材料科学与工程学导论 (4)

碳钢的分类1。按碳的质量百分数分：低碳钢（C：≤0.25％）中碳钢（C：0.25％≤C≤0.6％）高碳钢（C：＞0.6％）2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：普通碳素钢（S≤0.055％，P≤0.045％)优质碳素钢（S≤0.040％，P≤0.040％)高级优质碳素钢（S≤0.030％，P≤0.035％)3。按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低碳钢的牌号与用途普通碳素结构钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。数字表示最低屈服强度。Q195、Q215、Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。Q255、Q275可轧制成型钢、钢板等。用途优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。如20＃、45＃等。20＃表示含C：0.20%（万分之20）。用途主要用于制造各种机器零件碳钢的牌号与用途碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9）。用途主要用于制造各种刀具、量具、模具等铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用途主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。碳钢的常规热处理退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。正火完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火将钢件加热到AC3和Acm以上30－50度，保持适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。碳钢的常规热处理淬火将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。回火将钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。合金钢合金钢分类铁及铁基合金在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分数低于5％）、中合金钢（总质量分数5％－10％）、高合金钢（总质量分数高于10％）。按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。合金元素的作用铁及铁基合金1。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶强化。2。合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。不锈钢铁及铁基合金能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种。用途主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、原子能、海洋开发、国防和一些先端科学技术领域。铁及铁基合金合金元素的作用1。耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数应越低；2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基体的电极电位。在氧化性介质中极易钝化，形成致密的氧化膜，提高耐腐蚀性3。加入合金元素Ni。可获得单项的奥氏体组织，显著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性，通过热处理还可以改善钢的强度。铁及铁基合金合金元素的作用5。加入合金元素Ti、Nb等：能优先同C形成稳定的碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫Cr，提高钢的耐腐蚀性。6。加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。4。加入合金元素Mo、Cu等：提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力。铸铁铁及铁基合金碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。用途铸铁时工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工。交通等领域。例如，铸铁在农业机械中占40－60％，在汽车拖拉机中占50－70％，在机床制造中占60－90％。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。铁及铁基合金铁碳合金中碳的存在形式间隙固溶与铁化合态的渗碳体游离态的石墨亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨稳定态，可以从铸铁溶液中析出，也可以从奥氏体中析出铁及铁基合金铸铁的种类根据石墨化程度的不同，铸铁的类型和组织也不同。灰口铸铁白口铸铁麻口铸铁各种铸铁的力学性能见表3－4，P43铁及铁基合金铸铁性能特点石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。灰口铸铁的抗拉前强度和塑性较低，这是因为石墨对基体的严重割裂所造成的。石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞，它减小基体的抗拉强度，并引起应力集中。石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。铁及铁基合金石墨的存在对铸铁的特殊作用1。铸铁的切削加工性能优异；2。铸铁的铸造性能良好；3。铸铁具有耐磨性；4。铸铁具有良好的减振性；5。铸铁对缺口不敏感；对铸铁的作用。非铁及其合金铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合金铝及铝合金铝及铝合金的特点密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3，仅为铁的1/4。优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度。铝及铝合金纯铝名称纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，会使性能下降纯铝的强度很低，不能用作结构材料铝合金铝及铝合金合金元素的作用铝中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。提高强度的方法固溶强化时效强化弥散强化细晶强化铝及铝合金铝合金的种类变形铝合金铸造铝合金用途铝丝、铝箔、铝合金型材等复杂形状的铸件等铜及铜合金铜及铜合金的特点优良的物理、化学性能。导电、导热性能好、耐腐蚀等，是抗磁材料。加工性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐摩性高的弹性极限和疲劳强度。色泽美观。铜及铜合金纯铜纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制合金。工业纯铜分为4种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。纯铜的强度低，不宜用作结构材料铜及铜合金铜合金种类铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。铜合金的种类黄铜青铜白铜以Zn为主要合金元素。良好的加工性能，优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。以Ni为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。钛及钛合金钛及钛合金的特点密度低、比强度高。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。加工条件复杂，成本较高。钛及钛合金纯钛钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小。导热性差。纯钛塑性好，强度高，可以加工成细丝和薄片。钛在大气、海水及酸碱中的抗腐蚀性能好。纯钛的晶体结构882.5度以上：密排六方结构，称为α－Ti882.5度以下：体心立方结构，称为β－Ti钛及钛合金钛合金的种类α－钛合金钛中加铝、硼等α稳定元素获得α－Ti合金。这种合金的室温强度较低，但高温（500－600度）强度很高。抗氧化性、抗蠕变性以及焊接性能良好。钛中加入钼、铬、钒等元素后可获得β－Ti合金。这种合金的强度高，冲压性能好，并可通过淬火和时效获得强化。这种合金的塑性好，容易锻造、压延和冲压，并可通过固溶和时效进行强化。热处理后的强度可提高50％－100％。α＋β－钛合金β－钛合金镁及镁合金纯镁的特点密度低、比强度高。纯镁的密度只有1749kg/m3，仅为铁的1/4、铝的2/3。镁的电极电位较低，抗腐蚀性能差。镁属于密排六方结构，因此塑性变形能力差。镁及镁合金镁合金的特点低比重：工业用材料中最轻量材料（铝的2/3重）高比强度：优于钢和铝震动吸收性好：可将震动能吸收并转化成热放出易机械加工耐冲击性好电磁屏蔽性好可再生利用：有利于环境优化镁及镁合金镁合金的种类变形镁合金铸造镁合金用途镁合金各种型材复杂形状的铸件等