材料科学与人类文明-第5章金属材料简介课件.ppt

1、第五章第五章常用结构材料简介常用结构材料简介金属材料金属材料金属材料简介金属材料简介钢铁碳素钢合金钢金属材料黑色金属材料有色金属材料灰口铸铁球墨铸铁白口铸铁Cu、 Al、TiTi、Mg合金碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢铸造碳钢铸造碳钢碳素钢成分成分(GB/T 13304-91)(GB/T 13304-91)合金元素CrMnMoNiSiTiWV最大含量wt.0.301.000.050.300.500.050.100.04按成分分类按成分分类低碳钢中碳钢高碳钢普通质量钢优质钢高级优质钢wc0.25%wc0.25-0.60%wc0.60%wS0.050%wP0.

2、045%wS0.035%wP0.035%wS0.020%wP0.030%按用途分类按用途分类碳素钢碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢铸造碳钢铸造碳钢碳素结构钢牌号：-b脱氧方法：沸腾钢；b半镇静钢质量等级：、屈屈服点s主要牌号及应用牌号Q195Q215Q235Q255Q275主要应用举例受载荷较小的钢丝、开口销、钉子、拉杆、焊接件铆钉、短轴、拉杆、垫圈、渗碳件、焊接件连杆、螺栓、螺母、轴类支架、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、焊接件轴类、吊钩、型钢轴、齿轮wc0.06-0.38%常用热处理：一般不热处理，直接使用碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具

3、钢铸造碳钢钢合金钢Q235-AF AQ235-AF A级沸腾钢级沸腾钢优质碳素结构钢牌号：45平均含碳量的万分数。数字后加F表示沸腾钢 加Mn表示含Mn量较高。主要牌号、性能及应用牌号08F、1015、20 、25（碳素渗碳钢）30、35 、40 、45 、50（碳素调质钢）55、60 、65 、65Mn（碳素弹簧钢）性能特点强度低、塑性好强度较低、塑性韧性较好渗碳后获得表面硬度高、心部韧性好的零件强度、塑性、韧性配合较好经调质后可获得优良的综合力学性能强度高、塑性低淬火中温回火处理后有较好的弹性应用举例冷冲压件、焊接件负载不大的轴、销、齿轮、垫片及渗碳件轴类、齿轮、紧固件、要求不高的表面淬火

4、件简单的耐磨件、简单的弹簧、钢丝绳等wc0.05-0.75%常用热处理：正火、调质、淬火、回火、渗碳碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸造碳钢随含C量提高，强度增大，塑性降低性能调节方法：渗碳、回火钢合金钢碳素工具钢牌号：T10A碳平均含碳量的千分数。数字后加A表示高级优质碳素工具钢wc0.65-1.35%常用热处理：球化退火、淬火、低温回火主要牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13性能特点：热处理后，硬度、耐磨性高；塑性、韧性低；淬透性差主要应用：小截面刃具、模具碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢铸造碳钢钢

5、合金钢T8MnAT8MnA，含，含C%=0.8%C%=0.8%、含、含MnMn、高级、高级P P、S S含量低于一般优质碳素工具钢含量低于一般优质碳素工具钢铸造碳钢牌号：ZG200-400铸钢sbwc0.15-0.60%主要牌号：ZG200-400, ZG230-450, ZG270-500, ZG310-570, ZG340-640主要应用：形状复杂、力学性能要求高、铸铁难以满足的零件碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢铸造碳钢钢合金钢合金钢主要合金元素Al、Co、Si、Cu、Mo、Ni、Cr、Mn合金元素的主要作用细化晶粒细化晶粒固溶强化（形成合金渗碳

6、体或特殊碳化物）固溶强化（形成合金渗碳体或特殊碳化物）提高淬透性提高淬透性提高回火稳定性提高回火稳定性获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）获得室温奥氏体（奥氏体不锈钢）合金钢调质钢机器结构钢工程结构钢渗碳钢渗碳钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢低合金结构钢锅炉用钢造船用钢刃具钢弹簧钢弹簧钢轴承钢轴承钢易切削钢耐候钢模具钢量具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢工程结构钢成分特点 低含碳量（wc0.2%） 根据不同要求添加合金 元素，总量3%用途建筑、船舶、桥梁、运输工具、高压容器、军工性能要求 一定的综合力学性能和屈强比 良好的压力加工和焊接性能 耐侯性和耐冷脆性级别300M

7、Pa350MPa400MPa450MPa500MPa650MPa牌号12Mn09MnNb16Mn12MnPRe16MnNb 10MnNbRe 14MnVTiRe 15MnVN14MnMoVBRe18MnMoNb 14CrMnMoVB用途船舶、低压锅炉、容器、油罐桥梁、车辆船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构、起重机械建筑结构、船舶、化工容器桥梁、起重机港口工程结构、造船、石油井架桥梁、高压容器、电站设备、大型船舶大型焊接结构、大桥、造船、车辆中温高压容器(500C)锅炉、化工、石油的高压厚壁容器(1.0%时不标注。高速钢不标注含碳量合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢碳素钢钢合金钢刃具钢

8、刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工具钢金相T7(碳素工具钢)经球化退火高速钢 铸态特殊性能钢超高强度钢耐磨钢易削钢耐热钢耐蚀钢性能要求 高强度 合适的塑性 高疲劳强度 一定的冲击韧性和断裂韧性 承受严重冲击和摩擦 良好切削性 热强性 抗氧化性 耐腐蚀主要种类或成分特点低合金中碳马氏体型碳马氏体型中合金低碳马氏体型碳马氏体型中合金中碳二次硬化型碳二次硬化型高合金超低碳马氏体时效钢超低碳马氏体时效钢高锰高锰铸钢(受冲击后表面产生加工硬化)提高提高S S、P P含量含量加S、Se、Te等改变改变非金属夹杂物的组成非金属夹杂物的组成加Pb形成金属夹杂形成金属夹杂奥氏体奥氏体耐热钢铁素体铁素体耐热钢马氏体

9、马氏体耐热钢珠光体珠光体耐热钢奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢主要钢种举例30CrMnSiNi2A40Cr5MoSiV1(H13)25Si2Mn2CrNiMoVANi25Ti2AlNbZGMn8ZGMn13Y12、Y20、Y40Mn、YP40、Y35S、Y40CrS、YP12CrNi, YP30CrMo1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr131Cr11MoV1Cr18Ni9Ti1Cr171Cr13, 2Cr133Cr13, 4Cr13合金结构钢合金工具钢合金工具钢高强度钢耐蚀钢耐热钢特殊性能钢特殊性能钢耐磨钢碳素钢钢合金钢易切削钢不锈钢金相不锈钢金相奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢马氏体不锈钢马氏

10、体不锈钢铸铁分类、特点及应用分类成分 /wt.%组 织性 能应 用牌 号灰口铸铁C: 2.5-4.0Si: 1.0-3.0Mn: 0.5-1.2S: 0.15P: 0.12 抗拉强度低、 压缩强度高 塑性、韧性低 减摩、减震性好 缺口敏感性好机床床身，发动机缸体，箱体，阀体，泵体等HT100HT150HT200HT250HT300HT350球墨铸铁C: 3.6-3.9Si: 2.0-2.8Mn:0.3-0.6S: 0.07P: 0.10 具有灰铁基本性能 抗拉强度高、 屈服强度高 有一定塑性、韧性 疲劳强度较高曲轴，连杆，凸轮轴，飞轮，机器底座，汽缸等QT400-18QT450-10QT500

11、-7QT700-2QT900-2蠕墨铸铁C: 3.5-3.9Si: 2.2-2.8Mn:0.4-0.8S: 0.10P: 50% 在6501000范围内围内具有较较高的强度和良好的抗氧氧化、抗燃气气腐蚀蚀能力 钴基超耐热合金钴基超耐热合金: : 受限于钴资源的短缺受限于钴资源的短缺 含钴钴量4065的奥奥氏体高温温合金 在7301100下 ，具有一定的高温温 强度、良好的抗热热腐蚀蚀和抗氧氧化能力。超耐热合金的分类超低温对材料的特殊要求超低温对材料的特殊要求常温以下直至绝对零度的较大温度范围常温以下直至绝对零度的较大温度范围低温低温沸点沸点天然气：天然气：-163-163液液 氮：氮：-195

12、.8-195.8液液 氢：氢：-253-253液液 氦：氦：-269-269超低温合金1. 1. 防止低温脆性防止低温脆性2. 2. 需需要具备低温下的热性能要具备低温下的热性能 低温温合金膨胀胀系数尽数尽可能小3. 3. 必必须是非磁性合金须是非磁性合金 超低温温技术术多在磁场场下利用 带带有磁性的合金，在构构件中就会会由于产产生电电磁力的作用而造成对对磁场场的不良影响响超低温材料的要求超低温合金的研究超低温合金的研究 高锰奥氏体钢高锰奥氏体钢专门开发的超低温合金。专门开发的超低温合金。 即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率即使在液氦温度下也具有良好的强度和延伸率 热膨胀系数特别小热膨胀

13、系数特别小 缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。缺点：机械加工性不佳，耐冲击性也较差。 铁锰铝新合金钢铁锰铝新合金钢把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝把铁镍铬不锈钢中的镍和铬分别由锰和铝取取代而制得代而制得 低温下强度、韧性都十分优异低温下强度、韧性都十分优异 常温下良好的加工性。常温下良好的加工性。超塑性合金超塑性合金现象金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚金属在某一小的应力状态下，可以延伸十倍甚至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，至是上百倍，既不出现缩颈，也不发生断裂，呈现一种异常的延伸现象。呈现一种异常的延伸现象。57超塑性的概念一般说来，如果材料的延伸率超过一般说来，如果材

14、料的延伸率超过100100，就，就可称为超塑性。凡具有能超过可称为超塑性。凡具有能超过100100延伸率的延伸率的材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑材料，则称之为超塑性材料。现代已知的超塑性材料之延伸率最大可超过性材料之延伸率最大可超过10001000，有的甚至，有的甚至可达可达20002000 58 纳米铜的室温超塑性59在不同温度下在不同温度下ZnAlZnAl2222的拉伸变形的拉伸变形(250(250时延率时延率) )%108360Bi-44SnBi-44Sn挤压材料在慢挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的速拉伸下出现异常大的延伸率延伸率%1950超塑性合金类别 合金种类：合金种类：

15、锌锌基合金：巨大的无颈缩颈缩延伸率；低蠕变变强度，冲压压加工性能差，不适宜做结构结构材料，用于不需切削的简简单单零件 铝铝基合金：综综合力学学性能较较差，室温温脆性大 镍镍基合金 超塑性钢钢 钛钛基合金实用超塑性合金1 1、锌合金：、锌合金：是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难是最早的超塑性合金，其蠕变强度低，难于加工于加工成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料成板材，冲压加工性能差，不宜作结构材料. .用于一般不需切用于一般不需切削的简单零件。削的简单零件。如如 Zn-22Al 的成的成型温度为型温度为 250 -270，压力为，压力为0.39-1.37 MPa。Zn-22Al合金的超塑性拉

16、伸试样合金的超塑性拉伸试样2 2、铝合金：、铝合金：超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强超塑性铝合金可加工成复杂形状部件，强度可达度可达686 MPa686 MPa，使用温度可达，使用温度可达150150。如。如Al-6Cu-0.Al-6Cu-0.42Zr42Zr、Al-5Ca-5ZnAl-5Ca-5Zn等超塑性温度为等超塑性温度为300-600300-600，在，在3 31010-2-2/ /秒的应变速率下可达秒的应变速率下可达408%408%变形率。变形率。 超塑性变超塑性变形形Al-Li合金件合金件传统方式变传统方式变形铝合金件形铝合金件3 3、镍合金：、镍合金：镍基高温合金由于高温强度

17、高，难以锻镍基高温合金由于高温强度高，难以锻造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，造成型。利用超塑性作精密锻造，锻造压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。节约材料和加工费，制品均匀性好。与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型与叶片一体的涡轮盘的超塑性成型(快快速凝固粉末的热挤压坯料两步成型速凝固粉末的热挤压坯料两步成型)4 4、超塑性钢超塑性钢: : 将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品将超塑性用于钢方面，还未完全达到商品化程度。近年来研究的化程度。近年来研究的IN-744YIN-744Y超塑性不锈钢，具有超塑性不锈钢，具有铁素体和奥氏体两相细晶组织，如果把含碳量控制在铁素体和奥氏体两相细晶组织

18、，如果把含碳量控制在0.03%, 0.03%, 可产生几倍的伸长率可产生几倍的伸长率。碳素钢的超塑性基础研碳素钢的超塑性基础研究正在进行究正在进行, , 其中含碳其中含碳1.25%1.25%的碳钢在的碳钢在650-700650-700的的加工温度下加工温度下, , 取得取得400%400%的伸长率。的伸长率。 超高碳钢的超塑性变形（变形量超高碳钢的超塑性变形（变形量1100%）5 5、超塑性钛合金：、超塑性钛合金：以以Ti-6Al-4VTi-6Al-4V为代表，其伸长率可为代表，其伸长率可达达2000%2000%。 1.1. 高变形能力的应用高变形能力的应用 超塑性加工可制备复杂备复杂零件，成

19、型零件尺寸精度高。 缺点是加工速度慢，效率低2.2. 固固相粘结能力的应用相粘结能力的应用 超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填超塑性合金与另一金属压合时，其微细晶粒可以顺利地填充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。充满微小凸起的空间，使两种材料间的粘结能力大大提高。 利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各种复合材利用这一点可轧合多层材料、包复材料和制造各种复合材料，获得多种优良性能的材料，获得多种优良性能的材料料3.3. 减振能力的应用减振能力的应用- - 合金在超塑性温温度下具有使振动动迅速衰减减的性质质，因此可将将超塑性合金直接制成零件以满满足不同温温度下

20、的减减振需要。超塑性合金的应用超超塑塑性性成成形形实实例例轮胎架轮胎架装饰用人工石面装饰用人工石面国外国外SPF/DB制品制品F-15E机身在机身在SPF/DB前后的比较前后的比较 SPF/DB Provided Part Reduction 726 Part DeSPF/DB Provided Part Reduction 726 Part Details Eliminated 10,000 Fewer Fastnerstails Eliminated 10,000 Fewer Fastners前前后后 氢能：氢能： - 除核燃料外发热值最高的，是汽油的3倍，焦炭的4.5倍 - 燃烧产物最干

21、净 - 来源丰富，若能从水中制取氢，取之不尽用之不竭。 储氢合金 氢能使用的问题：氢能使用的问题：储存和运输。储氢技术室氢能利用走上实用化，规模化的关键。 传统储氢方法：传统储氢方法： - 高压钢瓶(氢气瓶）。缺点：储存氢气容积小，还有爆炸危险 - 储存液态氢，将气态氢降到-253C。缺点：储存箱体积庞大，需要极好的绝热装置。氢气储存与储氢合金氢气储存与储氢合金储氢合金储氢合金在一定的温度和氢气压力下，可在一定的温度和氢气压力下，可以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料以多次吸收、储存和释放氢气的合金材料储氢合金 储氢合金的单位体积储氢密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍一个金属原子能

22、与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。储氢原理22H2H )MHMH2xxQ 放热（吸入）吸热（放出合金的吸氢反应机理 H2传质 化学吸附氢的解离H22Had 表面迁移 吸附的氢转化为吸收氢Had Habs 氢在相的稀固溶体中扩散 相转变为氢化物（相）Habs() Habs() 氢在相中扩散。氢原子在合金晶格中形成固溶体储氢合金种类 稀土系储氢合金：最好的储氢合金，应用最为广泛。 最典型的LaNi5。 钛系储氢合金：具有储氢容量高，循环寿命长等优点，是目前研究开发热点。eg: TiMn, TiC

23、r, TiFe 镁系储氢合金：密度小，储氢容量高，价格低廉。 eg: Mg2Ni贮氢容器贮氢容器 重量轻、体积小重量轻、体积小氢以金氢以金属氢化物形式存在于贮氢合属氢化物形式存在于贮氢合金之中，密度比相同湿度、金之中，密度比相同湿度、压力条件下的气态氢大压力条件下的气态氢大10001000倍；倍；节省能量，安全可靠节省能量，安全可靠用用贮氢合金贮氢，无需高压及贮氢合金贮氢，无需高压及贮存液氢的极低温设备和绝贮存液氢的极低温设备和绝热措施，安全性能好，无爆热措施，安全性能好，无爆炸危险炸危险Application 贮氢容器贮氢容器 贮氢合金制作的贮氢装置Example在高压容器中装入贮氢合金的在

24、高压容器中装入贮氢合金的“混合贮氢容器混合贮氢容器”混合贮氢容器混合贮氢容器中国首座为燃料电池汽车服务的加氢站是上海安亭国际汽车城。 安亭加氢站主要为使用燃料电池的轿车和公交车提供压缩氢气。氢燃料电池车的尾气排放几乎为零，能显著改善城市空气质量。非晶态金属材料 （金属玻璃） 非晶态非晶态是指原子呈长程无序的状态。具是指原子呈长程无序的状态。具有非晶态结构的合金称为有非晶态结构的合金称为非晶态合金非晶态合金，非晶态非晶态合金又称合金又称金属玻璃金属玻璃 被称为被称为“魔鬼金属魔鬼金属”非晶态金属是对高温金属熔体以每秒10万摄氏度的超急冷方法使其凝固而来不及结晶所形成的。Performance &

25、 use非晶态金属材料的性能与用途 （1）高强度高韧性的力学性能）高强度高韧性的力学性能用途：非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。（2）高导磁、低铁损的软磁性能）高导磁、低铁损的软磁性能 易于磁化；磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料（在外磁场作用下容易被磁化） 目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁一镍基和钴基三大类。用途： 金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料等。器材料、磁头材料、磁屏蔽材料、磁致伸缩材料等。软磁材料软

26、磁材料硬磁材料硬磁材料 （3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性 不存在第二相，组织均匀 其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷 本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。合金，其中大都含有铬。用途：制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等 非晶态合金的主要特性和应用非晶态合金的主要特性和应用主要特性主要特性实际应用材料实际应用材料高强度、高韧性结构加强材料高电阻率、低温度系数高电阻材料、精密电阻合金材料高导磁率、低矫顽力磁分离、磁屏蔽、磁头、磁芯材料高磁感、低损耗功率变压器、磁芯材料高耐蚀性刀具材料、电极材料、表面保持材料恒体积、恒弹性不胀钢材料、恒弹性合金材料超导电性超导材料高磁致伸缩应变仪、延迟线、磁致伸缩振子材料高磁能积永磁薄膜材料