钢铁材料

钢铁:是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成的合金。根据含碳量的不同分为钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据化学成分的不同分为碳素钢合金钢低碳钢高碳钢中碳钢：含碳量wc≤0.25%：含碳量wc0.25%～0.60%：含碳量wc0.60%低合金钢高合金钢钢铁材料的基本知识钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢钢铁材料的基本知识金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。2.1金属的晶体结构与结晶非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。2.1.1晶体结构及其特点根据内部原子堆积的情况固态物质分类晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。晶体和非晶体的根本区别非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体:固态金属金刚石、Nacl、冰等。常用固态金属基本上都属于晶体，大部分非金属如氯化钠、天然金刚石、水晶等属晶体；而常用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属非晶体。原子（离子）的刚球模型●晶体结构原子中心位置●晶体结构晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。晶体具有各向异性。晶体的特点晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格与晶胞晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ（轴间夹角）。晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(Å)为单位，1Å=10-8cm。各棱边长度通常数值在2.5～5.0Å之间。简单立方晶格a=b=c,α=β=γ各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。2.1.2常见金属的晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格1.常见晶格类型1)体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示,属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。2)面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示。属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。塑形优于体心3)密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。较脆2.1.3金属的实际晶体结构单晶体单晶体多晶体多晶体在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶体称为单晶体。外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这些单晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。晶粒（单晶体）晶界在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷类型晶体缺陷晶格空位置换原子间隙原子点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率增大，强度、硬度提高等。刃型位错（a）螺形位错（b）线缺陷线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺陷区，即发生了“位错”。常见的线缺陷位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，主要指晶界和亚晶界。面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。2.1.4金属的结晶物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。结晶的定义TTn—实际结晶温度TO—理论结晶温度—过冷度Tm—熔点金属冷却曲线金属的结晶过程液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形成与核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。2.1.5合金的晶体结构与结晶基本概念合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。组元简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。固态合金的相结构合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。固溶体金属化合物：指由合金中各组元的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。：固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。1.固溶体根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。2.金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。钢铁:是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成的合金。根据含碳量的不同分为钢（含碳量小于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据化学成分的不同分为碳素钢合金钢低碳钢高碳钢中碳钢：含碳量wc≤0.25%：含碳量wc0.25%～0.60%：含碳量wc0.60%低合金钢高合金钢钢铁材料的基本知识钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢钢铁材料的基本知识2.2铁碳合金状态图铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。铁碳合金中含有质量分数为0.10%～0.20%的杂质，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，可形成五种基本组织。2.2.1铁碳合金的基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁碳合金的组元和基本相组元1394℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe(1)纯铁强度低,硬度低,塑性好(2)Fe3C铁碳形成的间隙化合物,复杂晶体结构,硬度高,伸长率几乎为0基本相液相L化合物Fe3C固溶体相:高温铁素体δ体心铁素体α体心奥氏体γ面心1.铁素体：碳与α-Fe形成的间隙固溶体，用符号F表示。2.奥氏体：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体，用符号A表示。3.渗碳体：铁与碳互相作用形成的金属化合物，用符号Fe3C表示。4.珠光体：铁素体与渗碳体组成的复相混合物，用符号P表示。5.莱氏体：高温莱氏体：在727～1148℃的高温区间，由奥氏体与渗碳体组成，用符号Ld表示。低温莱氏体：在727℃以下，由珠光体与渗碳体组成，用符号L’d表示。2.2.2铁碳合金相图表2-1Fe—Fe3C相图中的特性点符号温度（℃）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120α-Fe与γ-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057（0.0008）600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度Fe—Fe3C相图的主要线性特点：①ACD为液相线，此线以上区域均为液体，用L表示。②AECF为固相线，此线下为固态区。③ECF为共晶线，金属业冷却到此线时，将发生共晶转变，从金属液中结晶出莱氏体。④GS是从奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，也称A3线。⑤ES是碳在奥氏体中的溶解度线，也称Acm线。⑥PSK为共析线，也称A1线。⑦PQ是碳在铁素体中的溶解度线。共晶反应：一种液相在平衡状态下结晶时同时生成两种固相的反应。共析反应：一种固相在恒温下结晶时同时生成了两种固相的反应。通过相图可以分析不同成分的合金的结晶过程。结晶过程中会出现不同的结晶反应，最常用的二元合金的结晶过程可分为共晶反应、共析反应、匀晶反应、包晶反应等基本类型。通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由Fe—Fe3C相图中的P点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。工业纯铁是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。钢是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%～2.11%），具有良好的塑性，适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。白口铸铁是指E点成分以右（含碳量2.11%～6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。（1）铁碳合金分类Fe—Fe3C合金组织、成分和温度的变化规律（2）工业纯铁的组织状态变化规律①奥氏体A②降温至GS和GP之间的区域时，成为A+F③降温至PQ以下时转变成F+Fe3CⅢ（3）钢的组织状态变化规律①冷却至AE以下时，转变为A②亚共析钢经GS转变为A+F,经PSK线时，A转为P，到室温转变为P+F③共析钢S点时转变为P④过共析钢至ES线时，析出Fe3CⅡ,经PSK时，A转变为P,对力学性能的影响