材料科学与工程学导论3

1、童梦无忧网 试管婴儿论坛 本文由步风涂鸦贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第二章 金属材料 金属材料分类 分类 按材料的作用分： 按材料的作用分： 金属结构材料 金属功能材料 结构与功能一体化材料 组元、结构、组织、 组元、结构、组织、相及相图 Component (组元 ：组成材料最基本的、独 组元)： 组元 组成材料最基本的、 立的物质。 立的物质。 组元可以是元素或化合物如Fe、C、O、SiO2 组元可以是元素或化合物如 、 、 、 等。 材料可以由单一组元组成，如纯铁，石英 材料可以由单一组元组成，如纯铁， SiO2等，也可以由

2、多种组元组成，如碳钢 等 也可以由多种组元组成，如碳钢(Fe、 、 C二种组元 。 二种组元)。 二种组元 结构 材料的结构 键合结构 晶体结构 组织结构 2.2.1材料的结构 材料的结构 材料的 材料的结构材料的结构 键合结构 离子建 陶瓷材料 高分子材料 化学键 化学键 共价键 金属键 结 合 能 金属材料 H 20 物理键 物理键 氢 键 分子键 1. 陶瓷材料属共价键化 物 2. 分子键 3. 键 结构 SiC陶瓷 陶瓷 共价键 氢键 材料的结构晶体结构 晶体结构 原子排列长程有序， 晶 体：原子排列长程有序，有周期 非晶体：原子排列短程有序，无周期 非晶体：原子排列短程有序， 准晶体

3、：原子排列长程有序， 准晶体：原子排列长程有序，无周期 2.2.1材料的结构 材料的结构 材料的 材料的结构材料的结构 组织结构 定义： 定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 相图特征 结构特征 组织特征 匀晶型组织 共晶型组织 包晶型组织 fcc结构 结构 bcc结构 结构 hcp结构 结构 单相组织 两相组织 多相组织 碳钢的分类 1。按碳的质量百分数分：低碳钢（C：0.25） 。按碳的质量百分数分：低碳钢（ ： ） 中碳钢（ ： 中碳钢（C：0.25 C 0.6） ） 高碳钢（ ： ：0.6） 高碳钢（C： ） 含碳量越高，硬度、强度越大， 含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低

4、 2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）： 。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）： 普通碳素钢（ ，P 普通碳素钢（S 0.055， 0.045) ， 优质碳素钢（ ，P 优质碳素钢（S 0.040， 0.040) ， 高级优质碳素钢（ ，P 高级优质碳素钢（S 0.030， 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 。按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、 碳素工具钢：主要用于刀具、模具、 碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等 碳钢的牌号与用 途 普通碳素结构钢： 普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255

5、、 Q275等。 、 、 、 、 等 数字表示最低屈服强度。 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。 、 塑性好， 、 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。 可轧制成型钢、 、 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。 优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。 表示含C： 如20、45等。 20表示含 ：0.20%（万分之 ）。 （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： 碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前

6、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 主要用于制造各种刀具、量具、 铸钢： 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、 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。 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， 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 缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡 状态

7、组织的热处理工艺。 状态组织的热处理工艺。 完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火 正火 将钢件加热到A 以上30 度 将钢件加热到 C3和Acm以上 50度，保持 适当时间后，在空气中冷却， 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。 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， 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。 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、 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， 形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小，马氏 体越

8、细。 体越细。 将钢件淬火后， 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A 以下的某一温度， 的性能，将其加热到 C1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。 温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火 铁及铁基合金 合金钢 合金钢分类 按所含合金元素的多少分：低合金钢（ 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 ）、中合金钢 10 数低于 ）、中合金钢（总质量分数 ）、高合金钢 总质量分数高于10）。 高合金钢（ ）、高合金钢（总质量分数高于 ）。 按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、 按主要合金元素种类

9、分：铬钢、铬镍钢、锰钢、 硅锰钢等。 硅锰钢等。 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。 在碳钢中加入一种或多种合金元素， 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。 钢称之为合金钢。 铁及铁基合金 合金元素的作用 1。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于 。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中， 铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。 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。 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， 素溶于铁

10、素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固 溶强化。 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 合金元素与碳的作用： 合金元素与碳的作用 元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中； 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， 一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化 物。 铁及铁基合金 不锈钢 能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀 性的钢种。 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

11、力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、 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。 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； 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 。加入主要的合金元素 。 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， 。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 。加入合金元素 。可获得单项的奥氏体组织，

12、提高耐腐蚀性并改善钢的塑性， 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。 钢的强度。 铁及铁基合金 合金元素的作用 4。加入合金元素Mo、Cu等：提高钢在非氧化性酸中的 。加入合金元素 、 等 耐腐蚀能力。 耐腐蚀能力。 5。加入合金元素Ti、Nb等：能优先同 形成稳定的碳化 。加入合金元素 、 等 能优先同C形成稳定的碳化 保留在基体中， 物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫 ，提高钢的耐腐 保留在基体中 避免晶界贫Cr， 蚀性。 蚀性。 6。加入合金元素Mn、N等：部分替代 以获得奥氏体 。加入合金元素 、 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

13、腐蚀性。 组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。 铁及铁基合金 铸铁 碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之 的铁碳合金称之 碳的质量分数大于 为铸铁，通常还含有较多的Si、 为铸铁，通常还含有较多的 、Mn、S、P 、 、 等元素。 等元素。 用途 铸铁时工程上最常用的金属材料， 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， 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 ， ，在汽车拖拉机中占 铸铁在农业机械中占 60，在汽车拖拉机中占 5070，在机床制造中占 90。铸铁的生产 ，在机床制造中占 。铸铁的生产

14、 ，在机床制造中占60 。 设备和工艺简单，价格便宜。 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 亚稳态， 亚稳态，在一定条件下分解 为铁和石墨 稳定态， 稳定态，可以从铸铁溶液中 析出， 析出，也可以从奥氏体中析出 化合态的渗碳体 游离态的石墨 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。 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 ， 见表 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。 石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。 灰口铸铁

15、的抗拉前强度和塑性较低， 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。 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， 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。 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。 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； 。铸铁的切削加工性能优异； 2。铸铁的铸造性能良好； 。铸铁的铸造性能良好； 3。铸铁具有耐磨性； 。铸铁具有耐磨性； 4。铸铁具有良好的减振性； 。铸铁具有良好的减振性； 5

16、。铸铁对缺口不敏感；对铸铁的作用。 。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， 密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3， 仅为铁的1/4。 仅为铁的 。 优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、 优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、 耐腐蚀等。 耐腐蚀等。 加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形， 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。 理后还具有很高的强度。 铝及铝合金 纯铝 名称 高纯铝 工业高纯铝 工

17、业纯铝 纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时， 纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，会使性能下降 Fe 等元素时 纯度 99.93%99.93%-99.99% 98.85%98.85%-99.9% 98.0%98.0%-99.0% 用途 科学研究、 科学研究、制作电 器 铝箔、 铝箔、铝合金原料 电线、电缆、 电线、电缆、配置 合金 纯铝的强度很低， 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， 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。 并保持良好的加工性能。 提 高 强 度 的 方 法 铝及铝合金 铝合金的种

18、类 用 途 变形铝合金 铸造铝合金 铝丝、铝箔、 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 优良的物理、化学性能。导电、导热性能好、 蚀等，是抗磁材料。 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。 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。 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。 高的弹性极限和疲劳强度。 色泽美观。 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 纯铜为紫色，又称紫铜。 电导体及配制合金。工业

19、纯铜分为4种 电导体及配制合金。工业纯铜分为 种： T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。 、 、 、 。编号越大，纯度越低。 纯铜的强度低， 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， 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。 并保持良好的加工性能。 铜 合 金 的 种 类 铜 铜 铜 惣Zn 合金 Sn 合金 铜 合金 Ni 钛及钛合金 钛及钛合金的特点 密度低、比强度高。 密度低、比强度高。 耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。 耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。 加工条件复杂，成本较高。 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 钛的密度低，熔点高，线膨胀系数小。 性差。纯钛塑性好，强度高， 性差。纯钛塑性好，强度高，可以加工成细 丝和薄片。钛在大气、 丝和薄片。钛在大气、海水及酸碱中的抗腐 蚀性能好。 蚀性能好。 纯钛的晶体结构 882.5度以上：密排六方结构，称为Ti 度以上：密排六方结构，称为 度以上 882.5度以下：体心立方结构，称为Ti 度以下：体心立方结构，称为 度以下 钛及钛合金 钛合金 钛 合 金 的 种 类 钛中加铝、硼等 稳定元素获得 稳定元素获得 合金 合金。 钛中加铝、硼等稳定元素获得 Ti合金。 这