金属材料学

金属材料学向嵩绪论材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步行着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。金属材料是现代文明的基础石器时代→青铜器时代→铁器时代铸铁钢黑色金属二、金属材料的分类金属材料工模具用钢机械零件用钢钢工程构件用钢特殊用途钢轻金属稀有金属贵金属有色金属重金属放射金属Al、Mg、TiCu、Zn、PbAu、Ag、PtW、Mo、CoRa、U、Th三、金属结构材料的应用情况1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜——甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含6％~10％Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起．铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。四、金属材料发展的历史3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著《天工开物》中有详细的阐述。4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。四、金属材料发展的历史5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。五、金属材料的发展热点1．继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能2．非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料3．特殊条件下应用的金属材料低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究4．材料的设计及选用科学化按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计六、关于本课程1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。六、关于本课程2.课程的性质本课程是材料科学与工程专业的一门主要专业课。它的主要内容是金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。六、关于本课程3.课程内容金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用。常用钢铁材料、有色金属及合金材料和新金属结构材料（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、有色金属及合金、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属材料等）。4.教材与参考书目录吴承建、陈国良、强文江编著。《金属材料学》，北京：冶金工业出版社，2000。王笑天主编。金属材料学，北京：机械工业出版社，1993。王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工业出版社，2002。5.作业及考核形式平时每章需完成一定量的思考题和习题；成绩占总评成绩的15％；平时表现和课堂回答问题成绩占总评成绩的5%。期末闭卷笔试，成绩占总评成绩的80%。六、关于本课程Chapter1金属材料的合金化原理合金钢的分类、牌号钢的合金化原理碳钢概论1.2钢的合金化原理1.3合金钢的分类、牌号1.1碳钢概论碳钢中的常存元素碳钢的分类碳钢的用途Me在钢种的存在形式Me与铁和碳的相互作用Me对铁-碳相图的影响Me对钢的热处理的影响Me对钢的性能的影响主要内容Chapter1金属材料的合金化原理1.1碳钢概论SteelmakingflowlinesSteelFinishingflowlines1.1碳钢概论1.锰(Mn)和硅(Si)[Mn]0.8%。Mn与S形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。[Si]0.5%。Si与O形成SiO2夹杂物。夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。1.1碳钢概论一、碳钢中的常存杂质2．硫和磷的影响S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。S和Fe能形成FeS(1190℃)，并易于形成低熔点共晶(989℃)。发生热脆(裂)。P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。但磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。S和P还可以改善钢的切削加工性能。1.1碳钢概论3．氮（N）、氢（H）、氧（O）的影响N在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。O在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。1.1碳钢概论Fe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLga400℃1400℃1200℃1000℃800℃600℃1600℃dSteelCastIron1．按钢中碳含量的多少分类(1)复习铁碳合金按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77%共析钢：wc=0.77%过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%(2)按钢中碳含量的多少，碳钢通常可分为低碳钢：wc≤0.25%中碳钢：0.25%＜wc≤0.6%高碳钢：wc＞0.6%1.1碳钢概论二、碳钢的分类wSwP普通碳素钢≤0.05%≤0.045%优质碳素钢≤0.035%≤0.035%高级优质碳素钢≤0.02%≤0.03%特级优质碳素钢≤0.015%≤0.025%2．按钢的质量（品质）分类1.1碳钢概论3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）工程构件用钢(碳素结构钢)：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。（2）机械零件用钢(优质碳素结构钢)：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。（3）工模具用钢(碳素工具钢)：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。（4）特殊用途的钢：主要用于耐热耐腐蚀等零件。1.1碳钢概论4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为:（1）沸腾钢(F)：指脱氧不彻底的钢。（2）镇静钢(Z)：指脱氧彻底的钢。（3）半镇静钢(b)：指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。（4）特殊镇静钢(TZ)：指进行特殊脱氧的钢。1.1碳钢概论三、碳钢的用途1-普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%以上）。（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。wC=0.06%~0.38%，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。1.1碳钢概论（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；1.1碳钢概论等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中：A级wS≤0.05%,wP≤0.045%，B级wS≤0.045%,wP≤0.045%，C级wS≤0.04%,wP≤0.04%，D级wS≤0.035%,wP≤0.035%。其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。1.1碳钢概论（4）典型牌号、性能与用途★Q195、Q215钢含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件;★Q235A、Q255A用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；★Q235B、Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；★Q235C、Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255、Q275钢强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。1.1碳钢概论1.1碳钢概论2-优质碳素结构钢（1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。（2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。（3）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。1.1碳钢概论优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”等。1.1碳钢概论优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量(0.25%-0.8%)和较高含锰量(0.7%-1.2%)两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。1.1碳钢概论（4）优质碳素结构钢共有31个钢号。08F钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。10~25等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。1.1碳钢概论45等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的σe和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。1.1碳钢概论三、碳素工具钢（1）主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其wS≤0.03%，wP≤0.035%）和高级优质碳素工具钢（wS≤0.02%，wP≤0.03%）两类。（2）牌号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍