钢铁材料学1～3

钢铁材料学2006年9月一、引言材料是人类社会发展的基础材料、能源、信息构成人类文明，而材料是基础任何物质只要能为人类经济地使用，就成为材料结构材料是基础的基础人类社会的发展是以材料作为基础标志的－旧石器时代－新石器时代（陶器）－铜器时代－铁器时代结构材料的性能要求1稳定的形态（温度、湿度、外力作用下稳定）－较高的刚度（排除了气体和液体）－较高的承载能力（屈服强度与断裂强度，抗拉、抗压、抗弯、耐磨、抗疲劳，轻量化要求如高层建筑、运输工具）－温度稳定性（冷脆、热强性）－环境介质作用稳定性（耐候性）结构材料的性能要求2安全性－韧性（冲击载荷作用下吸收能量）－耐温（不同使用条件下有不同要求，如低温钢、耐火钢）－耐蚀（不同使用条件下有不同要求，如耐候钢、耐海水腐蚀钢、耐酸钢）－自我修复（如加工硬化）结构材料的性能要求3易于成型和加工－不同结构要求不同的形状－流态成型（铸造、沉积）－半固态成型（带液芯轧制或锻造）－固态成型（压力加工：热加工与冷加工）－固态成型（机械加工：反复软化与硬化）－连接成型（焊接、粘合、机械结合、复合、涂饰）结构材料的性能要求4生产成本低廉且能大规模生产－资源丰富且易于开采－接近自然平衡态（硅酸盐材料具有特殊优势）－满足大规模生产要求（生产工艺技术、成型工艺技术、产品生产工艺技术、性能提高的工艺技术等）－环境友好结构材料的性能要求5舒适性与装饰性－现代要求且是发展趋势－表面质量与涂装－金属光泽与抗氧化－抗震降噪隔热－色彩（如彩钢）－特殊性能（如抗菌、手感）主要结构材料硅酸盐材料：价格低廉，年用量上千亿吨；其中天然沙石量上千亿吨，水泥22.1亿吨(中国10.6亿吨，占48%)，陶瓷1.85亿吨(中国0.96亿吨，占52%)木材：天然材，但涉及环境保护，年消耗量约40亿立方米(中国约5亿立方米）钢铁材料：年产量11.29亿吨(中国3.5239亿吨，占31%）有色金属：年产量8100万吨(中国1635万吨)高分子材料：塑料年产量2.12亿吨(中国2199万吨)中国水泥产量发展中国水泥年产量0200004000060000800001000001200001975198019851990199520002005年万吨钢铁材料的特点资源丰富地壳中5%的丰度成本低廉大部分钢材的售价在3000元/吨便于回收90%的钢铁材料可回收性能优良且多样强度和韧度耐腐蚀性能耐磨性能低温性能特殊功能固态多形性相变使得性能可大幅改变钢铁材料与技术的发展方向提高产量－满足经济建设发展需求高性能－高强度、高韧性、长寿命高内部质量－高洁净度、高均匀性、超细晶粒高表面质量－高尺寸精度和光洁度微合金化－改善组织和性能多品种－钢种和材型低成本－降低合金含量和工艺操作成本绿色化－易于回收和利用、可持续发展提高产量020040060080010001200production,millionmetrictons198019901992199419961998200020022004ChinaWorld中国钢铁产量的发展空间目前世界人均钢产量160kg/年发达国家在实现工业化期间，人均钢产量300-1000kg/年，持续生产时间为50-80年，人均累积用钢25-50吨发达国家基础设施建设达到饱和后，仍保持人均300-500kg/年的生产供应水平在后工业化社会，钢铁材料仍占全部金属材料的90%以上我国2003年人均占有钢已达到世界平均水平约160kg/人，总产量达到2.24亿吨。2005年钢产量为3.52亿吨，人均267kg。预计近年内将达到5亿吨左右的峰值，人均占有钢达到350-400kg/人中国要实现全面工业化，达到发达国家整体水平，基础设施建设时间约需50年，累积用钢应达到200-300亿吨（人均15-20吨）中国后工业化社会仍需保持200kg/人年，即3亿吨/年的钢铁材料生产供应水平提高性能改善钢材品种结构钢带6%其他1%钢管7%中厚钢板13%线材19%普通型材35%优质型材6%薄钢板13%增加品种：Howmanydifferenttypesofsteelgradesareavailable?Steelisnotasingleproduct.Therearecurrentlymorethan3,500differentgradesofsteelwithmanydifferentproperties-physical,chemical,environmental,75%ofwhichhavebeendevelopedinthelast20years.Sources:降低生产成本提高成材率：连铸比与粗钢产量020004000600080001000012000140001600018000197919811983198519871989199119931995199719992001yearcrudesteeltonnage,104tons0102030405060708090100CCratio,%crudesteelCCratio采用先进钢铁生产工艺技术炼铁Ironmaking高炉喷吹煤粉技术降低炼铁各工序能耗炼钢Steelmaking溅渣护炉技术转炉复吹技术电炉炼钢技术二次精炼技术连铸Continuouscasting传统连铸生产的高效化新型连铸技术轧钢Hotrolling确立先进轧钢生产流程生产装备和技术的现代化开发新型轧钢生产技术高炉喷煤技术10年多喷吹煤粉（重点高炉喷煤比达到120kg/t）节约焦炭712万吨，节约成本11亿元。溅渣护炉技术普通转炉最长炉龄已大于3万炉（重点企业平均3600炉），复吹炉最高大于2.9万炉。按年产1亿吨转炉钢计算年经济效益3亿元。连铸工艺与装备技术10年间连铸比增加61.9个百分点，节约成本约95亿元。棒线材连轧10年间共提高了45个百分点，节约成本17亿元。综合节能技术10年降低0.691吨标煤，节约成本356亿元。高效化生产工艺生产结构优化的重点：缩短工艺优化流程，紧凑化、连续化实现封闭生产，达到零排放管理信息化，生产智能化环境友好，建立节能型钢铁厂薄板坯连铸连轧高效化生产工艺国外薄板坯连铸连轧生产线水平为：单流130万吨，双流200万吨。国内投产的7条薄板坯连铸连轧生产线，研究开发和采用高效化生产工艺，使单流产量达到150万吨/年，双流产量达到300万吨/年。将对我国和世界薄板坯连铸连轧生产工艺产生巨大的影响微合金钢与微合金化技术是钢铁材料发展的重要方向超细晶粒钢，微米级晶粒尺寸的获得与控制超微细第二相强化钢，纳米级第二相的获得与控制屈强比问题，提高抗拉强度及均匀延伸率是重要方向，而第二相与夹杂物的尺寸控制是钢铁材料中微裂纹尺寸控制的关键电炉炼钢新技术20年后，电炉炼钢将成为最主要的钢铁生产方式（废钢原料将超过铁矿石原料）超大功率节能降耗紧凑生产铜在钢中的应用与控制废钢原料的大量应用必然带来铜在钢中的富积铜在钢中产生热脆铜提高钢的耐候性铜在钢中可产生强烈的沉淀析出强化AlN在钢中的作用研究铝广泛用于脱氧，故在钢中普遍存在，合金化成本低廉AlN不仅可能以六方ZnS晶体结构的形态存在，近年来发现还可能以面心立方NaCl晶体结构的形态出现，从而具有类似于微合金碳氮化物的作用奥氏体区析出控制晶粒粗化并适当调节形变奥氏体再结晶行为，铁素体区析出产生强烈沉淀强化效果N在钢中的作用研究Fe-C相图与Fe-N相图的比较扩大奥氏体区元素，替代镍用于生产不锈钢（不锈钢需求量的增长速度大致是钢产量增长速度的2~3倍，世界性镍资源匮乏，预计镍资源可用时间仅为数十年）强烈的间隙固溶强化氮化物比碳化物更稳定，颗粒尺寸更细小冶炼难度很大：高压熔炼、加入高氮合金甚至氮化物粉体钢铁材料研究的挑战与机遇上千年的发展使其进一步创新难度增大工业化试验费用很高企业创新观念需加强经济效益显著，对国民经济影响较大上千年的发展积累了丰富的经验和奠定了良好的基础中国正逐步成为世界钢铁研究的中心二、Fe-C合金Fe-Fe3C相图727温度，℃0.77%2.11%4.30%0.0218%1148143265C,%14950.09%0.52%0.17%9121394153812276.69LFe-Fe3C相图：特征点A:0%C,1538℃B:0.52%C,1495℃C:4.3%C,1148℃D:6.69%C,约1227℃E:2.11%C,1148℃F:6.69%C,1148℃G:0%C,912℃H:0.09%C,1495℃J:0.17%C,1495℃K:6.69%C,727℃N:0%C,1394℃P:0.0218%C,727℃Q:0%C,-273℃S:0.77%C,727℃Fe-Fe3C相图：相区ABCD线以上：L相区（液相区）AHN区：δ-铁素体区GPQ区：α-铁素体区5个单相区NJESG区：奥氏体区DFK线：Fe3C区ABH区：δ-铁素体＋液相区HJN区：δ-铁素体＋奥氏体区JBCE区：奥氏体＋液相区CDF区：Fe3C＋液相区7个双相区EFKS区：奥氏体＋Fe3C区GPS区：铁素体+奥氏体区QPK线以下：铁素体+Fe3C区Fe-Fe3C相图：三相平衡反应1、1495℃：δ-铁素体(0.09%C)+L液相(0.52%C)↔A奥氏体(0.17%C)2、1148℃：L液相(4.3%C)↔A奥氏体(2.11%C)+Fe3C3、727℃：A奥氏体(0.77%C)↔铁素体(0.0218%C)+Fe3CFe-Fe3C相图：基本相液态铁L(Liquidiron)，密度7.035t/m3δ-铁素体(δ-Ferrite)，又称高温铁素体，BCC晶体结构，1394℃的点阵常数为0.29318nm，密度7.360t/m3A奥氏体(Austenite)，γ-相，FCC晶体结构，912℃的点阵常数为0.36468nm，密度7.420t/m3F铁素体(Ferrite)，BCC晶体结构，室温点阵常数0.286645nm，密度7.875t/m渗碳体Fe3C(Cementite)，正交晶体结构，分为一次、共晶、二次、共析、三次渗碳体，室温点阵常数为0.45235、0.50890、0.67433nm，密度7.683t/m3Fe-Fe3C组织图PLd’LdL1234566.69C，%温度，℃基本组织珠光体(Pearlite)，铁素体与渗碳体的共析混合物，平衡状态下呈片层状。渗碳体质量11.22%，铁素体质量88.78%，但从金相形貌上看差别没有这么大莱氏体(Ledeburite)，铁碳合金共晶反应混合物。高温莱氏体为奥氏体和渗碳体的共晶混合物，渗碳体质量52.18%，奥氏体质量47.82%；低温莱氏体为珠光体(30.69%)与共晶渗碳体(52.18%)、二次渗碳体(17.13%)的混合物共析钢、亚共析钢、过共析钢冷却过程中的组织演变Fe-石墨相图4.26％7277380.0206％0.68％2.08％11541148α+Gγ+GC,%L温度，℃3825Fe-石墨相图与Fe-Fe3C相图比较Fe-石墨相图的共析温度升高了11℃、共晶温度升高了6℃，相应地使C、E、S、P点向低碳含量方向移动了0.04%、0.0