1第三章-金属材料

1主讲:管登高博士后副教授硕导2010.9《材料概论》2自我介绍1994年毕业于郑州纺织工学院机械系热加工专业;2001年硕士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专业;2004年博士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专业;2010年从成都理工大学地质学博士后流动站出站;主持四川省青年基金等研究项目；获得一项国家发明专利授权,申请国家发明专利5项；作为合作者编写出版国家“十五”重点图书1部.3•Tel:[phone]•E-mail:[e-mail]•办公室:马公馆102室联系方式材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus第三章金属材料第三章金属材料主要内容􀂙金属材料概述􀂙黑色金属􀂙有色金属材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus3.1金属材料概述钢铁是经济产业的基本支柱，主要用于铁路、建筑、桥梁、汽车工业等领域。􀂙中国钢铁产量世界第一，2005年钢铁产量约3.5亿吨，占全世界产量的30%，是美国和日本的总和。􀂙中国目前至少有1/3的不符合质量要求。􀂙特种钢材主要靠进口。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus钢铁材料铝合金轮毂钢铁航母金属材料(MetallicMaterials)：纯金属和以纯金属为基体的合金材料的总称。合金(Alloy)：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成。纯金属(PureMetal)：由一种金属元素构成的单质；材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus合金中的相：固溶体(Solidsolution)：合金组元间以不同比例相互混合形成的具有与某一组元相同晶体结构的合金置换固溶体(Replaceablesolidsolution)间隙固溶体(Interstitialsolidsolution)金属间化合物(Intermetallics)：合金组元相互作用形成的具有自己独特的晶体结构和性质的新相。正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus(1)金属材料的分类：MetallicMaterials黑色金属：(FerrousMetals)有色金属：(NonferrousMetals)特殊金属：(SpecialMetals)在103种元素中，金属元素有81种工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、镍、锌、钛、铜等金属及合金。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusMetal元素周期表材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus黑色金属分类Iron(纯铁)含C0.04％Castiron(铸铁)含2％C4％FerrousMetalsSteel(钢)含C0.04％－2％Carbonsteel(碳素钢)Alloysteel(合金钢)含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低钢铁：占人类使用金属的90％以上有色金属分类Heavymetal(重金属)Cu、Pb、Zn、NiLightmetal(轻金属)Al、Mg、TiNoblemetal(贵金属)Au、Ag、PtRaremetal(稀有金属)W、Mo、U、Ta、稀土金属有色金属80余种材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus重金属:指比重大于5的金属（一般指密度大于4.5克/立方厘米的金属）,约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。轻金属:其共同特点是比重小于5，（一般指密度小于4.5克/立方厘米的金属），如铝的比重是2.7，镁的比重是1.7倍，而钾的比重只有0.87，钠只有0.97；其次是化学活性大，与氧、硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。重金属与轻金属的区别难熔金属：一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属（钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛），也有将熔点高于锆熔点（1852℃）的金属称为难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。制造耐1093℃（2000°F）以上高温的结构材料所使用的难熔金属主要是钨、钼、钽和铌。难熔金属贵金属：主要指金、银和铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）等8种金属元素。这些金属大多数拥有美丽的色泽，对化学药品的抵抗力相当大，在一般条件下不易引起化学反应。它们被用来制作珠宝和纪念品，而且还有广泛的工业用途。贵金属•稀有金属：稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。•它们难于从原料中提取，在工业上制备和应用较晚。但在现代工业中有广泛的用途，如用于制造特种钢、超硬质合金和耐高温合金，在电气工业、化学工业、陶瓷工业、原子能工业及火箭技术等方面。•稀有金属的名称具有一定的相对性，随着人们对稀有金属的广泛研究，新产源及新提炼方法的发现以及它们应用范围的扩大，稀有金属和其它金属的界限将逐渐消失，如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。稀有金属稀有轻金属：包括锂、铷、铯、铍。比重较小，化学活性强。稀有难熔金属：包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨。熔点较高，与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。稀有分散金属：简称稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、铼以及硒、碲。大部分赋存于其他元素的矿物中。稀有稀土金属：简称稀土金属，包括钪、钇及镧系元素。它们的化学性质非常相似，在矿物中相互伴生。稀有放射性金属：包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104至107号元素。稀有金属的类型准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、砷、硼。准金属材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus铝合金轮毂镁合金笔记本电脑铂合金首饰材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusSpecialMetals(特殊金属):非晶态金属形状记忆合金减震合金超塑金属储氢合金超导合金等材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus(2)金属材料的性质1、常温下为固体（Hg除外）2、熔点较高也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度较大（Mg、Al除外3g/cm3以下）4、有光泽5、延展性、韧性、可加工性好6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al7、易氧化材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusThefourtypesofstresses材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusMechanicalpropertiesofmetallicmaterials应力－应变曲线材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus强度(Strength)：材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的最大能力。屈服强度：表示材料发生明显塑性变形的抗力Ps或σ抗拉强度：σb=Pb/F0断裂前单位面积上所承受的最大应力刚度(Stiffness)：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性模量：E＝σ/ε韧性(Ductility)：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。断裂韧性：KIC塑性(Plasticity)：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus应变应力刚度范畴塑性范畴韧性范畴强度范畴材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus疲劳强度(Fatiguestrength)：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。疲劳极限(Fatiguelimit)：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。硬度(Hardness)：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。在给定温度和规定时间内，使试样产生一个规定蠕变变形量的应力值。抗蠕变性(Creep)：材料在一定温度和恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus时间－应变曲线材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus延展性材料的断裂材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus断面形貌Al材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus穿晶断裂沿晶断裂材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusHowtoincreasethestrengthofmetallicmaterials?固溶强化：加入合金元素形成固溶体而使强度增加的现象；固溶强化的效果：间隙元素大于置换式固溶元素。形变强化：材料屈服以后，随形变量的增加，所需应力不断增加的现象，也叫加工硬化。位错密度大幅度增加；晶体择优取向。弥散强化：通过向基体中引入其它一个或几个相而使金属强度提高的现象。与第二相颗粒的性质、尺寸、形状、数量、分布有关。细晶强化：随着晶粒细化,材料的强度和韧性均提高。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus3.2黑色金属纯铁(Pureiron)铁碳合金(Fe-Calloy)合金钢(Alloysteel)铸铁(Castiron)材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus纯铁(Fe)1538℃——————1394℃——————912℃无磁性无磁性δ-Fe体心立方BCCγ-Fe面心立方FCC912℃——————770℃——————0℃无磁性有磁性α-Fe体心立方BCCα-Fe体心立方BCC熔点：1538℃密度：7.87g/cm3塑性和韧性:好强度:低铁磁性:高磁导率主要用途:仪器仪表的铁芯材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus铁素体F(Ferrite)：碳溶于α-铁中的间隙固溶体,BCC结构,性能与纯铁相似，塑性、韧性好。􀂙奥氏体A(Austenite)：碳溶于γ-铁中的间隙固溶体,FCC结构，塑性好，没有磁性。􀂙渗碳体Fe3C(Cementite)：铁与碳形成的间隙化合物Fe3C，正交晶格，硬度高，脆性很大。􀂙珠光体P(Pearlite)：铁素体和渗碳体相间叠加的层片状组织，铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusFeandFe-basedalloys铁碳合金中碳的存在形式间隙固溶体铁素体：碳溶于α-铁中的间隙固溶体奥氏体：碳溶于γ-铁中的间隙固溶体化合态的Fe3C：铁与碳形成的间隙化合物Fe3C，亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨。游离态的石墨：稳定态，可以从铸铁溶液中析出，也可以从奥氏体中析出。材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus铸铁(Castiron)成份：C2%，Si、Mn、S、P等。性质:铸造性能良好；切削加工性能优异；耐磨；良好的减振性；对缺口不敏感；材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectusCastiron历史悠久􀂙工程上最常用：机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通汽车：50－70％;机床：60－90％。􀂙生产设备和工艺简单，价格便宜材料与化学化工学院材料概论MaterialsConspectus铸铁分类：根据碳在铁中的存在形式和断裂断口颜色􀂙白口铸铁Whitecastiron：渗碳体；白亮色􀂙麻口铸铁Mottledcastiron：渗碳体+游离石墨；灰口铸铁：Greycastiron游离石墨；暗灰色，根据石墨形态可分为：普通灰铸铁：片状球墨铸铁：球状可锻铸铁：团絮状蠕墨铸铁：蠕虫状􀂙材料与化