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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*2019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(ferrousmetal);非铁基金属及合金称为有色金属（nonferrousmetal。●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(castiron)。钢铁是最重要的基础材料，广泛应用于各个工程领域，占所有材料总量的90%以上。9.1金属材料9.1.1概述钢铁种类繁多，按如下方式分类：1.化学成分（chemicalcomposition）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2019年9月合金钢按添加元素的种类,可以再细分为锰钢(16Mn)、铬钢(2Cr13)、铬钼钢(15CrMo)等。2.金相组织(metallographicstructure)供应状态:正火（空气气氛）；退火（介质气氛）。a.正火状态（低碳钢、中碳钢和低合金钢）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。2019年9月3.冶金质量(metallurgicalquality)按钢中有害元素P、S含量(wt%)不同,可分为：a.普通钢（wP≤0.045～0.035%,wS≤0.05～0.035%);b.优质钢（wP≤0.035%,wS≤0.035%）；c.高级优质钢（wP≤0.025%，wS≤0.025%）。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。2019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，可以分为：渗碳钢、调质钢、弹簧钢（65Mn，60Si2Mn）、轴承钢等，它们是用优质碳素钢和优质合金钢制成的。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，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐寒钢等。2019年9月2019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材料性能的影响主要有：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+MnOMn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10000C～12000C热轧时，分布在奥氏体晶界上的共晶体(FeS＋Fe)处于熔化，使钢材轧裂，故称为“热脆”。一般通过加入Mn元素形成高熔点MnS（16000C）解决S的热脆问题。2019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。2019年9月我国的钢材编号采用数字、化学符号和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2019年9月表9－1常用钢号中拼音字符及含义2019年9月质量等级符号表示普碳钢中杂质元素P、S的含量不同。A、B级P、S含量较高，C、D级P、S含量较低，质量好。质量等级还可表示材料性能中的冲击温度不同。例如，A级不要求做、B级为200C、C级为00C、D级为－200C下的冲击性能试验。脱氧方法符号表示沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）。最后两种钢号的脱氧方法一般可省略。沸腾钢为脱氧不完全的钢，塑性、韧性较差。镇静钢脱氧完全，塑性、韧性较好。比如，钢号Q235-AF，表示屈服强度为235MPa的沸腾钢，不需做冲击性能试验；而钢号Q215-b表示屈服强度为215MPa的半镇静钢。2019年9月(2)普通低合金结构钢该类钢的牌号由“数字+(元素+数字)+(元素+数字)+...”等部分组成。最前面的两位数字表示平均含碳量的万分数;合金元素以化学元素表示，合金元素后面的数字(一位或两位数)表示该元素的平均百分数。如果合金元素平均含量低于1.0%，一般不标明其含量。例如，钢号16Mn表示：wC=0.16%、wMn＜1％的耐低温、低合金结构钢。又如，钢号20Cr2Ni2表示：wC=0.2%、wCr=2％、wNi=2％的低合金结构钢。2019年9月2.优质碳素结构钢该类钢号是用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。例如，钢号45表示：wC=0.45%的中碳钢。对含锰量较高的钢，Mn需标出。例如，钢号25Mn表示：wC=0.25%、wMn=0.7~1.0%的结构钢。沸腾钢、半镇静钢及优质碳素结构钢，在钢号后要特别标出。例如：钢号15g表示：wC=0.15%的锅炉钢；钢号08F表示：wC=0.08%的沸腾钢。2019年9月3.碳素工具钢碳素工具钢是在钢号前加“T”、其后数字表示钢中含碳量的千分之几。例如，钢号T8表示：wC=0.8%的工具钢。若为优质碳素工具钢，在钢号末端应加“A”，如钢号T10A表示：wC=1.0%的优质碳素工具钢。4.合金结构钢这类钢号表示方法与普通低合金钢类似。例如，钢号60Si2Mn表示：wC=0.6%、wSi=2%、wMn=1%的合金结构的弹簧钢。2019年9月5.合金工具钢该类钢号与合金结构钢相同，只是含碳量的表示方法不同，而合金元素的表示方法相同。钢号前表示含碳量，是千分数。当含碳量大于或等于1.0%时不标出。高速钢是一类高合金工具钢，钢号中一般不标出含碳量，仅标出合金元素符号及其含量。例如，钢号9Mn2V表示：wC=0.9%、wMn=2.0%、wV＜1%的模具钢。又比如，钢号W18Cr4V表示：wC=0.7~0.8%、wW=18%、wCr=4%、wv＜1%的钨系高速钢。2019年9月普通结构钢由于冶炼简便、成本低、批量大，主要用于制作各种工程结构，如屋架、桥梁、汽车构件、船舶、压力容器件等，故一般将其称为构件用钢。9.1.5.1一般构件用钢的性能要求构件用钢的特点是使用时不作相对运动，长期承受静载作用，故要有一定的温度、环境和性能的要求。9.1.5普通结构钢2019年9月1．使用性能(1)力学性能保证构件有相当的强度、刚度和足够的塑性变形能力。σb/σs较大且δ、ψ较大时，一般对缺口的敏感性和冷脆倾向较小。(2)化学稳定性材料有一定的耐大气、海水等环境腐蚀能力。2．工艺性能构件在使用时常有冷变形、焊接成形及连接要求，故要求具有良好的冷变形和焊接性能。2019年9月9.1.5.2普通碳素结构钢（普碳钢）普碳钢产量占钢铁总产量的70~80%，其中大部分用作工程结构件，少量用作普通零件。根据国家标准GB700-88，分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五类。此类钢一般制成各种型材，主要用在建筑、车辆等行业。钢号Q195含碳量低、塑性好，用于制造铁钉、铁丝及各种薄板，比如黑、白铁皮即镀锌钢板，马口铁即镀锡钢板，还用作冲压件和焊接结构件。Q215、Q235、Q255等钢号也用于制作一些普通零件如铆钉、螺钉、螺母以及一些渗碳件。2019年9月为适应特殊用途的需要，常常在普碳钢的基础上，进一步提出某些特殊性能要求，形成一系列专用的构件用钢，如冷冲压用钢、桥梁用钢等。例如，桥梁用钢：Q235q、16q等；锅炉用钢：20g、22g等；船舶用钢：C10，C20等。每种专用构件用钢在冶金标准中都有相应的技术条件规定，可从相关标准中查到主要成分和材料的机械性能。2019年9月9.1.5.3普通低合金构件用钢(普低钢)普低钢又称低合金高强钢，英文缩写HSLA钢。从成分上看，象16Mn为低碳、低合金元素钢种，是为适应大型工程结构（如大型桥梁，压力容器及船舶等）以减轻结构重量、提高可靠性及节约材料的需要而发展起来。我国列入原冶金部标准的普低钢，按屈服强度高低分为300MPa级、350MPa级、400MPa级、450MPa级、500MPa级和650MPa级六个级。这类钢含碳量低，满足构件钢的工艺性能要求，再加入以Mn为主的少量合金元素，达到提高力学性能的目的。2019年9月在此基础上,再加入极少量强碳化物元素如V、Ti、Nb等，不但提高了强度，还消除钢的过热倾向。比如，Q235、16Mn、15MnV等钢种的C含量相当，但在Q235中加入1%的Mn（实际只相对多加0.5~0.8%）时，就成为16Mn钢，屈服强度提高了50%，可达到350MPa。又比如，在16Mn基础上再加V(0.04~0.12)%，屈服强度可提高到400MPa；在合金化过程中其他性能也得到了改善，提高了构件的使用安全性，减少了原料和能源消耗，经济效益和社会效益也显著提高。2019年9月优质结构钢分为优质碳素结构钢及优质合金结构钢，用于制造重要零部件，如齿轮、轴、轴承、弹簧等。机器零件要加工成各种各样的形状尺寸，工作时常受到各种各样的动静载荷的作用，需要考虑强度、塑性和韧性的协调性，选材时要综合考虑。以下是几种不同材料选用的不同钢号：渗碳钢(外硬内韧)如各种齿轮等：25(wC≤0.25%）调质钢(强韧匹配）如曲轴等：45(wC≤0.5%）弹簧钢:65、85、65Mn滚动轴承钢：GCr15(wC≤1%,wCr≤1.5%）（注：这类优质结构钢Cr是用千分数表示。）9.1.6优质结构钢2019年9月特殊性能钢（特种钢）是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢。例如，不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温钢等。1.不锈钢在腐蚀介质中，材料性能稳定且腐蚀速度极慢的钢，称为不锈钢，主要有五种类型：（1）奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9/304),数字0表示wc≤0.08%（2）铁素体不锈钢(00Cr17Ｍo),数字00表示wc≤0.03%（3）马氏体不锈钢(2Cr13)，wc≤0.2%，wCr≤13%（4）双相不锈钢(2205),wcr≤22%，wNi≤5%（5）沉淀硬化不锈钢(0Cr17Ni7TiAl),wcr≤17%，wNi≤7%9.1.7特殊性能钢2019年9月常用低碳不锈钢