金属材料科学(第一章 钢的合金化)4PPT课件

在金属表面电镀一层耐 腐蚀的金属，提高耐蚀
性。
合金化
通过改变金属的成分， 提高其耐蚀性。
缓蚀剂
添加缓蚀剂抑制金属腐 蚀的化学反应速度。
金属材料在特定环境下的耐腐蚀性
01
02
03
04
酸性环境
钢铁、不锈钢等对酸有一定的 耐蚀性，但不同金属差异较大
。
碱性环境
铝、镁等金属在碱性环境中容 易发生腐蚀。
海洋环境
04 金属材料的腐蚀与防护
CHAPTER
金属材料的腐蚀机理
电化学腐蚀
金属与电解质溶液接触，通过电极反应发生的腐 蚀。
化学腐蚀
金属与非电解质直接反应，生成金属氧化物的腐 蚀。
生物腐蚀
金属在有微生物的环境下发生的腐蚀。
金属材料的防腐蚀方法
涂层保护
在金属表面涂覆防腐蚀 涂层，隔离金属与腐蚀
介质。
电镀
金属材料的化学性能是指其在各种环 境中的稳定性，包括耐腐蚀性、抗氧 化性、耐候性等。
耐腐蚀性是指金属材料抵抗腐蚀的能 力，抗氧化性是指金属材料在高温下 抵抗氧化的能力，耐候性是指金属材 料在自然环境中抵抗光、热、水、大 气等因子的作用的能力。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指其在受力作用下的行为表现，包括强度、塑性、韧性、 硬度等。
详细描述
金属材料主要是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有 金属特性的工程材料，如铁、铝、铜等。根据成分和用途， 金属材料可以分为钢铁、有色金属、贵金属等类型。
金属材料的特性与用途
总结词
金属材料具有导电性、导热性、延展性等特性，广泛应用于建筑、机械、电子 等领域。
详细描述
金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，这些特性使得金属在建筑、机 械、电子等领域得到广泛应用。例如，钢铁用于制造桥梁和建筑结构，铜用于 电线和电缆，铝用于包装和航空航天领域。

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1.1 碳钢概论
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法
牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质 量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、 TZ）等四个部分按顺序组成。

标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；
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1.1 碳钢概论
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
2-优质碳素结构钢
（1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零 件的力学性能。 （2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火 等状态，一般随用户需要而定。 （3）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两 位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中 硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化 学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。
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1.1 碳钢概论
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一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）
2．硫（S）和磷（P）的影响
Chapter 1 金属材料的合金化原理
S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。 S 和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。
P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈 地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高 钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P还可以改善钢的切削加工性能。
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1.1 碳钢金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。

• δ和ψ的数值越大，说明金属材料的塑 性越好；反之亦然。良好的塑性是金属材 料进行塑性加工的必要条件。
•
• 四、硬度
• • 金属材料抵抗外物压入其表面的能力。一般来说，硬
度高的材料，耐磨性能好，强度也高。因此，硬度是机械 零件设计要求的技术条件之一。
• • 生产中常用有布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）等。
• ③当载荷继续增加超过S点后，变形量随载荷的增加而急 剧增加。当载荷增大到b时，变形集中在试样的某一部位 上，出现缩颈现象。由于承载面积减小，试样很快被拉断。
试样在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用σb
表示，Βιβλιοθήκη • （二）截面收缩率• 截面收缩率是试样拉断后缩颈处横截 面积的最大缩减量与原始横截面积的百分 比。
• HRB 直径1.588mm淬火钢球测软金属，如铜合金、 退火钢件等，总载荷980.7KN；
• HRC 120°金刚石圆锥体测如淬火工件，总载荷 1471.1KN 。
• ▲洛氏硬度试验操作简便、迅速，可测定各种金属材 料的硬度。
• ▲ 洛氏硬度压痕小，适用于成品，但重复性差，需在 不同部位测多次。
• （一）布氏硬度测定方法：
•
用一定直径的淬火钢球或硬质合金球作压头，
在一定的静载荷下压入试件表面，保持压力至规
定的时间后卸载。根据所加载荷的大小和所得压
痕表面积来计算（或查表）得压痕表面上的平均
应力值。此平均应力值作为布氏硬度，并用HBS （淬火钢球压头）或HBW（硬质合金压头）表示。
• 由于布氏硬度测量时压痕面积较大，能反映
• 洛氏硬度计上有九种标尺，分别用符号（常用） HRA、HRB和HRC……等表示。不同洛氏硬度的 压头、负荷和适用范围如表1-1 （p9）所列。

rC/rM与 e 碳化 ＞ ＜ 物 0 0..5 5种 9 9 复 简 类杂 单点 点阵 阵M碳 碳 形 C 畸 化 化 T ， 变 i、 物 物 CVC ， ：点阵
含 量 稍 很高 低： ：形 置成 换 F ， ， eF 多 渗 如 2M e 形 元 碳 4C o（ 成 M 碳 体 6C 合 形 化 中 金 （ ） F 物 的 F2e 渗 W 1 e 、 2） C C 3C 6(碳 M r2C 36 体 ) ，如
同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是 铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。
(二)合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物，还是形成固溶体？ 取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy △G 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。 碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。
按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元
素分为两大类： 扩区 大A ： 4点 ， A3点 ， 区扩 A 大 形成元素 缩区 小A ： 4点 ， A3点 ， 区缩 F小 形成元素
为什么有的合金元素扩大γ区，而有的缩小γ区呢? 取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
(1)硬度：
碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。 如TiC，硬度最高。
易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体 或渗碳体

伸长率
压缩率
塑性
断面收缩率
（1）伸长率
• 即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。
δ=(L1 - L0)/ L0 ×100%
式中
δ——伸长率（%）；
L1——试样拉断后标距（mm)； L0 ——试样原始标距（mm)。
（2）断面收缩率
•
即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原
始的横截面积的百分比。
一、 强度与塑性
• 1、 强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗永 久变形和断裂 的能力。由于载荷的作用方式有拉 伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。 各种强度间常有一定的联系，使用中一般以抗拉 强度作为最基本的强度指标。
• 2、 塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下发生不 可逆变形的能力，也就是金属材料在断裂前发生 塑性变形的能力。衡量金属材料塑性能力的指标 是延伸率和断面收缩率。
件局部变细形成颈缩现象）
• 4、缩颈与断裂阶段（由于颈缩，局部截面将迅速减小，
拉力开始下降，直至k点试件断裂。Fb 是试件拉断前能承
受的最大载荷，称为极限载荷）
1、强度指标
• 金属材料的强度是用应力来表示的，即材 料承受载荷后内部产生一个与载荷相平衡 的内力，我们将单位面积上的内力称应力， 用σ表示。为了保证机械零件的正常工作， 我们必须知道金属材料的强度指标，它通 常是指金属材料的弹性极限、屈服点和抗 拉强度。（这些参数可以计算，也可以查 阅相关技术资料）
号σ0.2表示。
• 计算公式:
σ = 0.2
F0.2 S0
（3） 抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时
的应力。用σb表示。
计算公式:

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4. 学习要求 掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、 组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料 的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和 用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役 条件，具有合理选用材料，正确确定热处理技术 条件的知识。 能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防 热处理缺陷的措施。
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
主要 内容
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对 钢 的 合 金 化
号合 方金 法钢 的 编
基 本 概 念
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对
存 在在 形钢 式种 的 Me
布 状不 态同 热 的处 分理 Me
Steel
Cast Iron
2% C 3% C 4% C 5% C 6% C
中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%
400 C Fe
1% C
6.70% C
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
2. 合金元素对 Fe-Fe3C 相图的影响
1）合金元素对奥氏体相区、铁素体相区的影响 Ni、Co、Mn 等扩大铁碳相图中奥氏相区。当 Ni或 Mn 的含量高时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，如 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、 Mn13 高锰耐磨钢等； Cr、W、Mo、V、Ti、Si 等缩小铁碳相图中奥氏体相 区。Cr、Ti、Si 等当其超过一定含量后，可获得单相铁素钢 ，例如 1Cr17Ti 高铬铁素体不锈钢。
V 形成以α-Fe 为基的无限固溶体；Mo 和 W 形成较宽溶 解度的有限固溶体；Ti、Nb、Ta形成具有较窄溶解度的有限 固溶体；Zr、Hf、Pb在 Fe 具有很小的溶解度。

A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ?
三、A体晶粒长大
1）Ti、Nb、V强碳化物形成元素强烈↓↓A， W、Mo↓A晶粒长大；
2）C、N、B、P↑A晶粒长大 （在A晶界偏聚，↓晶界Fe自扩散Q）；
3）Ni、Co、Cu等非K形成元素作用不大 。
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1.5 Me在钢中的存在形式
一、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
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2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti
Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 ?
W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— A形成元素。
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铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
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1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
Me 合金元素Ti 在铁点V 阵中Cr的固M溶n 情C况o Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限

钢铁材料学
200元素在钢中的存在方式
合金化的作用
纯金属中只能采用位错强化和晶粒细化强 化，且强化效果受到一定限制
金属结构材料广泛采用合金化，合金化后 增加了固溶强化和第二相强化方式，同时 使强化技术与工艺丰富多彩
传统认为合金化主要作用是提高钢材淬透 性，但实际合金化的作用已远不止这一作 用
C在铁中的固溶度公式
log[C] 3.81 5550 / T
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
合金化后称为奥氏体
合金元素在钢中的存在方式
固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
封闭γ相区相图
A4
温
度γ
α
A3
Fe
封闭与开启γ相区相图的对称性
A4
温 度
A3
α
ΔH<0
γ
A4 ΔH>0
温 度
γ
α
A3
钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200
度 ， 1100
7Mo
4Mo
℃ 1000
2Mo
900