/OND 第九章基础材料 9.1金属材料 92陶瓷材料* 93聚合物材料* 9.4复合材料 9.5半导体材料 2014年9月 复旦大学材料科学系
2014年9月 复旦大学材料科学系 2 第九章 基础材料 9.1 金属材料 9.2 陶瓷材料* 9.3 聚合物材料* 9.4 复合材料* 9.5 半导体材料*
/OND 9.1金属材料 9.1.1概述 ●钢铁材料:黑色金属(钢和铸铁)和有色金属 ●铁基金属及合金称为黑色金属( ferrous meta); 非铁基金属及合金称为有色金属( nonferrous metal ●黑色金属以含碳量的不同分为钢和铸铁。 含碳量小于211%的铁基合金称为钢(stee); 含碳量大于211%的铁基合金称为铸铁 (cast iron) 钢铁是重要的基础材料,广泛应用于各个领域, 占所有材料总量的90%以上。 2020年9月
2020年9月 ● 钢铁材料: 黑色金属（钢和铸铁）和有色金属. ● 铁基金属及合金称为黑色金属 (ferrous metal) ; 非铁基金属及合金称为有色金属（nonferrous metal。 ● 黑色金属以含碳量的不同分为 钢和铸铁。 含碳量小于2.11%的铁基合金称为钢(steel）; 含碳量大于2.11%的铁基合金称为铸铁(cast iron)。 钢铁是重要的基础材料，广泛应用于各个领域， 占所有材料总量的90%以上。 9.1 金属材料 9.1.1概述
/OND 9.1.2钢铁的分类 钢铁种类繁多,分类如下: 1.化学成分( chemical composition) 碳素钢和合金钢。 a.碳素钢 wc≤025%的碳素钢称为低碳钢; wc=025~060%的碳素钢称为中碳钢; wc>060%的碳素钢称为高碳钢 b.合金钢 合金元素总量wt≤5%的钢称为低合金钢; 合金元素总量Wt=5~10%的钢称为中合金钢; 合金元素总量wt>10%的钢称为高合金钢 2020年9月
钢铁种类繁多，分类如下： 1. 化学成分 （chemical composition） 碳素钢和合金钢。 a. 碳素钢 wc≤0.25%的碳素钢称为低碳钢； wc= 0.25～0.60%的碳素钢称为中碳钢； wc＞0.60%的碳素钢称为高碳钢。 b. 合金钢 合金元素总量 wt≤5%的钢称为低合金钢； 合金元素总量 wt= 5～10%的钢称为中合金钢； 合金元素总量 wt＞10%的钢称为高合金钢。 9.1. 2 钢铁的分类 2020年9月
/OND 合金钢按添加元素的种类,再细分为锰钢(16Mn) 铬钢(2Cr13)、铬钼钢(15CrMo等。 2.金相组织( metallographic structure) 供应状态:正火(空气气氛); 退火(介质气氛)。 正火状态(低碳钢、中碳钢、低合金钢) 珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢等。 b.退火状态(高合金钢) 平衡态组织:亚共析钢、共析钢和过共析钢 2020年9月
合金钢按添加元素的种类,再细分为锰钢(16Mn)、 铬钢(2Cr13)、铬钼钢(15CrMo)等。 2. 金相组织 (metallographic structure) 供应状态: 正火（空气气氛）； 退火（介质气氛）。 a. 正火状态（低碳钢、中碳钢、低合金钢） 珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢等。 b. 退火状态（高合金钢） 平衡态组织: 亚共析钢、共析钢和过共析钢。 2020年9月
/OND 3.冶金质量 metallurgical quality) 按钢中有害元素P、S含量不同,分为: a.普通钢:wp≤0.045~0.035w%,Ws≤0.05~0.035w%; b.优质钢:Wp≤0.035M%,Ws≤0.035Wt% C高级优质钢:wp≤0.025wt%,Ws≤0.025wt% 4.用途use 分为结构钢、工具钢、特殊钢等。 结构钢一般用于制作工程结构和机器零部件。 工程结构钢也叫工程构件用钢,可分为建筑用钢、 桥梁用钢、船舶用钢、压力容器用钢等。 2020年9月
3. 冶金质量(metallurgical quality) 按钢中有害元素P 、S含量不同, 分为： a. 普通钢：wP ≤0.045～0.035wt%, wS ≤0.05～0.035wt%; b. 优质钢：wP ≤0.035wt%, wS≤0.035wt%； c. 高级优质钢：wP ≤0.025wt%，wS ≤0.025wt%。 4. 用途(use) 分为结构钢、工具钢、特殊钢等。 结构钢一般用于制作工程结构和机器零部件。 工程结构钢也叫工程构件用钢，可分为建筑用钢、 桥梁用钢、船舶用钢、压力容器用钢等。 2020年9月
/OND 常规构件(结构件)一般用普通碳素钢(普碳钢)或 普通低合金高强度钢(普低钢)制作。 各种机器零部件用钢通常是优质钢或高级优质钢, 但要求不高的零件也可用普碳钢或普低钢制作。 机器零件用钢按工艺和用途,可分为 渗碳钢、调质钢、弹簧钢(65Mn,60Si2Mn)、 轴承钢等,它们用优质碳素钢和优质合金钢制成。 工具钢用于制造各种加工和测量工具,按用途分为 刃具钢、模具钢和量具钢。 特殊场合使用的钢叫特殊钢。具有特殊的物理和化 学性能,比如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐寒钢等。 2020年9月
● 常规构件（结构件）一般用普通碳素钢(普碳钢)或 普通低合金高强度钢（普低钢）制作。 各种机器零部件用钢通常是优质钢或高级优质钢， 但要求不高的零件也可用普碳钢或普低钢制作。 机器零件用钢按工艺和用途，可分为： 渗碳钢、调质钢、弹簧钢（65Mn，60Si2Mn）、 轴承钢等，它们用优质碳素钢和优质合金钢制成。 工具钢用于制造各种加工和测量工具，按用途分为 刃具钢、模具钢和量具钢。 ● 特殊场合使用的钢叫特殊钢。具有特殊的物理和化 学性能，比如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐寒钢等。 2020年9月
9.1.3钢中的杂质元素 ◇钢的成分除Fe、元素外,还有原料及冶炼时遗留 的Si、Mn、PS、N、H、O等杂质元素,以及为 改善性能加入的合金元素如C、Ni、Mo、W等。 钢中几个杂质元素对性能的影响主要有 1.Si元素 Si作为脱氧剂加入钢中:2Fe0+Si→2Fe+Sio2 它溶于铁素体中,对钢的强度有强化作用。 2.Mn元素 炼钢时脱除铁矿石中的S、O,需添加Mn元素: 脱硫:FeS+Mn→Fe+Mns 脱氧:Feo+Mn→Fe+Mno Mn是有益元素,溶于铁中形成置换固溶体,溶于渗 碳体中形成合金渗碳体,对钢的强度有强化作用。 2020年9月
2020年9月 ● 钢的成分除Fe、 C元素外，还有原料及冶炼时遗留 的Si、Mn、P、S、N、H、O等杂质元素，以及为 改善性能加入的合金元素如Cr、Ni、Mo、W等。 钢中几个杂质元素对性能的影响主要有： 1. Si元素 Si作为脱氧剂加入钢中: 2FeO+Si→2Fe+SiO2。 它溶于铁素体中，对钢的强度有强化作用。 2. Mn元素 炼钢时脱除铁矿石中的S、O，需添加Mn元素： 脱硫： FeS＋Mn → Fe+MnS 脱氧： FeO＋Mn → Fe+MnO Mn是有益元素，溶于铁中形成置换固溶体，溶于渗 碳体中形成合金渗碳体，对钢的强度有强化作用。 9.1. 3 钢中的杂质元素
/OND 3.P元素 P是从矿石中带入的,溶于铁素体中,使钢强化、 硬度增大,但塑性、韧性大大下降,引起“冷脆”,导 致冷加工和焊接性能变差,尤其在低温下冷脆现象更 为严重,一般严格控制Wp<0.045% 4.S元素 S是炼铁时由焦炭带入的。它在钢中以FeS形式使 钢变脆,尤其FeS与Re可形成低熔点(9850共晶体 (FeS+Fe。当钢在1000~12000C热轧时,分布在奥 氏体晶界上的共晶体(FeS十Fe发生熔化,使钢发生轧 裂,故称“热脆”。通常加入Mn元素形成高熔点MnS (1600°)解决S的热脆问题 2020年9月
3. P元素 P是从矿石中带入的，溶于铁素体中，使钢强化、 硬度增大，但塑性、韧性大大下降，引起“冷脆” , 导 致冷加工和焊接性能变差，尤其在低温下冷脆现象更 为严重，一般严格控制 wP ＜ 0.045％。 4. S元素 S是炼铁时由焦炭带入的。它在钢中以FeS形式使 钢变脆，尤其FeS与Fe可形成低熔点(9850C)共晶体 (FeS＋Fe)。当钢在1000～12000C热轧时，分布在奥 氏体晶界上的共晶体(FeS＋Fe)发生熔化，使钢发生轧 裂，故称“热脆” 。通常加入Mn元素形成高熔点MnS （16000C）解决S的热脆问题。 2020年9月
/OND 5.N元素 钢中溶入过量的N后,在低温下N以Fe2N、FeN形 式析出,使钢的强度、硬度提高,但塑性、韧性下降 称为“时效”脆化。一般通过加入A、T、V来解决。 6.O元素 炼钢时O会形成FeO、A2O3、SiO2、MnO等非金 属夹杂物,使钢性能变差。夹杂物易引起应力集中,在 疲劳載荷作用下成为开裂源,故需严格控制其含量。 7.H元素 H是以原子态或分子态存在于钢中,引起“氢脆” ,产生“自点”,形成微裂纹,通常在缺陷处聚集,产 生很大的内应力,使钢“发裂”,故需严格控制。 2020年9月
5. N元素 钢中溶入过量的N后，在低温下N以Fe2N、Fe4N形 式析出，使钢的强度、硬度提高，但塑性、韧性下降， 称为“时效”脆化。一般通过加入Al、Ti、V来解决。 6. O元素 炼钢时O会形成FeO、Al2O3、SiO2、MnO等非金 属夹杂物，使钢性能变差。夹杂物易引起应力集中，在 疲劳载荷作用下成为开裂源，故需严格控制其含量。 7. H元素 H是以原子态或分子态存在于钢中，引起“氢脆” ，产生“白点” ，形成微裂纹，通常在缺陷处聚集，产 生很大的内应力，使钢“发裂” ，故需严格控制。 2020年9月
/OND 9.1.4钢的编号和钢种 我国的钢材编号采用数字、化学符号及拼音字母 并用的原则,即钢中合金元素用元素符号表示,如Mn、 Cr、Ni、Mo等,稀土元素用“RE”表示。 钢材的产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉 语拼音字母表示,见表9-1。 我国钢材的编号大致如下: 1.普通结构钢 (1)普通碳素结构钢 该类钢的牌号(钢号)是由表示屈服强度Q及其 数字、质量等级(A、B、C、D)和脱氧方法(F、b、 z、TZ)等符号三部分组成。 2020年9月
我国的钢材编号采用数字、化学符号及拼音字母 并用的原则，即钢中合金元素用元素符号表示，如Mn、 Cr、Ni、Mo等, 稀土元素用“RE”表示。 钢材的产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉 语拼音字母表示，见表9-1。 我国钢材的编号大致如下： 1. 普通结构钢 (1) 普通碳素结构钢 该类钢的牌号（钢号）是由表示屈服强度Q及其 数字、质量等级（A、B、C、D）和脱氧方法（F、b、 Z、TZ）等符号三部分组成。 9.1. 4 钢的编号和钢种 2020年9月