钢铁教材金相.ppt
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1、 金属材料学金属材料学 学学 时:时:80学时学时 理论课:理论课:48学时学时 实验课:实验课:32学时学时一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 l二、二、金属材料的分类金属材料的分类 l三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况 l四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史 l五、五、金属材料的发展现状及趋势金属材料的发展现状及趋势 l六、关于本课程六、关于本课程绪绪 论论主要内容主要内容:一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料是衡量人类材料是衡量人类社会文明程度社会文明程度的标志之一。的标志之一。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。2
2、.2.目前,人类还处在金属器时期。目前,人类还处在金属器时期。l比高分子材料更高的强度、模量、耐热性;比高分子材料更高的强度、模量、耐热性;l比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性;导电性;石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属金属材料铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢工具钢工具钢特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属(铝铝,镁镁,钛钛)重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,镍镍)贵重金属贵重金属(金
3、金,银银,铜铜)稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴)放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍)三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况1.1.总产量:总产量:钢铁材料钢铁材料占世界金属总产量的占世界金属总产量的9595,用量最大,且价格低廉。用量最大,且价格低廉。l2.2.世界金属矿产储量:世界金属矿产储量:铁铁:5.1:5.1,非铁金属中,非铁金属中铝铝:8.8:8.8镁镁:2.1:2.1,钛,钛:0.6:0.6。3.3.非铁金属非铁金属冶炼较困难冶炼较困难,所需能源消耗大,生产成,所需能源消耗大,生产成本高,限制了生产总量的增长幅度。本高,限制了生产总量的增长幅度。l4.4.非铁金属
4、所创造的价值高,且有钢铁所不具备的非铁金属所创造的价值高,且有钢铁所不具备的特殊性能特殊性能,比强度高,耐低温、耐腐蚀等,产量仍,比强度高,耐低温、耐腐蚀等,产量仍在迅速增长。在迅速增长。z钢铁仍将是钢铁仍将是2121世纪中国结构材料的支柱世纪中国结构材料的支柱 生产能源消耗低生产能源消耗低可大批量生产可大批量生产丰富的矿产资源丰富的矿产资源低廉的生产成本和销售价格低廉的生产成本和销售价格优异的使用性能和良好的加工性能优异的使用性能和良好的加工性能 公元前公元前43004300年:自然的金、铜及锻打、热加工等工艺年:自然的金、铜及锻打、热加工等工艺公元前公元前28002800年:铁的熔炼年:铁
5、的熔炼四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史公元前公元前38003800年:人工冶炼的铜器;年:人工冶炼的铜器;公元前公元前30003000年:我国出现锡青铜年:我国出现锡青铜甘肃东乡马家甘肃东乡马家 窑文化的青铜刀(含窑文化的青铜刀(含6 61010SnSn)。)。公元前公元前20002000年:青铜器兴盛,编钟与武器(商、周、年:青铜器兴盛,编钟与武器(商、周、春秋战国)春秋战国)东汉时:反复锻打钢东汉时:反复锻打钢最原始形变热处理工艺。最原始形变热处理工艺。淬火技术淬火技术:“:“浴以五牲之溺,淬以五牲之脂浴以五牲之溺,淬以五牲之脂”现代的水淬、油淬。现代的水淬、油淬。我国冶铁技术
6、在我国冶铁技术在春秋末期春秋末期有很大的突破,发明了有很大的突破,发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。现代冶金技术现代冶金技术的发展自的发展自1919世纪中叶的转炉炼钢和世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。平炉炼钢开始。1919世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和2020世纪中叶的氧气顶吹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转炉炼钢及炉外精炼技术,使钢铁工业实现了现代化。代化。l2020世纪世纪4040年代,用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛,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
7、钛合金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的广泛应用得以实现。非铁金属冶金方面非铁金属冶金方面:1919世纪世纪8080年代发电机的发明,使电解法提纯铜的年代发电机的发明,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工业方法得以实现,开创了电冶金新领域;用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石,电解得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到廉价的铝,使铝成为仅次于铁的第二大金属;l同时,其他非铁金属也陆续实现工业化生产同时,其他非铁金属也陆续实现工业化生产。l2020世纪中叶,新金属材料研究发展迅猛。如非晶态世纪中叶,新金
8、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、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。金属纳米材料等。1919世纪末,出现了新型的合金钢如高速工具钢、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,并在高锰钢、镍钢和铬不锈钢,并在2020世纪发展为门世纪发展为门类众多的合金钢体系。类众多的合金钢体系。铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属铝合金、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。及合金等也先后形成工业规模生产。上图:吴王夫差矛和越王勾践剑上图:吴王夫差矛和越王勾践剑右上:青铜鼎右上:青铜鼎右下:商代青
9、铜纵目人面像右下:商代青铜纵目人面像 上图上图 沧州铁狮子沧州铁狮子 铸于铸于953953年,重年,重4040余吨。余吨。右图右图 当阳铁塔当阳铁塔 铸于铸于10611061年,八棱年,八棱1313层,层,塔体分段铸造塔体分段铸造 擂鼓礅二号墓编钟复制件擂鼓礅二号墓编钟复制件 19811981年年湖湖北北擂擂鼓鼓墩墩二二号号墓墓出出土土战战国国编编钟钟一一套套,音音律律准准确确,音音色色优优美美。其其件件数数和和规规模模仅仅次次于于曾曾侯侯乙乙编编钟钟,总总音音域域达达5 5个个8 8度度以以上上,可可自自己己转转调调,奏奏出出五五声声、六六声声、七七声声音音阶阶构构成成的的各各种种乐乐曲曲。
10、须须五五人人合合作演出,众声齐发,交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。作演出,众声齐发,交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。水陆两用汽车水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车轻型吊轨磁悬浮列车 MX-400MX-400空中汽车空中汽车 美国莫勒潜心研究美国莫勒潜心研究.被誉为被誉为“汽车演汽车演变的里程碑变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用用2 2年多来,它最高飞行时速超过了年多来,它最高飞行时速超过了600600多公里,比直升机快多公里,比直升机
11、快2 2倍,可载倍,可载4 4人,飞行最大高度人,飞行最大高度90009000米,航程米,航程15001500公里。公里。材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变 机身材料的变迁机身材料的变迁:钢钢-铝合金铝合金-钛材料钛材料-各种复合材料各种复合材料 世世 界界 贸贸 易易 大大 厦厦 基基 本本 上是用铝合金贴面的上是用铝合金贴面的.在在“9.11”事事 件件 中中,该该 双双 子子 大大 楼楼 遭遭 到到 袭袭 击击,毁毁 于于 一一 旦旦。但但 它它 作作 为为 一一 个个 大大 量量 使使 用用 铝铝 合合 金金 贴贴 面面 的的 的的 雄雄 伟伟
12、 建建 筑筑 将将 永远载入史册。永远载入史册。五、金属材料的发展现状及趋势五、金属材料的发展现状及趋势1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料高强度及超高强度金属材料高强度及超高强度金属材料超易切削钢和超高易切削钢超易切削钢和超高易切削钢高温合金与难熔合金高温合金与难熔合金 有序金属间化合物有序金属间化合物硬质合金与金属陶瓷硬质合金与金属陶瓷 金属基复合材料金属基复合材料共晶合金定向凝固材料共晶合金定向凝固材料l3 3材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。l2 2非晶(
13、亚稳态)材料日益受到重视非晶(亚稳态)材料日益受到重视 超细纳米颗粒金属材料超细纳米颗粒金属材料快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝金属非晶及微晶材料本课程的本课程的目的、目的、内容及内容及学习要求学习要求1.1.目的:目的:讲授金属结构材料的物理冶金问题,使学生掌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的影响的基本过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律;掌握分析、解决各种金属材料的化学成规律;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。分设计、生产、热处理
14、和使用中的问题。金属材料的合金化基础理论,在论述常用类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、铸铁及有色金属及锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。选择材料与使用材料的原则和方法。3.3.本课程的内容本课程的内容4.4.学习要求学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织
15、、性能影响的一般规律变、组织、性能影响的一般规律。掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件(或工具)的服能够根据工程构件、机器零件(或工具)的服役条件,役条件,合理选用材料,正确确定热处理技术合理选用材料,正确确定热处理技术条件条件。能对材料产品质量作初步分析,提出消除或预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。防热处理缺陷的措施。5.5.参考书目录参考书目录 戴起勋编著。戴起勋编著。金属材料学金属材料学,化学工业出版,化学工业出版社,
16、社,20052005。王笑天主编。金属材料学,机械工业出版社,王笑天主编。金属材料学,机械工业出版社,19871987。王晓敏主编。工程材料学,机械工业出版社,王晓敏主编。工程材料学,机械工业出版社,19991999。Chapter 1 Chapter 1 钢铁中的合金相钢铁中的合金相1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论1.2 1.2 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素1.3 1.3 合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号主主要要内内容容碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质 碳钢的分类碳钢的分类 碳钢的用途碳钢的用途铁基固溶体铁基固溶体 MeMe与钢中晶体缺陷的相互作用与钢中晶体缺陷的相互作用 钢铁中的碳
17、化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物Fe-FeFe-Fe3 3C C相图及相图及MeMe的影响的影响 重点及基本要求重点及基本要求:1.1.了解了解碳钢中的常存元素及其影响,重点掌碳钢中的常存元素及其影响,重点掌握握碳钢的分类碳钢的分类与应用与应用;n2.2.第二节是第二节是本章重点本章重点。要求。要求全面全面掌握掌握MeMe对钢对钢的组织及性能的影响规律。的组织及性能的影响规律。难点难点是是MeMe对钢中对钢中基本合金相结构的影响基本合金相结构的影响;n3.3.掌握掌握合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号.1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论一、碳钢中的常存杂质
18、一、碳钢中的常存杂质-MnMn和和SiSi(1 1)MnMn和和SiSi是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。而进入钢中的。(1)(1)MnMn 0.8%0.8%。主要固溶于铁中。产生固溶强主要固溶于铁中。产生固溶强化作用,化作用,钢的强度和硬度。钢的强度和硬度。(2)(2)适量的适量的MnMn和和S S可形成高熔点可形成高熔点(16001600)MnSMnS夹夹 杂物。杂物。MnSMnS在高温下具有一定的塑性,不会使在高温下具有一定的塑性,不会使钢发生热脆,在加工过程中钢发生热脆,在加工过程中MnSMnS呈条状沿轧向呈条状沿轧向分布。分布。(4)(
19、4)夹杂物夹杂物MnSMnS、SiOSiO2 2将将使钢的疲劳强度和塑性、使钢的疲劳强度和塑性、韧性韧性。当钢中含有大量硫化物夹杂时,轧成。当钢中含有大量硫化物夹杂时,轧成钢板后会造成分层。钢板后会造成分层。(3)3)SiSi 0.5%0.5%。碳钢中的碳钢中的SiSi一般均可溶入铁中。一般均可溶入铁中。产生固溶强化作用,产生固溶强化作用,钢的强度和硬度钢的强度和硬度;也可也可形成形成SiOSiO2 2夹杂物。夹杂物。(2)S(2)S和和FeFe能形成能形成FeSFeS,并易于与并易于与-Fe-Fe形成低熔形成低熔点点(989989)共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易
20、于沿晶界分布;若把含有硫化物共晶的钢加热于沿晶界分布;若把含有硫化物共晶的钢加热到高温,例如到高温,例如11001100以上时,共晶体就将熔化,以上时,共晶体就将熔化,因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂(热脆热脆)。(1)(1)S S是炼钢时不能除尽的有害杂质是炼钢时不能除尽的有害杂质,在固态铁在固态铁中的溶解度极小。中的溶解度极小。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-S-S和和P P(2 2)(3)(3)若钢液脱氧不良,含有较多的若钢液脱氧不良,含有较多的FeOFeO,还会还会形成熔点更低(形成熔点更低(940940)的()的(Fe+Fe+FeOFeO+FeS
21、FeS)三三相共晶体,危害更大。相共晶体,危害更大。(4)(4)铸钢件含铸钢件含S S量高时会引起铸件在铸造应力作量高时会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。用下发生热裂。(5)S(5)S容易导致焊缝热裂,同时在焊接过程中,容易导致焊缝热裂,同时在焊接过程中,生成生成SOSO2 2气体,以致焊缝中产生气孔和疏松。气体,以致焊缝中产生气孔和疏松。(6)6)P P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。也是在炼钢过程中不能除尽的元素。P P可可固溶于固溶于-Fe-Fe。但但钢的韧性,特别是低温钢的韧性,特别是低温韧性,称为韧性,称为冷脆冷脆。此外,此外,P-FeP-Fe合金的结晶范围合金的结晶范围很宽,因此
22、很宽,因此P P具有严重的偏析倾向。具有严重的偏析倾向。P P可以提高可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。钢在大气中的抗腐蚀性能。(7)S(7)S和和P P还可以改善钢的切削加工性能。还可以改善钢的切削加工性能。n应变时效应变时效含含过饱和过饱和N N的钢的钢经受冷变形后析经受冷变形后析出氮化物,使出氮化物,使低碳钢的强硬度低碳钢的强硬度,塑韧性,塑韧性的的现象。现象。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质N N、H H、O O(3 3)N N是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。含含过饱和过饱和N N的钢在室温长时间放置或稍微加热的钢在室温长时间放置或稍微加热时时
23、,N,N逐渐以氮化铁的形式从逐渐以氮化铁的形式从F F中弥散析出中弥散析出.使低使低碳钢的强度、硬度碳钢的强度、硬度,塑韧性,塑韧性(时效硬化时效硬化)(有害有害)。)。N N还会使低碳钢产生还会使低碳钢产生应变时效应变时效(不利不利);N N可以与可以与V V、TiTi、NbNb等形成稳定的氮化物,有细等形成稳定的氮化物,有细化晶粒和沉淀强化,化晶粒和沉淀强化,N N也可也可钢的耐热性能。钢的耐热性能。(有利有利)。N N是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指钢在加热到钢在加热到150150300300时产生的时产生的硬度硬度,塑韧,塑韧性性的现象,因为
24、钢在空气中加热到的现象,因为钢在空气中加热到150150300 300 时,由于氧化作用,钢的表面呈现蓝色。时,由于氧化作用,钢的表面呈现蓝色。(有害有害),但截断钢材时可加以利用。),但截断钢材时可加以利用。H H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。生氢脆。在钢中产生裂纹,在钢中产生裂纹,钢的塑韧性;容钢的塑韧性;容易在焊缝处产生裂纹。易在焊缝处产生裂纹。O O在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2 2MnOMnOSiOSiO2 2、MnOMnOSiOSiO2 2或复或复合氧化物合氧化物MgOMgOAlAl2 2O O3 3、MnOMnOAlAl2
25、 2O O3 3等等非金属夹杂物,非金属夹杂物,对钢的质量有重要影响对钢的质量有重要影响。H H是在冶炼过程中,由含水的炉料及潮湿的大是在冶炼过程中,由含水的炉料及潮湿的大气带入钢中的。气带入钢中的。二、碳钢的分类二、碳钢的分类1 1按钢中碳含量分为按钢中碳含量分为:低碳钢,低碳钢,W WC C0.25%;0.25%;中碳钢,中碳钢,0.25%0.25%W WC C0.6%;0.6%;高碳钢,高碳钢,W WC C0.6%0.6%。2 2按钢的质量(品质)分为按钢的质量(品质)分为:普通碳素钢:普通碳素钢:w wS S0.05%0.05%,w wP P0.045%0.045%。优质碳素钢:优质碳
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