钢结构组织与特性

1、钢结构组织与特性铁素体 (F)1. 组织：碳在a铁中的固溶体2. 特性：呈体心立方晶格.溶碳能力最小,最大为0.02%;硬度和强度很低，HB=80-120, c b=250N/mmA2而塑 性和韧性很好,S =50%山=70-80%.因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动 的机件. 这类钢有超低碳钢 , 如 0Cr13,1Cr13 、硅钢片等奥氏体1. 组织:碳在丫铁中的固溶体2. 特性 ： 呈 面心 立方晶格. 最高溶碳量为 2.06%, 在一般情况下, 具有高的 塑性 , 但强度和 硬度 低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温 转变时产生以外,在常温时亦存

2、在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中 , 如奥氏体不锈钢等渗碳体 (C)1. 组织： 铁和碳的化合物 (Fe3C)2. 特性：呈复杂的八面体晶格.含碳量为6.67%,硬度很高，HRC70-75,耐磨，但脆性很大，因此，渗碳体不能 单独应用 , 而总是与铁素体混合在一起 . 碳在铁中溶解度很小 , 所以在常温下 ,钢铁组织内大部分的碳都是 以渗碳体或其他碳化物形式出现珠光体(P)1. 组织; 铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织 , 是铁素体与渗碳体连接的共析体 )2. 特性： 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物 . 其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同 , 过冷程度越大，片层组织越细性质也不同.奥

3、氏体在约 600C分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体),在500-600C分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极细珠光体(有的一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高 , 而较渗碳体低 , 其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高 . 正火后的珠光体比退 火后的珠光体组织细密 , 弥散度大 , 故其力学性能较好 , 但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中 故不如索氏体莱氏体(L)1. 组织： 奥氏体与渗碳体的共晶混合物2. 特性:铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130C便凝固出莱氏体.当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体.因此，在723C以下莱氏体

4、是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合).莱氏体硬而脆(> HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工，如白口铁.在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢 和Cr12型高合金工具钢等.这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性淬火与马氏体1. 组织： 碳在 a -Fe 中的过饱和固溶体 ,显微组织呈针叶状2. 特性： 淬火后获得的不稳定组织 . 具有很高的硬度 , 而且随含碳量增加而提高 , 但含碳量超过 0.6%后的硬 度值基本不变，如含C0.8%的马氏体，硬度约为HRC65冲击韧性很低，脆性很大，延伸率和断面收缩率几乎 等于零. 奥氏体晶粒愈大 , 马氏体针叶愈粗大 , 则冲击韧性愈低

5、; 淬火温度愈低 , 奥氏体晶粒愈细 , 得到的马 氏体针叶非常细小 , 即无针状马氏组织 , 其韧性最高回火马氏体 (S)1. 组织: 与淬火马氏体硬度相近 ,而脆性略低的黑色针叶状组织2. 特性：淬火钢重新加热到150-250C回火获得的组织.硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格，但内应力比淬火马氏体小索氏体(S)1. 组织： 铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织2. 特性：淬火钢重新加热到500-680C回火后获得的组织.与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性 都高,随回火温度提高，硬度和强度降低，冲击韧性提高硬度约为HRC23-35综合机械性能比较好索氏体 有的叫二次索氏体或回火索

6、氏体屈氏体 屈氏体(T)1. 组织： 铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织2. 特性:淬火钢重新加热到350-450C回火后获得的组织.它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很 致密,仍具有较高的强度和硬度，并有比马氏体好的韧性和塑性，硬度约为HRC35-45屈氏体有的叫二次屈 氏体或回火屈氏体下贝氏体 (B)1. 组织： 显微组织呈黑色针状形态 ,其中的铁素体呈现针状 ,而碳化物呈现极小的质点以弥散状分布在针 状铁素体内2. 特性：过冷奥氏体在400-240C等温度转变后的产物.具有较高的硬度，约为HRC40-55,良好的塑性和很 高的冲击韧性 ,其综合机械性能比索氏体更好 ;因此,在要求较

7、大的、韧性和高强度相配合时 ,常以含有适当 合金元素 的中碳结构钢等温淬火 , 获得贝氏体以改善钢的机械性能 , 并减小内应力和变形低碳马氏体具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(T b=1200-1600N/mmA2, c 0.2=1000-1300N/mmA2, S 5> 10%® >40% k> 60J/cmA2); 同时还有低的冷脆 转化温度(<-60C);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下，其缺口敏感度和过载敏感性都较低低碳马氏体状 态的20SiMn2MoVAg合力学性能，比中碳合金钢等温淬火获得的下贝氏体更好保持了低碳钢的工艺性能 但切削加工较难

8、.钢的热处理1. 退火 将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或 部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成 分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切 削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故 退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。（钢的铁 - 碳平衡图）2. 正火 正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。 它能消除过共析钢的网状渗碳体，

9、对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件 用正火代替退火工艺是比较经济的。3. 淬火 淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临 界冷却速度的速度急速冷却， 而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。 淬火能增加钢的强度和硬 度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有： 水、油、碱水和盐类溶液等。 而高速钢的淬火剂可以是“风”， 所以高速钢又被称为“风钢”。4. 回火 将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降 低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和

10、低温回火三类。回火多与淬火、正 火配合使用。调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650C之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合 机械性能。时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250C）精加工前，把工件重新加热到100-150C，保持5-20小时，这种为稳定精 密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳 定钢材组织和尺寸，尤为重要。5. 表面热处理 表面淬火：是将钢件的表面通过快速加

11、热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这 样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适 用于中碳钢。化学热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面 层去， 来改变工件表面层的化学成分和结构， 从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热 处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。 也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层， 再经过淬火和低温 回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着

12、低碳钢的韧性和塑性。渗氮： 又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。 其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、 抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。氰化： 又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面具有渗碳与渗氮的特性。渗金属 ： 是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊 钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。铁-碳合金平衡图中特性点与线 符号说明A纯铁的凝固点；E碳在丫 -Fe中的最大溶解度；G 丫 -Fea -Fe转变点；C共晶点；S共点;ABCD液相线.

13、液体开始结晶；AHJECF固相线,液体终止结晶ES Acm线,渗碳体开始从奥氏体中析出ECF共晶线，开始从液体结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物GS As线，自奥氏体开始析出铁素体，即丫 -Fea -Fe的开始线PSK共析线或称A1线,自奥氏体开始析出铁素体和渗碳体的共析混合物 注:1.As线在加热时称为Ac3线，冷却时称Ar3线；2.A1 线在加热时称为Ac1线,冷却时称Ar1线室温下铁-碳合金的平衡组织 名称含碳晶，工业纯铁<0.0218%亚共析钢0.0218%-0.77%共析钢 0.77%过共析钢0.77%-2.11%亚共晶的口铁 2.11%-4.3%共晶白口铁 4.3%过共晶白口铁

14、4.3%-6.67%平衡组织铁素体+三次渗碳体(a+FesG)铁素体+珠光体(a+p)珠光体(p)珠光体+二次渗碳体(p+ Fe 3Cn)树状珠光体+二次渗透体+共晶体(P+ Fe 3Cn +Ld )共晶体(珠光体+渗碳体)(Ld 1 )板状一次渗碳体+共晶体(Fe 3C1 + Ld1 )元素周期表1nmIVVinmVVvn1氢H氦He23 锂Li4铍Be原子序数19元索名称一钾K 元索苻号5 硼B6碳C7氮N8 氧09 氟F10氖Ne311钠Na12 镁Mg13 铝Al14硅Si15 磷P16硫S17氯Cl18氩Ar419 钾K20钙Ca21 钪Sc22 钛Ti23 钒V24 铬Cr25 锰

15、Mn26 铁Fe27钻Co28 镍Ni29 铜Cu30 锌Zn31镓Ga32锗Ge33砷As34 硒Se35 溴Br36 氪Kr537铷Rb38 锶Sr39 钇Y40 锆Zr41铌Nb42钼Mo43 锝Tc44钉Ru45 铑Rh46 钯Pd47 银Ag48 镉Cd49 铟In50 锡Sn51锑Sb52 碲Te53 碘154 氙Xe655 铯Cs56 钡Ba*镧系72 铪Hf73 钽Ta74 钨W75 铼Re76 锇Os77 铱Ir78 铂Pt79 金Au80 汞Hg81 铊TI82 铅Pb83 铋Bi84 钋Po85 砹At86 氡Rn787 钫Fr88 镭Ra*锕系104Rf105Db106

16、Sg107Bh108Hs109Mt110Uun111Uuu112Uub113Uut114Uuq115Uup116Uuh117Uus118Uuo2*镧系元素57 镧La58 铈Ce59 错Pr60 钕Nd61钷Pm62钐Sm63 铕Eu64钆Gd65 铽Tb66 镝Dy67钦Ho68 铒Er69 铥Tm70 镱Yb71镥Lu*锕系元素89 锕Ac90 钍Th91镤Pa92 铀U93 镎Np94钚Pu95镅Am96锔Cm97 锫Bk98 锏Cf99 锿Es100 镄Fm101 钔Md102 锘No103 铹Lr元素名称对性能主要影响Al主要作用为细化晶粒和脱氧，在渗氮钢中能促成渗氮层，含量高时，能

17、提高高温抗氧化性，耐H2s气体的腐蚀作用，固溶强化作用大，提高耐热合金的热强性，有促使石墨化倾向B微量硼能提高钢的淬透性，但随钢中碳含量增加，淬透性的提高逐渐减弱以至完全消失C含量增加，钢的硬度和强度也提高，但塑性和韧性随之下降CO有固溶强化作用，使钢具有红硬性，提高高温性能、抗氧化和耐腐蚀性，为高温合金及超硬高速钢的重要合金元素，提高钢 的Ms点，降低钢的淬透性Cr提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12%时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性Cu含量低时，作用和镍相似，含量较高

18、时，对热变形加工不利，如超过0. 30%时，在热变形加工时导致高温铜脆现象，含量高于0. 75%时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。在低碳合金钢中，特另提与磷同时存在，可提高钢的抗大气腐蚀性，2%一 3%的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性Mn降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显 提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向Mo提高钢的淬透性，含量0.5%时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。提高热强性和蠕变强度，含量2%3%时，提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力有不明显的固溶强

19、化及提高淬透性的作用，提高蠕变强度，与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用，表面渗氮，提高硬度及 耐磨性，增加抗蚀性，在低碳钢中，残余氮会导致时效脆性Nb固溶强化作用很明显，提高钢的淬透性（溶于奥氏体时），增加回火稳定性，有二次硬化作用，提高钢的强度、冲击韧性，当含量高时（大于碳含量的8倍），使钢具有良好的抗氢性能，并提高热强钢的高温性能（蠕变强度等）Ni提高塑性及韧性，（提高低温韧性更明显），改善耐蚀性能，与铬、钼联合使用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要 合金元素之一P固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联 合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性Pb改