金属材料学-金属材料合金化基础(第一章)教案

讲课内容补充说明第一章金属材料合金化基础金属材料按其组成材料的元素是单个还是多个可分为纯金属和合金。按其色质或主要组成元素的种类在习惯上又可分为黑色金属与合金以及有色金属与合金两大类。黑色金属与合金是指铁、铬、锰和以铁、铬、锰为主的合金；有色金属与合金是指除铁、铬、锰以外的其它金属或其主要组成元素不是铁、铬、锰的合金。由于铁基合金（钢铁材料）在黑色金属材料中占据极其重要的地位，因此本书主要讲授钢（包括铁基高温合金）和铸铁。也正基于此，习惯上人们常把除铁和钢以外的金属及其合金称为有色金属或非铁合金。本章重点讲授钢的合金化原理，并在此基础上介绍有色金属材料合金化的特点。1.1碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。它们对碳钢的性能有一定的影响。1．锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%。主要固溶于铁中。此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的MnS夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。因为FeS熔点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600℃），MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。硅在钢中的含量通常小于0.5%。由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。2．硫和磷的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（＜0.06%），而在碱性电炉和电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在α-铁中的最大溶解度可达2.55%(1049℃)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE等低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保证取得细晶组织的条件下（如用Al脱氧的钢），磷的冷脆作用得以抑制。故在σs、σb升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含磷量提高到0.08%~0.15%时，可使铁素体适当脆化，从而提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。3．氮、氢、氧的影响氮是在冶炼时进入钢中的。氮在α-铁中的溶解度在590℃时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌等合金元素时，氮可以与之形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。此外氮化钢就是利用氮化物相强化钢铁材料零件的。氢在钢中的溶解度甚微，对钢的组织看不出什么影响。但由于氢和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。钢中较常见的是“白点”和氢致延迟断裂。钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子，由于微孔核心等很小，很少的氢气便可产生相当大的压力，这种内压力大到足以通过塑性变形或解理使裂纹长大或使微孔长大、连接时便产生氢脆断裂，呈白点特征。当氢在位错附近偏聚形成“气团”时，“氢气团”的运动遇到障碍产生位错塞积的同时也就造成了氢的偏聚，当偏聚在裂纹尖端的氢含量达到临界值时，该区域发生脆化，裂纹向前扩展，到一定距离后裂纹扩展停止；当裂纹前方的氢偏聚再次达到临界值时裂纹再次扩展，如此不连续式的扩展，最后达到临界尺寸而失稳断裂。氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。这些非金属夹杂物有易变形的，如2MnO•SiO2、MnO•SiO2，与硫化物相似，沿加工方向伸长，呈线段状；也有不易变形的，如各种氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2和FeO等，沿加工方向呈链状分布。非金属夹杂物对钢的质量有重要影响，这种影响不仅和夹杂物的成分、数量有关，而且还和它的形状、大小，特别是分布状况有关。为了保证钢材在使用中不出现问题，钢材生产厂都必须严格按照国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级；钢材使用单位即用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析，对组织和缺陷及夹杂物做金相分析，对力学性能作力学试验。二、碳钢的分类在材料科学基础中，我们曾根据铁碳相图对铁碳合金进行分类。那时我们把铁碳合金分为工业纯铁（wC0.0218%）、钢（wC＝0.0218%~2.11%）和白口铸铁（wC＝2.11％～6.69％）三大类。根据合金成分（或组织）的不同把钢又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三类；把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。然而，在实际生产中，为了满足各种不同的使用需要，碳钢有许多品种，为了使碳钢的生产、使用、管理科学化，必须对碳钢进行分类并确定其对应的牌号。碳钢的分类方法很多，常见的有：1．按钢中碳含量的多少，碳钢通常可分为（1）低碳钢，碳的质量分数wc≤0.25%的碳钢通常称为低碳钢。（2）中碳钢，碳的质量分数0.25%＜wc≤0.6%的碳钢通常称为中碳钢。（3）高碳钢，碳的质量分数wc＞0.6%的碳钢通常称为高碳钢。2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢，硫的质量分数wS≤0.05%，磷的质量分数wP≤0.045%的碳钢称为普通碳素钢。（2）优质碳素钢，硫的质量分数wS≤0.035%，磷的质量分数wP≤0.035%的碳钢称为优质碳素钢。（3）高级优质碳素钢，硫的质量分数wS≤0.02%，磷的质量分数wP≤0.03%的碳钢称为高级优质碳素钢。（4）特级优质碳素钢，硫的质量分数wS≤0.015%，磷的质量分数wP≤0.025%的碳钢称特级优质碳素钢。3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢，主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。（2）优质碳素结构钢，主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。（3）碳素工具钢，主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。（4）一般工程用铸造碳素钢，主要用于制造形状复杂且需要一定强度、塑性和韧性的零件。4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢，是指脱氧不彻底的钢，代号为F。（2）镇静钢，是指脱氧彻底的钢，代号为Z。（3）半镇静钢，是指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。（4）特殊镇静钢，是指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。碳素结构钢的牌号组成中，表示镇静钢的符号“Z”和表示特殊镇静钢的符号“TZ”可以省略，例如：质量等级分别为C级和D级的Q235钢，其牌号表示为Q235CZ和Q235DTZ，可以省略为Q235C和Q235D。此外，还可按钢的冶炼方法分类，如平炉钢（用平炉冶炼）、转炉钢（用转炉冶炼）等。其中转炉钢还可分为碱性转炉钢（冶炼时造碱性熔渣）、酸性转炉钢（冶炼时造酸性熔渣）和顶吹转炉钢（冶炼时吹氧）等。三、碳钢的用途1．普通碳素结构钢这类钢的平均含碳量在0.06%~0.38%范围内，主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），应用量很大（约占钢总产量的70%以上）。对这类钢通常是热轧后空冷供货。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。所以，这类钢的牌号主要是以其力学性能中的屈服点来命名。其牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。这类钢的标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q，等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中：A级wS≤0.05%,wP≤0.045%，B级wS≤0.045%,wP≤0.045%，C级wS≤0.04%,wP≤0.04%，D级wS≤0.035%,wP≤0.035%。其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。镇静钢和特殊镇静钢的牌号中脱氧方法符号可省略。表1-1列出了碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自GB700-88）。碳素结构钢共分五个强度等级。一般以热轧空冷状态供应，适用于一般工程结构所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。其中牌号Q195与Q275碳素结构钢是不分质量等级的，Q215、Q235、Q255牌号的碳素结构钢，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。Q195、Q215钢含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）、马口铁（镀锡薄钢板）等强度要求不高的工件。在某些场合可以代替优质碳素结构钢08或10钢，制造冲压、焊接结构件。Q235A、Q255A可用于农机具中不太重要的工件。如拉杆、小轴、链等。也常用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B可作为建筑工程中质量要求较高的焊接结构件。在机械中可用作一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255、Q275钢强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。在某些场合可以代替30钢、40钢用于制造稍重要的某些零件（如齿轮、链轮等），以降低原材料成本。表1-1碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自GB700-88）牌号等级化学成分w(%)脱氧方法拉伸试验冲击试验CMnSiSP屈服点σs/MPa抗拉强度σb/MPa伸长率δ5(%)温度t/℃V型冲击吸收功(纵向)AKV/J钢材厚度(直径)δ(d)/mm钢材厚度(直径)δ(d)/mm不大于≤16＞16~