金属材料你学(全套课件691P).ppt
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1、1,金 属 材 料 学,2,教 材 1. 金 属 材 料 学 吴承建、陈国良、强文江 编著 2.钢 铁 材 料 学 章守华、吴承建 主编 3.合金钢 章守华主编,3,考核 1.期末考试采用闭卷笔试。 2.成绩评定:期末考试占70, 平时成绩占30。 3.平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题等部分组成。,4,绪 论 一、本课程主要内容 1、钢铁材料 (1)合金化原理 合金元素在钢中与Fe,C的相互作用。 合金元素在相变中的作用。,5,(2)各类钢铁材料 2、有色金属材料 介绍铜合金、铝合金、镁合金、钛合金的特点及应用。,6,二、研究思路 使用条件性能要求组织结构化学成分 生产工艺 1、化学成分:
2、碳含量;合金元素种类及含量。 2、生产工艺: (1) 材料生产的全过程。,7,(2) 不同钢种生产过程中的特殊问题。 如工程结构钢的带状组织,轴承钢的夹杂物,高碳钢的碳化物不均匀性等。 (3) 不同钢种的热处理特点。 不同的合金元素,对淬火加热温度、冷却方式、回火温度、回火冷却方式等热处理工艺制度的不同影响。,8,关键:对具体问题进行具体分析 固溶强化: 1、回火马氏体:碳 室温使用;高温使用。 2、铁素体、奥氏体:合金元素 强化效率;价格;对其它性能的影响。,9,3、金属材料的性能 (1) 使用性能:金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。 力学性能 化学性能 物理性能,10,(2)工艺性能:金
3、属材料适应实际生产工艺要求的能力。 主要包括:铸造性;锻造性;深冲性;冷弯性;切削性;淬透性;焊接性等。,11,使用性能是保证能不能使用,而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。两者既有联系又有不同,有时是一致的,有时互相矛盾。,12,如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。 如含铜时效钢06MnNiCuNb,淬透性好,强度高,可焊性好。 b:690MPa,0.2:620MPa, :23%,:80%,-40ak:255j。,13,二.钢铁材料的分类 非合金钢 低合金钢 合 金 钢 高温合金 铸 钢 铸 铁,14,1、钢:以铁为主要元素,含碳量一般在2%以下,并含有其它元素的金属材料。 注:在
4、铬钢中含碳量可能大于2%,但2%通常是钢和铸铁的分界线。 2、高温合金:不以碳作为主要在强化元素,通常也不以铁作为基体。,15,3、铸铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金,其杂质含量比钢高。 4、合金元素:为了提高钢的某些性能,有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素。,16,5、杂质元素:由于冶炼工艺、原料等原因,不可避免地存在于钢中的元素,含量要求低于某一标准值。 (1)常存元素: Si,Mn,S,P,N,H,O (2)残余元素: Cr,Ni,Mo,W,Cu,V,Ti,17,6、非合金钢: 内涵比“碳素钢”广泛,不但包括“碳素钢”,还包括电工用纯铁(C0.02%称纯铁)、原料纯铁、及其他
5、专用的具有特殊性能的非合金钢。,18,7、低合金钢 Mn,Cr,Cu,Mo,Ni,Si,Ti,V,W等元素含量在非合金钢和合金钢含量之间。,19,20,我国低合金钢从50年代开始研制,生产。目前标准牌号约100个,以Mn为主,重点牌号为16Mn,有些加入微量元素Mo,V,Nb,Cu,N,Re等。如按照国际标准划类,16Mn等这类钢只能划为“非合金钢”,与我国历史、现状和发展前途不适应。,21,三、合金钢分类 1、按质量等级分类 (1)优质钢: 结构钢:S0.045%,P0.040%。 工具钢:S0.030%,P0.035%。 (2)高级优质钢:S0.020%,P0.030%。 注:非合金钢,低
6、合金钢中还含普通质量钢。,22,2、按金相组织分类 (1)按退火组织 亚共析钢,共析钢,过共析钢,莱氏体钢。 (2)按正火组织分类 珠光体钢,贝氏体钢,马氏体钢,奥氏体钢。,23,(3)按加热和冷却时有无相变及室温组织分类 铁素体钢:加热和冷却时始终为铁素体。 奥氏体钢:加热和冷却时始终为奥氏体。,24,半铁素体钢:加热和冷却时,只有部分发生/相变,其它部分始终保持铁素体。 半奥氏体钢:加热和冷却时,只有部分发生/相变,其它部分始终保持奥氏体。,25,3、按合金元素总量分类 低合金:总量10%,26,4、按用途分类 (1)结构钢 工程结构用合金钢 机械制造用合金钢 (2)工具钢 (3)不锈钢、
7、耐热钢,27,四、合金钢和低合金钢编号方法 编号方法: 碳含量合金元素种类和数量质量 碳含量:区分不同钢种的主要标志。,28,1、合金元素种类和数量: 种类:用化学符号表示 数量:1.5%,不表示 1.52.5%,用2表示 2.53.5%,用3表示 (以下类推) 2、质量:高级优质钢加A,其余不表示。,29,3、碳含量:不同钢种有不同表示方法 (区分不同钢种的主要标志) (1) 低合金钢和合金结构钢,如:40Cr,42CrMo,09CuPTi, 15MnVN,15MnVB。,含C量以0.01%为单位,用两位数字表示。,30,有时两个钢种,其中一个主要合金元素含量不同,但都小于1.5%,其余成分
8、相同,此时含量较高的在元素后面标“1”来加以区别。 如:12CrMoV,Cr:0.40.6% 12Cr1MoV,Cr:0.91.2%,31,(2) 轴承钢,前面标以G,表示滚动轴承钢。,如:GCr15,GCr15SiMn,GCr9。,含C量1%,故不表示。,含Cr量以0.1%为单位,其余合金元素方法不变。,32,(3) 不锈、耐蚀和耐热钢,含碳量以0.1%为单位。,如:1Cr13,2Cr13。,0:0.08%; 00:0.03%。,如:0Cr18Ni9,00Cr18Ni10。,含碳量很低时,用0,00表示。,33,(4) 工具钢 含碳量以0.1%为单位,用1位数字表示。当1%时不表示。 如:9
9、CrSi,CrWMn。 含Cr量低于1%的铬合金工具钢,Cr含量以0.1%为单位,并在前面加一个“0”字表示。 如:Cr06, Cr, Cr2。,34,高速钢含碳量小于1时,通常也不标注含碳量 。,如:W18Cr4V: 含碳量 0.7-0.8% W6Mo5Cr4V2: 含碳量 0.8-0.9%,合金元素相同,含碳量不同的要标注含碳量,如9W18Cr4V。,35,第一章 钢中的合金元素,36,11 铁基固溶体 铁基固溶体: 铁素体(F);奥氏体(A)。 一、合金元素对铁基固溶体的影响 1、奥氏体形成元素 使A3温度下降,A4温度上升,扩大相区。,37,(1) 开启相区: Mn,Co,Ni:与Fe
10、可以无限固溶。 Ni含量高时,可使稳定到室温。 (2) 扩大相区: C,N,Cu:与Fe有限固溶。,38,2、铁素体形成元素 使A3温度上升,A4温度下降,缩小相区。 (1) 封闭相区 V,Cr,Ti,W,Mo,Al,P A3和A4在一定浓度时汇合形成圈。,39,Cr,V:与Fe无限固溶; 其余元素为有限固溶。 (2) 缩小相区 B,Zr,Nb,S:出现了金属间化合物,破坏了圈。,40,3. 热力学讨论 用C,C分别表示在温度T时某元素在相和相的平衡浓度,在平衡状态下得:,41,H:热焓的变化 HHH H、 H:单位溶质元素溶于相、相的溶解热。 铁素体形成元素: H0,CC。 奥氏体形成元素:
11、 HH,H0,CC。,42,二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度 1、间隙固溶体: Fe中间隙尺寸大,故溶解度较大。 2、置换固溶体: 铁素体形成元素在Fe中溶解度小;在Fe中大。 奥氏体形成元素在Fe中溶解度小;在Fe中大。,43,影响置换固溶体溶解度的因素: (1) 尺寸因素: d:810%,无限溶解 (2) 晶体结构因素: (3) 化学亲和力因素: 负电性差x0.40.5,有利于形成固溶体。 (4) 电子轨道因素,44,说明: 1.Nb,Zr在Fe 和Fe中的溶解度都较小,并且后者比前者稍大。 Nb: 1.8% () 2.0% () Zr: 0.3% () 0.7% () 2.B原子半径为
12、0.97A ,在Fe 和Fe中的溶解度都非常小。 0.008% () 0.018% (),45,12 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 一、相互作用 合金元素和杂质元素在晶体缺陷处偏聚。 1、晶界内吸附(晶界偏聚):溶质原子在晶界、相界、亚晶界等处的浓度远远超过在基体中的平均浓度。,46,2. 柯垂耳气团 溶质原子在刃型位错处的吸附。 3. 铃木气团 溶质原子在层错处的吸附。,47,二、产生相互作用的原因 溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很大。因此,溶质原子在晶体缺陷处偏聚,可使点阵畸变松弛,从而降低系统的内能。,48,三、影响相互作用的因素,Cg:溶质原子在缺陷区的吸附浓度。 C0:溶质原子
13、在基体晶格内的浓度。 Q:畸变能之差。 单位溶质原子在晶格未畸变区和晶体缺陷处引起的畸变能之差。,49,1.畸变能差(Q) QCg/C0,偏聚严重。 Nb:原子半径和Fe相差大,在铁素体和奥氏体中均在晶界和位错处强烈富集。如在层错富集析出NbC沉淀相。 B:在550950时在奥氏体晶界产生强烈的内吸附。含0.0010.005%时可显著增加淬透性。,50,2. 温度(T) (1) 温度升高使偏聚浓度下降,B:1100加热时,内吸附基本消失,不增加淬透性。 P:400600回火,产生内吸附,空冷时出现脆性。重新加热到650,内吸附大大降低。,T Q/RTCg/C0(设Q不变) TEQCg/C0,5
14、1,(2) 低于临界温度时不发生显著内吸附 不同原子都有一个发生显著内吸附的临界温度: H:0以下; C,N:室温附近。 P:350; Nb,Mo:500。,52,3.原始浓度(C0) C0越低,产生显著晶界偏聚的时间也越长。 4. 多种溶质原子之间的相互作用 (1) 畸变能差大的元素优先发生偏聚。 (2) 影响晶界偏聚速度。 (3) 影响在晶界的溶解度。 (4) 发生共偏聚。,53,四、对合金组织和性能的影响 晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、相变时晶体缺陷处形核、高温回火脆性等都与此有关。,54,13 钢中碳化物形成规律,一、合金元素与钢中碳的相互作用 1. 非碳化物形成元素 在钢中不与碳结合
15、形成碳化物。 Co,Ni,Cu,Al,Si,P,S,N等 2. 碳化物形成元素 在钢中可以与碳结合形成碳化物。,55,3碳化物的稳定性 碳化物稳定性越高,其硬度、熔点也越高,晶体结构也越简单。 强碳化物形成元素:Ti,Zr,Nb,V。 中强碳化物形成元素:W,Mo,Cr。 弱碳化物形成元素:Mn。,56,二、碳化物的结构 间隙相 (1) 形成面心立方点阵的碳化物(Ti,Zr,Nb,V) MC型:TiC,ZrC,NbC,VC。 (2) 形成六方点阵的碳化物(W,Mo) MC型:简单六方点阵。WC,MoC。 M2C型:密排六方点阵。W2C,Mo2C。,57,2. 间隙化合物 rC/rM0.59,形
16、成复杂点阵的碳化物 (1) 复杂立方点阵:(Cr,Mn) M23C6型:Cr23C6,Mn23C6。 (2) 复杂六方点阵(Cr,Mn) M7C3型:Cr7C3,Mn7C3。 (3) 正交晶系点阵 M3C型:Mn3C,Fe3C。,58,3. 三元碳化物,(W、Mo)FeC,均为间隙化合物。,(1) 复杂立方点阵(M6C型碳化物),Fe3W3C,Fe4W2C,Fe3Mo3C,Fe4Mo2C,,(2) 复杂立方点阵(M23C6型碳化物) Fe21W2C6,Fe21Mo2C6。,59,三、碳化物的相互溶解 1. 完全互溶,只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶格类型的碳化物之间。,除了ZrC和VC之间
17、因原子尺寸相差大,不能完全互溶外,其余碳化物之间均可完全互溶。,(1) Ti,Zr,Nb,V形成的碳化物,60,(2) W和Mo形成的碳化物 相同结构的碳化物之间可完全互溶。 (3) Fe和Mn形成的碳化物 Fe3C和Mn3C之间可完全互溶。,61,2. 有限互溶 (1) Fe3C中: 可溶解一定量的Cr,Mo,W,V等,形成合金渗碳体。 超过溶解度后,将由合金渗碳体变为特殊碳化物。 (2) Cr的碳化物中: 可溶解一定量的Fe,Mn,Mo,W,V等。,62,(3) W和Mo的碳化物中: 可溶解较多的Cr。 (4) Ti,Zr,Nb,V形成的碳化物中: 可溶解较多的W和Mo,可溶解较少量的Cr
18、,Mn。,63,3. 相互溶解对稳定性的影响 (1)强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中,可提高其稳定性。 如42CrMo钢:生成的(Fe,Cr,Mo)3C,稳定性比Fe3C,淬火温度升高。 如奥氏体耐热钢4Cr14Ni14W2Mo:生成的(Cr,W,Mo,Fe,Ni)23C6稳定性比Cr23C6高,可以作为强化相。,64,(2) 较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物中,可降低其稳定性。 如15MnV钢,形成的(V,Mn)C稳定性比VC低,溶入奥氏体中的温度也随之降低,当Mn=1.47%时,由1100降至900。,65,四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向,66,五、钢中的碳化物 1.强碳化
19、物形成元素即使在钢中含量很低(0.1%)时,也要优先形成MC型碳化物。 2. 中强碳化物形成元素在钢中含量较高时,可形成特殊碳化物;含量较低时只能溶入Fe3C中,形成合金渗碳体。 3. 弱碳化物形成元素Mn在钢中只形成合金渗碳体。,67,14钢中的氮化物,一、钢中氮的来源 1. 冶炼时来自大气中的氮。 2. 作为合金元素加入钢中的氮。 3. 表面渗氮。,68,二、钢中氮化物的结构 1. 过渡族金属的氮化物 rC/rM0.59,均为间隙相。 (1) 面心立方点阵的氮化物 TiN,NbN,ZrN,VN,Mo2N,W2N,CrN,MnN,Fe4N,Mn2N。 (2) 密排六方点阵的氮化物 WN,Mo
20、N,Nb2N,Cr2N,Mn2N。,69,2、铝的氮化物 AlN:正常价非金属化合物,密排六方点阵。 三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物 如含Ti钢中,可形成Ti(C,N)。TiN为金黄色,Ti(C,N)的颜色随含碳量增加由桔红变为紫色。,70,四、氮化物的稳定性 1. 强氮化物形成元素:Ti,Zr,Nb,V 几乎不溶于奥氏体。 2. 中强氮化物形成元素:W,Mo 稳定性较高。 3. 弱氮化物形成元素:Cr,Mn,Fe 高温时溶于奥氏体,低温时析出 。 4. AlN:稳定性很高。,71,五、氮化物的作用 1. 细化晶粒 2. 提高表面耐磨性和疲劳强度 3. 提高表面耐蚀性,72,15 钢
21、中的硼化物 一、钢中硼的来源 1. 作为合金元素加入 微硼钢(0.0010.005%B):提高淬透性。 高硼钢(0.14.5%B):吸收中子,用于核反应堆。 2. 表面渗硼,73,二、钢中硼化物的结构 1. Fe2B (1)具有复杂结构。 (2) 硬度较高,HV12001700。 (3) 在高硼钢中存在,表面渗硼时也可获得。,74,2. FeB (1)具有复杂结构。 (2) 硬度高,HV18002000,脆性大。 (3) 表面渗硼时在渗层表面得到。,75,3. Fe23(C,B)6 (1) 碳硼化物,其结构和Cr23C6相同。 (2) 在微硼钢中出现,一般位于晶界,使钢脆性增大,形成硼脆。 (
22、3)可溶入其他元素,形成复杂硼化物。,76,16 钢中的金属间化合物,一、相 1. 相为正方晶系,a=bc。单位晶胞有30个原子。 2. 二元系中相的形成条件 (1) 原子尺寸相差不大,d12%。 (2) 平均族数在5.77.6范围内。,77,3、 第三种元素会影响相形成的浓度和温度范围 如FeCr相,在820以下稳定。 加入Ni把稳定温度提高到850。 加入Si把稳定温度提高到900950。 加入Mn,Mo把稳定温度提高到1000。,78,4、在高Cr,高Cr、Ni的不锈钢,耐热钢中出现相。因为相硬度很高,使钢的塑性、韧性显著下降,脆性增加 。当相沿晶界形成网状时,更为严重。,79,二、AB
23、2相(拉维斯相) 1. 合金钢中出现的AB2相主要是复杂六方点阵的MgZn2型。 如MoFe2,WFe2,NbFe2,TiFe2。 2. 多元合金钢中出现复合的AB2相,尺寸较小的Cr,Mn,Ni可置换Fe,尺寸较大的W,Mo,Nb处于A的位置。 3. 耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相。,80,三、AB3相(有序相) 1. 钢和合金中使用着相当数量的有序相 一部分有序相接近无序固溶体。 另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。 2. Ni3Al是耐热钢和耐热合金中重要的强化相,81,17 合金元素对铁碳相图的影响 一、合金元素对临界点的影响 1、对S,E点成分的影响 合金元素使S,E点向左移
24、动,使S,E点碳含量下降。 亚共析钢平衡组织中珠光体增多。,82,当合金元素含量高时,对钢的组织影响很大: 如:3Cr13: 0.3%C、13%Cr,组织为共析钢。 4Cr13: 0.4%C、13%Cr,组织为过共析钢。 如:W18Cr4V:0.7-0.8%C, 组织中有大量莱氏体存在。,83,2. 对A1,A3点的影响 奥氏体形成元素:使A1,A3点下降。 铁素体形成元素:使A1,A3点上升。,84,二、对奥氏体相区的影响 1、扩大或缩小奥氏体相区 2、奥氏体钢 镍、锰含量高的钢,可以使奥氏体稳定到室温,成为室温组织。 3、铁素体钢 铬含量高的钢,奥氏体相区完全消失,使铁素体成为高温组织。,
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