材料科学及其应用.ppt

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1、材料科学及其应用 2011年3月 主要内容1材料科学概论2金属材料概述3材料热处理4实验检测方法5应用情况 1材料科学概论 在机械 工程等工业领域中 采用的材料种类及品种繁多 涉及范围极其广泛 材料是人类赖以生存和发展的物质基础 目前 材料科学不但与信息 能源一同构筑了当前世界新技术革命的三大支柱 还与信息技术 生物技术一起形成21世纪世界最重要 发展最快和最具有发展力和前景的领域 谁掌握了新材料 谁就掌握了未来 黑色金属 铸铁 碳钢 合金钢 金属材料有色金属 轻 重有色金属 稀土金属 工程材料有机非金属材料 塑料 橡胶 纤维 非金属材料复合材料 树脂基 金属基 非金属基 无机非金属材料 陶瓷

2、 玻璃 石墨 木材 水泥及混凝土 1材料科学概论 2金属材料概述 金属材料是金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称 金属材料的特点是具有资源丰富 生产技术成熟 产品质量稳定 强度高 塑性和任性好 耐热 耐寒 耐磨 可锻造 铸造 冲压和焊接 导电 导热性和铁磁性优异等特点 已成为现代工业和现代科学技术中最重要的材料之一 钢铁唯一的缺点是会生锈 铁合金 铸铁 碳钢 合金钢 黑色材料生铁 铸造生铁 炼钢生铁 钢 钢材 钢材制品 金属丝绳 支护用品 金属材料有色轻金属 密度4 5 有色材料贵金属 金 银 铂族金属 稀有金属半金属 硅 硼 硒 砷 2 1金属材料分类 按化学成分分 碳素钢

3、 按含碳量分 工业纯铁 低碳钢 中碳钢 高碳钢 合金钢 按合金元素分 低合金钢 中合金钢 高合金钢 按品质分 普通钢 优质钢 高级优质钢 按冶炼设备分 转炉钢 平炉钢 电炉钢 按脱氧程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 按用途分 结构钢 工具钢 特殊钢的 专业用钢 按加工制造形式分 铸钢 锻钢 热轧钢 冷轧钢 冷拔钢 2 1 1钢的分类 碳素钢 碳素钢是含碳量小于1 35 除铁 碳和限量以内的硅 锰 磷 硫等杂质外 不含其他合金元素的钢 按化学成分分类 碳素钢按化学成分 即含碳量 可分为低碳钢 中碳钢和高碳钢 低碳钢 又称软钢 含碳量从0 1 0 3 常用于制造链条 铆钉 螺栓 轴等 中碳钢 含碳量

4、在0 25 0 6 碳素钢 有镇静钢 半镇静钢 沸腾钢等多种产品 高碳钢 含碳量从0 6 1 7 可以淬硬和回火 锤 撬棍等由含碳量0 75 的钢制造 切削工具如钻头 丝攻 铰刀等由含碳量0 9 1 的钢制造 碳素结构钢 按品质又可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢 碳素工具钢 含碳量在0 65 1 35 之间 经热处理后可得到高硬度和高耐磨性 主要用于制造各种工具 刃具 模具和量具 按用途分类 碳素钢按用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢 合金钢就是在碳钢的基础上 改善钢的性能 在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢 通常按合金元素含量多少分为低合金钢 含量 5 中合金钢 含量5 10 高合

5、金钢 含量 10 按质量分为优质合金钢 特质合金钢 按特性和用途又分为合金结构钢 不锈钢 耐酸钢 耐磨钢 耐热钢 合金工具钢 滚动轴承钢 合金弹簧钢和特殊性能钢 如软磁钢 永磁钢 无磁钢 等 合金元素在钢中的主要作用 合金钢 强化铁素体形成合金碳化物细化晶粒提高钢的淬透性提高钢的回火稳定性 合金钢的分类 合金结构钢低合金钢 5 按用途合金工具钢按合金元素含量中合金钢 5 10 特殊性能钢高合金钢 10 牌号 合金结构钢 采用两位数字十元素 符号 或汉字 十数字表示 40Cr60Si2Mn 含碳量0 4 含铬1 含碳量0 6 含硅2 含锰2 合金工具钢 含碳量小于1 时 用一位数字表示含碳量的千

6、分数 含碳量大于1 时 在钢牌号前不用数字表示含碳量 9SiCrCr12MoV特殊性能钢 A 不锈钢C 0 03 0 10 用O 如 Ocr18Ni9 C 0 03 时 用OO 如 OOCr30Mo2B 专用钢钢前用汉语拼音字母 如 GCr15GCr15SiMn 含碳0 9 含硅1 含铬1 含铬12 含钼1 含钒1 合金结构钢 低合金高强度结构钢性能 塑性 韧性 耐蚀性和焊接性均比同含碳素的碳钢高 应用 桥梁 船舶 车辆 锅炉 压力容器起重和线等 牌号 Q295 Q345 Q390 Q420低合金耐钢车辆 塔架低合金专业用钢 合金渗碳钢 20CrMnTi应用 制造变速齿轮 传动轴 热处理 渗碳

7、后淬火 低温回火 调质合金钢 40Cr应用 制造齿轮 连杆 主轴 热处理 调质 合金弹簧钢 60Si2Mn应用 制造弹簧 热处理 淬火 中温回火 滚动轴承钢 GCr15 GCr15SiMn应用 制造滚动轴承 热处理 淬火 低温回火 合金模具钢 合金量具钢 合金工具钢 低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢 预备热处理是球化退火 最终热处理是淬火后低温回火SiCr 制造丝锥 板牙 铰刀等 CrWMn 制造长铰刀 拉刀等 高速钢 HSS 高速钢 HSS 是一种具有高热硬性 高耐磨性的高合金工具钢 高速钢的热硬性可达600度 又称为锋钢 应用 制造切削速度较高的刀具 如车

8、刀 铣刀 钻头等 和形状复杂的成形刀具 热处理 淬火 低温回火 不锈钢铬不锈钢常用牌号 1Cr13 1Cr13 3Cr13 4Cr含碳量较低的钢1Cr13 2Cr13用于制造耐腐蚀 受冲击载荷的零件 如汽轮机叶片 水压机阀门等零件 含碳量较高的钢3Cr13 3Cr13Mo 7Cr13等用于制造弹簧 轴承 医疗器 铬镍不锈钢铬镍不锈钢常用牌号有0Cr19Ni9 1Cr18Ni9等 通称为18 8型不锈钢 耐热钢抗氧化钢 热强钢 2 1 2轴承合金 硬质合金 轴承合金锡基轴承合金 锡基巴氏合金 铅基轴承合金 铅基巴氏合金 铝基轴承合金 硬质合金钨钴类硬质合金 YG 加数字表示 数字表示钴的百分含量

9、 例如 YG8 钨钴钛类硬质合金 YT 加数字表示 数字表示碳化钛的百分含量 例如 YT5 通用硬质合金 YW 加顺序号表示 例如 YW1 YW2 2 1 2铸铁 铸铁是含碳量大于2 11 的铁碳合金 根据铸铁中石墨形态的不同 铸铁又可分为 灰口铸铁石墨以片状存在于铸铁中可锻铸铁石墨以团絮状存在于铸铁中球墨铸铁石墨以球状存在于铸铁中蠕墨铸铁石墨以蠕虫状存在于铸铁中 灰口铸铁牌号及用途灰口铸铁的牌号由 灰铁 汉语拼音字母字头 HT 及后面的一组数字组成 数字表示最低抗拉强度 如 HT200 用于制造承受较大负荷的零件 如机床的床身 立柱 汽车缸体 缸盖 轮毂 联轴器等 热处理去应力退火 表面淬火

10、 消除铸件白口 降低硬度的退火 可锻铸铁可锻铸铁俗称为玛铁 马钢 牌号可锻铸铁牌号由三个字母及两组数字组成 前两个字母 KT 是 可铁 两字的汉语拼音的第一个字母 第三个字母代表可锻铸铁的类别 后面两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值 如KTH300 06表示黑心可锻铸铁 其最低抗拉强度为300MPa 最低伸长率为6 用途管道配件 低压阀门等 球墨铸铁牌号及用途球墨铸铁的牌号是由 球铁 两字汉语拼音的第一个字母 QT 及两组数字组成 两组数字分别代表最低抗拉强度和伸长率的数值 如 QT40018表示球墨铸铁 起最低抗拉强度为400MPa 最低伸长率为18 用于汽车轮毂 离合器壳 拨叉等

11、热处理退火 正火 调质 等温淬火 2 1 3铜合金 纯铜呈紫红色 又称为紫铜 常用的铜合金可分为 黄铜 青铜和白铜 黄铜是以锌为主加元素的铜合金 黄铜可分为 普通黄铜和特殊黄铜 普通黄铜当锌的含量小于39 时 锌全部溶于铜中形成 固容体 即单相黄铜 当锌的含量大于等于39 时 除了有 固容体外 组织中还出现化合物CuZn为基体的 固容体 即 的双相黄铜 应用 单相黄铜塑性很好 适用于冷 热变形加工 双相黄铜强度高 热状态下塑性良好 适用于热变形加工 牌号 用 H 数字表示 其中 H 表示普通黄铜的黄字汉语拼音字母的字头 数字表示平均含铜量的百分数 如 H90 特殊黄铜在普通黄铜中加入其他合金元

12、素所组成的合金 称为特殊黄铜 加入的合金元素有锡 硅 锰 铅和铝等 分别称为锡黄铜 硅黄铜 锰黄铜 铅黄铜 铝黄铜等 锡提高黄铜的强度和在海水中的抗蚀性 又称海军黄铜 牌号 H 加元素符号 除锌外 铜的百分数 主加元素含量的百分数组成 如 HPb59 1 2 1 4铝合金 铝合金纯铝密度小 塑性好 易于加工 抗腐蚀性能好 可制成各种型材 板材 人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝 这就得到了一系列的铝合金 铝合金密度低 但强度比较高 接近或超过优质钢 塑性好 具有优良的导电性 导热性和抗蚀性 是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料 在航空 航天 汽车 机械制造 船舶及化学工业中大

13、量应用 工业中使用量仅次于钢 铝合金分为两大类 铸造铝合金和变形铝合金 铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金 铝铜合金 铝镁合金 铝锌合金和铝稀土合金 变形铝合金分为不可热处理强化型铝合金和热处理型铝合金 2 2金属材料的性能 物理性能 比重 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 磁性等 使用性能化学性能 耐腐蚀性 耐氧化性等 机械或力学性能 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 铸造性能锻造性能工艺性能焊接性能切削加工性能弯曲性能热处理性能 力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能 具体包括 强度 硬度 塑性 硬度 韧性等 载荷的概念及分类 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷变形的概念及

14、分类 金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形 变形分为弹性变形和塑性变形两种 力学性能 静载荷 大小不变或变化过程缓慢的载荷冲击载荷 在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷交变载荷 大小 方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷 拉伸压缩剪切扭转 弯曲 内力指金属材料在外力作用时为保持其不变形 在材料内部作用 并与外力相对抗的力称为内力 应力指单位面积上的内力 F S 应力 F 外力 S 横截面积 3材料热处理 热处理的概念 将固态金属或合金采用适当的方式进行加热 保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺 热处理的目的 提高零件的使用性能 充分发挥钢材的潜力 延长零件的

15、使用寿命 改善工件的工艺性能 提高加工质量 减小刀具磨损等 钢的热处理方法 退火 正火 淬火 回火及表面热处理等 3 1铁碳相图 3 2固态相变 在热处理工艺中 钢加热的目的是为了获得奥氏体 钢的奥氏体化分为 奥氏体晶核的形成 长大 碳化物的溶解及奥氏体的均匀化 在热处理工艺中 钢保温的目的是 为了使工件热透 使组织转变完全 使奥氏体成分均匀 钢在冷却时的转变 珠光体转变 A1 550 珠光体HRCA1 650 珠光体 P 25650 600 索氏体 S25 35600 550 屈氏体 T35 40 贝氏体型转变 HRC550 Ms 贝氏体 B40 45550 350 上贝氏体 B上350 M

16、s 下贝氏体 B下45 55 珠光体转变奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的 其立体形态为铁素体薄层和碳化物 包括渗碳体 薄层交替重叠的层状复相物 广义则包括过冷奥氏体发生珠光体转变所形成的层状复相物 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间 强韧性较好 其抗拉强度为750 900MPa 180 280HBS 伸长率为20 25 冲击功为24 32J 力学性能介于铁素体与渗碳体之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 b 770MPa 180HBS 20 35 AKU 24 32J 贝氏体转变定义 钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下 马氏体转变温度区间以上这一中温度区间 所谓 贝氏体

17、转变温度区间 转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织 即贝氏体转变的产物 性能特点 具有较好的强韧性配合 较好的综合力学性能 马氏体转变碳在 Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 用符号M表示 体心正方晶格 马氏体转变的特点 性能特点 马氏体的硬度主要取决于含碳量 转变温度 Ms Mf转变速度极快 转变体积发生膨胀 转变不彻底 针状马氏体 硬度高 脆性大板条马氏体 强度 韧性较好 3 3热处理工艺 退火 概念 将钢加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 一般随炉冷却 的热处理工艺称为退火 目的 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 细化晶粒 均匀钢的组织及成分

18、 改善钢的性能或为以后的热处理作组织上的准备 消除钢中的残余内应力 以防止变形帮开裂 1 完全退火 是将钢加热到完全奥氏体 Ac3以上30 50 随之缓慢冷却 以获得接近平衡状态组织的工艺方法 应用 中碳钢及低 中碳合金结构钢的锻件 铸件 热轧型材等 2 球化退火 球化退火是将钢加热到AC1以上20 30 保温一定得时间 以不大于50 h的冷却速度随炉冷却 使钢终碳化物呈球状得工艺方法 应用 适用于共析钢及过共析钢 如碳素工具钢 合金工具钢 轴承钢等3 去应力退火 去应力退火是将钢加热到略低于A1得温度 保温一定时间后缓慢冷却得工艺方法 应用 消除塑性变形 焊接 切削加工 铸造等形成的残余内应

19、力 公司产品 伸缩缝位移箱采用480 保温4小时随炉冷却300 以下出炉空冷工艺4 公司YM锁头退火采用不完全退火 热处理工艺 正火 概念 将钢加热到Ac3或Accm以上30 50 保温适当的时间 在空气中冷却的工艺方法 其目的与退火基本相同 主要用于如下场合 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 细化晶粒 消除过共析钢中的网状渗碳体 改善钢的力学性能 并为球化退火作组织准备 代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火 热处理工艺 淬火 概念 将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度 保温一定时间 然后以适当速度冷却 获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火 目的 主要获得马氏体 提高钢的强度和硬度 加热

20、温度 冷却介质 油 水 盐水 碱水等 亚共析钢的淬火加热 Ac3以上30 50 过共析钢的淬火加热 Ac1以上30 50 淬火方法 单液淬火法 碳钢一般用水作冷却介质 合金钢用油作冷却介质双介质淬火 如 先水后油 先水后空气马氏体分液淬火贝氏体等温淬火钢的淬透性及淬硬性淬火缺陷氧化与脱碳过热和过烧变形与开裂硬度不定 热处理工艺 回火 概念 将钢淬火后 再加热到Ac1点以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺称为回火 目的 消除内应力 获得所需要的力学性能 稳定组织和尺寸 组织 马氏体分解 残余奥氏体分解 渗碳体的形成 渗碳体的聚集长大性能 随着回火温度的升高 钢的强度 硬度下降

21、 而塑性 韧性提高 分类及应用 低温回火 T1 150 250 组织 回火马氏体性能 具有高硬度 高耐磨性和一定的韧性应用 刀具 量具 冷冲压模具等中温回火 T1 350 500 组织 回火托氏体应用 刀具 量具 冷冲压模具等性能 具有高的弹性极限 屈服点应用 弹性零件 分类及应用 高温回火 T1 500 650 组织 回火索氏体 性能 综合力学性能 应用 受力结构体 调质生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质 3 4钢的表面热处理 概述 在机械设备中 有许多零件 如齿轮 活塞销 曲轴等 是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的 这类零件表面必须具有高硬度和耐磨性 而心部要有足够的塑性和韧

22、性 这类零件要进行表面热处理 表面淬火 使工件表层得到高硬度的淬火马氏体 而心部仍然保持原有的韧性 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 化学热处理 化学热处理是将工件放在一定的介质中加热和保温 使介质中的某些元素渗入工件表层 从而改变表层的化学成分 组织和性能的热处理工艺 渗碳 渗氮 碳氮共渗以及渗硼 铝 铬 硅等 3 5零件的热处理分析 热处理的技术条件 一般零件均以硬度作为热处理技术条件 热处理的工序位置 预备热处理 退火 正火 调质等 最终热处理 淬火 回火及表面热处理等 典型零件的热处理分析 4实验检测方法 拉伸试验 颈缩 e 弹性极限 s 屈服强度 e 抗拉强度断面收缩率 拉断处横截面积收缩量与原始面积之比断裂伸长率 拉断后标距伸长量与原始标距之比 F F 硬度 硬度材料抵抗其它应物体压入其表面的能力 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV HBHRHV 韧性 冲击韧性材料在冲击荷载作用下抵抗破坏的能力 冲击功Ak mgH mgh冲击韧性ak Ak 缺口截面积S 金相分析 金相分析用金相方法观察金属及合金的内部组织 制样打磨 抛光 腐蚀宏观检验 低倍组织 偏析 疏松 缩孔 气泡 裂纹 夹杂物等微观检验组织检验 晶粒度 渗层深度 镀层厚度等检验手段光学显微镜 扫描电镜 透射电镜等 5应用情况