金属材料学

金属材料学MetallicMaterials课程编号：030204学时：50学时主讲：材料与冶金学院材料系赵莉萍电话：[phone]Email:[e-mail]一、金属材料的历史地位二、金属材料的分类三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史五、金属材料发展的热点六、关于本课程绪论主要内容一、金属材料的历史地位1.材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步有着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。金属材料是现代文明的基础。石器时代→青铜器时代→铁器时代2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色金属有色金属金属材料铸铁钢工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银,铜)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)结构金属材料功能金属材料三、金属结构材料的应用情况1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。四、金属材料发展的历史1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜——甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含6％-10％Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起，铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著《天工开物》中有详细的阐述。我国冶炼铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。6.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。7.20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。五、金属材料的发展热点1．继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2．非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3．特殊条件下应用的金属材料低温、高压、高温、外场以及辐照条件下材料的结构、组织和性能的研究。4．材料的设计及选用科学化按照指定性能对材料进行结构、成分的科学设计。六、本课程的学习1.本课程的目的讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。2.本课程的性质是金属材料工程专业的一门专业主干课。它的主要内容是金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及部分功能材料等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。3.本课程的内容Ø金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用。Ø常用钢铁材料（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁）Ø主要功能材料（磁性合金、电性合金、形状记忆合金）研究内容：研究金属材料的成分、组织结构与性能之间关系的一门科学。‡主要内容：‡1.两大部分‡钢铁材料、功能材料‡2.三个方面‡钢的合金化基础理论‡常用钢铁材料‡功能金属材料教学安排-----学习方法‡总学时：50学时‡课堂讲授—40学时；实验—4学时；‡专题讨论—4学时；机动—2学时。‡教材：‡《金属材料学》吴承建冶金工业出版社‡参考书：‡《金属材料学》戴起勋化学工业出版社‡《金属材料学》王笑天机械工业出版社‡学术期刊—钢铁、金属材料学报、特殊钢、有色金属学报、功能材料等各类材料研究的学术期刊。4.学习要求‡掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。‡掌握常用钢、铸铁、典型功能材料等材料的牌号、成份、热处理特点、组织、力学性能和用途。‡能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，具有合理选用材料，正确确定热处理技术条件的知识。‡能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。第一篇钢铁材料‡重要的金属材料:‡碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。‡合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素。机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等）改善，但价格高。第1章钢的合金化原理1.2碳钢概论1.3钢的合金化原理主要内容z碳钢中的常存杂质z碳钢的分类z碳钢的用途zMe在钢中的存在形式zMe与铁和碳的相互作用zMe对Fe-Fe3C相图的影响zMe对钢的热处理的影响zMe对钢的性能的影响z微量Me在钢中的作用1.1钢的分类和编号第1章钢的合金化原理本章的重点及基本要求1.掌握钢的分类、牌号2.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用3.第二节是本章重点。要求全面掌握合金元素对钢的组织、相变及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的强化机制。难点是合金元素对钢中基本合金相结构的影响1.1钢的分类和编号一、钢的分类（一）按用途分类‡（1）结构钢：工程用钢或构件用钢—碳素结构钢（甲、乙、特类）及普通低合金钢；机器零件用钢—渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。‡（2）工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。‡（3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等。（二）按化学成分分类‡（1）碳素钢—低碳钢（≤0.25%）、中碳钢（0.25-0.6%)；高碳钢（＞0.6%)；‡（2）合金钢—低合金钢（≤5%）、中合金钢（5-10%）、高合金钢（＞10%）合金钢；‡（3）锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。（三）按显微组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类—亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。（2）按正火组织分类—珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织—铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。（四）按品质分类（按钢中的P、S等有害杂质的含量）（1）普通钢—P含量≤0.045%，S含量≤0.050%；（2）优质钢—P含量≤0.035%，S含量≤0.035%；（3）高级优质钢—P含量≤0.030%，S含量≤0.020%；二、钢的编号原则—国际化学元素符号和汉语拼音并用化学元素—如Si、Mn、Cr、W、Re等。产品名称、用途、冶浇和铸炼方法—拼音。（一）普通碳素结构钢（GB700-79）甲类钢—按性能要求供货，用甲YX或AYX表示，X为0、1、2……、7。数字越大含碳量越大，强度越高，塑、韧性降低。Y表示冶炼方法。如J、D。如为沸腾钢最后加“F”，半镇静钢加b，镇静钢不加，如A3F，AJ3。乙类钢—按成分要求供货，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。特类钢—按成分和性能要求供货，特YX或CYX表示。‡新国标（GB700-88）‡用碳素结构钢取代普通碳素结构钢‡Q195—成分同B1，性能同A1；‡Q215A—同A2，Q215B—同C2；‡Q235A—A3，Q235B—C3，Q235C—焊接；‡Q255A—A4，Q255B—C4；‡Q275不分等级—C5‡数字表示钢的屈服强度（Mpa）（二）优质碳素结构钢两位数字（含碳万分之几）+合金元素+专门用途标记。例如20g、50Mn等。（三）碳素工具钢碳（T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素（Mn）+A（表示高级优质），例如：T8A、T10MnA等。（四）合金结构钢数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。（五）合金工具钢含碳量+元素+数字，含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。（六）铬滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15(七)不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几，第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10（≤0.03%)，0Cr18(≤0.08%)等。总结‡C%—结构钢，万分之几；工具钢、不锈钢，千分之几；‡Me%—一般为百分之几；含Cr低的合金工具钢和轴承钢，用千分之几。Steelmakingflowlines1.2碳钢概论1.1碳钢概论SteelFinishingflowlines一、碳钢中的常存杂质-锰和硅（1）1.锰（Mn）和硅（Si）是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。Mn在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。Si在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）2．硫（S）和磷（P）的影响zS是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆(裂)。？zP也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。？S和P还可以改善钢的切削加工性能。一、碳钢中的常存杂质氮、氢、氧（3）3．氮（N）、氢（H）、氧（O）的影响N在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。N可与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。H在钢中和应力联合作用将引起金属材料产生氢脆。O在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3—夹杂物。二、碳钢的分类（1）400C1400C1200C1000C800C600C1600CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLγαδSteelCastIron1．按钢中碳含量的多少分类（1）复习铁碳合金按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77%共析钢：wc=0.77%过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%（2）按钢