金属材料学.ppt
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1、,金 属 材 料 学,授课时间:50 学时,主讲教师:金 永 中,课程特点:综合性、应用性、经验性。 课程要求:结合相图知识,掌握合金化基本理论,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。,课程特点和要求,课程要点及思路,材料学主线示意图,第二篇 有色金属材料,铝合金、镁合金和钛合金质轻又耐蚀,为航空结构件之优选材料。铜和铜合金有很好导电和导热性,为电气和仪表元器件之优选。,金属分为黑色金属和有色金属两大类,黑色金属包括铁、铬、锰;工业中主要是指钢铁材料。而黑色金属以外的所有金属则为有色金属(非铁金属材料
2、)。相对于黑色金属,有色金属有许多优良的特性,在工业领域尤其是高科技领域具有极为重要的地位。,例如:铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、比强度高等特点,广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域;银、铜、金(包括铝)等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性,是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料;镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料;还有专用于原子能工业的铀、镭、铍;用 于石油化工领域的钛、铜、镍等。,本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜及其合金和相关材料,了解这些材料的典型性能特点,合金化及热处理以及材料一般用途等。,第一节 铝合金中的合金元素 第二节 变形铝合金 第三节
3、 铸造铝合金,第八章 铝 合 金,1、产量占有色金属首位;成本低廉(地壳含量8.2%); 2、密度低( 2.632.85g/cm3 ),比强度高; 3、导电,导热性好(纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au 而位居第四位,约为纯铜导电率的60); 4、耐蚀性好(Al2O3膜的存在,只有在卤素离子及碱离子 的强烈作用下氧化膜才会遭到破坏); 5、优良的工艺性能(极好的铸造性能,良好的可塑性)。,第一节 铝合金中的合金元素,概述,工业纯铝,工业纯铝有银白色光泽,密度小(2.72g/cm3),熔点低(660),为非磁性材料。 固态铝具有面心立方晶体结构,无同素异构转变。因此铝具有良好的塑性和韧性,在02
4、53之间塑性韧性不降低。,物理性能,分 类,纯铝按其纯度分为高纯、工业高纯和工业纯,纯度依 次降低。,为改善铝的机械性能,研究发现向铝中加入适量的某些合金元素,并进行冷变形加工或热处理,可大大提高其机械性能,其强度甚至可以达到钢的强度指标。,铝的合金化和强化方式,铝合金的分类及强化,目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、Mn、Zn和Li等,它们可单独加入,也可配合加入。由此得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外,许多Al合金还常常要加入一些辅助的微量元素,如Ni、B、Zr、Cr、Ti、稀土等,进一步改善合金的综合性能。,无论加入哪种合金元素,各类Al合金的相图一般都具有如下
5、图的形式,相图靠Al端都具有共晶相图特点。,以相图上合金元素在Al中的最大饱和溶解度D为界线将各种Al合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。,变形铝合金: 是指成分小于D点的合金可以得到单相固溶体组织,塑性变形能力好,适合于冷热加工。 变形铝合金又可分为热处理强化和不可热处理强化铝合金两种:成分小于F点的合金其固溶体成分不随温度而变化,故不能用热处理强化; 反之则可以通过时效处理而沉淀强化。,铸造铝合金: 是指成分比D点高的合金属铸造铝合金。这类合金有良好的铸造性能,熔液流动性好,收缩性好,抗热裂性高,可直接浇铸在砂型或金属型内,制成各种形状复杂的甚至薄壁的零件或毛坯。,相图分析:,单纯靠固溶
6、作用对Al合金的强化作用是很有限的,另一种更为有效的强化方式是Al合金的固溶(淬火)处理+时效热处理。,2、时效(沉淀)强化:,1)定义: 当合金元素加入量超过其极限溶解度时,合金固溶处理时就有一部分第二相不能溶入固溶体,这部分第二相称作过剩相。,3、过剩相强化:,2)过剩相对合金性能的影响 : 过剩相一般为强硬脆的金属间化合物,当其数量一定且分布均匀,对铝合金有较好的强化作用,但会使合金塑性韧性下降;数量过多还会脆化合金,其强度也会下降。,3)变质处理 :以铝硅合金为例(如图所示),共晶组织中的硅晶体呈初针状或片状,此时共晶的强度和塑性很低,,若使共晶硅细化成颗粒,可以显著改善组织的塑性。通
7、常采用变质处理,加入钠盐变质剂,使共晶合金变成固溶体和细小的共晶组成的亚共晶组织,共晶中硅呈细粒状。,通过向合金中加入微量合金元素,或改变加工工艺及热处理工艺,使合金基体及沉淀相和过剩相细化,既提高合金的强度,还会改善合金的塑性和韧性。,4、细晶强化:,如:变形铝合金的形变再结晶退火,铸造铝合金通过改变铸造工艺(如变质处理)及加入微量元素(如0.10.3%Ti)的方法(分析铝钛相图)都可以达到细化组织的目的。,对合金进行冷塑性变形,利用金属的加工硬化提高合金强度。这是不能热处理强化铝合金的主要强化方法。,5、形变强化:,2)淬火及时效的作用: 铝合金重要的综合热处理方式,提高铝合金强度的重要手
8、段。,通常,变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高,其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度和塑性通常都有所提高。,固溶强化与第二相(或称过剩相,表示与固溶体平衡的其他相)强化之间的差异造成的。 (注:淬火加热时,第二相会出现溶解),4)淬火后性能出现差异的原因:,若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效果,则淬火后合金的强度;,若淬火前第二相的强化效果 淬火后固溶强化的效果,则淬火后合金的强度。,大多数铝合金,淬火后强度有所提高,但幅度不大;要想大大提高合金的强度,必须在淬火后进行时效处理。,5)淬火后进行时效处理的必要性:,在不改变材料形状的情况下获得较优异的综合性能。,6)
9、淬火及时效处理的优越性:,2)脱溶时的能量变化: 若脱溶过程能够进行,则必有G0(其中G表示 新相和母相的自由能差)。 GVGVSVGe,式中:V为新相体积;S为新、旧相的界面积;GV和Ge分别表示形成单位体积新相时自由能和应变能;表示新、旧相界单位面积的界面能。(液态形核只有前两项),脱溶过程(以及其他固态相变)中,相变的阻力除了界面能外,还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小,不但影响新相的形核方式,而且影响新相的形状。,表82 界面状态、界面能(或应变能)和新相形状的关系,注:1)共格界面不可能完全共格,只有在产生高的弹性应变的前提下,才形成共格界面。 2)非共格界面两侧原子无法一一匹配
10、,界面能大,晶格不发生弹性变形。,凡是有固溶度变化的相图,从单相区进行两相区时都会发生脱溶沉淀。,3、脱溶的一般序列:,G.P区的发现: 1938年,A.Guinier和G.D.Prestor用X射线结构分析方法各自独立发现,AlCu合金单晶体自然时效时在基体的100面上偏聚了一些铜原子,构成了富铜的碟状薄片(约含铜90),其厚度为0.30.6nm,直径为0.40.8nm。,1)G.P区:,为纪念这两位发现者,将这种两维原子偏聚区命名为G.P区。现在人们把其他合金中的偏聚区也成为G.P区。,G.P区的形状与尺寸 : 在电子显微镜下观察呈圆盘状,直径约为8nm,厚度约为0.30.6nm。,G.P
11、区形成的原因:G.P区的形核是均匀分布的,其形核率与晶体中非均匀分布的位错无关,而强烈依赖于淬火所保留下来的空位浓度(因为空位能帮助溶质原子迁移)。凡是能增加空位浓度的因素均能促进G.P区的形成。例如:固溶温度越高,冷却速度越快,则淬火后固溶体保留的空位就越多,有利于增加G.P区的数量并使其尺寸减小。,G.P区的晶体结构与界面:Wcu为0.90时,是溶质原子富集区,它在母相的100晶面上形成,点阵与基体相相同(fcc)并与相完全共格。,过渡相的形状与尺寸: Al-Cu合金中有和两种过渡相。呈圆片状或碟形,直径为30nm,厚度为2nm。而是光学显微镜下观察到的第一个脱溶产物,也呈圆片状或碟形,尺
12、寸为100nm数量级。,2)过渡相 :,过渡相的晶体结构与界面: 过渡相往往与基体共格或部分共格,且有一定的结晶学位向关系。由于过渡相与基体之间的结构存在差异,因而其形核功较大。为了降低应变能和界面能,过渡相往往会在位错,小角晶界、层错以及空位团等处不均匀形核。因此,其形核速率将受材料中位错密度的影响。此外,过渡相还可能在G.P区中形核。,相为正方点阵:ab0.404nm,c0.768nm,相基本是均匀形核,分布均匀且与基体完全共格,它与基体的位向关系为100/100基体。与G.P区相比,在相周围会产生更大的共格应变,故其强化效果也比G.P区大。,相为正方点阵:ab0.404nm,c0.58n
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