕墨铸铁RuT420RuT300蠕虫状F+G蠕虫F+P+G蠕虫活塞环、制动盘、泵体、变速器箱体、排气管1.常用铸铁的分类、牌号、组织与用途2. 常用铸铁的热处理特点 类型种类高温退火低温退火去应力退

15、火正火调质等温淬火表面强化灰铸铁850950500650表面淬火可锻铸铁9501000球墨铸铁900950720760900950（840860） 注：表示不能；表示可以。3. 常用铸铁的应用特点铸铁类别性能白口铸铁灰铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁球墨铸铁抗拉强度-伸长率-冲击韧度-磨粒磨损-黏着磨损-减振性能铸造工艺性能-切削加工性能 注：表中“”优，“”良，“-”一般，“”差。第七节 铝合金纯铝的优良特性： 密度小，熔点低 导电、导热性好 铸造性、压力加工性优良 耐蚀性高缺点： 强度低，b=50MPa铝合金：加入Me（Cu、Mg、Zn、Mn、Ni等） 既保持纯铝的优良特性，同时得到显著强化 有较高的

16、比强度、比刚度，应用广泛铝合金的分类铝合金的分类与编号 不能热处理强化 防锈铝 LF6 形变铝合金 能热处理强化 硬铝 LY12 超硬铝 LC4 锻铝 LD 铸造铝合金 铝硅 ZL101 铝铜 ZL202 铝镁 ZL3 铝锌 ZL4铝合金一、铝合金的强化（1）热处理强化（时效强化）主要强化途径 条件：固溶度随温度下降而减小；能析出强化相。 过程：固溶处理（淬火） + 时效处理（自然时效；人工时效）其它强化方式：（2）固溶强化 （3）细晶强化 （4）加工硬化（形变强化）Al-4%Cu 缓冷： + b =200MPa 固溶处理： 过 b =250MPa 时效处理 b =400MPa机理简介：过过+

17、GP区过+GP区（）过+ 。二、形变铝合金硬铝合金 Al-Cu-Mg系合金是使用最早，最具代表性的一种铝合金，具有高强度、高硬度，故称硬铝，又称杜拉铝主要强化相有：(CuAl2) (Mg2Al3) S(CuMgAl2) T(CuMg2Al6)按照所含合金元素数量及时效强化效果的不同,硬铝可分为:低合金(低强度)硬铝(LY1、LY10)淬火后冷态下塑性较好， 强度低 铆钉硬铝标准(中强度)硬铝(LY11)强化相数量较多，具有中等强度 和塑性，用于制作大型铆钉、飞机螺旋桨叶片等重要构件高合金(高强度)硬铝(LY12、LY6)合金元素含量较高, 强化相更多, 强度、硬度高，塑性加工能力较低，可以制作

18、航空 模锻件和重要的销轴等三、铸造铝合金（铝-硅合金为例）（1）简单硅铝明（ZL102）成分：Wsi=1013%组织：粗大共晶组织 （变质处理前）强度、塑性都较差性能：铸造性、焊接性好，比重小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，但不能时效强化，强度较低。变质处理后组织为：均匀细小的共晶组织+初晶（2）特殊硅铝明加入Cu、Mg等合金元素，形成(CuAl2) 、 (Mg2Si) 、 S(CuMgAl2) 等强化相，经时效后可获得很高的强度和硬度。如： ZL109 (ZAlSi12Cu1Mg1Ni2)“活塞合金” 比重轻、抗蚀性好，线膨胀系数较小， 强度、硬度较高，耐磨性、耐热性及 铸造性较好 是常用的铸造铝活塞材料。第八节 钛合金一、钛的特性室温下塑性较好原因: c/a轴比小; 孪生变形比例大 优良的低温性能最高的比强度和 比刚度优良的耐蚀性纯钛有同素异构转变883以上为相(bcc),883 以下为相(hcp)二、钛合金的分类稳定相型Al、O、N、C稳定相，在相中可以完全互溶Mo、V 稳定相，但发生共析转变Si、Cu、Mn、Fe、Ni、Co1.型钛合金 典型牌号:TA7(Ti-5Al-2.5Sn) 常温下b =850MPa, 500时,b =400M