材料化学2

1•金属一般可以分为黑色金属和有色金属。•黑色金属是指铁、锰、铬三种金属其单质为银白色，而非黑色。之所以称它们黑色金属是由于它们和它们的合金表面常有灰黑色的氧化物。•有色金属是指黑色金属以外的金属其中除少数有颜色外（铜为紫红色、金为黄色），大多数为银白色，有色金属有60多种，又可分为九大类：重金属：铜、铅、锌等。轻金属：铝、镁等。轻稀有金属：锂、铍等。难熔稀有金属：钨、钛、钒等。稀散金属：镓、锗等。稀土金属：钪、钇及镧系元素等。放射性金属：镭、锕等。贵金属：金、银、铂等。碱金属：钾、钠等二铸造常用金属铝具有重要的性质一、铝和氧气的反应•2.1铝在加热时，铝在氧气里会猛烈燃烧，同时放出大量的热，并发出耀眼的白光，生成白色的氧化铝。223432ALOALO二.铝和氯气的反应三.铝和金属氧化物的反应四.铝的两性铝及铝的表面氧化膜与酸的反应2020/2/1413铝及铝合金性能•纯铝强度低、塑性好，可以进行各种压力加工，具有良好的加工性能和焊接性能。不宜直接用于作结构材料。•铝合金根据铝合金的成分、组织和工艺特点，可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。变形铝合金是将铝合金铸锭通过压力加工（轧制、挤压、模锻等）制成半成品或模锻件，所以要求有良好的塑性变形能力。铸造铝合金则是将熔融的合金直接浇铸成形状复杂的甚至是薄壁的成型件，所以要求合金具有良好的铸造流动性。2020/2/1414•铝合金的强化方式铝合金不仅可通过冷变形提高强度，而且可用热处理来大幅度地改善性能。固溶强化：加入铜、镁、锌、硅、锰等合金元素和铝都能形成有限固溶体，产生显著的固溶强化效果，使铝合金强度有较大提高。时效强化：铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低。细化组织强化：在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金力学性能的另一种手段。2020/2/1415常用形变铝合金2020/2/1416常用锻造铝合金2.2铁铁的重要化学性质2020/2/1424工业用钢•工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。•碳素钢（简称碳钢）是含碳量（0.0218%C%2.11%）的铁碳合金。优点：碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，可热处理强化，产量大、价格较低，应用广泛。不足：淬透性较低、回火抗力低，有回火脆性、强度不够高。回火抗力指随回火温度升高，材料的强度和硬度下降快慢的程度，也称回火稳定性或抗回火软化能力。通常以钢的回火温度-硬度曲线来表示，硬度下降慢则表示回火稳定性高或回火抗力大。回火稳定性也是与回火时组织变化相联系的，它与钢的热稳定性共同表征钢在高温下的组织稳定性程度，表征钢在高温下的变形抗力。合金钢是在碳钢的基础上，添加某些合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。特点：有较好的性能，价格昂贵。2020/2/1425•锰：具有固溶强化作用，可提高钢的强度和硬度；脱氧能力较好，能清除FeO,降低钢的脆性；与硫形成MnS，减轻硫的有害作用。•硅：脱氧作用很强，有效去除FeO，改善钢的品质，溶于铁素体中的硅可使钢强度提高；•硫（一般视其为有害物质）：以FeS的形式存在，使钢脆化（“热脆”）；•磷：溶于铁素体中，起强化作用；但是若形成Fe3P，容易产生“冷脆”现象；•氧：炼钢过程中形成氧化物，成为非金属夹杂物，使钢的性能变差；•氮：提高钢的硬度和强度的作用，但使塑性、脆性降低，产生“时效脆化”。•氢：易造成“氢脆”。钢中的杂质元素常存元素隐存元素（一般视为有害元素）2020/2/1426合金元素在钢中的作用•合金元素在钢中可以两种形式存在一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。•在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。•常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。此外，还有稀土元素，一般用符号Re表示。2020/2/1427合金元素对钢中基本相的影响•碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。•形成合金铁素体合金元素在溶入铁素体后，引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性却有下降趋势。2020/2/1428合金元素对钢中基本相的影响•合金渗碳体(Fe,Me)3C碳化物是钢中的重要组成相之一，其类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要影响。在元素周期表中，位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。弱碳化物形成元素：锰。其碳化物的熔点较低，硬度较低，稳定性较差。中强碳化物形成元素：铬、钼、钨等。既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物，熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比较高。强碳化物形成元素：铌、钒、钛等。在钢中优先形成特殊碳化物，稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。2020/2/1429合金元素对铁碳相图的影响•改变奥氏体区域扩大奥氏体区域的元素：镍(Ni)、锰(Mn)、碳(C)、氮(N)等；使A1、A3温度降低，共析(S)点、共晶(E)点向左下方移动。形成奥氏体钢（WNi9%，WMn13%），莱氏体钢（高速钢）钢的淬火温度降低。缩小奥氏体区域的元素：铬(Cr)、钼(Mo)、硅(Si)、钨(W)等使A1、A3温度降低，共析(S)点、共晶(E)点向左下方移动。形成铁素体钢钢的淬火温度升高。奥氏体区域的改变，可以改变钢的热处理温度、金相组织成分，从而改变钢材的性能2020/2/1430对奥氏体化的影响大多数合金元素（除镍、钴外）引入后，减缓了奥氏体成长速度，使得奥氏体化过程减慢。为了得到较均匀的、含有足够数量的合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，需更高的加热温度与较长的保温时间。细化晶粒除锰外，几乎所有的合金元素都能阻止奥氏体晶粒的长大，特别氏碳化物形成元素。形成的碳化物以弥散质点的形式分布在奥氏体晶界上，对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用，有利于在淬火后获得细马氏体。因此，与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，力学性能更高。合金元素对热处理和力学性能的影响2020/2/1431合金元素对热处理和力学性能的影响•对C曲线和淬透性的影响大多数合金元素（除钴外）均使C曲线右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。合金元素对C曲线形状也会有影响。合金元素对钢的淬透性的影响，由强到弱可排成下列次序：钼、锰、钨、铬、镍、硅、钒。采用多元少量的合金化元素，对提高钢的淬透性更有效。•对马氏体转变温度的影响除钴、铝外，多数合金元素使马氏体转变温度Ms和Mf点下降，使相同条件下转变的马氏体量减少。2020/2/1432合金元素对热处理和力学性能的影响•提高回火稳定性由于合金元素溶入马氏体，使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也较难聚集长大，从而提高了钢的回火稳定性。2020/2/1433合金元素对热处理和力学性能的影响1.合金元素对强度的影响（合金强化途径）(1)固溶强化：强度和硬度提高，塑性和韧性降低；强化量与溶质的浓度有关。(2)细晶强化：不仅可以提高强度，而且可以改善钢的韧性；强化量与晶粒的大小有关。碳化物形成元素（如V、Ti、Nb），形成的碳化物具有细化晶粒的作用。(3)弥散强化：高度弥散的第二相粒子阻碍位错运动。2.合金元素对塑性和韧性的影响一般而言，除了细晶强化能同时提高强度和塑性韧性，其他强化方式都会降低塑性和韧性，危害最大的是间隙固溶强化，弥散强化的脆化作用最小，因此是最广泛采用的强化方法之一。2020/2/1434铸铁•铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。•铸铁熔炼简便、成本低廉，虽然强度、塑性和韧性较低，但具有优良的铸造性能、很高的减摩和耐磨性、良好的消震性和切削加工性以及缺口敏感性低等一系列优点。•铸铁广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通、建筑和国防等工业部门。•铸铁中的碳除少量固溶于铁素体外，其余的既可以形成石墨，也可以形成渗碳体。根据碳在铸铁中的存在形式，其种类有：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。2020/2/1435铸铁的分类根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：•白口铸铁碳大部分或全部以渗碳体形式存在，因断裂时断口呈白亮颜色，故称白口铸铁。•灰口铸铁碳大部分或全部以游离的石墨形式存在，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。•麻口铸铁碳一部分以渗碳体形式存在，另一部分以游离态石墨形式存在，断口上呈黑白相间的麻点。2020/2/1436铸铁的分类依铸铁中的石墨形态，可分为：•灰铸铁，石墨呈片状；•球墨铸铁，石墨呈球状；可锻铸铁，石墨呈团絮状；•蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。2020/2/1437常用铸铁1）灰口铸铁灰口铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80%以上。•成分大致范围：C：2.5～4.0%；Si：1.0～3.0%；Mn：0.25～1.0%；S：0.02～0.20%；P：0.05～0.50%。•具有上述成分范围的液体铁水在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。其断口的外貌呈浅烟灰色，所以称为灰口铸铁。•普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织。2020/2/1438灰口铸铁灰口铸铁第一、二阶段石墨化过程均充分进行，其组织类型主要取决于第三阶段的石墨化程度。•铁素体灰口铸铁若第三阶段石墨化过程得到充分进行，最终得到的组织是铁素体基体上分布着片状石墨。•珠光体＋铁素体灰口铸铁若第三阶段即共析阶段的石墨化过程仅部分进行，获得的组织是珠光体＋铁素体基体上分布着片状石墨。•珠光体灰口铸铁若第三阶段石墨化过程完全被抑制，获得的组织是珠光体基体上分布片状石墨。2020/2/1439灰口铸铁的性能•机械性能低，其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢灰口铸铁中片状石墨（相当于微裂纹）的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性，导致抗拉强度很差，塑性和韧性几乎为零。但灰口铸铁抗压性能较好，常用于制造机床床身、底座等耐压零部件。•耐磨性与消震性好由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。•工艺性能好•由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。2020/2/1440球墨铸铁•球状石墨在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理，则可获得石墨呈球状分布的铸铁，称为球墨铸铁。•球墨铸铁大致化学成分：C：3.6～3.9%；Si：2.0～3.2%；Mn：0.3～0.8%；P：0.1%；S：0.07%；Mg：0.03～0.08%。•球墨铸铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体-珠光体、珠光体、贝氏体基等。•与灰口铸铁相比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有相当良好的塑性及韧性。珠光体+铁素体基球墨铸铁铁素体基球墨铸铁2020/2/1441其他铸铁•蠕墨铸铁钢的基体上分布着蠕虫状石墨的铸铁，是由液体铁水经变质处理和孕育处理随之冷却凝固后所获得的一种铸铁。强度和韧性高于灰口铸铁，但不如球墨铸铁。耐磨性较好。•可锻铸铁由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁。具有较高强度和一定塑性、韧性，但实际上并不能进行锻造。•合金铸铁向灰口铸铁和球墨铸铁铁液中加入一些合金元素，可获得具有某些特殊性能的合金铸铁。熔炼简便、成本低廉，具有良好的使用性能。2.3镁镁的重要化学性质2.8铜铜的重要化学性质一.铜和空气的反应2020/2/1451铜合金•黄铜铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜