材料概论-黑色金属材料

第二章金属材料黑色金属材料有色金属材料新型金属材料合金基本结构与性能混合物合金（mixturealloy）–细微晶粒相互间混合–具有低共熔点固溶体合金（solidsolutionalloy）金属间化合物合金（intermetalliccompoundalloy）2铁系合金的组织结构铁的同素异晶体–-Fe：体心立方–-Fe：面心立方–-Fe：体心立方3oo1394C912CFeFeFe4奥氏体（Austenite，符号A表示）–碳溶解在-Fe中的间隙固溶体–仍保持-Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形–727℃时溶碳为c＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％–具有较高塑性5马氏体（Martensite，符号M表示）–碳在-Fe中的过饱和固溶体–马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织–普遍具有较高强度和硬度6高碳马氏体低碳马氏体7奥氏体和马氏体奥氏体和马氏体的结构铁素体（Ferrite，符号F表示）–碳溶解于α-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体–碳原子含量很少(仅0.02%)–强度和硬度低，塑性和韧性好。8渗碳体（cementite，符号C表示）–碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67％–复杂的正交晶格–熔点1227℃。–极高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。9珠光体（pearlite，符号P表示）–奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物–碳质量分数平均为Wc=0.77%–显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织10Fe-Fe3Cphasediagram1112相图分析13主要点ABCD线——液相线液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线——固相线液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线——A3线A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线——AC线C在A中溶解度曲线ECF线——共晶线含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物（莱氏体）。PSK线——共析线含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体14主要线6.1.4金属材料热处理分类特点常用方法整体热处理是对工件整体进行穿透加热退火、正火、淬火+回火、调质等表面热处理是仅对工件的表面进行的热处理工艺表面淬火和回火（如感应加热淬火）、气相沉积等化学热处理是改变工件表层的化学成分、组织和性能渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗金属、多元共渗等15Chapter6MetallicMaterials黑色金属材料工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量不大于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了改善钢的某些性能而加入一定量的某种或几种合金元素所获得的铁基合金。第一节钢的分类及编号一、钢的分类1、按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.05≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按品质分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：介于前两者之间。生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分4、按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分电弧炉炼钢5、按用途分专用钢造船、桥梁、锅炉、压力容器、建筑碳素结构钢调质钢表面硬化钢易切削结构钢弹簧钢轴承钢结构钢刃具钢量具钢模具钢工具钢不锈耐酸钢耐热钢耐磨钢低温钢电工用钢特殊性能钢挤压模具齿轮刀具二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾Q235一般结构钢船用钢A不保证冲击韧性A保证一般温度下冲击韧性20度B保证室温下冲击韧性（20度）B保证0度时冲击韧性C保证0度时冲击韧性D保证-20度冲击韧性D保证-20度冲击韧性E保证-40度冲击韧性1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。热连轧钢板齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。钢带*说明：①含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。钢管3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。不锈钢制管板式换热器所有合金钢的合金元素量标法相同4、工具钢⑴碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。丝锥锉刀⑵合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。*高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).**含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。铣刀5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：①当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；涡轮叶片②当1.0%平均含碳量≥0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）③当0.1%含碳量上限0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）④当0.03%≥含碳量上限0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）⑤当含碳量上限≤0.01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。汽轮机叶片*珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18.当含碳量≤0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.不锈钢法兰不锈钢型材7、铸钢ZG+两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25.铸钢件2.5吨大齿轮铸件第二节钢中的杂质及合金元素1、Mn:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：①提高钢的强度：强化铁素体，形成合金渗碳体，增加珠光体相对量，细化珠光体；②消除硫的有害作用。一、杂质元素对性能的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。3、S：是有害元素。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.钢中的硫应控制在0.05%以下.•2、Si：0.35%时为杂质，是有益元素。作用为：•①强化铁素体，提高钢的强度、硬度、弹性，降低塑性和韧性；•②增加钢液流动性。合金晶界的低熔点硫化物共晶Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1620℃)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.钢中的MnS夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中5、气体元素①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中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.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口㈠对钢中基本相的影响1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。二、合金元素在钢中的作用对铁素体冲击韧性影响2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。⑴Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。钢中碳化物⑵W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。⑶Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。㈡对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑴Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。锰对奥氏体相区的影响⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体