钢材基础知识培训材料

金属材料及热处理讲座1.金属材料导论1.5铁碳合金1.1金属材料的主要性能1.2金属及合金的晶体结构1.3合金的结构1.4二元合金状态图第1章金属材料导论材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料1.1.1金属材料的力学性能在低碳钢拉伸曲线中，把F-Δl坐标换成σ-ε（应力—应变）就可以直接在图上读出力学性能指标，并且不需要做成标准试样。强度材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等；•应力极限弹性阶段弹性极限p屈服阶段屈服点s强化阶段强度极限b颈缩阶段强度塑性材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性能。表示材料的塑性指标是：伸长率δ和断面收缩率Ψ；对于塑性差的材料，用σ0.2来代替σs；1）使材料具有良好的成形性；2）受到外力变形时，有强化作用。3）伸长率δ4）断面收缩率Ψ硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HRA-C)。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；%1001lll%1001AAA零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有冲击韧度(Ak)。疲劳强度金属材料抵抗交变载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有疲劳强度(σ-1)。影响力学性能的主要因素•1、含碳量含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。4、温度一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降，高温条件下相反。5、热处理工艺合金元素作用•1、硅（Si）：•在碳钢中，硅的含量一般小于0.4％。硅能溶于铁素体，•具有强化作用（可使钢致密，提高强度和硬度）。同时也会•降低钢的韧度和塑性。当含量较小时，其影响并不明显。•2、锰（Mn）在碳钢中，锰的含量一般为0.25％～0.8％。锰大部•分溶于铁素体形成置换固溶体。因此具有固溶强化作用；•锰与硫结合可形成高熔点（1620℃）的MnS，从而消除•硫的有害作用（热脆性）。锰还能提高钢的强度。但当•锰的含量较小时，其作用并不明显。•3、硫（S)硫在钢中常以FeS的形式存在，而FeS与Fe形成熔点•较低（985℃）的共晶体，当钢加热到1000℃～1200℃进•行热加工时FeS共晶体已经熔化，这将造成钢材在热加工•过程中开裂，使钢材变得极脆，这种现象称为热脆性。•硫对钢的焊接有不良影响，会导致焊缝的热裂现象；•在焊接过程中，硫易于氧化而形成SO2气体，使焊缝中产•生气孔。因此，须严格控制硫的含量。•4、鳞（P)室温下，钢中的磷全部溶于铁素体中，能使钢的强度、•硬度增加，但也使其室温特别是低温时塑性和韧度大大下•降，这种现象称为冷脆性（易产生脆裂）。因此，应严格•控制磷的含量。•但磷的冷脆性也可利用，如在炮弹钢中加入较多的磷，•可使炮弹爆炸时的碎片增多，提高杀伤力。•5、铬（Cr）：铬是一种常用的合金元素，含碳量低•的钢加入铬能提高钢的强度和硬度。它是不锈钢和耐热钢•的主要成分，若和Mn、Mo、Si等元素配合，更能显示出•它的特性。•6、镍（Ni）：含镍在6％以下时能使钢具有高强度和高•韧度。含镍8％～11％与铬配合可组成镍铬不锈钢。含镍超•过20％可成为耐热钢。•7、钨（W）：钨能提高钢的强度及耐磨性，使钢具有•良好的热硬性•8、铝（Ai）：铝能细化钢的晶粒，并能提高钢的抗氧•化性和耐热性。•9、钛（Ti）：钛能细化晶粒，使组织致密，并能提高•钢的综合机械性能1.2金属及合金的晶体结构2.金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成。1.三种常见的金属的晶格类型：体心立方面心立方密排六方基本概念凝固：一般非晶体由液态向固态转变的过程。结晶：由液态金属转变为固态晶体的过程。晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。非晶体:原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。晶体中的原子排列金属的结晶纯金属的冷却曲线（理想状态）ºCTºLabS0a：结晶开始点b：结晶终了点金属的结晶纯金属的冷却曲线（实际）ºCLT0T1S0T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度ΔT=T0--T1（过冷度）金属的结晶合金的冷却曲线ºCabLsL+s0a：结晶开始点b：结晶终了点合金的结晶是在一个温度范围内完成。金属的结晶结晶的必要条件----过冷度金属的结晶过程：原子团形核晶核长大小晶粒晶粒（外形不规则的小晶体）形核：自身晶核、外来晶核晶核长大方式：树枝状方式晶界—晶粒间的分界面；单晶体—结晶方位完全一致的的晶体多晶体—由多晶粒组成的晶体结构细化晶粒的方法增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；晶粒粗细对材料力学性能的影响晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。金属的同素异构转变1538cº1394ºc912ºc室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方金属的同素异构转变的慨念金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。1.3合金的结构概念合金、组元、相；固溶体：置换固溶体、间隙固溶体；金属化合物；固溶强化的概念。1.3.1合金的结构——概念合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后所获得的新的物质仍然具有金属特性。组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。例如：单一的液单一的固相；液相、固相两相共存；1.3.2合金的结构——固溶体固溶体：由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。当A、B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的铁素体、奥氏体。置换固溶体和间隙固溶体的区别1.3.4合金的结构——固溶强化A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。例如：Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。1.3.3合金的结构——金属化合物随着溶质原子的增加，所形成的固溶体的强度、硬度升高的现象。例如：纯铁与钢的用途1.4二元合金状态图把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。1.5铁碳合金铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。1.5.1铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶(F）。塑性（δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。两种反应：1148℃1、共晶反应一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反应一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。A2.11%c727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c1.5.2铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点共晶点共析线共析点纯铁的熔点共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm铁碳合金相图中主要特性点的含义特性点的符号温度t/℃含碳量wc%含义ACDEGPSQ1538114812271148912727727室温04.36.692.1100.020.770.0008纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度α-Teγ-Te同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度共析点碳在铁素体中的溶解度相图中主要线的含义ACD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。典型合金结晶过程分析铁碳合金含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。共晶生铁：含碳量为4.3%;亚共晶生铁：含碳量在2.11%—4.3%之间；过共晶生铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁钢生铁含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%—0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；1.5.3铁碳合金状态图分析LL+AAA+Fe3CⅡF+AA+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡPP+FLdL'dL+Fe3CLd+Fe3CL'd+Fe3CL'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C转变A—奥氏体P—珠光体F—铁素体共析钢和亚共析钢的结晶过程分析过共析钢结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析L’d—变态莱氏体马氏体组织转变观察.rm亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析钢碳素钢碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广)碳素工具钢(T8等)合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它量具钢模具钢刃具钢轴承钢弹簧钢调质钢渗碳钢低合金结构钢（1.5%C)16Mn、20Cr9Cr2、CrWMn2Cr13、1Cr18Ni91.6工业用钢分类及选材合金钢的分类•⑴按用途分为：•A、合金结构钢：用来制造各种机器零件及工程结构。•B、合金工具钢：用来制造各种重要的工具、量具、刃具等。•C、特殊性能钢：用来制造有特殊性能要求的结构件和机器•零件等•⑵按合金元素的含量分为：•低合金钢－合金元素总含量小于5％。•B、中合金钢－合金元素总含量小于5％～10％。•C、高合金钢－合金元素总含量大于10％。低合金高强度钢（GB/T1591-2004)•低合金结构钢含碳量在0.1％～0.25％之间，所加入•的合金元素含量不大于3％。•成分特点：为低碳、低合金，所加入的合金元素主要•有锰、钒、钛等。•强度：比普通碳素钢高30％～50％，故又称之为的合•金高强度钢。•性能：具有良好的塑性、韧度、焊接性及较好的耐磨•性和耐蚀性。•用途：主要用于制造工程结构如汽车大梁、前保险杠•等。热处理普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理渗碳渗碳.rm渗氮碳氮共渗加热保温冷却临界温度热处理工艺曲线T℃其它热处理形变真空激光1.7钢的热处理1.7.1退火和正火退火：将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。目的：降低硬度，便于机加工。细化晶粒，提高塑性和韧性。消除应力。应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。1、完全退火：将亚共析钢加热到Ac