第六章-钢铁材料

曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.第六章钢铁材料引言钢铁材料是以Fe和C为主的合金，是人类使用最为广泛的最重要的结构材料之一。铁资源十分丰富，同时钢铁材料具有各种优良性能（使用性能&工艺性能），特别是力学性能。此外，钢铁又是一种绿色材料，开采、生产和使用过程均与环境较好的相容，回收率高。一、铁碳合金的组元及基本相1.纯铁Tm=1538℃铁的同素异构转变：FeFeFe℃℃1394912低温的铁具有铁磁性（＜770℃）2.铁素体定义：碳在α-Fe中形成的间隙固溶体，常用Forα表示。极限固溶度：0.0218%（727℃）性能：近似于纯铁的性能，强度和硬度低，塑性和韧性好。3.奥氏体定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（面心立方的正八面体间隙），用Aorγ表示。极限溶解度：2.11%（1148℃）性能：硬度较低而塑性好，加工性能优良。4.渗碳体（Fe3C）间隙化合物，W(C)=6.69%，复杂斜方结构。Tm=1227℃性能：硬度高，脆性大，塑性低，是一个硬而脆相（强化相）。形态：片状、球状、网状、板状，其形态与数量对钢的性能能影响很大。Fe3C在一定条件下可分解成石墨具有一定磁性，居里点为230℃。5.特殊的组织——等温转变产物5.1珠光体（共析转变产物）铁素体与渗碳体所组成的机械混合物。层片状，用“P”表示。5.2莱氏体（共晶转变产物）高温Ld，硬度高；低温Ld，脆性大。二、铁碳合金分类工业纯铁W(C)＜0.0218%；钢：亚共析钢、共析钢、过共析钢（0.77%|2.11%）；铸铁：亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁（4.36%|6.69%）曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.三、含碳量的影响1.对机械性能的影响（1）纯铁：塑性好，硬度和强度很低；（2）亚共析钢：硬度、强度直线上升，塑性降低；（3）共析钢：较高硬度与强度，但塑性低（层片状P）；（4）过共析钢：脆性较大，强度↓。—→W(C)一般都不超过1.3%（＜1%）2.对工艺性能的影响（1）切削加工性能：低、高碳钢切削加工性能较差（粘、硬），中碳钢良好；（2）可锻性：随含碳量↑，可锻性变坏；（3）铸造性：包括流动性、收缩性、偏析倾向三方面。—→共析成分点较好四、钢的分类及编号钢：以铁为主要元素，碳质量分数一般在2%以下并含有其他元素的材料。1.钢的分类1.1按化学成分碳素钢：W(C)＜2.11%的铁碳合金，也称为非合金钢。—→低碳钢＜0.25%，中碳钢，高碳钢＞0.6%合金钢：为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。—→低合金钢＜5%，中合金钢，高合金钢＞10%1.2按质量分普通质量刚、优质钢、高级优质钢、特级优质钢质量是以P、S的含量划分，普通≤0.045、优质≤0.035、高级≤0.030、特级≤0.0251.3按冶炼分按炉别分：平炉钢、转炉钢、电炉钢按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢—→沸腾钢，脱氧不充分，浇铸时C与O反应发生沸腾，成材率高，但不致密。1.4按金相组织分按退火组织：亚、共、过按正火组织：珠光、贝氏、马氏、铁素、奥氏、莱氏1.5按用途分结构钢：工程用钢—→建筑、桥梁、船舶、车辆机器用钢—→渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢2.钢的编号我国编号采用汉语拼音字母（代表名称、用途、特性和工艺）、化学元素符号（主要）和阿拉伯数字（相应元素含量）相结合的方法。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.碳素结构钢屈Q头压力容器用钢容R尾低合金强度钢屈Q头桥梁用钢桥q尾易切削钢易Y头锅炉用钢锅g尾碳素工具钢碳T头焊接气瓶用钢焊瓶HP尾（滚珠）轴承钢滚G头车辆车轴用钢辆轴LZ头焊接用钢焊H头机车车轴用钢机轴JZ头铆螺钢铆螺ML头沸腾钢沸F尾船用钢国际标号半镇静钢半b尾汽车大梁用钢梁L尾镇静钢镇Z尾质量等级\A、B、C、D、E尾特殊镇静钢特镇TZ尾2.1碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度（MPa）+质量等级符号+脱氧方法符号（沸腾or镇静or半……）低合金高强度钢都是镇静钢or特殊镇静钢，其排号中没有表示脱氧方法符号，如，Q345C说明：Q＜300MPa，为碳素结构钢；Q＞300MPa，为低合金高强度钢。此外，低合金高强度钢也可以采用两位阿拉伯数字（碳含量的万分之几）和化学符号表示，如，16Mn：W(C)=0.16%的锰合金钢，通常合金元素低于1.5%则不表示其含量。2.2优质碳素结构钢牌号用两位数字表示（碳含量的万分之几），如，45钢。说明：①含Mn量为0.7~1.0%时，在数字后面加元素符号，如40Mn；②对于沸腾钢和半镇静钢在尾部分别加“F”、“b”；③高级优质钢+A，特级+E。2.3合金结构钢和合金弹簧钢两位数字+合金元素符号+该元素百分之数值当合金元素平均＜1.50%时，只标元素符号；高级优质+A，特级+E。2.4工具钢（1）碳素工具钢：T+碳含量（千分之几），如T8，0.8%碳含量的碳素工具钢。说明：碳素工具钢都是优质以上质量的，高级+A。（2）合金工具钢：含碳量+合金元素符号+合金百分之含量（与合金钢表示一致）。说明：含碳量＜1%，用一位数字；含碳量＞1%，不标碳含量。2.5轴承钢G（滚动）+Cr+铬含量（千分之几）如GCr15：含铬量为1.5%的滚动轴承钢。说明：渗碳轴承钢表示仅在合金结构钢牌号头部加“G”。2.6不锈钢与耐热钢含碳量（千分之几）+合金元素符号+合金百分含量说明：W(C)＞1%，两位数字；W(C)＞0.1%，一位数字；W(C)＞0.03，0表示；W(C)＞0.01，03表示；W(C)＜0.01，01表示。2.7铸钢以化学成分为主要特征：ZG+两位数字（碳含量万分之几）以强度为主要特征：ZG+两组数字（第一组最低屈服，第二组最低抗拉），如ZG200-400曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.五、钢中的杂质1.常规杂质一般指Mn、Si、P、S等，是由原材料带入or脱氧残留的元素。Mn＜0.8%时，是有益元素—→强化铁素体，消除S的有害作用；Si＜0.5%时，是有益元素—→强化铁素体，增加钢液流动性。S：有害元素常以FeS形式存在，易与Fe在晶界上形成低熔点共晶（985℃），热加工时（1150~1200℃），由于其熔化而导致开裂，称热脆性。应控制在0.045%以下，可用Mn消除。FeS+Mn→Fe+MnSP：有害元素能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度↑，塑性韧性↓↓，称冷脆性。应控制在0.045%以下。2.气体元素N：室温下N的溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置会以Fe2N、Fe4N形式析出使钢变脆，称时效脆化。—→加入Ti、V、Al将N固定下来，从而消除时效倾向。O：以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。H：溶解度很低，当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引发氢脆。当H在缺陷处以分子态析出时，将产生很高内压，形成微裂纹，内壁为白色，称为白点or发裂。六、钢中合金元素合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物化性能和机械性能的化学元素。存在形式：固溶体、强化相（C化物orN化物）、夹杂物、游离状态1.合金元素的分类1.1按与铁相互作用特点分类奥氏体形成元素：C、N、Cu、Ni、Mn、Co（看看通，内蒙古）铁素体形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W1.2按与碳相互作用特点分类碳化物形成元素：Cr、Ti、V、Mo、Zr、Nb（个太烦，木告你）非碳化物………：Ni、Cu、Si、Al、P2.合金元素与铁的相互作用纯铁具有同素异构转变：公式见先前内容当计入碳元素后，就成Fe-C相图，变得比较复杂：相变是在某一温度范围中进行、临界相变点随碳含量而变、出现了新的相产物。合金元素可改变铁的同素异构转变温度A3和A4，从而改变Fe-Me二元合金相图。主要通过合金元素在α-Fe和γ-Fe中的固溶度对γ相区和α相区影响表现出来。影响可以分为扩大γ区和缩小γ区（奥氏体形成元素/铁素体……）两类，具体的有：开启γ区、扩展γ区、封闭γ区、缩小γ区。参见课本P282图6-12.1无限扩大γ区型与γ-Fe形成无限固溶，与α-Fe形成有限固溶，使A3↓，A4↑，在室温得到稳定的奥氏体，曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.得到的钢为奥氏体钢。—→Ni、Mn、Co（内蒙古）2.2有限扩大γ区型与γ-Fe和α-Fe有限固溶体，使A3↓，A4↑。—→C、N、Cu、Zn、Au（看看通）2.3封闭γ区、无限扩大α区型与γ-Fe形成有限固溶，使A3↑，A4↓，α相与δ相区连成一片—→Si、Al、Cr、Ti、V（个太烦）2.4缩小γ区，但不使γ区封闭型Zr、Nb、B、Ta3.合金钢中的相组成3.1置换固溶体形成规律：Hume-Rothery规律决定组元在置换固溶体中的溶解条件：溶剂与溶质点阵、原子尺寸以及组元电子结构。Ni、Mn、Co—→γ-Fe无限固溶体；Cr、V（Ti）—→α-Fe无限固溶体。3.2间隙固溶体Fe与较小原子尺寸的间隙元素，如B、C、N、O、H。间隙固溶体都为有限固溶体。溶解度取决于溶剂金属的晶粒结构、间隙元素的原子尺寸。3.3碳化物和氮化物N在铁基中的溶解度比C大，C、N原子在γ-Fe中的溶解度显著高于α-Fe。（1）碳化物碳化物形成元素规律性（强→弱）：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe稳定性取决于Me与C的亲和力，亲和力取决于：金属d层电子数（电子数↓，结合力↑）、生成热ΔH（ΔH↑，结合力↑）碳化物形成元素分类强碳化物形成元素——Ti、Zr、Nb、V；中…………………——W、Mo、Cr；低…………………——Mn、Fe。碳化物晶格类型分类复杂点阵结构，rc/rMe＞0.59（间隙化合物）：Cr、Mn、Fe—→Cr23C6、Cr7C3、Fe3C；简单点阵结构，rc/rMe＜0.59（间隙相）：Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr—→MC型、M2C型。当合金元素含量很少时，形成合金渗碳体：(FeCr)3C、(FeMn)3C碳化物的特征：形成C化物倾向↑的元素，其C化物硬度、熔点↑。碳化物类型的稳定性（强→弱）：MC、M2C、M6C、M23C6、M7C3、M3C（2）氮化物氮化物基本性能特点：高硬度和脆性，高熔点。形成规律：与C化物相似，但形成间隙相。N化物与C化物之间也可相互溶解，形成CN化合物：(Ti，V，Nb)(C，N)3.4金属间化合物σ相、AB2相（拉氏相）、AB3相（有序相）和A6B7相（μ相orε相）4.合金元素的影响4.1合金元素对Fe-C相图的影响曹建春_金属材料及热处理学课程内容，自行整理，请勿乱传。——Y.Z.①对奥氏体相区的影响Ni、Mn、Co以及扩大γ相区的元素，使得S点左移而GS线下沉。②对临界点的影响降低A3元素也降低A1，反之亦然。所有合金使E点和S点左移，使低碳含量出现过共析组织or共晶组织。4.2合金元素对A过程影响①加热时的A化过程过程：A相的形成、碳化物与α的溶解、合金元素的均匀化、溶质元素的晶界平衡偏聚碳化物与碳化物在A中的溶解：（1）C/N化物的稳定性越好，在钢中的溶解度越小；（2）随着温度的下降，各种碳化物的溶解度都会↓；（3）A中存在弱的碳化物形成元素，则会降低A中C的活度，从而促进强碳化物的形成。②对加热时A形成的影响（1）形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓A化过程；（2）长大倾向的影响：C/N化物形成元素阻碍A晶粒长大，而Mn、P促进长大。③对过冷A分解的影响（1）对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入A的合金元素（固溶体）均使C曲线右移，淬透性↑，即容易获得马氏体。—→常用Cr、Mn、Si、Mo、Ni、B（2）对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外，所有元素都使其下降。④对回火过程的影响合金钢淬火