第一章金属材料的基础知识.ppt

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1、第一章 金属材料的基础知识,第一章 金属材料的基础知识,1-1 概述 通常情况下，我们按材料所含化学物质的不同将材料分为四类：金属材料，非金属材料，高分子材料及由此三类材料相互组合而成的复合材料。 分子结构：属于原始基础结构，决定材料具有的潜在功能。 分子聚集态结构：决定材料具有的可表现的实际功能。 构筑成材料的外形结构：决定材料具有某种特定的有效功能。,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的重要里程碑。 石器时代、青铜器时代、铁器时代是以材料作标志。 没有半导体材料就没有计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊材料就没有航天技术；没有光导纤维就不会有现代通讯；没有合成材料，今天的生

2、活还会这么丰富多彩吗？,金属材料发展可简单分为四个阶段： （1）原始钢铁生产 铁的熔炼大约在公元前2800年。 （2）金属材料学的基础 19世纪，冶金学家和晶体学家奠定了金属材料学的基础，金属学、金相学、相变和合金钢等。 （3）微观组织理论大发展 19001940年期间。Tammann导出了合金相组成的一般规律发现了合金的本质。Bragg利用X射线证实了Fe、Fe是体心立方 Fe 是面心立方。,许多学者提出晶体中存在的各种缺陷、空位。 （4）微观理论的深入研究 1940年到现在许多研究者进行了原子扩散的研究，利用电子显微镜观察到了位错的滑移、不完全位错、层错、亚结构等，许多金属学理论方面问题得

3、到更深入研究。,金属材料的定义：具有导热导电和可塑性及金属光泽的元素叫金属元素。 只有一种金属元素的物质叫纯金属 由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）熔合在一起形成的具有金属特性的物质叫合金。,金属材料就是指金属及合金。 当各个金属原子相互在一起形成固体时，各金属原子与其价电子脱离变成正离子，按照一定的几何形式排列，并在其占据的位置上作高频率的振动,价电子呈自由电子的形式在各离子间作高速穿梭运动，它们为整个金属公有，形成“电子气”，金属固体就是依靠这些公有化了的自由电子与各正离子之间的引力结合而成。这种方式叫“金属键”。,由于电子气的存在，只要在金属物体的两端造成不大的电位差，其自

4、由电子便会向正极流动形成电流，这便是金属具有良好导电性的原因。 温度升高，金属中离子的振动的振幅增大，阻碍自由电子的流动，因此、金属均具有正的电阻温度系数，温度升高电阻上升。 金属的导热现象不仅通过其离子振动还可以通过其中的自由电子的运动来实现。所以金属有好的导热性。但由于导热性并不象导电性那样由自由电子来完成，金属和非金属之间导热性的差别不象导电性那样明显。,金属晶体的塑性变形，是在外力作用下，晶体中的一部分与另一部分发生相对位移的结果，由于金属键的特点，使得金属离子在位移后其周围环境不发生变化，即正离子与自由电子间仍然保持原来的相对关系。所以金属能发生较大的塑性变形而不致破裂。 金属的自由

5、电子能吸收可见光，故有金属光泽。 非金属固体原子之间的结合方式，主要有离子键和 共价键 。,1-2 金属材料的分类 金属材料按性质特点分为黑色金属材料和有色金属材料。 1-2-1黑色金属材料 黑色金属材料指铁、铬、锰及其合金。其中以铁为基的合金（钢和铸铁）应用最广。,生铁的冶炼及分类。,高炉炼铁的化学变化很复杂，大致过程如下： 将矿石、焦炭、助熔剂等按一定比例组成的炉料，由高炉顶部加入，向下沉降。从炉下风嘴处吹入预热至80010000C的热空气。焦炭在炉下部燃烧生成CO2、它与红热的焦炭接触转变成CO。,C + O2 = CO2 C + CO2 = CO 焦炭燃烧，产生高温和CO，向上扩散时把

6、热量传给从上而下的炉料，使之预热。铁矿石在下降过程中遇到CO被还原： 3Fe2O3 +CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2,另外，CO分解产生的碳为细微粉末，少量的碳在高温下溶解（渗透）到还原的海棉状的铁里，生成碳化铁(即渗碳体)。 2 CO = C + CO2 3Fe + C = Fe3C,高炉中的焦碳有三方面的作用，作为还原剂、载热体和使熔融铁增碳的媒介。 由于碳的溶解，使铁的熔点从15350C降低到110013000C。熔化的铁液从出铁口定时排出。获得的生铁除含少部分碳外，还有少量的锰、硅、磷、硫等元素

7、。 熔融状态的铁液中的碳以Fe3C形式存在，若铁液慢慢冷却Fe3C则分解为铁和石墨，此时的铁断口呈灰色，灰口铁。 熔融状态的铁液快速冷却Fe3C来不及分解而保留下来，此时的铁断口呈白色，白口铁。,主要原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气 1、把铁矿石、焦炭、石灰石按一定比例分配成炉料，从炉顶进料口分批加入炉内，同时把预热过的空气从炉腹底部的进风口鼓入炉内。 2、因为热的气体由下上升，炉料由上下落，它们在炉内能够充分接触，使反应得以顺利进行，同时又能使炉料逐步预热，使热能得以充分利用。在进风口附近，焦炭遇热空气燃烧生成二氧化碳，并放出大量的热。 3、二氧化碳气体上升，跟炽热的焦炭反应，生成一氧化碳。

8、,4、一氧化碳气体上升，跟从炉顶不断装入并逐步下降的铁矿石接触。在炉身中部，绝大部分铁的氧化物被一氧化碳还原成铁。 5、在冶炼过程中，混在铁矿石里的锰、硅、硫、磷等元素也会被碳或一氧化碳从它们的化合物中还原出来。少量的碳、锰、硅、硫、磷等在高温下熔合在铁里，成为生铁。生铁的熔点（1100-1200摄氏度）比纯铁的熔点（1535摄氏度）低得多。 6、铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难熔化的脉石，如果不把它们除去，就会影响生铁的冶炼。加入的石灰石是作为溶剂，用来除去脉石的。因为石灰石在高温下分解出的氧化钙，能跟脉石里的二氧化硅起反应而生成熔点较低的硅酸钙，从矿石里分离出来。,按用途生铁一般可分为炼

9、钢生铁（白口铁）、铸造生铁（翻沙铁、灰口铁）和铁合金。 炼钢生铁和铸造生铁都属于铸铁。 铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。根据碳在铸铁中存在的形式不同，铸铁分为三种。 白口铸铁： 熔融状态的铁液，若快速冷却Fe3C来不及分解而保留下来，铁的断口呈白色。白口铁硬而脆、不宜加工一般用来炼钢。故又称炼钢生铁。Fe-Fe3C状态图中的亚共晶、共晶、过共晶合金即为此类铸铁。,灰口铸铁：熔融状态的铁液慢慢冷却Fe3C分解为铁和石墨，铁的断口呈灰色。灰口铁柔软有韧性，可切削加工或浇铸零件，若加入0.05%的镁在铁液中，生铁中的碳变成球状，球墨铸铁，它使灰口铁的强度提高一倍，塑性提高二十倍 麻口铸铁：碳一

10、部分以石墨存在（灰口铸铁）另一部分以Fe3C存在（白口铸铁），断口上呈黑白相间的麻点。 铁合金是在炼钢时按需要加入其他成分炼成含有多种合金元素的特种生铁。,钢的冶炼及分类 C0.02%纯铁、C2.11%生铁、含碳量在两者之间则为钢。 把生铁制成钢就是将其中的含碳量降低、同时除去其中其他的有害杂质。,目前炼钢主要采用的是氧气顶吹法： 用一水冷喷嘴由顶部垂直向铁液中吹纯氧。氧气顶吹转炉炼钢，按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。,用纯氧代

11、替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。,氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。 从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，

12、含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。,氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。 但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。 2C + O2 =2CO 2Mn +O2 =2MnO Si + O2 = SiO2 S + O2 = SO2 4P + 5O2 =2P2O5,炼钢炉中加入石灰是为了除去对钢的性质很有害的S、P等杂质。 P2O5 +3CaO =Ca3(PO4)2 SiO2 + CaO = Ca SiO3 SO2 + CaO +O2 =Ca SO4 MnO + SiO2

13、 =Mn SiO3 氧化后生成的CO气体很容易除去，其他氧化物在熔剂的作用下变成熔渣除去。所有的氧化反应都是强放热反应，能保持高温而无须另外加热。,在碳等元素氧化到规定范围后，钢液中大量的氧在冷凝过程中将以FeO和Fe3O4等形态析出，使钢的塑性差，轧制时易产生裂纹； 因此，炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂（锰铁、硅铁和铝）除氧。 Si + FeO = SiO2 +Fe Mn + FeO = MnO + Fe 2Al +3 FeO = Al2O3 +3 Fe 达到要求后，把钢液铸成钢锭，轧成钢材。,钢的分类： 中国国家标准GB/T13304-1991钢分类对钢的分类规定， 标准第一部分规定了按照化

14、学成分对钢进行分类的基本原则，分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类，并规定了这三大类钢中合金元素质量分数的基本界限值。 标准第二部分规定了非合金钢、低合金钢和合金钢按主要质量等级、主要性能及使用特性分类的基本原则和要求。 根据分类目的不同，可以按照不同方法对钢进行分类。常用的方法有几种：,1.按质量分类： 普通钢 S0.050%，P0.055%； 优质钢 优质结构钢 S0.040%，P0.040% 优质工具钢 S0.030%，P0.035% 高级优质钢 S0.020%，P0.030% 2.按化学成分分类： 碳素钢： 钢中不含有特意加入的金属元素，除铁碳外，有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素。 合金

15、钢： 在碳素钢的基础上，为改善钢的性能冶炼时特意加入一种或多种合金元素炼成的钢。,3.按冶炼方法分类： 按炉别分： 转炉钢 转炉为梨形容器，因装料和出钢时需倾转炉体而得名。 电炉钢 电炉钢 主要是各种炼各种优质合金钢，它利用电极与炉料之间的电弧产生的热量完成熔炼的过程。 4. 按脱氧程度和浇注制度分： 沸腾钢 脱氧不完全的钢，因为这种钢液在钢锭模中冷凝时残存的氧与碳发生反应。 FeO + C Fe +CO CO气体使钢沸腾。 镇静钢 脱氧完全，基本上没有上述反应，钢液平静。 半镇静钢,5.按赋予其形状的方法分： 铸造钢 锻压钢 扎压钢 冷拔钢 6.按金相组织分类： 退火状态的：退火，将钢加热到

16、超过相变温度AC3(8000C)以上30500C，保温一段时间后以十分缓慢速度进行冷却，通过退火可以消除应力，减低硬度、晶粒细化并为淬火准备组织条件。 正火状态的：正火，将零件加热到AC3或ACcm以上30800C，适当保温后，由炉中取出在空气中冷却，得到珠光体组织的一种方法。也有减低硬度、晶粒细化的作用 无相变或部分发生相变的,7.按用途分类：建筑及工程用钢 结构钢 工具钢 特殊性能钢 专用用钢 1-2-2有色金属材料的定义和分类： 有色金属材料通常指除铁、铬、锰以外的金属及其合金。这类材料大多具有不同的色泽，故称为有色金属材料。 按合金成分分类：铜及其合金 铝及其合金 镁及其合金 其他有色

17、金属（Pb、Sn、Zn等）及其合金 按用途分类： 铸造合金（液态形成用合金） 变形合金（压力加工用合金） 轴承合金（滑动轴承用合金） 焊接合金（各种钎焊用合金）,金属材料的选择： （1）使用性能的选择 使用性能包含材料的力学性能、物理性能和化学性能。 使用性能是材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必须具备的性能。 对于结构性器件，使用性能中最主要的是材料的力学性能。 对于功能性器件，在满足力学性能的前提下，重点考虑的是外场作用下特定性能响应外场变化的敏感性及性能的环境稳定性。 工程上经常对金属材料采用热处理和冷变形强化工艺，提高力学性能。,3、锻造工艺 锻造是一种非常传统的制造工艺，但是它不

18、能在高强度和轻量化之间取得很好的平衡。在本田的Type R和其他高性能汽车上，经常采用锻造工艺来制造活塞、曲轴和连杆。 由于锻造需要用手工完成，因此需要花费巨大的人工成本。锻造高温的金属能让更多的矿物质渗透到金属粒子当中去，因而改善了零件的强度和耐热性，最终有利于发动机的转速提高和动力输出。同时，锻造还能改善一些部件的摩擦系数，例如采用锻造工艺制造的活塞就能更好的减小表面的摩擦系数。,高强度灰铸铁汽车发动机缸体铸件的研制与应用 采用低合金化、含锑多元复合孕育剂、扫描电镜、200 h台架试验、以及1000 h耐久试验等方法对新型薄壁柴油机缸体铸件进行了研制与应用试验.试验结果表明:碳当量控制在3

19、.94.1(与菲亚特汽车缸体的碳当量大体相当)，采用低合金化及含锑复合孕育剂,可稳定获得高强度铸件,抗拉强度b270 MPa硬度HB210，白口倾向小，硬度差小于35,（2）工艺性能的选择 工艺性能指材料在不同的制造工艺条件下表现出的承受加工的能力。它是物理、化学和力学性能的综合。 按工艺方法不同，分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理工艺性能和切削加工性能等。 设计器件和选择工艺方法时，都应考虑材料的工艺性能。 象灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但不能承受锻造，焊接性能也较差，因此常用于制造形状复杂的铸件；低碳钢的锻造性能和焊接性能都好，常用于制造各种锻压件和各种焊接构件。 加工工

20、艺性能好坏直接影响产品寿命。1982、9、10发生的一起火箭坠毁事故，经分析认为是由于齿轮加工方法不当，使齿轮间间隙过小，齿轮润滑不良，使滑轮泵停止转动，造成,发动机提前关机，火箭坠落。 （3）环境协调性的选择 地球是所有材料的来源和最终归宿。 通过采矿、钻井、种植等方式，人们从地球上获得矿物、石油、木材等原材料，经过选矿、精炼、提纯及其他工艺过程，将原材料转化为工业用材料，如金属、化学产品、纸张、水泥等。在随后的工艺过程中，这些原材料被进一步加工成工程材料，如晶体、合金、陶瓷、混泥土等，通过设计、制造、装配等把工程材料再做成有用的产品。产品达到使用寿命后，又以废料的回到地球或经过解体回收以基

21、本材料再次进入循环。 人类要实现可持续发展，在原材料的获取、制备、加工以及废弃材料循环周期内，必须考虑环境负荷和环境协调性。,1-3 金属材料的牌号表示方法 牌号：按照一定的规律对产品的命名。即把每种金属材料的特征，分门别类地用各式各样的符号表示。 钢铁产品牌号表示方法 实际上是沟通生产者、经销者和所有者的一种共同语言。 我国有关标准规定以下原则： 汉字或国际化学元素符号表示所含 元素。 用汉字或拼音字母表示产品名称、用 途或冶炼、浇铸方法和加工状态。 用阿拉伯数字表示产品的顺序号、各 主要元素含量、或其主要力学性能等。,据此原则，我国的金属材料牌号表示方法有两种： 汉字牌号：用汉字或阿拉伯数

22、字相结合 的方法来表示。 例 1铬18镍9钛 字母牌号（代号）用汉语拼音字母、国 际化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。例 1Cr18Ni 9Ti,（1）钢牌号的表示方法 中国现行有两个钢铁牌号表示方法标准，GB/T221-2000钢铁产品牌号表示法和 GB/T17616-1998钢铁及合金牌号统一数字代号体系两者均有效。,钢铁产品牌号是一种标记符号，一个牌号代表具有相同特征的一类产品。 牌号加上品种（型材、板材、带材、管材等）、规格（长、宽、厚、直径等）、状态（硬态、软态等）和执行标准号就能准确地为某个产品定位。 编号、命名：以钢的质量和用途为基础,碳素结构钢：碳素结构钢占总产量70%，其

23、碳质量分数较低（0.060.38%）对性能要求及硫磷和其它残余元素质量分数的限制较宽。碳素结构钢一般在热轧空冷状态下供应和使用。 由代表屈服强度的字母Q、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C、D）和脱氧方法符号四个部分组成。沸腾钢，F、半镇静钢，b、镇静钢，Z。,例如：Q235AF：表示屈服强度235 MPa质量等级为A的碳素结构沸腾钢。 碳素结构钢保证力学性能，但只保证部分化学成分。 优质碳素结构钢：优质碳素结构钢必须同时保证力学性能和化学成分（S、P有害元素少，平均0.035%），夹杂物较少，综合力学优于碳素结构钢，主要作为机械制造用钢，一般都须经热处理后使用。 在国家标准GB699199

24、9中，共列有31种优质碳素结构钢，其基本性能和应用范围主要取决于钢的碳质量分数。,钢中残余锰质量分数也有影响。根据锰质量分数不同，分为： 普通锰质量分数（Mn0.250.80%） 较高锰质量分数钢（Mn0.701.2%）两组。 锰能改善钢的淬透性、强化固溶体及抑制硫的热脆性作用，锰含量高的钢的强度、硬度、耐磨性及淬透性较好，而其塑性、韧性几乎不受影响。,优质碳素结构钢其牌号采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和化学元素符号及规定的符号表示。以两位阿拉伯数表示平均碳质量分数。 如20 阿拉伯数字表示平均含碳量（万分之几）此为0.2%。 08F 表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构沸腾钢。 锰含量在0.

25、701.2%的优质碳素结构钢在表示时在阿拉伯数字后面加上化学元素符号Mn，例： 65Mn,碳素工具钢：优质碳素工具钢，用字母T表示碳素工具钢后面数字表示平均含碳量千分数表示。T8 表示平均含碳量0.8%的碳素工具钢。 高级优质碳素工具钢，用A表示高级优质钢。T10A。,（2）合金钢的牌号表示法 牌号：用数字加化学元素符号，加数字的方式表示。 第一个数字表示钢中碳的质量分数（两位数）；第二个数字表示该元素平均质量分数（%），当其平均质量分数1.5%， 一般不标出。 例：40MnVB表示碳平均为0.4%的锰钒硼合金结构纲。 例：碳、铬、镍的平均质量分数为0.12%、0.75%、2.95%的合金结构

26、钢，牌号表示为12CrNi3,（3） 铸铁分类与牌号 铸铁是碳质量分数2.11%的铁碳合金，与钢相比，不仅C、Si质量分数较高而且S、P质量分数也较高。铸铁的使用价值与铸铁中碳的存在形式关系密切，铸铁中的碳大部分以石墨形态存在时，才在工程上广泛使用。 在铸铁中加入适量的Cr、Ni、Mn、Cu等合金元素，能提高其力学性能，还能使其具备某些特殊性能（耐磨性、耐蚀性等）这种铸铁叫合金铸铁。 影响铸铁石墨化的主要因素是有化学成分和冷却速度。,化学成分：化学元素C、Si、Al、Cu、Ni、Co等促进石墨化。尤其是C、Si，C不仅促进石墨化还影响石墨的数量、大小和分布，Si 降低铸铁的共晶成分和共析成分的

27、碳浓度，增加硅相当于增加碳。工程上调整碳、硅质量分数，是控制铸铁组织与性能的基本措施。 化学元素Cr、W、Mo、V、Mn、S阻碍石墨化，尤其是S 强烈阻碍石墨化并促进形成白口组织，恶化铸铁的铸造性能降低力学性能，因此要严格控制 铁水中硫的质量分数，一般为0.10.15%。,冷却速度：铸件在高温慢冷的条件下，过冷度较小，碳原子能充分扩散，有利于石墨化过程的进行,否则易出现渗碳体。 铸铁可以根据其结晶过程中石墨化程度、基体组织和 石墨形态的不同进行分类。 （1）灰口铸铁：其断口为暗灰色，在石墨化过程很充分的铸铁。这是在工程上应用的铸造合金材料的主体。 （2）白口铸铁：其断口为银白色，石墨化过程全部

28、被抑制的铸铁。性能硬而脆，不易切削加工，主要用作炼钢原料。,（3）麻口铸铁：其断口为灰白相间的麻点，组织间于白口铸铁和灰口铸铁之间，工业上很少使用。 生铁、铁合金及铸铁的牌号 炼钢用生铁：L表示炼钢生铁，阿拉伯数字表示平均含硅量（千分之几） 例：L04 含Si0.45%的炼钢生铁L10为含Si0.851.25%的炼钢用生铁。 ， P6 铸造用生铁：Z表示铸造用生铁，阿拉伯数字表示平均含硅量（千分之几） 例：Z34含Si3.203.6%,硅铁：Si 表示硅铁，阿拉伯数字表示硅元素的平均含量（以百分之几计） 例Si75表示含Si7280% 灰铸铁：HT表示灰铸铁，后面第一组数据表示最低抗拉强度（b

29、）第二组数据表示最低抗弯强度（以MPa为单位时两组强度均乘9.807） 例HT100，表示灰铸铁最低抗拉强度是100N/mm2，,（4） 有色金属牌号表示方法 它们的牌号用汉字、汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法表示。详见GB34076 用汉语拼音字母原则上只取第一个汉语拼音的第一个字母，若这个字母与另一个符号重复时则取第二或第三个字母，或同时取前两个汉语拼音的第一个字母。P8,黑色和有色金属材料牌号的成分和杂质元素的限定，应查有关标准所规定的技术文件。 除了牌号外，金属材料还根据其形状、尺寸、表面状态和性能等分为许多型号、规格、品种，它们也有相应的标准和技术条件。进行质检时应

30、以图纸所规定的技术条件为依据。 金属材料种类繁多，成分千差万别，状态各异，材料牌号和状态表示方法是生产、科研、使用、设计、贸易以及交流等工作中必不可少的基础知识，是材料标准化工作中十分重要的内容之一。,产品用“标记”表示 用TU1制成直径为40mm的拉制圆棒， 标记为： 棒TU1拉圆40。 TU1：表示1号无氧钢（材料牌号）。 拉：表示制造方法。 圆：表示形状。 40：表示规格。 YB71870此棒符号，冶金部标准规定。,铁合金的牌号及表示方法,铁合金是指除碳（C）以外的非金属或金属元素与铁组成的合金； 金属锰、金属铬两种黑色金属；锰硅（Mn、Si/Si、Cr）合金。 铁合金的种类很多，用途也

31、较广。 铁合金是一种炉料，用于钢铁及共它金属冶炼和铸造等用。用作脱氧剂、变质剂。以及作为合金元素加入。 FeMn75C7.5所表示的金属牌号的意义为锰含量75%，碳平均含量为7.5%的高碳锰铁合金. p7,铁合金牌号的表示方法,铁合金用途,铁合金一般用作： 脱氧剂。在炼钢过程中脱除钢水中的氧，某些铁合金还可脱除钢中的其他杂质如硫、氮等。 合金添加剂。按钢种成分要求，添加合金元素到钢内以改善钢的性能。 孕育剂。在铸铁浇铸前加进铁水中，改善铸件的结晶组织。 此外，还用作以金属热还原法生产其他铁合金和有色金属的还原剂； 有色合金的合金添加剂； 还少量用于化学工业和其他工业。,常见的几种铁合金及用途,

32、硅铁： 硅铁是以焦炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用电炉冶炼制成的。硅和氧很容易化合成二氧化硅。所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂，同时由于SiO2生成时放出大量的热，在脱氧同时，对提高钢水温度也是有利的。 硅铁作为合金元素加入剂。广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中； 另外硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作还原剂。含硅量达95%-99%。纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金。,锰铁：锰铁是以锰矿石为原料。在高炉或电炉中熔炼而成的。锰铁也是钢中常用的脱氧剂，锰还有脱硫和减少硫的有害影响的作用。 因而在各种钢和铸铁中，几乎都含有一定数量的锰。锰铁还作为重要的合金剂。 广泛

33、地用于结构钢。工具钢、不锈耐热钢。耐磨钢等合金钢中。,其它铁合金： 除硅铁、锰铁外。还有其它多种铁合金，如铬铁、钨铁、钼铁、钛铁、钒铁、硼铁、硅钙合金等。 这些铁合金大多是在电炉中冶炼的，它们有的元素比较稀贵或由于生产工艺比较复杂，所以使用过程中虽然脱氧能力较强，但并不用作脱氧剂。而主要用作合金剂。,1949-2009,1-3 金属的晶体结构与晶体 金属材料的性能最主要决定于它自身的内部结构与组织。 例：两块含碳0.8%的碳钢，一块直接冶炼出厂，另一块加工成刀具，洛氏硬度分别为20HRC，60HRC,1-3-1 金属的晶体结构 根据原子在固体物质内部的聚集状态不同，可分为晶体与非晶体。,晶体就

34、是原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列；（团结有序的集体）大多数的金属是晶体。 非晶体则是无规则的堆积在一起。（无序的集体）非晶体则如松香、玻璃、沥青。,我们的人体结构，大家都熟悉。金属的 身体构造，它远比我们人要简单的多了。 在人而言，我们了解了自己的身体构造，那么哪里不舒服我们就可以及时就医；而金属我们了解了它的构造，那么在今后工作中就能够随心所欲地使用和加工这些金属材料，明白为什么不同的金属材料会有不同的金属性能。,我们一个班级排队列的几何形状，不外乎是正方形、长方形、不规则形；为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子

35、的中心连接起来，构成一个空间格架。 晶格：这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。,晶胞：利用一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞 。 由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论 通常只从晶格入手，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。,金属的晶体结构： 金属晶格晶胞 原子 。 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，大多数金属属于以下三种晶格类型,常见的金属晶格类型： 1.体心立方晶格， 在立方晶胞的八个顶点和立方体的中心各有一个原子。晶胞中的原子数为：

36、2个。体心立方晶格的金属有-Fe 、Cr等,体心立方晶体每个角上的原子只有1/8个属于这个晶胞，晶胞中心原子完全属于这个晶胞，所以体心立方晶胞中的原子数为8*1/8+1=2。,2.面心立方晶格，在立方晶胞的八个顶点和六个面的中心各有一个原子。在角上的原子为八个晶胞所共有，而每个面的中心处的原子分属于两个晶胞，因此属于每个晶胞的原子数为：4个。具有面心立方晶格的金属有-Fe、Al等。,面心立方晶体每个角上的原子只有1/8个属于这个晶胞，六个面中心的原子只有1/2属于这个晶胞，所以面心立方晶胞中的原子数为8*1/8+1/2x6=4。,3.密排六方晶格，它是一个六方柱体，除十二角上和上下底的中心各有

37、一个原子外，六方柱体中心还有三个原子。晶胞中的原子数为：6 个。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。,在密排六方晶格中，六方柱每个角上的原子均属于六个晶胞所共有，上，下底面中心的原子同时为两个晶胞所共有，再加上晶胞内的三个原子，故晶胞中的原子数为1/6x12+1/2x2+3=6。,金属的实际晶体结构： 实际金属是由很多结晶位向不相同的小晶体 颗粒组成，这些小晶体颗粒称为晶粒。晶粒内晶 体的位向相同，不同晶粒之间结晶位向不同。晶 粒之间的界面称为晶界。 由两颗以上晶粒所组成的晶体称为多晶体。,实际上常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，一般由多晶体构成。 在一个晶粒内部其结晶方位

38、基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。,1-3-2 金属的结晶 通常把物质由液态转化为固态的过程统称为凝固，如果液态转化为结晶态固体，叫结晶或一次结晶；固态转变成另一种固态晶体称为二次结晶或重结晶。,冷却曲线：纯金属液体缓慢冷却过程中测得的温度时间关系曲线。 理论结晶温度Tm和实际结晶温度T n之差叫过冷度T。 T=Tm T n,金属的结晶,纯金属的结晶： 液态 固态 （原子无规则排列） （原子有规则排列）,T0,平衡结晶温度 = 熔点,热分析法,放出的结晶潜热 = 散失的热量,过冷现象,过冷：实际结晶温

39、度 T1 总是低于 平衡结晶温度 T0 的现象,过冷度 T = T0 - T1 冷速 T 结晶的必要条件：过冷 （结晶的动力）,结晶规律：结晶过程是晶核不断形成和长大的过程 晶粒立体长大,结晶过程,液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散。,形核,晶核长大,不断生成新晶核,长大,相碰,晶粒,多晶体,结晶过程 1. 结晶过程：晶核形成和长大的过程。当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原子团开始变得稳定，成为结晶核心，晶核。 晶核按各自方向吸附周围原子自由长大，同时又有新晶核出现并长大。当相邻晶体彼此接触被迫停止长大，只能向尚未凝固的液态部分伸展，直至全部结晶完毕。,因此，金属是由许多外形

40、不规则、位向不同、大小不同的晶粒组成的多晶体。 晶粒细化：一般情况下，晶粒越小，金属的强度、塑性和韧度越好。通常把通过细化晶粒改善材料性能的方法称为细晶强化。,晶粒大小是形核率（成核数目/厘米2.秒）和生长速度（cm/s）的函数，而两者的影响因素是过冷度T和难熔杂质。过冷度T越大，晶粒越细；结晶前加入一些难熔固态微粒即晶核，成为非自发形核中心，使结晶细化。,结晶时细化晶粒的主要方式,提高冷速（提高过冷度） 对大铸件或厚薄差别大的铸件 冷速过快 变形、开裂只适用于小铸件，简单件,变质处理 在金属液结晶前，向金属液中加入某些物质（称为变质剂），形成大量分散的固态微粒作为非自发形核界面，或起阻碍晶体

41、长大的作用，从而获得细小晶粒，这种细化晶粒的方法，称为变质处理。 常用于大铸件，实际效果较好。 如铸造铝硅合金中加入钠盐，铸铁中加入硅铁等。,振动搅拌 金属液结晶时，可采用机械振动，超声波或电磁振动等措施，使铸型中液体金属运动，造成枝晶破碎，碎晶块起晶核作用，从而使晶粒细化。,金属的同素异构转变 某些金属在固态下的晶体结构随外界条件（温度、压力）而改变的现象，称为同素异构转变。,金属晶体中，铁的同素异构转变尤为重要。铁在结晶后冷却至室温的过程中，发生两次晶格转变： 13900C 9100C Fe Fe Fe 体心立方 面心立方 体心立方,同素异构转变实质也是一种广义的结晶过程，是在固态下进行的

42、重结晶，原子扩散比液态慢得多，转变的时间较长，需较大的过冷，易产生较大的组织应力。（因体积变化而产生的内应力）。,需要较大的过冷度： 重结晶的过程遵循结晶规律：有一定的转变温度，转变时需要过冷、有潜热产生。 转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但由于同素异晶转变是在固态下进行的，其原子扩散要比液态下困难的多，因此转变需要较大的过冷度。,产生较大的内应力 当晶体从一种晶格类型转变为另一种晶格类型时，有致密度的变化，则会引起晶体体积的变化，而产生较大的内应力。 例如，-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，产生内应力，严重时导致工件变形和开裂。,纯铁的结晶过程,-Fe-Fe-Fe 固

43、态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象 同素异构转变,铁的同素异构转变，是钢铁材料能够进行热处理的内因及依据，也是钢铁材料性能多种多样，用途广泛的主要原因。,晶体缺陷 1.点缺陷：一种在三维空间（长、宽、高）各个方向上尺寸很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。 包括空位、间隙原子、置换原子等。,晶格上没有原子的结点称为空位； 在晶格结点以外位置上的原子称为间隙原子； 占据正常结点的异常原子称为置换原子。,点缺陷附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其它原子发生靠拢或撑开的不规则排列，晶格畸变。 晶格畸变将使材料产生强度、硬度和电阻等力学性能及物理、化学性能的变化,2.线缺陷

44、：在三维空间中两维方向的尺寸较小，另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。就是各种类型的位错。最基本的形式有刃型位错和螺型位错。,3.面缺陷：三维空间中一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷，晶体中的晶界和亚晶界。,多晶体中，各晶粒的位向各不相同（晶粒间的位向差在300400）晶粒间的过渡区称为晶界。晶界的宽度一般在几个原子间距到几百个之间变动。 每个晶粒内部，原子也不是理想的规则排列，而是存在很多尺寸很小（边长104106cm）位向差也很小的小晶块，这些小晶块称为亚结构（亚晶粒）亚结构的交界为亚晶界。,晶界的结构与晶内不同，使其具有一系列特性： （1）当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，

45、这些原子将向晶界偏聚，内吸附。 （2）晶界上不仅能量高，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快的多。,（3）常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越大，其强度、硬度越高。 （4）晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀。,1-4 合金的相结构 1-4-1合金的基本概念 将两种以上的元素（其中主要是金属元素）通过熔炼或粉末冶金等方法制得的具有金属性质的物质叫合金。,组成合金的独立的、最基本的单元称为组元（一般情况下，组成该合金的元素就是该合金系统的组元）组元可以是元素，也可以是稳定的化合物，如Fe3C，在铁、碳合金中它也可以作为组元。 当两种以上的组元构成合金

46、时，在液态下一般它们是可以彼此溶解形成均匀的溶液。,当此合金系由液态过渡到固态时，由于元素间彼此作用不同，可能出现三种情况： 一、在固态下，组元之间彼此仍然可以溶解（或部分溶解）形成固溶体。 二、组元之间彼此发生反应形成化合物。 三、两组元在固态下彼此不发生明显作用，凝固后形成各自的晶体，即合金是由两组元的晶体混合物构成。,1-4-2合金的相结构 相：合金中具有相同物理性能、化学性能并有明确界面与其它部分分开的均匀组成部分。这个界面称为相界面。 1）固溶体：一个组元的原子均匀融入另一个晶格中间的晶体。晶格消失的组元叫溶质；保持原晶格的组元叫溶剂。固溶体的晶格与溶剂晶格相同。,置换固溶体：溶质原

47、子占据在溶剂晶体晶格的某些结点上，晶格上溶剂原子被溶质原子置换。,间隙固溶体：直径较大的原子所组成的晶格，其空隙尺寸较大，能容纳一些尺寸较小的原子。这种固溶体能否形成由溶质与溶剂原子直径之比决定。D质/D剂小于0.59才能形成。,例：碳溶于Fe（体心立方晶格）中形成间隙固溶体。即铁素体F。,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变！使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。 这种通过溶入溶质元素形成固溶体。使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化,固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。 实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著

48、提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。,2）金属化合物：合金组元之间相互作用而形成具有特性的新相。其晶格和性能完全不同于组成它的任何一个组元。 例：渗碳体（Fe3C）,3）晶体混合物机械混合物：由几个相组成的组织。 例：珠光体：铁素体（间隙固溶体）与渗碳体（金属化合物）组成的机械混合物。,1-4-3 合金组织 组织是显微组织的简称，是决定材料性能的最主要的因素。它反映内部组成晶粒的大小、方向、形状、排列状况等的构造情况。 合金组织：合金在空间的相互配制情况。 组成合金的基本组织：固溶体、金属化合物、机械混合物。,