這是一個關于鋼鐵材料學講義介紹ppt課件，主要介紹什么是材料科學？材料的分類、金屬材料學、黑色金屬材料（鋼鐵材料）。金屬材料學主講人：劉春明 王建軍參考教材金屬材料學 吳承建, 陳國良, 強文江 冶金工業(yè)出版社, 2000 鋼鐵材料學 章守華, 吳承建 冶金工業(yè)出版社, 1992 金屬材料學 李云凱 北京理工大學出版社, 2006 金屬材料學 戴起勛 化學工業(yè)出版社, 2005 金屬材料學 龔惠芳, 鞠頌東 中國鐵道出版社, 1996 緒 論什么是材料科學？材料的分類按材料的性質(zhì)分類：金屬材料學金屬材料學 是材料科學的一部分，以研究金屬材料的制備、加工、組成、結構、性能之間的關系為核心 當前，全世界每年金屬材料的總產(chǎn)量約為8億噸，其中黑色金屬約占95%，有色金屬僅占5%。從產(chǎn)量來看，黑色金屬仍是金屬材料的主體。 黑色金屬材料（鋼鐵材料）鋼鐵材料得到如此廣泛應用的主要原因：鐵資源豐富： 主要元素在地殼中的儲量為: Al 8.2%，F(xiàn)e 5.1%，Mg 2.1%，Ti 0.6% 利用焦炭和氧可以簡單地從鐵礦石中還原出金屬Fe。 400℃以下低溫域 Fe2O3+CO----Fe+CO2 600℃以上高溫域 Fe2O3+CO----2FeO+CO2 FeO+CO-----Fe+CO2 鐵在加熱或冷卻過程中會發(fā)生各種相變，可以利用這些相變產(chǎn)生各種性能的鋼鐵材料。關于這一部分內(nèi)容在鋼的熱處理課程中講授。向鐵中加入不同的其它金屬或非金屬元素可以部分或完全改變鐵的各種性能，歡迎點擊下載鋼鐵材料學講義介紹ppt課件哦。

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金屬材料學主講人：劉春明 王建軍參考教材金屬材料學 吳承建， 陳國良， 強文江 冶金工業(yè)出版社， 2000 鋼鐵材料學 章守華， 吳承建 冶金工業(yè)出版社， 1992 金屬材料學 李云凱 北京理工大學出版社， 2006 金屬材料學 戴起勛 化學工業(yè)出版社， 2005 金屬材料學 龔惠芳， 鞠頌東 中國鐵道出版社， 1996 緒 論什么是材料科學？材料的分類按材料的性質(zhì)分類：金屬材料學金屬材料學 是材料科學的一部分，以研究金屬材料的制備、加工、組成、結構、性能之間的關系為核心 當前，全世界每年金屬材料的總產(chǎn)量約為8億噸，其中黑色金屬約占95%，有色金屬僅占5%。從產(chǎn)量來看，黑色金屬仍是金屬材料的主體。 黑色金屬材料（鋼鐵材料）鋼鐵材料得到如此廣泛應用的主要原因：鐵資源豐富： 主要元素在地殼中的儲量為: Al 8.2%，F(xiàn)e 5.1%，Mg 2.1%，Ti 0.6% 利用焦炭和氧可以簡單地從鐵礦石中還原出金屬Fe。 400℃以下低溫域 Fe2O3+CO----Fe+CO2 600℃以上高溫域 Fe2O3+CO----2FeO+CO2 FeO+CO-----Fe+CO2 鐵在加熱或冷卻過程中會發(fā)生各種相變，可以利用這些相變產(chǎn)生各種性能的鋼鐵材料。關于這一部分內(nèi)容在鋼的熱處理課程中講授。向鐵中加入不同的其它金屬或非金屬元素可以部分或完全改變鐵的各種性能。 有色金屬材料 有色金屬資源的進一步開發(fā)和利用，不僅是對鋼鐵材料的補充，而且可以發(fā)揮和開發(fā)鋼鐵材料不具備的各種特殊性能，以保證最大限度地滿足現(xiàn)代科學技術和工業(yè)對各種材料性能所提出的要求。 如： 航空航天材料所不可或缺的輕金屬材料； 噴氣發(fā)動機、火箭等現(xiàn)代化技術所需要的超耐熱合金； 化工、石油等工業(yè)需要的高耐蝕合金； 電力電工電子工業(yè)所需要的導體材料、電阻和儀表材料； 原子能發(fā)電和核技術所需要的核燃料和稀有金屬材料； 能源和信息技術所需要的半導體、超導體、貯能材料。 金屬材料學的意義 對生產(chǎn)、使用和開發(fā)金屬材料起著重要的指導作用。 金屬材料學的進展 a. 最近幾十年來，由于現(xiàn)代科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，對金屬材料提出了種種更新更高的甚至非�？量痰囊�求。 b. 科學技術和工業(yè)生產(chǎn)對金屬材料所提出的性能要求與現(xiàn)有金屬材料本身所能提供的性能之間的矛盾推動著金屬材料研究工作的發(fā)展。 c. 為了改善金屬材料的質(zhì)量，提高其性能并開發(fā)新的材料，必須在有關理論和新工藝、新技術上取得新的突破和新的進展。 d. 金屬材料的合金化理論、制備工藝與技術、相變理論、強度與斷裂本質(zhì)研究的進展以及現(xiàn)代實驗研究手段和方法的應用（如x射線分析，透射和掃描電鏡，電子和中子衍射，電子探針，俄歇能譜微區(qū)分析，計算機模擬技術等）大大加深了研究者們對金屬材料微觀結構與性能關系的認識。 本課程的主講內(nèi)容 系統(tǒng)介紹各種金屬材料的合金化、相變、組成、組織結構與性能之間的關系以及各種材料的用途。 Chap.1 鋼鐵材料學基礎通過向鐵中加入合金元素，或者施加變形，或者進行熱處理，或者變形和熱處理有機結合，在某種意義上能夠任意改變它的使用性能和工藝性能。在使用性能方面，有高的強度和韌性配合，或者高的低溫韌性，或者高溫下有高的蠕變強度、硬度和抗氧化性，或者具有良好的耐蝕性，或具有良好的磁性等物理性能。在工藝性能方面，有良好的熱塑性、冷變形性、切削性、淬透性和焊接性等。 原因： 這主要是由于通過上述處理可以改變鋼的組織結構。 (1) 合金元素的加入：產(chǎn)生了合金元素與鐵、碳及合金元素之間的相互作用，改變了鐵各相的穩(wěn)定性，并可能產(chǎn)生許多新相，從而改變了原有的組織或形成新的組織。合金元素與鐵以及合金元素之間在原子結構、原子尺寸、晶體點陣之間的差異是產(chǎn)生這些變化的根源。 (2) 變形和熱處理：是在合金元素作用的基礎上對上述變化的強化。 1. 純鐵 1.1 純鐵的分類 純鐵按其分類，一般可分為： 工業(yè)純鐵 Fe≤99.9% 高純鐵 99.9%＜Fe≤99.999% 超高純鐵 Fe＞99.999% 工業(yè)純鐵通常是采用普通冶金方法生產(chǎn)，而高純鐵和超高純鐵則是采用化學、電化學、物理方法及其組合來制備。 1.2 純鐵的用途 超高純鐵：生產(chǎn)量極少，價格特別昂貴。主要用于基礎研究的原材料。生產(chǎn)量以克、千克計算，價格高于黃金。 高純鐵：相對于超高純鐵而言，生產(chǎn)量大得多，價格也比較便宜，除作為基礎研究和應用基礎研究的原材料外，還實際應用于一些工業(yè)部門的重要元器件生產(chǎn)。生產(chǎn)量可達到噸級，價格在百千克百元左右。 純鐵：鐵磁性物質(zhì)，具有很高的磁化率K值，磁導率m和低矯頑力Hc值。 應用于電子和電力工業(yè)部門，按用途可分為四類：電工合金原料純鐵；電磁純鐵；電子管純鐵和特殊用途純鐵。用于制造電器，通訊器材，儀表的電磁元件，電子管零件等，也應用于一些尖端技術，如高能加速器的主磁鐵。 純鐵的初始磁導率和矯頑力強烈受純度和組織的影響。提高純度顯著降低矯頑力，提高初始磁導率。所以對一些高性能的電磁元件，采用高純鐵進行制造。 1.3 純鐵中的相變 在A3和A4點之間，吉布斯自由能變化值DG為負值，意味著該溫度區(qū)間FCC結構的g-Fe處于穩(wěn)定狀態(tài)。 Note： 鐵在加熱過程中晶體結構相互逆轉的這種現(xiàn)象不是一種正�，F(xiàn)象。一般來說，如果一種元素具有兩種以上的晶體結構，BCC結構在高溫下應該處于穩(wěn)定狀態(tài)。因為BCC結構不是最密排結構，原子熱振動的振幅在某一方向上比較大，振動熵就比較大。根據(jù)G＝U-TS+PV，-TS項在高溫下就變得比較大，所以G值降低，即BCC結構更穩(wěn)定。 例如：Ti和Zr在低溫下是密排六方結構，而高溫下為BCC結構。 鐵在低溫下重新轉變成BCC結構這一問題至今還沒有給出定量解釋，一般認為這種現(xiàn)象是由于低溫下鐵的鐵磁性產(chǎn)生的磁比熱和熵的變化所致。 壓力對相變有明顯的影響(A3點）。 Bundy在1965年通過實驗研究了壓力對A3點的影響，但關于壓力對A4點的影響至今還沒有進行過研究工作。 A0點――滲碳體的磁性轉變； A1點――珠光體轉變； A2點――a-Fe的磁性轉變； A3點――a－g轉變； A4點――g－d轉變 b-Fe：早期Fe的磁性被錯誤地當成一種相，后來發(fā)現(xiàn)磁性轉變并不伴隨著晶體結構的變化，也就是說，沒有相的變化，所以將順磁性的a-Fe稱為b-Fe的稱謂被訂正，b-Fe的名稱也隨之消失。 a-Fe中的間隙尺寸： 四面體間隙 r＝0.29rFe 八面體間隙r＝0.15rFe g-Fe中的間隙尺寸： 四面體間隙 r＝0.22 rFe 八面體間隙r＝0.41rFe 1.4 鐵的低溫力學性能 可以看到：沒有明顯的屈服產(chǎn)生。雖然可以看到應力應變曲線上有突然的應力降低，但這是由于孿晶變形引起的。孿晶變形也是一種塑性變形方式，但是超高純鐵在這樣的低溫下的塑性變形主要是滑移變形的結果，而且在沒有進行室溫預變形處理的條件下，在20K以下低溫觀察到滑移變形，這是首次。超高純鐵在極低溫度下也表現(xiàn)出良好的塑性，而工業(yè)純鐵或者一般的高純鐵在77K以下拉伸就完全脆性斷裂。因此，從以上結果可以得出結論，工業(yè)純鐵或者一般的高純鐵在77K以下發(fā)生的沿晶脆性斷裂是雜質(zhì)影響的結果。隨著人們對晶界以及晶界對低溫韌性的影響的認識，進一步的實驗結果表明，低溫韌性也對晶界的結構，即大角晶界、小角晶界、孿晶界以及特殊的對應晶界，非常敏感。大角晶界與拉伸應力垂直時，即使是超高純鐵也會在77K下發(fā)生沿晶斷裂。 2. 基本定義與概念合金元素；特別添加到鐵或碳鋼中以獲得所要求的組織結構、物理、化學和機械等性能的元素。 性能包括：使用性能：強度、韌性、抗氧化性、耐蝕性等；工藝性能：熱塑性、冷變形性、淬透性、可焊性等。 Chap.2 工程結構用鋼（工程構件用鋼） 不銹鋼含碳量的表示方法： ①當平均含碳量≥1.0%時，用兩位數(shù)字表示，如11Cr17(平均含碳量為1.10%)； ② 當1.0%>平均含碳量≥0.1%時，用一位數(shù)字表示，如2Cr13（平均含碳量為0.20%） ③ 當0.1%>含碳量上限> 0.03%時，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限為0.08%） ④ 當0.03%≥含碳量上限>0.01%時（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限為0.03%） ⑤ 當含碳量上限≤0. 01%時(極低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限為0.01%） 注：舊標準含碳量表示方法為：當含碳量≤0.08%時，以“0”表示，如0Cr18 當含碳量≤0.03%時，以“00”表示，如00Cr18Ni10 鑄鐵：含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。 優(yōu)點：同鋼相比，熔煉簡便，成本低廉，具有優(yōu)良的鑄造性能，很高的減摩和耐磨性，良好的消振性和切削加工性，缺口敏感度低。 根據(jù)C在鑄鐵中存在的形態(tài)和石墨形狀不同，可分為：白口鑄鐵：絕大部分以滲碳體形式存在，斷口呈銀白色，硬度高，脆；灰口鑄鐵：大部分或全部以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰黑色；蠕墨鑄鐵：大部分或全部以蠕蟲狀石墨形態(tài)存在；球墨鑄鐵：大部分或全部以球狀石墨形態(tài)存在；可鍛鑄鐵：大部分或全部以絮狀石墨形態(tài)存在；合金鑄鐵：加入各種合金元素，具有特殊性能，用于耐磨、耐熱和耐蝕等專門用途。 應用： 機床床身、內(nèi)燃機的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等。 鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。石墨是碳的單質(zhì)之一，其強度、塑性、韌性幾乎為零。鑄鐵中的石墨可以在結晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時分解得到，除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)和游離態(tài)的石墨(G)兩種形式存在。 。 鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關系 （以共晶鑄鐵為例） 鑄鐵的分類與牌號表示方法 7.2.1 灰口鑄鐵 石墨呈片狀分布。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)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% 組織 由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。 常對灰鑄鐵進行孕育處理，以細化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。 經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。 性能 抗壓不抗拉，sb↓ 、d(y)↓（力學性能差） 缺口敏感性低－大量石墨的割裂作用，表面粗糙對疲勞極限 的影響不明顯 消震性好（是鋼的十倍）－ G 組織松軟，對振動的傳遞起削 弱作用 鑄造性好 －接近共晶成分、熔點低、流動性好、凝固收縮小、 降低了內(nèi)應力 切削加工性好－G 使切屑易斷，還可潤滑刀具 熱處理 灰鑄鐵強度只有碳鋼的30~50%，熱處理強化效果不大。熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)。 灰鑄鐵常用的熱處理有： ① 消除內(nèi)應力退火(又稱人工時效)：500~550℃，防止機加工、使用時變形或開裂； ② 消除白口組織退火 ： 850~900℃， 表面、薄壁等白口處Fe3C →G，硬度↓，切削加工性↑； ③ 表面淬火 ：提高導軌表面、汽缸體內(nèi)壁等的耐磨性 7.2.2 球墨鑄鐵石墨呈球形，由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到。成分： 3.8-4.0%C； 2.0-2.8%Si ；0.03-0.05% Re；Mn ，S 組織：基體（F、F+P、P、S回火、B下） + 球狀G 球狀石墨由液態(tài)鐵水澆鑄前經(jīng)球化處理得到，球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。為避免白口，并使石墨細小均勻，在球化處理同時還進行孕育處理。 常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。 性能石墨球對基體的割裂作用比片狀小，應力集中小，充分發(fā)揮基體的強度。具有良好的抗拉強度、彎曲疲勞強度、塑性和韌性；優(yōu)異的鑄造性，可切削加工性及低的缺口敏感性；可熱處理或合金化 → 提高性能；強、塑、韌、彎曲、疲勞明顯優(yōu)于灰鑄鐵，其綜合機械性能接近于鋼。強度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點是屈強比(0.2 /b)高，約為0.7~0.8，而鋼一般只有0.3~0.5。 缺點：消振性能低 用途 受力復雜、負荷較大、要求耐磨的鑄件（替代部分鑄鋼、鍛鋼件） P球墨鑄鐵：內(nèi)燃機曲軸、凸輪軸、連桿、軋輥等 F球墨鑄鐵：閥門、汽車后橋、犁鏵、收割機導架等承受震動、載荷大的零件，如曲軸、傳動齒輪等。 石墨為蠕蟲狀，介于片狀和球狀之間。是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到。成分：3.5～3.9%C；2.2～2.8%Si；少量Mn、P、S 等； 蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。 組織： 基體（F、F+P、P）+ 蠕蟲狀G 性能蠕蟲狀石墨長寬比小，尖端圓純對基體切割作用�。豢估瓘姸�、塑性、疲勞強度優(yōu)于灰鑄鐵；導熱性、鑄造性、可切削性大于球墨鑄鐵。其力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。Gtp紅軟基地