钢铁材料学讲义介绍ppt课件下载

这是一个关于钢铁材料学讲义介绍ppt课件，主要介绍什么是材料科学？材料的分类、金属材料学、黑色金属材料（钢铁材料）。金属材料学主讲人：刘春明 王建军参考教材金属材料学 吴承建, 陈国良, 强文江 冶金工业出版社, 2000 钢铁材料学 章守华, 吴承建 冶金工业出版社, 1992 金属材料学 李云凯 北京理工大学出版社, 2006 金属材料学 戴起勋 化学工业出版社, 2005 金属材料学 龚惠芳, 鞠颂东 中国铁道出版社, 1996 绪 论什么是材料科学？材料的分类按材料的性质分类：金属材料学金属材料学 是材料科学的一部分，以研究金属材料的制备、加工、组成、结构、性能之间的关系为核心 当前，全世界每年金属材料的总产量约为8亿吨，其中黑色金属约占95%，有色金属仅占5%。从产量来看，黑色金属仍是金属材料的主体。 黑色金属材料（钢铁材料）钢铁材料得到如此广泛应用的主要原因：铁资源丰富： 主要元素在地壳中的储量为: Al 8.2%，Fe 5.1%，Mg 2.1%，Ti 0.6% 利用焦炭和氧可以简单地从铁矿石中还原出金属Fe。 400℃以下低温域 Fe2O3+CO----Fe+CO2 600℃以上高温域 Fe2O3+CO----2FeO+CO2 FeO+CO-----Fe+CO2 铁在加热或冷却过程中会发生各种相变，可以利用这些相变产生各种性能的钢铁材料。关于这一部分内容在钢的热处理课程中讲授。向铁中加入不同的其它金属或非金属元素可以部分或完全改变铁的各种性能，欢迎点击下载钢铁材料学讲义介绍ppt课件哦。

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金属材料学主讲人：刘春明 王建军参考教材金属材料学 吴承建， 陈国良， 强文江 冶金工业出版社， 2000 钢铁材料学 章守华， 吴承建 冶金工业出版社， 1992 金属材料学 李云凯 北京理工大学出版社， 2006 金属材料学 戴起勋 化学工业出版社， 2005 金属材料学 龚惠芳， 鞠颂东 中国铁道出版社， 1996 绪 论什么是材料科学？材料的分类按材料的性质分类：金属材料学金属材料学 是材料科学的一部分，以研究金属材料的制备、加工、组成、结构、性能之间的关系为核心 当前，全世界每年金属材料的总产量约为8亿吨，其中黑色金属约占95%，有色金属仅占5%。从产量来看，黑色金属仍是金属材料的主体。 黑色金属材料（钢铁材料）钢铁材料得到如此广泛应用的主要原因：铁资源丰富： 主要元素在地壳中的储量为: Al 8.2%，Fe 5.1%，Mg 2.1%，Ti 0.6% 利用焦炭和氧可以简单地从铁矿石中还原出金属Fe。 400℃以下低温域 Fe2O3+CO----Fe+CO2 600℃以上高温域 Fe2O3+CO----2FeO+CO2 FeO+CO-----Fe+CO2 铁在加热或冷却过程中会发生各种相变，可以利用这些相变产生各种性能的钢铁材料。关于这一部分内容在钢的热处理课程中讲授。向铁中加入不同的其它金属或非金属元素可以部分或完全改变铁的各种性能。 有色金属材料 有色金属资源的进一步开发和利用，不仅是对钢铁材料的补充，而且可以发挥和开发钢铁材料不具备的各种特殊性能，以保证最大限度地满足现代科学技术和工业对各种材料性能所提出的要求。 如： 航空航天材料所不可或缺的轻金属材料； 喷气发动机、火箭等现代化技术所需要的超耐热合金； 化工、石油等工业需要的高耐蚀合金； 电力电工电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料； 原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属材料； 能源和信息技术所需要的半导体、超导体、贮能材料。 金属材料学的意义 对生产、使用和开发金属材料起着重要的指导作用。 金属材料学的进展 a. 最近几十年来，由于现代科学技术和工业生产的迅猛发展，对金属材料提出了种种更新更高的甚至非常苛刻的要求。 b. 科学技术和工业生产对金属材料所提出的性能要求与现有金属材料本身所能提供的性能之间的矛盾推动着金属材料研究工作的发展。 c. 为了改善金属材料的质量，提高其性能并开发新的材料，必须在有关理论和新工艺、新技术上取得新的突破和新的进展。 d. 金属材料的合金化理论、制备工艺与技术、相变理论、强度与断裂本质研究的进展以及现代实验研究手段和方法的应用（如x射线分析，透射和扫描电镜，电子和中子衍射，电子探针，俄歇能谱微区分析，计算机模拟技术等）大大加深了研究者们对金属材料微观结构与性能关系的认识。 本课程的主讲内容 系统介绍各种金属材料的合金化、相变、组成、组织结构与性能之间的关系以及各种材料的用途。 Chap.1 钢铁材料学基础通过向铁中加入合金元素，或者施加变形，或者进行热处理，或者变形和热处理有机结合，在某种意义上能够任意改变它的使用性能和工艺性能。在使用性能方面，有高的强度和韧性配合，或者高的低温韧性，或者高温下有高的蠕变强度、硬度和抗氧化性，或者具有良好的耐蚀性，或具有良好的磁性等物理性能。在工艺性能方面，有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。 原因： 这主要是由于通过上述处理可以改变钢的组织结构。 (1) 合金元素的加入：产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了铁各相的稳定性，并可能产生许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织。合金元素与铁以及合金元素之间在原子结构、原子尺寸、晶体点阵之间的差异是产生这些变化的根源。 (2) 变形和热处理：是在合金元素作用的基础上对上述变化的强化。 1. 纯铁 1.1 纯铁的分类 纯铁按其分类，一般可分为： 工业纯铁 Fe≤99.9% 高纯铁 99.9%＜Fe≤99.999% 超高纯铁 Fe＞99.999% 工业纯铁通常是采用普通冶金方法生产，而高纯铁和超高纯铁则是采用化学、电化学、物理方法及其组合来制备。 1.2 纯铁的用途 超高纯铁：生产量极少，价格特别昂贵。主要用于基础研究的原材料。生产量以克、千克计算，价格高于黄金。 高纯铁：相对于超高纯铁而言，生产量大得多，价格也比较便宜，除作为基础研究和应用基础研究的原材料外，还实际应用于一些工业部门的重要元器件生产。生产量可达到吨级，价格在百千克百元左右。 纯铁：铁磁性物质，具有很高的磁化率K值，磁导率m和低矫顽力Hc值。 应用于电子和电力工业部门，按用途可分为四类：电工合金原料纯铁；电磁纯铁；电子管纯铁和特殊用途纯铁。用于制造电器，通讯器材，仪表的电磁元件，电子管零件等，也应用于一些尖端技术，如高能加速器的主磁铁。 纯铁的初始磁导率和矫顽力强烈受纯度和组织的影响。提高纯度显著降低矫顽力，提高初始磁导率。所以对一些高性能的电磁元件，采用高纯铁进行制造。 1.3 纯铁中的相变 在A3和A4点之间，吉布斯自由能变化值DG为负值，意味着该温度区间FCC结构的g-Fe处于稳定状态。 Note： 铁在加热过程中晶体结构相互逆转的这种现象不是一种正常现象。一般来说，如果一种元素具有两种以上的晶体结构，BCC结构在高温下应该处于稳定状态。因为BCC结构不是最密排结构，原子热振动的振幅在某一方向上比较大，振动熵就比较大。根据G＝U-TS+PV，-TS项在高温下就变得比较大，所以G值降低，即BCC结构更稳定。 例如：Ti和Zr在低温下是密排六方结构，而高温下为BCC结构。 铁在低温下重新转变成BCC结构这一问题至今还没有给出定量解释，一般认为这种现象是由于低温下铁的铁磁性产生的磁比热和熵的变化所致。 压力对相变有明显的影响(A3点）。 Bundy在1965年通过实验研究了压力对A3点的影响，但关于压力对A4点的影响至今还没有进行过研究工作。 A0点――渗碳体的磁性转变； A1点――珠光体转变； A2点――a-Fe的磁性转变； A3点――a－g转变； A4点――g－d转变 b-Fe：早期Fe的磁性被错误地当成一种相，后来发现磁性转变并不伴随着晶体结构的变化，也就是说，没有相的变化，所以将顺磁性的a-Fe称为b-Fe的称谓被订正，b-Fe的名称也随之消失。 a-Fe中的间隙尺寸： 四面体间隙 r＝0.29rFe 八面体间隙r＝0.15rFe g-Fe中的间隙尺寸： 四面体间隙 r＝0.22 rFe 八面体间隙r＝0.41rFe 1.4 铁的低温力学性能 可以看到：没有明显的屈服产生。虽然可以看到应力应变曲线上有突然的应力降低，但这是由于孪晶变形引起的。孪晶变形也是一种塑性变形方式，但是超高纯铁在这样的低温下的塑性变形主要是滑移变形的结果，而且在没有进行室温预变形处理的条件下，在20K以下低温观察到滑移变形，这是首次。超高纯铁在极低温度下也表现出良好的塑性，而工业纯铁或者一般的高纯铁在77K以下拉伸就完全脆性断裂。因此，从以上结果可以得出结论，工业纯铁或者一般的高纯铁在77K以下发生的沿晶脆性断裂是杂质影响的结果。随着人们对晶界以及晶界对低温韧性的影响的认识，进一步的实验结果表明，低温韧性也对晶界的结构，即大角晶界、小角晶界、孪晶界以及特殊的对应晶界，非常敏感。大角晶界与拉伸应力垂直时，即使是超高纯铁也会在77K下发生沿晶断裂。 2. 基本定义与概念合金元素；特别添加到铁或碳钢中以获得所要求的组织结构、物理、化学和机械等性能的元素。 性能包括：使用性能：强度、韧性、抗氧化性、耐蚀性等；工艺性能：热塑性、冷变形性、淬透性、可焊性等。 Chap.2 工程结构用钢（工程构件用钢） 不锈钢含碳量的表示方法： ①当平均含碳量≥1.0%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)； ② 当1.0%>平均含碳量≥0.1%时，用一位数字表示，如2Cr13（平均含碳量为0.20%） ③ 当0.1%>含碳量上限> 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） ④ 当0.03%≥含碳量上限>0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%） ⑤ 当含碳量上限≤0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%） 注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18 当含碳量≤0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10 铸铁：含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。 优点：同钢相比，熔炼简便，成本低廉，具有优良的铸造性能，很高的减摩和耐磨性，良好的消振性和切削加工性，缺口敏感度低。 根据C在铸铁中存在的形态和石墨形状不同，可分为：白口铸铁：绝大部分以渗碳体形式存在，断口呈银白色，硬度高，脆；灰口铸铁：大部分或全部以片状石墨形态存在，断口呈灰黑色；蠕墨铸铁：大部分或全部以蠕虫状石墨形态存在；球墨铸铁：大部分或全部以球状石墨形态存在；可锻铸铁：大部分或全部以絮状石墨形态存在；合金铸铁：加入各种合金元素，具有特殊性能，用于耐磨、耐热和耐蚀等专门用途。 应用： 机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等。 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到，除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。 。 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 （以共晶铸铁为例） 铸铁的分类与牌号表示方法 7.2.1 灰口铸铁 石墨呈片状分布。其产量约占铸铁总产量的80%以上。 成分： WC=2.5%～4.0%，WSi=1.0%～3.0%， WMn=0.5%～1.3%，WS≤0.15%，WP≤0.3% 组织 由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。 常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。 性能 抗压不抗拉，sb↓ 、d(y)↓（力学性能差） 缺口敏感性低－大量石墨的割裂作用，表面粗糙对疲劳极限 的影响不明显 消震性好（是钢的十倍）－ G 组织松软，对振动的传递起削 弱作用 铸造性好 －接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小、 降低了内应力 切削加工性好－G 使切屑易断，还可润滑刀具 热处理 灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。 灰铸铁常用的热处理有： ① 消除内应力退火(又称人工时效)：500~550℃，防止机加工、使用时变形或开裂； ② 消除白口组织退火 ： 850~900℃， 表面、薄壁等白口处Fe3C →G，硬度↓，切削加工性↑； ③ 表面淬火 ：提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性 7.2.2 球墨铸铁石墨呈球形，由液态铁水经石墨化得到。成分： 3.8-4.0%C； 2.0-2.8%Si ；0.03-0.05% Re；Mn ，S 组织：基体（F、F+P、P、S回火、B下） + 球状G 球状石墨由液态铁水浇铸前经球化处理得到，球化剂为镁、稀土和稀土镁。为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。 常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。 性能石墨球对基体的割裂作用比片状小，应力集中小，充分发挥基体的强度。具有良好的抗拉强度、弯曲疲劳强度、塑性和韧性；优异的铸造性，可切削加工性及低的缺口敏感性；可热处理或合金化 → 提高性能；强、塑、韧、弯曲、疲劳明显优于灰铸铁，其综合机械性能接近于钢。强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2 /b)高，约为0.7~0.8，而钢一般只有0.3~0.5。 缺点：消振性能低 用途 受力复杂、负荷较大、要求耐磨的铸件（替代部分铸钢、锻钢件） P球墨铸铁：内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、轧辊等 F球墨铸铁：阀门、汽车后桥、犁铧、收割机导架等承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。 石墨为蠕虫状，介于片状和球状之间。是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。由液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到。成分：3.5～3.9%C；2.2～2.8%Si；少量Mn、P、S 等； 蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。 组织： 基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状G 性能蠕虫状石墨长宽比小，尖端圆纯对基体切割作用小；抗拉强度、塑性、疲劳强度优于灰铸铁；导热性、铸造性、可切削性大于球墨铸铁。其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。Gtp红软基地