钢铁材料学讲义 2013年最新东北大学金属材料学课件合集.ppt
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1、金属材料学,主讲人:刘春明 王建军,3-12 周 周一 3、4节 采矿馆 322 3-12 周 周二 3、4节 逸夫楼 312,参考教材,金属材料学 吴承建, 陈国良, 强文江 冶金工业出版社, 2000 钢铁材料学 章守华, 吴承建 冶金工业出版社, 1992 金属材料学 李云凯 北京理工大学出版社, 2006 金属材料学 戴起勋 化学工业出版社, 2005 金属材料学 龚惠芳, 鞠颂东 中国铁道出版社, 1996,绪 论,什么是材料科学?,航空、航天、动力、能源、信息技术,材料科学,材料的分类,按材料的性质分类:,按材料的功能分类:,金属材料,非金属材料,黑色金属材料 (钢铁材料),有色金
2、属材料,无机非金属材料 如:陶瓷,有机非金属材料 如:液晶,结构材料,功能材料,以强度等力学性能为主,以电、磁、热等特殊物理 化学性能为主,金属材料学,金属材料学 是材料科学的一部分,以研究金属材料的制备、加工、组成、结构、性能之间的关系为核心 当前,全世界每年金属材料的总产量约为8亿吨,其中黑色金属约占95%,有色金属仅占5%。从产量来看,黑色金属仍是金属材料的主体。,钢铁材料得到如此广泛应用的主要原因: 铁资源丰富: 主要元素在地壳中的储量为: Al 8.2%,Fe 5.1%,Mg 2.1%,Ti 0.6% 利用焦炭和氧可以简单地从铁矿石中还原出金属Fe。 400以下低温域 Fe2O3+C
3、O-Fe+CO2 600以上高温域 Fe2O3+CO-2FeO+CO2 FeO+CO-Fe+CO2 铁在加热或冷却过程中会发生各种相变,可以利用这些相变产生各种性能的钢铁材料。关于这一部分内容在钢的热处理课程中讲授。 向铁中加入不同的其它金属或非金属元素可以部分或完全改变铁的各种性能。,黑色金属材料(钢铁材料),有色金属材料,有色金属资源的进一步开发和利用,不仅是对钢铁材料的补充,而且可以发挥和开发钢铁材料不具备的各种特殊性能,以保证最大限度地满足现代科学技术和工业对各种材料性能所提出的要求。 如: 航空航天材料所不可或缺的轻金属材料; 喷气发动机、火箭等现代化技术所需要的超耐热合金; 化工、
4、石油等工业需要的高耐蚀合金; 电力电工电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料; 原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属材料; 能源和信息技术所需要的半导体、超导体、贮能材料。,航空航天材料所不可或缺的轻金属材料 (如:高强高韧铝合金、钛合金、镁合金),喷气发动机、火箭等现代化技术所需要的超耐热合金 (如:高铌钛铝合金),化工、石油等工业需要的高耐蚀合金 (如:Monel合金),电力电工电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料 (如:Cu及其合金),原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属材料 (如:T-222合金 Ta-10W-2.5Hf-0.01C T-111合金 Ta-10W-2.
5、5Hf ),能源和信息技术所需要的半导体、超导体、贮能材料,金属材料学的意义 对生产、使用和开发金属材料起着重要的指导作用。 金属材料学的进展 a. 最近几十年来,由于现代科学技术和工业生产的迅猛发展,对金属材料提出了种种更新更高的甚至非常苛刻的要求。 b. 科学技术和工业生产对金属材料所提出的性能要求与现有金属材料本身所能提供的性能之间的矛盾推动着金属材料研究工作的发展。 c. 为了改善金属材料的质量,提高其性能并开发新的材料,必须在有关理论和新工艺、新技术上取得新的突破和新的进展。 d. 金属材料的合金化理论、制备工艺与技术、相变理论、强度与断裂本质研究的进展以及现代实验研究手段和方法的应
6、用(如x射线分析,透射和扫描电镜,电子和中子衍射,电子探针,俄歇能谱微区分析,计算机模拟技术等)大大加深了研究者们对金属材料微观结构与性能关系的认识。 本课程的主讲内容 系统介绍各种金属材料的合金化、相变、组成、组织结构与性能之间的关系以及各种材料的用途。,Chap.1 钢铁材料学基础,通过向铁中加入合金元素,或者施加变形,或者进行热处理,或者变形和热处理有机结合,在某种意义上能够任意改变它的使用性能和工艺性能。 在使用性能方面,有高的强度和韧性配合,或者高的低温韧性,或者高温下有高的蠕变强度、硬度和抗氧化性,或者具有良好的耐蚀性,或具有良好的磁性等物理性能。 在工艺性能方面,有良好的热塑性、
7、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。,原因: 这主要是由于通过上述处理可以改变钢的组织结构。 (1) 合金元素的加入: 产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用,改变了铁各相的稳定性,并可能产生许多新相,从而改变了原有的组织或形成新的组织。合金元素与铁以及合金元素之间在原子结构、原子尺寸、晶体点阵之间的差异是产生这些变化的根源。 (2) 变形和热处理: 是在合金元素作用的基础上对上述变化的强化。,1. 纯铁 1.1 纯铁的分类 纯铁按其分类,一般可分为: 工业纯铁 Fe99.9% 高纯铁 99.9%Fe99.999% 超高纯铁 Fe99.999% 工业纯铁通常是采用普通冶金方法生产,而高
8、纯铁和超高纯铁则是采用化学、电化学、物理方法及其组合来制备。,化学方法:将含有铁离子的水溶液通过离子交换来提纯的一种方法。 优点:比较容易除去铁中的Ni,Co,Cr等金属元素 缺点:很难除去C,N,O等成分; 电化学方法:将含有铁离子的水溶液通过电解进行提纯的一种方法。 优点:比较容易除去与铁电极电位相差大的金属杂质元素 缺点:不容易除去与铁电极电位相似的Ni,Co,Mn等金 属杂质。 物理方法:将前两种方法生产的高纯铁原料在不同的气氛下熔化或加热来进一步提高纯度的方法。 例如:在H2气中或超高真空下进行区域熔炼;将固态铁 试样在高纯H2气流中长时间加热,以除去铁中的 C,N,O,S等杂质元素
9、。,1.2 纯铁的用途 超高纯铁:生产量极少,价格特别昂贵。主要用于基础研究的原材料。生产量以克、千克计算,价格高于黄金。 高纯铁:相对于超高纯铁而言,生产量大得多,价格也比较便宜,除作为基础研究和应用基础研究的原材料外,还实际应用于一些工业部门的重要元器件生产。生产量可达到吨级,价格在百千克百元左右。 纯铁:铁磁性物质,具有很高的磁化率K值,磁导率m和低矫顽力Hc值。 应用于电子和电力工业部门,按用途可分为四类:电工合金原料纯铁;电磁纯铁;电子管纯铁和特殊用途纯铁。用于制造电器,通讯器材,仪表的电磁元件,电子管零件等,也应用于一些尖端技术,如高能加速器的主磁铁。 纯铁的初始磁导率和矫顽力强烈
10、受纯度和组织的影响。提高纯度显著降低矫顽力,提高初始磁导率。所以对一些高性能的电磁元件,采用高纯铁进行制造。,1.3 纯铁中的相变,Fe-C Phase Diagram,FCC,BCC,d-Fe和a-Fe 晶体结构相同,均为BCC结构, 唯一的区别 就是a-Fe在770以下是铁磁性,而d-Fe为顺磁性。,在A3点和A4点,铁的晶体结构相互逆转: A3点 a-Fe(BCC)g-Fe(FCC) A4点 g-Fe(FCC)d-Fe(BCC) 这种奇特的现象意味着在这两个温度下BCC结构的Fe 和FCC结构的Fe的自由能相等。,在A3和A4点之间,吉布斯自由能变化值DG为负值,意味着该温度区间FCC结
11、构的g-Fe处于稳定状态。,Kaufman,Clougherty和Weiss (1962,THE LATTICE STABILITY OF METALS - III, IRON),a-Fe(BCC)g-Fe(FCC)转变时的自由能变化,因此,从本质上讲,a-Fe和d-Fe应该看成同一种相。,Note: 铁在加热过程中晶体结构相互逆转的这种现象不是一种正常现象。一般来说,如果一种元素具有两种以上的晶体结构,BCC结构在高温下应该处于稳定状态。因为BCC结构不是最密排结构,原子热振动的振幅在某一方向上比较大,振动熵就比较大。根据GU-TS+PV,-TS项在高温下就变得比较大,所以G值降低,即BCC
12、结构更稳定。 例如:Ti和Zr在低温下是密排六方结构,而高温下为BCC结构。 铁在低温下重新转变成BCC结构这一问题至今还没有给出定量解释,一般认为这种现象是由于低温下铁的铁磁性产生的磁比热和熵的变化所致。 压力对相变有明显的影响(A3点)。,Bundy在1965年通过实验研究了压力对A3点的影响,但关于压力对A4点的影响至今还没有进行过研究工作。,(1) 增加压力A3点降低,g -Fe变得稳定,这与热力学的Lechatelier原理是一致的,即增加压力对具有较小体积的相更有利。 (2) 当压力增加到一定程度时会出现密排六方结构(HCP)的e相。,Bundy的研究结果表明:,(Formatio
13、n of new materials and structures by high pressure treatment, FP Bundy,1965),如果改变维持化学平衡的 条件(浓度、压力和温度),平衡就会向着减弱这种改变的方向移动。 Le Chatelier原理适用于处于平衡状态的体系,也适用于相平衡体系。Le Chatelier原理只是说的是热力学的自发趋势,是一种可能性。,1848年,法国著名科学家 Le Chatelier 提出:,勒沙特列(Le Chatelier )原理,勒沙特列 (Le Chatelier H,1850-1936) 法国无机化学家 巴黎大学教授,A0点渗碳体
14、的磁性转变; A1点珠光体转变; A2点a-Fe的磁性转变; A3点ag转变; A4点gd转变 b-Fe:早期Fe的磁性被错误地当成一种相,后来发现磁性转变并不伴随着晶体结构的变化,也就是说,没有相的变化,所以将顺磁性的a-Fe称为b-Fe的称谓被订正,b-Fe的名称也随之消失。 a-Fe中的间隙尺寸: 四面体间隙 r0.29rFe 八面体间隙r0.15rFe g-Fe中的间隙尺寸: 四面体间隙 r0.22 rFe 八面体间隙r0.41rFe,1.4 铁的低温力学性能,超高纯铁在不同温度下(4.2K室温)的拉伸应力应变曲线,可以看到: 没有明显的屈服产生。虽然可以看到应力应变曲线上有突然的应力
15、降低,但这是由于孪晶变形引起的。孪晶变形也是一种塑性变形方式,但是超高纯铁在这样的低温下的塑性变形主要是滑移变形的结果,而且在没有进行室温预变形处理的条件下,在20K以下低温观察到滑移变形,这是首次。 超高纯铁在极低温度下也表现出良好的塑性,而工业纯铁或者一般的高纯铁在77K以下拉伸就完全脆性断裂。因此,从以上结果可以得出结论,工业纯铁或者一般的高纯铁在77K以下发生的沿晶脆性断裂是杂质影响的结果。 随着人们对晶界以及晶界对低温韧性的影响的认识,进一步的实验结果表明,低温韧性也对晶界的结构,即大角晶界、小角晶界、孪晶界以及特殊的对应晶界,非常敏感。大角晶界与拉伸应力垂直时,即使是超高纯铁也会在
16、77K下发生沿晶断裂。,2. 基本定义与概念,合金元素;特别添加到铁或碳钢中以获得所要求的组织结构、物理、化学和机械等性能的元素。 性能包括: 使用性能:强度、韧性、抗氧化性、耐蚀性等; 工艺性能:热塑性、冷变形性、淬透性、可焊性等。,常用的合金元素按其在周期表中的位置分为: 第二周期 B C N 第三周期 Al Si P S 第四周期 Ti V Cr Mn Co Ni Cu 第五周期 Zr Nb Mo 第六周期 La族稀土元素(La Ce) Ta W,杂质: 由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。 常见的杂质有: P S H O Mn Si Al 等 杂质含量一般限
17、制在一定范围: P0.0250.04% S0.0150.05% Mn0.5% Si0.4%。 同一元素在钢中可能是杂质,也可能是合金元素,取决与它们是否为特别加入。若属于前者则影响钢的质量,若属于后者则决定钢的组织和性能,合金钢: 在成分上特别添加了C以外的元素以保证一定的生产和加工工艺及所要求的组织与性能的铁基合金。 低合金钢:钢中合金元素总含量小于或等于5%的钢; 中合金钢:钢中合金元素总含量在510%范围内的钢; 高合金钢:钢中合金元素总含量超过10%的钢。 低、中、高合金钢的分类是相对的。,微合金化钢: 若干合金元素如V、Ti、Nb、Zr等的加入量在0.1%数量级,B的加入量在0.00
18、1%数量级时就会显著影响钢的组织性能,添加这一数量级此类元素的钢称为微合金化钢。,3 铁基固溶体,3.1 铁基二元相图的类型 合金元素通过对A3和A4点的影响,形成不同类型的铁基固溶体。 3.1.1 奥氏体形成元素(g-former) 在g-Fe中有较大溶解度并能稳定g-Fe的元素。 使A3点降低,A4点升高,即扩大g相区。 (a)开启g相区,与Fe形成无限固溶体,如Mn,Ni,Co (b)扩大g相区,与Fe形成有限固溶体,如C,N,Cu,(a)开启g相区,与Fe形成无限固溶体,如Mn,Ni,Co,(b)扩大g相区,与Fe形成有限固溶体,如C,N,Cu,3.1.2 铁素体形成元素(a-form
19、er) 在a-Fe中有较大溶解度并能稳定a-Fe的元素。使A3点升高,A4点降低,即缩小g相区。 (a) 封闭g相区:在一定浓度处汇合,g相区被a相区封闭,形成g圈 与a-Fe形成无限固溶体,如V,Cr 与a-Fe形成有限固溶体,如Ti,Mo,W,Al,Si,P,(i),(ii),(b) 缩小g相区,因为与Fe形成金属间化合物,破坏了g圈,如B,Zr,Nb,S,Ce等,3.2 置换式固溶体的形成规律 铁基置换式固溶体的形成遵循Hume-Rothery总结的 一般经验规律,分析合金元素在铁中的溶解度时,必须考虑铁具有两种同素异晶体,即BCC结构的a-Fe和FCC结构的g-Fe,决定组元在置换式固
20、溶体中的溶解条件是: 溶剂与溶质的点阵类型; 原子尺寸因素 组元的电子结构,即在周期表中的相对位置,Ni,Co,Mn形成以g-Fe为基的无限固溶体,Cr和V形成以a-Fe为基的无限固溶体。它们都满足形成无限固溶体的必要条件:晶体结构相同。 但是,不是具有相同晶体结构的元素之间都能形成无限固溶体,如a-Fe-Mo、a-Fe-W系均为BCC结构,g-Fe-Cu、g-Fe-Al系均为FCC结构,但它们都不能形成无限固溶体,因为其它两个条件不能满足。,形成无限固溶体时,Fe与合金元素的原子半径差应8%,而形成较宽溶解度的有限固溶体时应为15%,尺寸因素超过15%时只能形成很小溶解度的固溶体。,与铁在同
21、一周期并且排列在最接近V-VIII族的元素,在铁中有较大的溶解度。 rCr1.25,rFe1.24,rNi1.245,rCu=1.28 (3.125%),3.3 间隙固溶体的形成规律 间隙固溶体总是有限固溶体,其溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙原子的原子尺寸。间隙原子在铁中处于八面体间隙位置, 部分间隙总是没有被占据。,a-Fe和g-Fe中存在两种间隙,即四面体间隙(Tetrahedral Site)和八面体间隙(Octahedral Site),其间隙尺寸分别为: rFe1.24 a-Fe 八面体间隙 0.154 rFe 四面体间隙 0.291 rFe g-Fe 八面体间隙 0.41 r
22、Fe 四面体间隙 0.22 rFe,与Fe形成间隙固溶体的元素有B,C,N,O,H, 其原子半径r分别为: B 0.91 ,C 0.77 , N 0.71 ,O 0.63 , H 0.46 ,FCC: 间隙为正多面体,八面体 和四面体间隙相互独立,HCP: 间隙为正多面体,八面体 和四面体间隙相互独立,BCC: 间隙为非正多面体,四面体 包含与八面体间隙中,由于间隙原子的半径比间隙能容纳的最大球半径大,所以间隙原子溶入铁中后将产生晶格畸变。间隙原子的溶解度随其原子半径尺寸的减小而增加,即BCN,且它们在g-Fe中的溶解度大于在a-Fe中的溶解度。 溶质原子均是溶于八面体间隙。这是因为g-Fe中
23、八面体间隙的尺寸大于四面体间隙的尺寸,而在a-Fe中虽然四面体间隙的尺寸大于八面体间隙的尺寸,但是八面体间隙是非对称的,而四面体间隙是对称的。,(1) the band-like region,N-occupation of O-sites,H-escape from T-sites,(110)-oriented TiHx,(110)-oriented TiNy,(a) CaF2-type TiHx,No change in the sublattice,4 溶质原子与铁中晶体缺陷的相互作用,铁中的晶体缺陷有空位、位错、晶界等。这些晶体缺陷区有较高的能量。溶质原子溶于铁中,从系统的能量、原子尺
24、寸因素和电子因素考虑,它们将与这些晶体缺陷产生相互作用。 溶质-空位集团(solute-vacancy clusters):与空位结合形成 科垂尔气团(cottrel atomphere):与位错结合形成 晶界偏聚(grain boundary segregation):与晶界结合形成。 有时溶质原子在铁中含量虽极微,但因与晶体缺陷交互作用,使其在缺陷区富集到很高浓度,从而对铁的组织和性能产生巨大的影响,例如碳氮化物的析出、应变时效、晶界强化、晶界脆化、晶间腐蚀、晶界迁移等。,科垂尔气团形成和晶界偏聚的主要原因是溶质原子与铁基体原子的弹性相互作用。 把a-Fe点阵向各方向弹性地扩张10%,所需
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