北化大材料导论讲义第7章 金属材料(共4学时)(彩色版)

意义共晶点L←→γ＋FeC碳在γ相中的最大溶解度α-γ转变碳在α相中的最大溶解度共析点γ←→α＋FeCKFeC代温度码(°C)C1148E1148G912P727S727Fe-Fe3C相图L碳含量(wt%)20.8727α+FeCB1495δ+γαPA1538N13947.1.1碳钢L+δδG912γ+FeCL+FeC0.17L+γ2.11CCwt%DFHEγγαγ+FeCγα珠光体Cwt%0.02α+FeCα0.47.1铁碳合金7.1.1碳钢γγγγγ0.8亚共析钢冷却过程100%Fe7.1铁碳合金01.02.03.04.0100%Feα+FeC珠光体5.06.0γ+FeC过共析钢冷却过程αCwt%α7.1铁碳合金7.1.1碳钢铁素体：即的间隙固溶体。碳的溶解度在共析0.022wt%,是渗碳体：即化合物Fe3渗碳体：即化合物Fe3C,具有三方晶体结构，硬且脆。FCC铁形成的间隙固溶体。共析温度的最高溶0.8wt%，最高溶解度为2.11wt7.1铁碳合金7.1.1碳钢构，相图上看不到。它保持了γ相时的碳含量，坚硬片状马氏体（C＞0.6%)ca/2[ca/2[100]γa马氏体转变的可能机理[001]γ[001]α[010]αa0[010]γ[100]α珠光体：α与Fe3C形成的间层结构。共析组成（0.8wt%C）的γ相经缓慢冷却得到。硬度高于α相，但远低于马氏体。粗珠光体细珠光体贝氏体：Fe3贝氏体：Fe3C微粒分散于α基体中的微观结构。硬度介于珠光体与马氏体之间，具有良好的延展性与韧性。是最希望得到的铁素体上贝氏体铁素体Spheroidite(Spheroidite(球状贝氏体）珠光体或贝氏体在略低于共析温度下(~700°C)长时间24小时）保温生成7.1铁碳合金7.1.1碳钢碳钢的淬火γ（淬冷）马氏体(M)不可逆过程Mα+Fe3C温度°C温度°C硬度HRCFα+FeCFDC粗珠光体细珠光体上贝氏体D1小时1天10101010α+FeCγSMsAB800700600500400300200100马氏体1010共析温度SFγγSγ32384040414350555766107.1铁碳合金7.1.1碳钢共析钢以不同方式冷却后的相态与微观结构冷却介质微观结构HRCA：水65α+Fe3C40-45α+Fe3C15-20D：奥氏回火α+Fe3C40-457.1铁碳合金7.1铁碳合金α+Fe3C(不是马氏体）M 400-450°C，30min7.1铁碳合金7.1.2合金钢引入合金元素的理由：2.提高耐腐蚀性3.提高机加工性4.提高淬透性表面硬度HRC含碳量与淬透性的关系207.1铁碳合金表面硬度HRC含碳量与淬透性的关系207.1铁碳合金7.1.2合金钢601095504030105010401030255075样品直径mm7.1铁碳合金7.1.2合金钢Jominy端部淬火法7.1铁碳合金7.1铁碳合金7.1.2合金钢合金元素的主要作用合金元素典型用量（wt%）主要作用铝<2促进氮化，限制晶粒生长，从熔体中脱氧硫<0.5提高机加工性，降低焊接性与延展性铬0.3-4提高耐腐蚀性与耐氧化性，提高淬透性，提高高温强度，可与碳结合生成坚硬微组织镍0.3-5促进奥氏组织，提高淬透性，提高韧性铜0.2-0.5生成坚硬氧化膜提高抗大气腐蚀性镁0.3-2提高淬透性，促进奥氏组织，与硫结合降低其不利影响硅0.2-2.5促进脱氧，提高韧性，提高淬透性钼0.1-0.5促进晶粒细化，提高淬透性，提高高温强度钒0.1-0.3促进晶粒细化，提高淬透性，可与碳结合生成坚硬微组织7.17.1铁碳合金7.1.3工具钢与合金钢的主要区别在于加工方式三类钢的异同三类钢的异同合金钢工具钢组成Fe+C+MnFe+C+MnCr,Ni,Mo,V,S,Pb,AlCr,Ni,Mo,V,S,Pb,Al,Si,W,Co微观结构马氏体马氏体合金元素碳化物铁素体＋珠光体铁素体＋碳化物碳钢基本：Fe+C+碳钢基本：Fe+C+Mn可加：S，P硬相：马氏体软相：铁素体＋珠光体淬透性硬度耐磨性温度HRC磨损体积时间回火温度三类钢的异同碳钢合金钢工具钢时间MMMM温度°C铁-铬相图铁素体+温度°C铁-铬相图铁素体+1000800+铁素体+Sigma7.1铁碳合金7.1.4不锈钢1600液体14001200+铁素体铁素体磁性转变600400200铁素体0020406080100%铬7.1铁碳合金7.1.4不锈钢腐蚀速率与铬含量的关系腐蚀速率10腐蚀速率10－9cm3/年wt%铬温度°C温度°CSigma7.1铁碳合金7.1.4不锈钢010203040%铁%铬铬含量为12-18%，碳含量可高达1.2%强度高1600140012001000800600400200马氏体不锈钢α+液体铁素体α奥氏体γ液体7.1铁碳合金7.1.4不锈钢1600温度°CSigma1600温度°CSigma铁素体不锈钢140012001000α铁素体α奥氏体12001000800600400碳含量低于200010203040200010203040%铁%铬7.17.1铁碳合金7.1.4不锈钢五类不锈钢铁素体：铁-铬+低含量碳马氏体：铁-铬+高含量碳奥氏体：铁-铬-镍+低含量碳沉淀强化：铁-铬+低含量碳+沉淀元素二元：铁素体+奥氏体温度°温度°C液体α+液体铁素体α奥氏体γNi%镍含量为8－24%延展性好1400120010008006004002007.1铁碳合金奥氏体不锈钢82%Fe0%C18%Cr0%NiδδαFeCα+FeC1148CL+FeCDFKγ+FeC G912L+γ727QLEPγFe-Fe3C相图碳含量高于2%。只能用浇铸的方法，故钢中的碳或处于合金状态，或处于化合物Fe3C铸铁碳或处于合金状态，或处于石墨的状石墨化石墨化7.1铁碳合金7.1.5铸铁合金中的碳含量超过溶解限度铸铁加工过程钢的加铸铁加工过程工条件形成亚稳相Fe3C7.17.1铁碳合金7.1.5铸铁石墨赋予铸铁的特殊性能•石墨硬度低且易于粉碎，使铸铁具有优异的切削性能•石墨在铸件凝固时产生的膨胀，减少了铸铁的体积收缩，降低了铸件中的内应力•内润滑剂的作用•减振剂的作用•增韧的作用7.1.5铸铁7.1.5铸铁(a)灰铸铁500×(b)球墨铸铁200×与渗碳体间层结构(d)可锻铸铁1.392.11%1.392.11%2.110.77%二次石墨0.02共析0.770.02%共析石墨1.392.11γ0.773.04.26共晶共晶石墨7.1铁碳合金7.1.5铸铁L3.04.26%铁中程7.1铁碳合金7.1.5铸铁制备可锻铸铁的热处理过程渗碳体分散生成球墨奥氏体分散出碳与铁素体空气冷却或液体淬火临界温度缓慢加热时间主要有色金属的性能与价格主要有色金属的性能与价格密度(Mg/m拉伸强度(MPa)比强度(m/s价格($/kg)铝2.70211000铍205000660.00铜2.45铅60000.80镁2180003.00镍9.00钛4.51299000钨5400022.00锌7.1373000铁7.8720702630000.22重要镁合金的性能重要镁合金的性能/MPa/MPa3-152-1010%Al-0.1%Mn27517.6%Al-0.7%Zn2756%Zn-0.7Zr3108.5%Al-0.5%Zn38027574%Zn-0.45%Zr27525543%Th-0.6%Zr2602058铝合金与纯铝性能比较拉伸强度伸长率(%)相对屈服强度纯铝（99.999%）451工业纯铝（99%)352.0412.475%冷加工8.8分散强化2908.857250329.2一些镍与钴合金的组成与性能超合金指能在一些镍与钴合金的组成与性能超合金指能在1000°C以上保持强度3730374典型铜合金的性能伸长率35395365432534530一些钛合金的性能合金类别一些钛合金的性能合金类别合金组成拉伸强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%工业纯钛99.5%钛2402499.0%钛550485α-钛合金5%Al-2.5%Sn860780β-钛合金13%V-11%Cr-3%Al129012105α-β钛合金6%Al-4%V10309708密度4.54883oC以下：HCP(α)以上：BCC(β)α-β钛合金的淬火800600400α200Ms淬火与回火0Ti20406080Vwt%MajorProcessingMethodsfMajorProcessingMethodsforMetals（主要方法）Wroughtprocessing（锻）Joining(焊）Rolling（轧）Welding(电焊）Extrusion（挤）Brazing（铜焊）Forming（压）Soldering（锡焊）Stamping（冲）Powdermetallurgy（粉末冶金）Forging（锻）Hotisostaticpressing（均匀热压）Drawing（拉）Superplasticforming（超塑性成型）Casting（铸）Rapidsolidification（快速固化）粉末冶金充模压实绿坯顶出预热烧结冷却绿坯成品粉末冶金充模压实绿坯顶出预热烧结冷却绿坯成品均匀热压（HIP）外模焊上内模装入粉末脱去内模加热脱气用惰性气体均匀施压超超塑性加工7.4表面工程7.4表面工程改变材料表面性质的目的：提高耐腐蚀性提高磨擦性质控制尺寸改善物理性质，如反光、颜色、电导率、电阻率等.1镀层AV表面工程BAA+7.4难镀材料如铝、镁、塑料的底层例：从硫酸铜中沉淀铜NiSO4+NaH2PO2+H2O→Ni（镀层）+NaHPO3+H2SO47.4表面工程7.4.2转化膜1.氧化膜（钢表面氧化，防腐，微孔结2.磷酸盐膜(1%磷酸处理钢表面形成磷酸盐）3.铬酸盐膜(重铬酸钾或钠处理铝或锌表面）化学气相沉积装置化学气相沉积装置抽气泵物质流控制器H＋金属氯化物H7.4表面工程7.4.3气相沉积法压力传感器被涂物真空泵光学高温计热炉控制阀控制压力的惰性气体视窗CVD反应器金属氯化物蒸发器蒸汽源控制器洗涤塔H7.4表面工程7.4.3气相沉积法还原反应（金属氯化物或氟化物的氢还原）：TiCl4(g)+2BCl3(g)+5H2(g)→TiB2(s)+10HCl(g)热分解（羰基金属、氢化物、氯化物与有机金属Ni(CO)4(g)→Ni(s)+4CO(g)取代反应：SiCl4(g)+CH4(g)→SiC(s)+4HCl(g)7.4表面工程表面工程7.4.3气相沉积法低反应物浓度和高扩散速率：高浓度反应物与较低扩散速率：无规取向粒子堆积而成的柱状沉积物更高的原料浓度与更低的扩散速率：精细的等轴晶粒，这种结构具有最好的力学性能与断7.4表面工程7.4.3气相沉积法物理气相沉积：电子蒸发熔融池水冷坩埚电子枪蒸汽熔融池水冷坩埚电子枪蒸汽基底电子束离子离子离子离子等离子离子枪喷镀基底(+)7.4表面工程7.4.3气相沉积法物理气相沉积喷镀材料靶(-)粉末气体制件粉末气体制件7.4表面工程7.4.4离子注入钨电极镀层等离子等离子喷镀石棉垫钢容器活性碳制件7.4表面工程7.4.5扩散过程加热到渗碳温度（转变温度以上）封盖包裹渗碳法石棉垫钢容器活性碳制件7.4表面工程7.4.5扩散过程加热到渗碳温度（转变温度以上）封盖包裹渗碳法流量计流量计气体出口气体入口鼓泡7.4表面工程7.4.5扩散过程制件热釜渗氮装置热炉NH中性气渗碳氮段淬火预热传送7.4表面工程7.4.5扩散过程含碳气氨中性气碳氮共渗工艺中性气渗碳氮段淬火预热传送7.4表面工程7.4.5扩散过程含碳气氨中性气碳氮共渗工艺MetalMatrixCompositesAluminumAluminumAlloys（铝合金Al-Cu-Mg，Al-Zn-Mg-Cu，Al-LiTitaniumAlloys（钛合金）Density:4.5,Young’smodulus:115GPa.meltingMagnesiumAlloys（镁合金）Asamatrixmaterialinniobium-basedsuperconductors.IntermetallicCompounds（中间金属化合物Ni3Alwithextremelysmallamountsofboron(0.06wt.%),theductilityincreasesfromabout2%toabout50%,showsamarkedincreaseinstrengthupto800°C.MoSi2hasahighmeltingpointandshowsgoodstabilityattemperaturesgreaterthan1200°Cinoxidizingatmosphere.ThehighoxidationresistancecomesfromaprotectiveSiO2filmthatittendstoformathightemperatures.SpecialSpecialMeltTreatmentIngot-GradeAluminumDuralcanProcessExtrusionBilletFoundryIngotRollingBankCeramicparticlesWaterWaterAgitatorWhiskerandSlurryFilterWaterWaterPistonDieWaterFiberPreformDryingAgitationMoldingSqueezingSuctionWhisker,BinderSuctionWhisker,BinderPreformAgitatorandWaterSuctionFormingofPreformFiberPreformDryingFilterSuctionDemoldingMeltInfiltrationPouringPressurizationSolidificationVVEjectionFoilFoil-fiber-foilProcessLayupdesiredpliesApplypressure