金属材料和热处理基础知识

金属材料及热处理

基础知识

静载单向静拉伸应力―应变曲线1．I(oab)段―弹性变形阶段a:Pp

，b:Pe

（不产生永久变形的最大抗力）oa段：△L∝P

直线阶段ab段：极微量塑性变形2．II(bcd)段―屈服变形c:屈服点

Ps3．III(dB)段―均匀塑性变形B:

Pb材料所能承受的最大载荷4．IV(BK)段―局部集中塑性变形颈缩低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线分为四阶段：

材料的强度――材料所能承受的极限应力.单位Pa(N/mm2)σ=P/Fo

表示材料抵抗变形和断裂的能力1．抗拉强度σb=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。2．屈服强度σs和条件屈服强度σ0.02a:

σs=Ps/Fo

（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）b:

σ0.02条件屈服强度3．疲劳强度σ-1

（80%的断裂由疲劳造成）疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。

塑性1．延伸率

Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关，

d5,

d10(Lo=5do,10do)2．断面收缩率y

=△F/Fo=(Fo-Fk)/Fox100%d,y越大，塑性愈好d<5%,脆性材料

刚度和弹性1．刚度－材料在受力时，抵抗弹性变形的能力E=σ/ε杨氏弹性模量

GPa,MPa本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。2．弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。比例极限：σp=Pp/Fo

应力―应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Pe/Fo

不产永久变形的最大抗力工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01

冲击韧性韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力--韧性。冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F(J/cm2)ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，断口呈金属光泽，呈结晶状。ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。韧性与温度有关—脆性转变温度TK

碳钢一、碳钢中的杂质1．锰—有益；0.25--0.80%脱氧剂；

降低FeO→↓脆性，Mn+S→MnS(降低S的有害作用)↑热加工性能固溶强化；使性能更优；2．Si

有益脱氧→↓脆性固溶强化3．硫—

有害985℃（Fe+FeS）→热脆加入Mn→MnS4．磷

—

有害Fe3P

室温下<100℃，脆性大→冷脆5．O、N、HO2－↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素N2－兰脆，若钢中存在Al.V.Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高

H2—氢脆、白点，有害

二、碳钢的分类1、按含碳量分类低碳钢:钢中含碳量小于0.25％;中碳钢:钢中含碳量在0.25～0.6％之间;高碳钢:钢中含碳量大于0.6％。2、按质量分类按钢中有害杂质硫、磷的含量为标志分为:普通碳素钢(S≤0.055％、P≤0.045％)优质碳素钢(S≤0.040％、P≤0.040％)高级优质碳素钢(S≤0.030％、P≤0.035％)3、按用途分类分为碳素结构钢和碳素工具钢。

三、碳钢的编号及用途1、普通碳素结构钢这类钢又称为普通碳钢,钢号表示方法由代表屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号和脱氧方法符号等四部份顺序组成。Q×××─××┬─┬─┬┬│││└──脱氧方法符号,分为F(沸腾钢)、B(半镇静钢)、│││Z(镇静钢)、TZ(特殊镇静钢)││└───质量等级,分为A、B、C、D等│└──────该钢的屈服强度值,单位MPa└─────────屈服强度代号如Q235─A、F屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q255─B、Z屈服强度为255MPa的B级镇静钢。钢的质量等级中A级最低,D级最高,通常应用最多为A、B级,主要用于制造型钢、建筑用材和普通机械零件。C、D级钢中硫、磷含量偏低、含碳量控制比较严格,主要用在焊接结构中。工程中的普通结构、建筑用材使用最多的是Q235--AX或Q235--BX,即原普通碳素结构编号系统中的A3钢。

2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢既保证机械性能,又保证化学成分,而且钢中所含杂质及非金属夹杂物较少,机械性能比较优良。主要用于制造重要的机械零件。一般在热处理后使用。优质碳素结构钢用两位数字表示钢号,两位数字表示平均含碳量的万分数。如20钢的平均含碳量为0.20％。3、碳素工具钢碳素工具钢的含碳量在0.65～1.35％范围内,按其含硫、磷量的不同,分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢。碳素工具钢的编号是以"T"开头,后面的数字表示平均含碳量的千分之几,高级优质碳素工具钢,在钢号后面再标以"A"。如T8A表示平均含碳量为0.8％的高级优质碳素工具钢。

4、碳素铸钢将钢液直接铸造成钢件的钢称为铸钢。碳素铸钢的编号是在数字之前冠以“ZG”,后面的两位数字表示平均含碳量的万分数。如ZG25表示平均含碳量为0.25％的碳素铸钢。5、专用碳素钢常用在钢号的前面或后面加一汉语拼音字母。如20g表示20号锅炉钢;H08表示碳平均含量为0.08％的焊条用钢;容器用钢加字母"R"等。1.4按照冶炼过程中脱氧程度和钢坯内气孔存在情况1.4.1镇静钢（Z）1.4.2沸腾钢（F）1.4.3半镇静钢（b）1.4.1镇静钢（Z）为完全脱氧的钢。在钢号尾部加注Z表示。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低。在正常操作条件下，镇静钢中没有气泡，匀致密；由于含氧量低，钢中氧化物夹杂较少，纯净度较高，冷脆和时效倾向小；同时，镇静钢偏析较小，性能比较均匀，质量较高。镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件、焊接结构及其他要求强度较高的构件。

1.4.2沸腾钢（F）为脱氧不完全的钢。钢在冶炼后期不加脱氧剂（如硅、铝等），浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。不使用硅铁脱氧，所以硅含量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。沸腾钢的外层是在沸腾所造成的钢液剧烈搅动的条件下结晶成的，故表层纯净、致密，表面质量好，有很好的塑性和冲压性能，没有大的集中缩孔，切头少，成材率高，而且沸腾钢生产工艺简单，铁合金消耗少，钢材成本低。钢心部杂质较多，偏析较严重，组织不致密，力学性能不均匀。同时由于钢中气体含量较多，故韧性低，冷脆和时效敏感性较大，焊接性能也较差。沸腾钢板不适于制造承受冲击载荷、在低温条件下工作的焊接结构及其他重要结构。沸腾钢板大量用于制造各种冲压件，建筑及工程结构及一些不太重要的机器结构零部件。1.4.3半镇静钢（b）脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。半镇静钢在浇注过程中一般不析出气体，只在注毕后排出少量气体，在模内发生短时间的微弱沸腾。残留于钢锭中的气泡容积大体上抵消钢的冷凝收缩，无集中缩孔，且形成微凸的顶部。故半镇静钢又称为“平衡钢”。半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似，而性能却与镇静钢钢锭相近，成分偏析小，综合机械性能好。用半镇静钢可部分代替镇静钢。因切头减少，成坯率可提高7％～10％，还可节约脱氧用硅铁和铝1／2～1／3。由于它的偏析较小和轧制废品少，成材率可接近沸腾钢，钢材性能却比沸腾钢好。半镇静钢钢锭浇注无需强制封顶，又特别适宜于快速上注，使铸锭生产能力比沸腾钢更高。

一、合金钢的分类1、按合金元素的总含量分类低合金钢:钢中合金元素总含量小于5％;中合金钢:钢中合金元素总含量在5～10％之间;高合金钢:钢中合金元素总含量大于10％。

2、按用途分类合金结构钢:主要用于重要的机械零件和工程结构上,按用途的不同可分为普通低合金钢(普低钢)、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢。合金工具钢:主要用于重要的刃具、量具和模具。特殊钢:具有某些特殊物理、化学性能的钢,有不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。3、按金相组织分类按正火后的组织分为珠光体钢、马氏体钢和贝氏体钢等。

二、合金钢的编号方法根据国家标准规定:合金钢是按钢的成分和用途,以数字、化学元素符号及汉语拼音字母结合的方法编号的。1、合金结构钢这类钢的编号是以两位数字+元素符号+数字组成的(前面两位数字表示钢中平均含碳量的万分数;中间为元素符号,元素符号后的数字表示该元素在钢中的平均含量的百分数)。合金钢中的合金元素往往有两个以上,按顺序列出,并遵循以下原则:a.合金元素的平均含量小于1.5％时,钢中只注明元素,不标数字。如15CrMo表明该钢平均含碳量0.15％，Cr、Mo含量均小于1.5％。b.合金元素在钢中平均含量大于或等于1.5％、2.5％、3.5％...时,在合金元素后面要相应标出2、3、4...等数字。如12Cr2MoWVTiB(钢102)表明该钢含碳量为0.12％,含铬量为1.5～2.5％,Mo、W、V、Ti和的含量均小于1.5％。c.两种钢的化学成分除一个主要元素的含量外,其余都基本相同,这个主要合金元素平均含量在两种钢中均小于1.5％,含量较高者,后面应加"1"字,以示区别。如12Cr1MoV和12CrMoV钢的含铬量分别为0.9～1.2％和0.4～0.6％。

2、合金工具钢和特殊钢这两类钢的编号基本相同,由一位数字+元素符号+数字组成。前面数字表示钢中平均含碳量的千分数,又规定合金工具钢的含碳量超过1.0％时,含碳量略去不标,合金元素含量的表示原则同合金结构钢。如CrWMn钢表示钢的平均含碳量大于1.0％,Cr、W、Mn的含量均在1.5％以下。又如1Cr18Ni9Ti表示钢的平均含碳量为0.1％,Cr的平均含量为18％,Ni的平均含量为9％,Ti的平均含量小于1.5％。为区别钢的质量的好坏,高级优质钢在钢号末尾加上"A"字,如50CrMoA即属于高级优质钢。

不锈钢1．抗腐蚀原理ａ.金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀)ｂ.金属腐蚀破坏的方式:①均匀腐蚀②晶间腐蚀③电腐蚀④应力腐蚀⑤腐蚀疲劳c.金属抗腐蚀的原理：①单相组织→原电池形成可能性↓、金属电极电位↑→抗腐蚀；②↓电极电位差、↑阳极电极电位；③表面保护膜→钝化

2.不锈钢的合金化原理：①含C量尽可能低；②加入Cr→n/8定律→含量＞12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)；③含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)；④加入Ni→单相A或F+A(如A不锈钢)；⑤加入Ti、Nb、B→晶界腐蚀↓3．常用不锈钢a.M不锈钢1Cr13,2Cr13用于汽轮机叶片、热裂设备,3Cr13,4Cr13手术器具及刀具b.F不锈钢1Cr17化工设备、食品工业c.A不锈钢1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti化工、食品、医疗行业d.A－F不锈钢1Cr12Ni5Ti化工设备、热交换器

二、不锈钢的分类根据不锈钢基体组织的不同，可分为以下三种类型：1、马氏体不锈钢这类钢的含铬量为13～18％，含碳量0.1～1.0％，室温组织为马氏体，主要包括Cr13型不锈钢等。常用的钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。马氏体不锈钢中的含铬量大于12％，使钢的电极电位明显升高，因而耐蚀性也明显提高。便这类钢中含有较高的碳，含碳量增加，钢的硬度、强度、耐磨性及切削性能显著提高，而耐蚀性下降。含碳量较低的1Cr13、2Cr13等不锈钢具有较高的塑性、冲击韧性和良好的综合力学性能，常用来制造汽轮机叶片等。2、铁素体不锈钢这类钢的特点是含铬量高(＞15％)，含碳量低(≤0.15％)，室温组织为单相铁素体，热力设备中常用的有1Cr17和1Cr25Ti。这类钢的耐蚀性优于马氏体型不锈钢，但其缺点是韧性低，脆性大。这类钢主要用于机械性能要求不高的耐蚀构件上，如锅炉燃烧室，高温过热区的吹灰器，吊架等。3、奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是生产上应用最广泛的不锈钢。最常见的是含铬量为18％，含镍量为9％的18－8型不锈钢。如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、TP304H、TP347H等都属于18－8型不锈钢。在18－8型钢基础上加入Ti、Nb是为了消除晶间腐蚀。这类钢有很好的耐蚀性，同时具有优良的抗氧化性和高的机械性能。奥氏体不锈钢若含碳量较多，则奥氏体在冷却时易发生分解形成(CrFe)23C6，不能保持单相奥氏体状态，故奥氏体不锈钢中含碳量应小于0.1％。

三、晶间腐蚀Cr-Ni奥氏体不锈钢在400～850℃保温或缓慢冷却时会发生严重的晶间腐蚀破坏。贫铬理论对晶间腐蚀的解释较为普遍被人们所接受。铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有效含量应超过12％。以碳含量为0.08％的普通18－8型钢为例，由于室温时碳的溶解度只有0.02～0.03％，固溶处理后奥氏体中碳必为过饱和，而且呈不稳定状态。若经再次中温加热(一般为400～850℃之间)，超过溶解度的碳将向晶界扩散，并与Cr结合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23C6沉淀于晶界。这时，由于晶粒内部Cr的扩散速度较慢，在形成Cr的碳化物的同时发生Cr的供不应求的现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺Cr。有腐蚀介质作用时，贫Cr区将产生明显腐蚀，即形成晶间腐蚀。