金属材料学(全套课件).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料工程系,金属材料学,一、课程特点和要求,课程特点：综合性、应用性、经验性。,金属材料,学核心课程是专业知识教学中最后一门课程,课程要求,：,掌握合金化理论的基本知识,，,了解材料成分设计,的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、,组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地,选择材料和制订工艺,。,二、课程要点及思路,主线：材料成分,-,工艺,-,组织,-,性能,-,应用之间的有机关系,核心：合金化原理,“思想”：作用的辨证与矛盾的转化。,三、教学安排,教学：详略，有的内容自学；,实践：课堂讨论，小论文，综合性实验，思考题；,考试：考试,+,平时,+,课堂讨论与实验,图 材料学主线示意图,绪论,金属材料的过去、现在和将来,0.1 金属材料发展简史,1、第一阶段原始钢铁生产,公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺,公元前2800年：铁的熔炼,公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、,周、春秋战国）东汉时：反复锻打钢最原始形变热处理工艺。,淬火技术,:“,浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”,现代的水淬、油淬。,上图：吴王夫差矛和越王勾践剑,右上：商周时期的青铜敦和尊,盘,-,国家一级文物,右下：商代青铜纵目人面像,擂鼓礅二号墓编钟复制件,1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。,2、第二阶段金属材料学科的基础,奠定金属材料学科基础,：,金属学、金相学、相变和合金钢等。,1803年：道尔顿提出,原子学说,，,阿伏加德罗提出,分子论,。,1830年：,Hessel,提出32种,晶体类型,，,普及,晶体指数,。,1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了,点阵结,构理论,。,1864年：,Sorby,制备第一张,金相照片,，,9倍，但意义重大。,1827年：,Karsten,从钢中分离出了,Fe,3,C,，,1888,年,Abel,证明了,这是,Fe,3,C,。,1861,年：俄契尔诺夫提出了钢的,临界转变温度,的概念,。,19世纪末：马氏体研究已成为时髦，,Gibbs,得到了,相律,，,Robert-Austen,发现了,奥氏体固溶特性,，,Roozeboom,建,立了,Fe-Fe,3,C,系的平衡图。,钢的组织命名,：,Austenite,英金属学家,Austen；,Bainite,美科学家,Bain；,Sorbite,英科学家,Sorby,；,Martensite,德科学家,Marten；,Troostite,法化学家,Troost,；,Ledeburite,德学者,Ledebur,新合金钢发明,：,1820年，铁-铬合金；,1857年，钨钢；,1898,年,含钨高速钢雏形,1871年，锰钢和硅钢,。,开始了合金钢的新纪元,3、第三阶段微观组织理论大发展,合金相图，,X,射线发明及应用，位错理论的建立,。,1912年：发现,X,射线，证实,（）-Fe,是,bcc，,-Fe,是,fcc,；,固溶体规律。,1931年：发现合金元素的扩大和缩小,区作用,.,1934年：俄国,Polanyi、,匈牙利,Orowan,和英国,Taylor,各自,独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形；马氏,体转变的晶体学。,1938年：发明了电子显微镜。,1910年：发明,A,不锈钢，1912年发明了,F,不锈钢等。,1990年：发明了布氏硬度计，,Griffith,提出了应力集中会导,致产生微裂纹。,4、第四阶段微观理论的深入研究,微观理论的深入研究,：,原子扩散及其本质的研究；钢,TTT,曲线测定；,贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。,位错理论建立,：,电子显微镜的发明 看到了钢中第二相沉淀析出，位错,滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、,Cottrell,气团等现象 位错理论。,新科学仪器不断发明,：,电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫,描透射电镜（,STEM）、,扫描隧道显微镜（,STM）、,原子,力显微镜（,AFM）,等,.,0.2 现代金属材料,先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。,开发高性能结构材料,：,高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢。,改造传统结构材料,：,重要途径是组织更细更均匀，材料更纯洁 关键是工艺。“新一代钢铁材料”强度相当于现有钢铁材料两倍。,美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 开发高强热轧耐火耐候钢。,开发其他高性能钢,：利用各种新工艺新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，,工具材料的各种表面处理技术开发,，在新型工具材料的开发上具有重要的意义,。,先进制备工艺,：,如金属半固态加工技术，铝镁合金技术成熟，已应用。,现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向,水陆两用汽车,轻型吊轨磁悬浮列车,材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变,美国飞行汽车将于,2009,年上市销售,MX-400,空中汽车,美国莫勒潜心研究.被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。,自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后，各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。,世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的,.,在“9.11”事件中，该双子大楼遭到袭击，毁于一旦。但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将永远载入史册。,泰坦尼克号快速沉没的原因,小问题引大灾难,.,泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没,经查明是,因为,含有,9%,矿渣的,48,根铆钉使泰坦尼克号钢板散架,.,0.3 金属材料的可持续发展与趋势,2004年提出了“循环型社会的材料产业材料产业,的可持续发展”。,微生物冶金,:,无废物的生产，已在许多国家进行了工,业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的,10%，日本人工培植海鞘以提取钒。海水是一种液态矿，海,水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中提,取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20%来自海水，美,国靠这种镁已满足着需求量的80%。,我国资源短缺；资源浪费严重；污染严重。,循环材料产业,：,适应时代需要，把生态环境意,识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利,用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形,成,资源材料环境,良性循环的产业。,合金发展的主流方向是,少合金化与通用合金,，,形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再,生利用。要研究开发与人民生活密切相关的,绿色材,料,以及,环境友好材料,。,钛合金,被称为“空间金属”、“未来钢铁”。,钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能,保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。,钛在地球中含量不少,（0.6%）,。但是提炼工艺,复杂，成本高，广泛应用受到限制。,钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金,属材料之一。,世界上第一个载人宇宙飞船,世界上第一个“太空人”,有色金属,:,资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊,人。精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成,果少，高新技术成果产业化程度不高。开发高性,能结构材料及其先进工艺方法是主流，如，铝锂,合金、快速凝固铝合金等。,有色金属功能材料也是发展方向,.,未来对材料和技术的要求,环境和能源因素,放在很重要的位置,思考题,1、1958年世界工业博览会在比利时召开，博,览会大楼是由9个巨大金属球组成，金属球直径为,18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什,么?说明什么意义?,2、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科,列宁大街上建造了40英尺高的雕象，雕象材料是,钛合金。为什么用钛合金做?代表什么意义?,3、金子从古到今都是作为世界上的流通货,币，为什么?铜是人类最早认识和使用的金属，,为什么?,4、1983年,在上海召开的第4届国际材料及,热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，代表,什么意义?为什么古代著名的刀剑都要经过反复,锻打?,5,、为什么建筑上的楼板,、,大梁混凝土中要用,钢筋,?,而且国家都有使用标准,?,第1章 钢的合金化原理,1.1,Me,和,Fe,基二元相图,一、钢中的,Me,1、杂质元素（,impurity-element）,常存杂质,冶炼残余，由脱氧剂带入。,Mn、Si、Al；S、P,难清除,。,隐存杂质,偶存杂质,生产过程中形成，,微量元素,O、H、N,等。,与炼钢时的矿石、废钢有关，,如,Cu、Sn、Pb、Cr,等。,热脆性,S,FeS,(,低熔点989)；,？,冷脆性,P Fe3P（,硬脆）；,？,氢 脆,H,白点。,2、合金元素（,alloying-element）,为合金化目的加入，其加入量有一定范围,的元素称为合金元素。,钢中常用合金元素：,Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti,等。,二、,Me,和,Fe,的作用,纯,Fe,Fe-C,相图的变化特点。,Me,和,Fe,的作用：,1、,稳定化元素,使,A,3,，A,4,，,区扩大,a),与,区无限固溶,Ni、Mn、Co,开启,区,量大时，室温为,相；,b),与,区有限固溶,C、N、Cu,扩大,区。,2、,稳定化元素,使,A,3,，A,4,，,区缩小,a),完全封闭,区,Cr、V,W、Mo、Ti,Cr、V,与,-Fe,完全互溶，量大时,相,?,W、Mo、Ti,等部分溶解,b),缩小,区,Nb,等。,稳定,相,A,形成元素，稳定,相,A,形成元素。,(,a),Ni,，,Mn,，,Co,(,b)C,，,N,，,Cu,(,c)Cr,，,V,(,d),Nb,B,等,图1 合金元素和,Fe,的作用状态,1.2,Me,对,Fe-C,相图的影响,一、对,S、E,点的影响,A,形成元素均使,S、E,点向,左下方,移动，,F,形成元素使,S、E,点向,左上方,移动。,S,点左移意味着共析,C,量减小,；,E,点左移意味着出现莱氏体的,C,量降低,。,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析碳量的影响,二、对临界点的影响,A,形成元素,Ni、Mn,等使,A,1,（A,3,）,线向下移动；,F,形成元素,Cr、Si,等使,A,1,（A,3,）,线向上移动,三、对,-Fe,区的影响,A,形成元素,Ni、Mn,等使,-Fe,区扩大钢在室,温下也为,A,体 奥氏体钢；,F,形成元素,Cr、Si,等使,-Fe,区缩小钢在高,温下仍为,F,体 铁素体钢。,铬对钢,区的影响 锰对钢,区的影响,1.3 铁基固溶体,一、置换固溶体,合金元素在铁点阵中的固溶情况,Me,Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,C,N,溶解度,Fe,7,(1340,),无限,无限,3,76,10,0.2,0.020.1,Fe,0.68,1.4,12.8,*,无限,无限,无限,8.5,2.06,2.8,注：有些元素的固溶度与,C,量有关,不同元素的固溶情况是不同的。为什么?,简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。,常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径,第四,周期,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,点阵,结构,bcc,bcc,bcc,bcc,或,fcc,fcc/hcp,fcc,fcc,电子,结构,2,3,5,5,6,7,8,10,原子半径,/,nm,0.145,0.136,0.128,0.131,0.127,0.126,0.124,0.128,R,，,%,14.2,7.1,0.8,3.1,0.8,2.4,0.8,注：1、电子结构是3,d,层电子数；2、原子半径是配位数12的数值,（1）,Ni、Mn、Co,与,-Fe,的点阵结构、原子,半径和电子结构相似无限固溶；,（2）,Cr、V,与,-Fe,的点阵结构、原子半径和,电子结构相似无限固溶；,（3）,Cu,和,-Fe,点阵结构、原子半径相近，,但电子结构差别大有限固溶；,（4）原子半径对溶解度影响：,R8%，,可以形成无限固溶；15%，形成有限,固溶；15%，溶解度极小。,结,论,合金元素的固溶规律，,即,Hume-,Rothery,规律,决定组元在置换固溶体中的溶解,度因素是点阵结构、原子半径和电,子因素，无限固溶必须使这些因素,相同或相似,.,有限固溶,C、N、B、O,等,溶解度,溶剂金属点阵结构,：同一溶剂金属不,同点阵结构，溶解度是不同的,如,-Fe,与,-Fe。,溶质原子大小,：,r，,溶解度。,N,溶解度比,C,大:,R,N,=0.071nm，,R,C,=0.077nm。,间隙位置,优先占据有利间隙位置 畸变为最小。,间隙位置总是没有被填满,最小自由能原理。,二、间隙固溶体,1.4 碳（氮）化物,一、钢中常见的碳化物,K,类型、大小、形状和分布对钢的性能有很,重要的作用。,非,K,形成元素：,Ni、Si、Al、Cu,等,K,形成元素：,Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn,、,Fe,（,由强到弱排列）,钢中常见的,K,类型有：,M,3,C,：,渗碳体，正交点阵；,M,7,C,3,：,例,Cr,7,C,3,，,复杂六方；,M,23,C,6,：,例,Cr,23,C,6,，,复杂立方；,M,2,C,：,例,Mo,2,C、W,2,C。,密排六方；,MC,：,例,VC、TiC,，,简单面心立方点阵；,M,6,C,：,不是一种金属,K。,复杂六方点阵。,K,也有空位存在；可形成复合,K,如(,Cr,Fe,Mo，),7,C,3,复杂点阵结构：,M,23,C,6,、M,7,C,3,、M,3,C。,特点：硬度,、,熔点较低，稳定性较差；,简单点阵结构：,M,2,C、MC。,又称间隙相。,特点：硬度高，熔点高，稳定性好。,M,6,C,型,不属于金属型的碳化物,复杂结构，,性能特点接近简单点阵结构。,1、,K,类型,K,类型与,Me,的原子半径有关。,各元素的,r,c,/r,Me,的值如下,：,Me Fe,Mn,Cr V Mo W Ti,Nb,r,c,/r,Me,0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53,0.53,二、,K,形成的一般规律,r,c,/r,Me,0.59,复杂点阵结构，如,Cr、Mn、Fe,，,形成,Cr,7,C,3,、Cr,23,C,6,、Fe,3,C、Mn,3,C,等形式的,K,；,r,c,/r,Me,0.59,简单结构相，如,Mo、W、V、Ti,等，形成,VC,等,MC,型，,W,2,C,等,M,2,C,型。,Me,量少时，形成复合,K，,如,（Cr,M）,23,C,6,型。,2、相似者相溶,完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。,如,Fe,3,C，Mn,3,C(Fe,Mn),3,C；TiC VC。,有限溶解：一般,K,都能溶解其它元素，形成复合,K,如,Fe,3,C,中可溶入一定量的,Cr、W、V,等,.,最大值为 20%,Cr，2%W，400，,Me,开始,重新分布。非,K,形成元素仍在基体中，,K,形成元素逐步进,入析出的,K,中，其程度决定于回火温度和时间。,二、,Me,的偏聚（,segregation ）,偏聚,现象,Me,偏聚 缺陷处,C,基体平均,C,这种现象也称为吸附现象。,偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，,如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等,都与此有关,.,Me+：,溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；,Me+：,溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；,Me+,：,溶质原子在螺位错吸附形成,Snoek,气团,.,偏聚,机理,溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，,符合自然界最小自由能原理。,结构学,：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原,子容易存在；,能量学,：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，,符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外,力作用下，事物总是朝着,能量的方向发生。,即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。,热力学,：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质,原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。,影响,因素,缺陷处,溶质浓度,温度,T：T，,内吸附强烈；,时间,t：,偏聚,需要,原子扩散,需要一定时间,；,缺陷本身：缺陷越混乱，,E,，吸附也越强烈,;,其它元素：间接作用,:,优先吸附问题,B,与,C,直接作用,:,影响吸附元素,D,MnD,P,，使,P,扩散加快，促进了钢的回火脆性；,Mo,则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。,点阵类型：,bcc,点阵内吸附较,fcc,强烈,1.6 合金钢的加热,A,化,一、,K,在,A,中的溶解规律,基,本,规,律,1）,K,稳定性越好，溶解度就越小；,2）温度，溶解度，沉淀析出；,3）,K,稳定差的先溶解,;,4）,A,中有弱,K,形成元素，则会,C,活度,a,c,，,K,的溶解；非,K,形成元素（如,Ni）,则相,反,a,c,，K,的溶解。如：较多,Mn,的存在,使,VC,的溶解温度从1100降至900。,碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系,二、,A,体均匀化,A,体刚形成时，,C,和,Me,的分布是不均匀的,.,合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别,?,三、,A,体晶粒长大,1）,Ti、Nb、V，W、Mo,晶粒长大；,2）,C、N、B,晶粒长大；,3）,Ni、Co、Cu,作用不大。,1.7 过冷,A,体的分解,一、过冷,A,体的稳定性,过冷,A,体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。,1）,Ni、Si,和,Mn,，,大致保持,C,钢的“,C”,线形状，使,“,C”,线向右作不同程度的移动；,2）,Co,不改变“,C”,线，但使“,C”,线左移；,3）,K,形成元素，使“,C”,线右移，且改变形状。,Me,不同作用，使“,C”,曲线出现不同形状，大致,有五种。,“,C”,曲线五种形状,常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响,(上左,),强,K,形成元素 (上右)中、弱,K,形成元素 (下左,),非,K,形成元素,二、过冷,A,体的,P、B,转变,P,转变：需要,C,和,Me,都扩散；,综合影响顺序：,Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si,贝氏体转变：,C,原子作短程扩散，,Me,几乎没有扩散。,影响顺序：,Mn、Cr、Ni、Si,，,而,W、Mo,等影响很小。,三、,Me,对,Ms,的影响,各种,Me,对,Ms,位置的影响程度是不同的。,思考题：,W、Mo,等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解?,对一般结构钢的成分设计时，要考虑其,M,S,点不能太低，为什么?,1.8,合金钢的回火转变,一、,M,分解,低温回火：,C,和,Me,扩散较困难，,Me,影响不大,中温以上：,Me,活动能力增强，对,M,分解产生不,同程度影响,:,1）,Ni、Mn,的影响很小；,2）,K,形成元素阻止,M,分解，其程度与它们,与,C,的亲和力大小有关。这些,Mea,c,，,阻止了,渗碳体的析出长大；,3）,Si,比较特殊：,Fe,和,C,的,结合力,a,c,-Fe,X,C,的形核、长大,Si,能溶于,，,不溶于,Fe,3,C，Si,要从,中出去,Fe,3,C,效果,:,含2%,Si,能使,M,分解温度从260提高到350以上,4）合金钢回火时,M,中含,C,量变化规律,基,本,规,律,渗碳体形成开始温度与合金化无关；,含非碳化物形成元素（,Si,除外）的合金,钢（线2）和,C,钢（线1）规律相同；,在相同回火温度,T,t,下，合金钢马氏体中含,C,量要比,C,钢的高，如图中的,C,3,C,1，2,；,不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物,的温度,T,K,是不同的，线3的下降幅度也是,不同的。,回火时马氏体中,C,量的变化,线,1-C,钢,;,线,2-,含非碳化物形成元素（,Si,除外）的合金钢,;,线,3-,含碳化物形成元素的合金钢,二、回火时,K,的形成,各元素明显开始扩散的温度为：,Me Si,Mn,Cr Mo W V,T,300 350 400500 500 500550,1）,K,长大 聚集温度：,M,3,C,型，350 400；其它,K，,450 600；,2）K,成分变化和类型转变,K,转变,-Fe,X,C,Fe,3,C M,3,C,亚稳特殊,K,特殊,K,T,500,能否形成特殊,K，,取决于:,Me,性质、,N,M,/N,C,比值；,T,和,t。,钒钢（0.3,C,2.1V）,在1250淬火不同温度回火2,h，,碳化物成分、结构和硬度的变化,3）,特殊,K,的形成,原位析出：,M,0,+M,3,C,M,X,C,Y,(M,7,C,3,M,23,C,6,),异位析出：,M,P,+M,3,C,0,+M,X,C,Y,(MC,M,2,C),特殊,K,析出 二次硬化，直接析出 贡献最大,三、回火脆性,1、第1类回火脆性,脆性,特征,不可逆；,与回火后冷速无关；,晶界脆断。,产生,原因Me,作用,Fe,3,C,薄膜在晶界形成；,杂质元素,P、S、Bi,等偏聚晶界，,晶界强度。,Mn、Cr,脆性；,V、Al,改善脆性；,Si,脆性温度区,.,2、第2类回火脆性,脆性,特征,可逆；,回火后慢冷产生，快冷抑制；,晶界脆断,.,产生,原因,杂质,Sb、S、As,或,N、P,等偏聚晶界；,形成网状或片状化合物,晶界强度。,高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化,合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。,Me,作用,N、O、P、S、As、Bi,等是脆化剂；,Mn、Ni,与杂质元素共偏聚，是促进剂；,Cr,促进其它元素偏聚，助偏剂；,Mo、W、Ti,抑制其它元素偏聚，清除剂,Me,对相图的影响,Me,与,C,的作用,Me,在材料处理各过,程中的行为表现,加热,冷却,回火,温,度,时间,一方面要清楚材料处理各过程的演化规律,;,另一方面要掌握,Me,在各过程中的作用和影响,.,为理解,Me,的作用,要了解钢的基本强化机理,.,1.9,Me,对钢强韧化的作用,一、,Me,对钢强化的形式及其机理,强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,表达式,对于,C、N,等间隙原子，,n=0.332.0；,对于,Mo、Si、Mn,等置换式原子：,n=0.51.0,机理,效果,提高强度，降低塑韧性,原子固溶,晶格发生畸变,产生弹性,应力场，与位错交互作用,位错运动阻力,1、固溶强化,合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响,Si、Mn,的固溶强化效应大，但,Si 1.1%，Mn 1.8%,时，钢的塑韧性将有较大的下降。,C、N,固溶强化效应最大。,合金元素对,Cr18Ni9,型不锈钢的强化效应,-间隙元素，-,F,形成元素，-,A,形成元素,2、位错强化,表达式,机理,位错密度,位错交割、缠结，,有效地阻止了位错运动,钢强度。,对,bcc,晶体，位错强化效果较好,?,效果,在强化的同时，同样也降低了伸长,率，提高了韧脆转变温度,T,K,3、细晶强化,表达式,机理,晶粒越细,晶界、亚晶界越多,有效,阻止位错运动，产生位错塞积强化。,效果,钢的强度，又,塑性和韧度,这是最理想的强化途径著名的,Hall-,petch,公式,式中，,d,为晶粒直径，,Kg,为系数,晶界处位错塞积现象,4、第二相强化,表达式,机理,微粒第二相,钉扎,位错运动强化效果,主要有切割机制和绕过机制。在钢中主,要是绕过机制。,两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，,淬火时残留第二相强化。,效果,有效提高强度，但稍降低塑韧性。,钢强度表达式,位错被质点障碍物所挡住,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,二、合金钢强化的有效性,最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。,1、强化的有效性,强化,:,弥散析出,P,|-,S,|,硬度峰值,弱化,:,M,分解,P,|-,S,|,弱化缓慢,图 强化和弱化的演变,1-M,分解；2-弥散析出；3-综合效应,2、,Me,对强化有效性的影响,强化有效性取决于形成弥散相的,Me,及其量。,Me,量 弥散相量,(,有足够的,C),二次硬化,例：含,0.10.15%C,钢，,需,0.10.2%V,；,0.080.12%Nb,；,2.53.0%Cr,强化,弱化,Me,最小浓度,临界值,K,类型,含,C,量,图,V,对40钢回火硬度的作用,不同含,C,量,的,V,钢，如,产生二次硬,化，,V,的临,界浓度是不,同的,，,为什,么,?,对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与,C,钢的强韧性差异，主要不在于,Me,本身的强化作用，而在于,Me,对钢相变过程的影响，并且,Me,的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。,需要充分理解,三、,Me,对钢韧性的影响,1、,影响韧性的因素,强化,因素,一般情况，钢强度塑韧,称为,强韧性转变矛盾,。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地韧性。,危害最大是间隙固溶；,沉淀强化较小,但对强化贡献较大。,合金,元素,Ni,韧性,；,Mn,在少量时也有效果；其它,常用元素都在不同程度上韧性,晶粒,度,细晶既,S,，,又,T,K,即,韧性,最佳组织因素。,第二,相,K,韧性。,K,小、匀、圆、适量,工艺努力方向。,杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，,提高钢的冶金质量是必须的。,杂质,合金元素对铁素体,冲击韧度的影响,晶粒大小对强度、韧脆转,变温度,T,K,的影响,20MnSi,钢不同晶粒度的低温冲击性能,2、提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织 如,Ti、V、Mo,；,2）,回火稳定性 如强,K,形成元素；,3）改善基体韧度 ,Ni；,4）,细化,K ,适量,Cr、V,，,使,K,小而匀；,5）回脆 ,W、Mo,；,6,）在保证强度水平下，适当含,C,量,.,冶金质量。,思考题：,有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态,?,1.10,Me,对钢工艺性的影响,一、,冷成型性,冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。,冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变,脆程度的表征参量。冷作硬化率高材料的冷,成型性差。,P、Si、C,等元素冷作硬化率。,需要冷成型的材料应严格控制,P,、,N,量，尽可能,Si,、,C,等量。,二、热压力加工性,热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。,Me,溶入基体,产生畸变,热变形抗力,热压力加工性能。,如,Mo,、,W,、,Cr,、,V,等元素,影响较大。,C,和,Me,量较多时，形成共晶,K,，热,压力加工性更差。,合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢,等高合金钢的热压力加工难度是较大的,.,三、切削加工性,不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑,速度；精加工主要考虑表面粗糙度。,C,钢 硬度在,170230HB，,切削性能最好,.,对组织来说，,P:F=1:1,较佳,。不同含,C,量的钢要,得到较好的切削性，其预处理是不同的：,对,C,钢,:0.1%C,宜淬火；,0.5%C,宜正火；,0.8%C,宜球化退火,思考题：,为什么钢的切屑是连续的，而铸铁的切屑是碎,片状断开的,?,四,、,材料的热处理工艺性,钢号,合金元素质量分数含量,/%,P,转变孕育期,/,秒,35Cr,Cr+Ni=1.34,12,35CrMo,Cr+Mo,=1.38,35,40CrNiMo,Cr+Mo+Ni,=3.25,500,淬透性,一般是指淬火时获得,M,的能力,.,合金元素复合作用大,不是简单加和,.,在结构钢中，,M,淬透性作用显著的元素从大,到小排列：（,B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni,。,淬透,性好,的作,用,可以使工件得到均匀而良好的力学,性能，满足技术要求；,在淬火时，可选用较缓和的冷却介,质，以减小工件的变形与开裂倾向,+Mo,能有效,P,转变，但不能完全,先共,析,F,的析出,B,淬,透性,+B,偏聚晶界,有效抑制先共析,F,的析出,0.40,%C,析出,5%F,（,600,）,0.14%Mo 0.35%Mo 0.60%Mo,1 2 4,P,开始转变时间,1 3 36,贝氏体,淬透性,合金化基本元素是,0.5%Mo+,微量,B,。,淬硬性,理想淬火条件下,形成,M,能达到的最高硬度,.,淬硬性主要与钢的含碳量有关,。,变形开裂倾向,热应力变形,;,组织应力 开裂,;,附加应力,较复杂,.,影响因素比较复杂,要综合分析,.,采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降,低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球,化退火等预先热处理也可减小零件的变形。,过热敏感性和氧化脱碳倾向,奥氏体晶粒急剧长大的敏感性,Mn,.,如,40Mn2,、,50Mn2,、,35SiMn,、,65Mn,等。,氧化和脱碳往往伴随产生,.Si.,含硅钢氧,化脱碳倾向较大，如,9SiCr,、,42SiMn,、,60Si2Mn,、,30CrMnSi,等。,脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，,脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有,害的,.,回火稳定性,(,热稳定性,)合金钢回火稳定性要比碳钢好,.,同样回火硬,度,合金钢的回火温度高,时间也可长些,应力,消除也大些,;,同样塑韧性,合金钢的强度比碳,钢高,.,回火脆性,(,前面已介绍,),钢的编号方法自学,1.8,金属材料的环境协调性设计,目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三,千多种。材料的废弃物再生循环很困难,可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个,重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发,展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所,以就出现了通用合金和简单合金的概念。,1.8.1,通用合金与简单合金,通用,合金,又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。,Fe-Cr-Ni,、,Fe-Cr-,Mn,钢,.,通过改变,Fe,、,Cr,、,Ni,（,Mn,）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。,Cr-Mo,钢,耐热钢,简单,合金,组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设计上有几个特点：,合金组元简单，再生循环过程中容易分选；,原则上不加入目前还不能用精炼方法除去的元素；,尽量不使用环境协调性不好的合金元素。,两个,基本,原则,（,1,）在维持合金高性能的前提,下，尽量减少合金组元数；,（,2,）获得合金高性能时，以控,制显微组织作为加入合金元素的替,代方法。,这种设计合金的思路叫,省合金化设计或最小,合金化法,。简单合金的主要用途是代替大量消,费的金属结构件材料。,Si-,Mn,合金钢就是目前重点开发的一,种普通的简单合金。可以通过各种热处,理获得不同的组织结构，如,F+P,、,F+B,、,B+M,、,B,、,M,等，,得到不同强度、塑,性配比的性能，以满足各种用途。,Si,和,Mn,作为主要合金元素，在地球上,储量相当大，并容易提取。是一个有前,途的环境材料系列。在汽车薄板和冲压,件上得到了广泛的应用,典,型,例,子,1.8.2,环境协调性合金设计,环境协调性合金的成分设计,尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素,和对生态环境,人体有较大毒害作用的元素。,对人体毒害作用比较大的元素有,Cr,、,As,、,Pb,、,Ni,、,Hg,等。含有这些元素的材料废弃后，会造成空气、土壤,的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。,因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的,影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子,金属,空气中,水中,土壤中,As,4700,1.4,0.043,Cd,580,2.9,7.0,Cr,6+,47000,4100,130,Co,24,2.0,0.065,Cu,0.24,0.020,0.0052,Fe,0.042,0.0036,Pb,160,0.79,0.025,Mn,120,Zn,0.033,0.0029,0.0070,Hg,120,4.7,0.15,Mo,3.3,0.29,0.70,Ni,470,0.057,0.014,表,某些金属元素对人体的毒害作用系数,性能环境负荷比,环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数,据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是,较大的。表面技术处理涉及到表面处理过程中的,能源消耗、资源消耗和废弃物排放,.,从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言，,按电子束表面处理电火花表面处理激光表面,处理加热处理气体表面渗碳处理火焰表面,处理离子化学热处理，从弱到强排列,.,金属材料,Fe,Al,Ti,Zn,Cr,Ni,Cu,Mn,环境负荷（,ELV,）,1.33,9.04,15.5,18.2,16.7,19.4,24.0,5.0,比强度,（,b,/,）,4.19,4.08,9.98,1.69,4.17,5.61,2.46,6.78,弹性比功,（,2,/E,）,6.68,1.25,0.25,0.39,0.47,2.91,0.18,1.29,（,b,/,）,/ELV,3.15,0.45,0.64,0.09,0.25,0.29,0.10,1.34,（,2,/E,）,/ELV,5.02,0.14,0.02,0.02,0.03,0.15,0.01,0.26,表,常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比,小 结,材料学核心是合金化基本原理,，,这是材料,强韧,化矛盾的主要因素,。,要真正理解“,合金元素的作用，主要在于对合,金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合,适的处理条件下才能得到体现。,”,掌握了合金元素作用及其在加工过程中的演,化规律，才能更好地理解各类钢设计与发展，才,能更好地开发新工艺、新材料。,合金化,设计,K,类型,及性质,K,形成,规律,对,相图,影响,对,C,线,的影响,组织,设计,Me,对过,程影响,Me,对工,艺性,作用,强韧化,矛盾,演化规律,钢,强化,基本机理,合金,韧化,基本途径,第,2,章 工程结构钢,工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢,种。在钢总产量中，工程结构钢占,90,左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。,低合金高强度钢是指在碳含量低于,0.25%,（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于,3%,），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。,按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等,高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔,客车及农业机械,镀锌,C,型钢用于上海大剧院屋架桁架,浦东国际机场侯机楼及道路护栏,现代化蔬菜棚,耐候,Z,型钢用于体育馆,2.1,工程结构钢的基本要求,工程结构件长期受静载；,互相无相对运动,受大气（海水）的侵蚀；,有些构件受疲劳冲击；,一般在,-50100,范围内使用；,如：桥梁、船舶等受到像风力或