1、材料科学与工程学导论 3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，也可以由多种
2、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：原子排列长程有序， 准晶体
3、：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 2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：
4、。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、 Q275 等。 、 、 、 、 等 数字表示最低
5、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，并在前冠以 T。 如 T9、T12 等。 T9 表示含
6、 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 状态组织的热处理工艺。 状态组织
7、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 体越细。 体越细。 将钢件淬火后
8、， 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分：铬钢、铬镍钢
9、、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， 素溶于铁素体会使钢的室温强度提高
10、，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 腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工
11、、 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， 提高耐腐蚀性并改善钢的塑性， 提高耐
12、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腐蚀性。 组织，
13、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 ，在机床制造中占
14、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。 灰口铸铁的抗拉前强度和塑性较低， 灰口铸铁的抗
15、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。铸铁对缺口不敏感；对铸铁的作用。 。铸铁对
16、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 工业纯铝纯铝中含有 Fe、Si、Zn 等元素时， 纯铝中
17、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
18、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
19、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
20、， 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。 这种合金的室温强度较低，但高温（ 这种合金的室温强度较低，但高温（500 600 度）强度很高。抗氧化性、抗蠕变性以及 度 强度很高。抗氧化性、 焊接性能良
21、好。 焊接性能良好。 钛中加入钼、 钛中加入钼、铬、钒等元素后可获得 Ti 钒等元素后可获得 合金。这种合金的强度高，冲压性能好， 合金。这种合金的强度高，冲压性能好，并 可通过淬火和时效获得强化。 可通过淬火和时效获得强化。 这种合金的塑性好，容易锻造、压延和冲压， 这种合金的塑性好，容易锻造、压延和冲压， 并可通过固溶和时效进行强化。 并可通过固溶和时效进行强化。热处理后的 强度可提高 50 100。 强度可提高 。钛合金 钛合金 镁及镁合金纯镁的特点密度低、比强度高。纯镁的密度只有 1749kg/m3， 密度低、比强度高。纯镁的密度只有 1749kg/m3， 仅为铁的 1/4、铝的 仅为铁的 、铝的 2/3。 。 镁的电极电位较低，抗腐蚀性能差。 镁的电极电位较低，抗腐蚀性能差。镁属于密排六方结构，因此塑性变形能力差。 镁属于密排六方结构，因此塑性变形能力差。镁及镁合金镁合金的特点低比重：工业用材料中最轻量材料（铝的 2/3 重 低比重：工业用材料中最轻量材料（铝的 2/3 重） 2/3 高比强度：优于钢和铝 高比强度： 震动吸收性好： 震动吸收性好：可将震动能吸收并转化成热放出 易机械加工 耐冲击性好 电磁屏蔽性好 可再生利用： 可再生利用：有利于环境优化镁及镁合金用镁 合 金 的 种 类途变形镁合金 铸造镁合金镁合金各种型材复杂形状的铸件等1
