山大材料科学基础考研第十一章

材料科学基础2007.12第

十

一

章

材

料

概

论

Ⅱ主要内容:合金元素在钢中的作用低合金高强度钢合金结构钢合金工具钢不锈钢与耐热钢铸铁有色金属铝合金铜合金§11.1

合金元素在钢中的作用一、合金元素对钢性能的影响增加淬透性淬火回火钢力学性能相似性：不同成分机器零件用钢完全淬透再回火至相同硬度时，钢的各种常规力学性能大致相同；影响强度主要因素：马氏体量除钴外，所有合金元素都使C曲线向右

降低临界冷却速度，淬硬层加深，淬透性提高，马氏体量增加，强度提高；§11.1

合金元素在钢中的作用一、合金元素对钢性能的影响提高回火抗力回火抗力：在较高回火温度下仍能保持高硬度或强度的能力—回火稳定性；Si、Cr、Mo、W等阻止马氏体分解，阻碍回火过程进行；合金元素必须溶入奥氏体才能起作用；二次硬化：高速钢等高温回火，回火硬度高于淬火硬度的现象：合金碳化物的弥散析出；二次淬火：残余奥氏体中碳含量下降，转变成马氏体。§11.1

合金元素在钢中的作用一、合金元素对钢性能的影响获得碳钢不具备的特殊性能获得单相组织(F、A)或双相组织(F+A)—耐腐蚀、耐热、低温性能好等；合金元素对回火硬度的影响CrSiMo§11.1

合金元素在钢中的作用二、Me对钢平衡组织的影响合金元素在钢中的分布形成非金属夹杂：MnS,Cr2O3等；溶入固溶体：Ni、Si、Co等只溶于铁素体；

形成强化相：碳化物：VC、TiC、NbC、WC等；合金碳化物：(FeMn)3C、(FeCr)3C；其他：AlN，金属间化合物等；自由存在:以游离状态存在于基体中，如银Ag、铅Pb。§11.1

合金元素在钢中的作用二、Me对钢平衡组织的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大相区的元素：C、N、Ni、Mn，提高A4点，降低A3及A1温度，相稳定存在区域扩大—奥氏体形成(稳定)元素；缩小相区的元素：Cr、V、Mo、Ti、Si等，A4下降，A3及A1上升，缩小

相区—铁素体形成元素；所有合金元素使E点和S点左移。Mn的影响Cr的影响§11.1

合金元素在钢中的作用三、Me对钢不平衡组织的影响除Co外所有溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移—提高淬透性；非或弱碳化物形成元素使C曲线整体右移—不改变曲线形状；强碳化物形成元素使C曲线分成两部分—珠光体转变曲线和贝氏体转变曲线：Cr等强烈阻碍贝氏体转变，对珠光体转变影响不大；Mo(W)等则有效推迟珠光体转变而对贝氏体转变影响较小。§11.1

合金元素在钢中的作用Ni的影响Cr的影响W的影响钢的分类

工程构件用钢

机器零件用钢

特殊性能钢

工具钢

低合金高强度钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢刃具钢模具钢不锈钢耐热钢钢的分类

按金相组织分亚共析钢过共析钢莱氏体钢共析钢平衡组织

珠光体钢马氏体钢奥氏体钢贝氏体钢正火组织

钢的分类

按冶炼方法分冶炼设备

电炉钢

转炉钢

平炉钢

碱性酸性脱氧程度

镇静钢半镇静钢

沸腾钢

钢的分类

按冶金质量分

(S、P含量)普通钢

≤0.04%P≤0.05%S

优质钢

≤0.025%P≤0.025%S

高级优质钢

≤0.025%P≤0.015%S

钢的分类

按成分分低碳钢

＜0.25%C

中碳钢

0.25-0.6%C

高碳钢

>0.6%C低合金钢

＜5%Me

中合金钢

5～10%Me

高合金钢

>10%Me§11.2

低

合

金

高

强

度

钢低合金高强度钢:HSLA(HighStrengthLowAlloysteel)—构件用钢,低碳、低合金，高强度，保持塑性、韧性。一、低合金高强度钢的性能要求高屈服强度—减轻自重,降低成本;良好的塑性和韧性，塑脆转变温度低；好的工艺性能(冷加工成形能力和可焊性)和耐蚀性普通低碳钢：

s≈240MPaHSLA钢:s≈350~500MPa3~20mm厚的钢板：

5≥21%,ak纵向≥80J·cm-2,ak横向≥60J·cm-2，Tk≤-40℃§11.2

低

合

金

高

强

度

钢二、低合金高强度钢的成分与组织成分低碳：wc<0.2%碳含量增加，

b提高，s影响不大，脆断倾向大大增加，工艺性能变差。主加合金元素：Mn强化效果有显著的固溶强化作用；细化铁素体晶粒；增加珠光体数量.Mn:扩大相区的元素,明显降低Ar3线,奥氏体向铁素体转变温度降低.Mn含量不能超过1.5%—出现贝氏体;加入V、Nb、N等形成碳化物或氮化物—沉淀强化；加入稀土元素改善夹杂物形态；加入少量P、Cu增加耐大气腐蚀性。§11.2

低

合

金

高

强

度

钢二、低合金高强度钢的成分与组织组织

s<500MPa，铁素体+珠光体；

s>500MPa，低碳贝氏体、铁素体+贝氏体、铁素体+马氏体。三、控制轧制微合金化钢成分：低碳+少量Nb、Ti、V；控制轧制：首先在高温奥氏体快速再结晶区粗轧几道；降温一定时间;降温至奥氏体不能再结晶和两相区时，终轧，继续变形；停轧后转变成晶粒极为细小的铁素体。初轧温度高,碳化物等溶入奥氏体,奥氏体动态再结晶,晶粒不长大；随温度降低,碳、氮化物析出,阻碍晶粒长大；因Nb、Ti、V作用,奥氏体不能再结晶的温度增高.已再结晶的晶粒变扁平,界面面积增加,内部缺陷增多,产生变形带,铁素体转变形核位置增加.§11.2

低

合

金

高

强

度

钢四、双相钢双相钢：小岛状马氏体或下贝氏体分布在细小等轴铁素体基体上—马氏体-铁素体或贝氏体-铁素体双相钢。成分：低碳,wMn1.5%,wSi0.5%,wV0.05%;组织形成：钢板轧制后在(+)两相区连续退火，形成富碳和富合金的奥氏体小岛分布在铁素体基体上，冷却后小岛转变为马氏体或贝氏体。性能：

s=370MPa，b=665MPa，伸长率22%，冷变形加工性能好；变形后低温回火去应力，屈服强度有较大提高。§11.3

合

金

结

构

钢一、超高强度钢保证不断裂的条件下强度尽可能高：

s>1400MPa成分：中碳合金钢40CrNiMo热处理：淬火加低温回火冶炼、成分、热处理、加工等应严格控制多用于航空航天部门§11.3

合

金

结

构

钢二、具有综合力学性能的结构钢—调质钢要求钢的强度和塑性韧性有最佳配合。成分：中碳，适量合金元素(保证淬透性即可)；热处理：淬火加高温回火—调质，得回火索氏体；应用：各种轴类，连杆等§11.3

合

金

结

构

钢三、具有高弹性极限和疲劳强度的结构钢—弹簧钢吸收冲击能量，减轻振动和冲击作用。储存能量，驱动零件完成预定工作。受力：周期交变应力。失效形式：疲劳断裂及过量塑性变形。性能要求：1.高的

s、

P、

-1以及

s/

b；2.一定的塑性和韧性；§11.3

合

金

结

构

钢化学成分碳碳素弹簧钢0.6～0.9%C接近共析成分—

P提高;合金弹簧钢0.5-0.7%C合金元素使共析点左移。合金元素主加元素：Mn、Si;辅加元素：Cr、Mo、V、B、W等;热处理：淬火加中温回火，可附加喷丸处理§11.3

合

金

结

构

钢四、具有高接触疲劳强度和耐磨性能的钢—轴承钢受力：周期接触应力(高压负荷)、冲击、磨损；失效：疲劳剥落、磨损、断裂、锈蚀等；性能要求：1)高抗压强度、高

-1(接触应力达4000-5000MPa);2)高弹性极限—不产生塑性变形；3)高而均匀的硬度和耐磨性；4)尺寸稳定性好；5)淬透性好,磨削性能好。§11.3

合

金

结

构

钢化学成分1.高碳0.95-1.15%C保证淬硬性,提高硬度和耐磨性。高

P、高耐磨性要求C高，而

-1不允许C太高。2.合金元素主要Me:Cr、Mn、Si。热处理：球化退火:获均匀分布粒状P,降低硬度便于机加工。淬火加低温回火。§11.3

合

金

结

构

钢五、表面具有高耐磨性和疲劳强度、心部有足够强度和韧性的结构钢—渗碳钢受力情况：齿根部—交变弯曲应力；啮合齿面—接触疲劳和磨损；

齿牙—较大冲击(突然接合或刹车时)。失效形式：齿面磨损和剥落，齿牙断裂。

性能要求：高的弯曲疲劳强度、高的接触疲劳强度、高的耐磨性，心部较高强韧性。§11.3

合

金

结

构

钢化学成分

低碳：wc0.10%-0.25%—心部碳含量合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo、W等.热处理正火+渗碳+渗后淬火+低温回火最终组织表层：M回＋细粒状K＋少量A'高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度；心部：低碳M(淬透)或低碳M＋F(未淬透)，高强韧性表面有残余压应力—提高弯曲疲劳强度。§11.4

合金

工具

钢一、工具钢的分类、成分与组织工具钢分类工具模具模具用钢量具无专用钢种刀具刀具用钢刃具刃具用钢碳素工具钢低合金工具钢高速工具钢冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢§11.4

合

金

工

具

钢工具钢分类冷作工模具钢热作工模具钢高速钢耐冲击工模具钢塑料模具钢可用合金结构钢a,b,c的性能要求：高硬度、高耐磨性、高红硬性，足够的塑性和韧性。成分特点：碳含量较高；大量碳化物形成元素。正常组织：极细隐晶马氏体加弥散分布在基体上细小碳化物颗粒少量残余奥氏体。§11.4

合

金

工

具

钢二、碳素工具钢和低合金工具钢碳素工具钢：T7~T13，wc：0.7%-1.3%；T7、T8aK较高，耐磨性低，用于制做受冲击的凿子、木工工具等。T10、T12aK低，耐磨性高，用来作锯条(T10)、车刀、锉刀(T12)及冷冲模等。优点：易锻造，易加工，价格便宜；缺点：淬透性低，水淬开裂倾向大；组织稳定性低，无红硬性(受热200℃硬度下降)；耐磨性不够。§11.4

合

金

工

具

钢低合金工具钢碳素工具钢加一种或多种合金元素(Cr、Mn、Si、W、Mo、V)构成，碳含量：0.75-1.5%范围，合金元素总量＜5%；应用：板牙、丝锥、搓丝板等精度和耐磨性要求高的薄刃工具。热处理预先热处理—球化退火；最终热处理—淬火、低温回火。§11.4

合

金

工

具

钢三、高速工具钢化学成分:高碳高合金,碳含量:0.7-1.15%;主要合金元素：W、Mo、Cr、V、Co等—利用二次硬化;分类:钨系，T1:W18Cr4V,18-4-1;钼系，M2：W6Mo5Cr4V2,6-5-4-2性能特点：高淬透性、高红硬性、高强度、适宜的塑性和韧性。用途：各种加工工具。§11.4

合

金

工

具

钢热处理热加工：目的是破碎、细化粗大共晶碳化物,提高aK值。退火：降低硬度，获得碳化物均匀

分布的粒状组织，为淬火做组织准备。最终热处理：淬火加三次高温回火。硬度和红硬性要求为主,韧性要求不高时，取较高淬火温度，1280℃；形状复杂、厚薄不均，易变形开裂时，取较低淬火温度，1220℃。回火工艺：550—560℃/1-1.5h三次。一次:M淬火

M回,15%A'

M1,约10%A'保留；二次:M１

M１回，5-6%A'

M2；三次回火后可使A'降低到1-2%水平。§11.4

合

金

工

具

钢四、高碳铬钢高碳高铬钢Cr12MoV成分特点：高碳(1.45-2.3%)、高铬(11-13%);性能:淬透性高,高强度、高硬度、高耐磨性，足够的韧性，淬火变形微小；热处理:锻造、球化退火；淬火回火：一次硬化：淬火+低温回火，二次硬化：淬火+高温回火。§11.4

合

金

工

具

钢高碳中铬钢Cr5Mo成分特点：C、Cr含量低于高碳高铬钢，wc约1%，wCr约5%；性能:淬透性高,高强度、高硬度、韧性极好；五、热变形模具钢锤锻模5CrNiMo摩擦，交变热应力，冲击，工作温度300-400℃，截面大；成分特点：C0.5-0.6%Ni、Cr、Mo、Mn；性能：高淬透性、良好综合力学性能，较高热强性。§11.4

合

金

工

具

钢热挤压模3Cr2W8V特点：工作面温升高(铝合金550℃,黑色金属可达900℃以上)，受力复杂，急冷急热—热应力。性能要求：更高的高温强度和热稳定性，更好的热疲劳、热磨损抗力及好的韧性。成分特点：0.3-0.4%C7.5-9.0%W2.2-2.7%Cr0.2-0.5%V优点：热稳定性高，耐磨性高。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢一、金属电化学腐蚀的基本概念电化学腐蚀：由于不同金属或金属的不同相间电极电位不同而在电解质作用下产生的腐蚀。

铁的电位低为阳极，铜的电位高为阴极，两者由导线相连且同处于H2SO4电解质中：阳极(铁板)：Fe—Fe2++2e

不断失电子被腐蚀阴极(铜板)：2H++2e—H2

析出氢气

同一金属置于电解质溶液中时亦可因不同相间存在不同电极电位而形成原电池。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢形成原电池条件：1)存在电极电位差；2)有联接；3)处于同一电解质溶液中。腐蚀电池分类宏观腐蚀电池：不同金属直接接触组成；微观腐蚀电池：同一金属表面的不均匀性引起。减少电化学腐蚀的方法表面形成连续、致密的氧化膜；提高铁的电极电位；减少第二相，形成单项固溶体。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢碳C耐蚀性能为主时尽量少加；耐蚀性与力学性能并重时，可适当提高wc

0.1%~0.2%，最高0.4%；加C可得M型或F+M型不锈钢。Cr对Fe-Cr合金电极电位的影响二、不锈钢的化学成分与腐蚀抗力不锈钢的化学成分铬Cr在表面形成致密氧化膜Cr2O3;提高铁的电极电位，n/8规律；形成单相铁素体不锈钢中最低铬含量≥wCr13%；镍Ni形成单相奥氏体；多与Cr共用，Cr可减少形成单相奥氏体时Ni的用量；§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢不锈钢的抗腐蚀性能大气、水蒸气、水、弱腐蚀介质、汽油及食品中所有不锈钢耐蚀；在氧化性介质(硝酸)中不锈钢表面易于形成氧化膜，可在短时间内钝化不锈钢—Cr含量需高于17%；稀硫酸等含氧量低，不易产生完整钝化膜，一般铬或铬镍不锈钢不耐蚀，可加入钼、铜等。强有机酸中含氧量亦低，铬锰不锈钢耐蚀性好于铬镍不锈钢，加入适量钼、铜效果更好。含Cl-介质中易发生点蚀，含钼不锈钢耐点蚀性较好。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢三、不锈钢的脆性

相析出—FeCr金属间化合物，硬而脆，550-800℃长时间停留析出，常存在于晶界并伴有体积效应，造成脆性—可在850℃以上长时间保温消除；475℃脆—wCr>15%，在400-520℃间保温或缓冷造成室温脆性。原因：此温度范围Cr原子易有序化，形成富Cr的

"相并与母相共格，畸变应增加，冲击韧性下降—可快冷消除；§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢晶间腐蚀脆性—危险性极大原因：在敏化温度(450-800℃)加热或时效过程中沿界析出Cr23C6，造成晶界附近贫铬，当铬含量低于13%时失去钝化效果。防止措施：1.固溶处理—成分均匀；2.

C↓—减少Cr23C6的析出；3.

定碳及稳定化处理—加入铌、钛形成稳定碳化物NbC、TiC，减少Cr23C6的形成。4.

改变Cr23C6析出数量及分布调整成分使组织中存在少量δ铁素体，Cr23C6优先在δ/γ界面析出，减少其晶界析出数量，降低晶间腐蚀。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢四、不锈钢的种类铁素体型不锈钢低碳：＜0.1%C，极限含量＜0.15%C；C是A形成元素，且与Cr形成Cr23C6，降低耐蚀性。高铬：13-30%，提高耐蚀性，保证形成F组织。组织：F+Cr23C6，不发生相变，保持单一铁素体组织—不能用热处理方法强化。性能及应用：1)耐蚀性好，尤其在硝酸等氧化性酸中耐蚀性特别好，常用于尿素生产厂家；2)抗氧化性较好，常作为耐热钢件用，如汽车排气阀等。3)抗应力腐蚀及切削加工性能优于奥氏体不锈钢。

§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢马氏体型不锈钢碳含量范围较大，从1Cr13的0.08-0.15%，到9Cr18的0.90-1.00%。铬取低限，大多12-14%，少数达17-19%；因碳是奥氏体形成元素，故加热冷却过程中有

⇌

相变，可淬火处理，Ms点在室温以上。性能：耐蚀性、塑性和焊接性能不如奥氏体、铁素体不锈钢，但在耐蚀性基础上具有较好的力学性能，价廉，是不锈钢中最便宜的一种。主要钢号：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢奥氏体不锈钢—铬-镍不锈钢成分特点：高铬—18%,高镍—9%,Cr、Ni相辅相成获得单一A；铬、镍总量：18%+9%=27%耐蚀电位：2/8;低(超低)碳—<0.1%减少K，提高耐蚀性；其他元素—钛、铌、钼等，提高耐蚀性，固定C原子，防止晶间腐蚀。性能：1)耐蚀性最好，优于F和M不锈钢；2)塑性好、韧性高，无冷脆转变温度；3)无磁性；4)热强性高；5)可焊性好；6)切削加工性能低；7)晶间腐蚀敏感性较高。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢组织：平衡组织—F+A+Cr23C6；热处理组织—A+F+(Cr,Fe)23C6。非A稳定化钢，如0Cr18Ni9、

1Cr18Ni9等，冷变形可引起形变诱发马氏体相变；A稳定化钢，如0Cr18Ni9Ti、

1Cr18Ni9Ti，则无此现象，强化效果有限。热处理固溶处理:消除应力和晶间腐蚀倾向，提高耐蚀性;消除应力处理:消除冷加工内应力,消除焊接应力及应力腐蚀敏感;稳定化处理:优先形成稳定的TiC、NbC，不形成或少形成Cr23C6，防止晶间腐蚀。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢沉淀硬化不锈钢指在马氏体基础上经过时效处理产生沉淀强化而得到超高强度的钢，主要有A-M沉淀硬化不锈钢和M沉淀硬化不锈钢两类。主要通过调整钢的成分，使Ms点降低，固溶处理后得到不稳定残余奥氏体或M+A'组织，随后经时效析出金属间化合物强化。特点：易于加工，高强度、好的塑性、优异的耐腐蚀性能。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢五、耐热钢能在高温下工作，有一定强度，抗氧化、耐腐蚀的铁基合金：抗氧化钢—铁素体型；热强钢—珠光体型、马氏体型、奥氏体型。铁素体抗氧化钢在铁素体不锈钢基础上发展起来的，主要添加Si、Al等抗氧化Me元素，且随Cr含量增加，抗氧化性提高。高温下迅速氧化，形成连续、致密、并牢固附着在金属材料表面的氧化薄膜，保护材料不被继续氧化。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢珠光体耐热钢特点：合金元素低，高温强度高,抗氧化及耐蚀性好,组织稳定性高—不球化和石墨化,工艺性能好，价格低，可在600℃左右工作。按碳含量及用途可分为两类：低碳珠光体耐热钢(锅炉管线用钢)；中碳珠光体耐热钢.热处理低碳:正火加高温回火,可得贝氏体、低碳马氏体及铁素体加珠光体组织。中碳:淬火加高温回火，组织回火索氏体。§11.5

不

锈

钢

与

耐

热

钢马氏体耐热钢常用:叶片用钢—汽轮机叶片，工作温度450-620℃;排气阀用钢—工作温度700-850℃, 燃气含硫、钠、钒及盐类；性能：耐蚀性、热强性、耐磨性、抗氧化性；成分：Cr13型添加Mo、W、V、Nb、B等;较高碳、加硅提高抗氧化性能热处理：调质处理§11.6

铸

铁

一、概述铸铁：以铁、碳、硅为主要成分、有具有共晶转变的多元铁基合金。成分：wC=2.5%-4.0%，

wSi=1.0%-3.0%，

wP=0.4%-1.5%，

wS=0.02%-0.2%。性能：铸造性能优良，工艺简单，成本低廉。优良的减震性、耐磨性和可切削加工性能。§11.6

铸

铁

二、铸铁的石墨化及其影响因素铸件结晶的热力学与动力学铁－碳合金双重状态图按Fe-Fe3C状态图结晶—白口铸铁;按Fe-C状态图—灰铸铁。§11.6

铸

铁

热力学条件1148℃<t<1154℃时，F

+G最低，结晶出A+G；t<1148℃时，F

+G和F

+Fe3C均低于FL，但F

+G最低，故有利于A+G形成。动力学条件Fe3C的wC为6.67%，而石墨的wC接近100%，Fe3C形核所需的能量起伏远小于石墨形核，因此，动力学条件有利于A+Fe3C的形成。石墨化两阶段：第一阶段：液相析出一次石墨、共晶石墨及一次渗碳体和共晶渗碳体分解为石墨的过程；第二阶段：共析石墨及共析渗碳体分解石墨。中间阶段：奥氏体析出二次石墨及二次渗碳体分解石墨；§11.6

铸

铁

影响因素冷却速度的影响冷却速度越慢，越有利于按Fe-C状态图结晶；冷速快，则按Fe-Fe3C状态图结晶；铸件壁厚、浇注温度和铸型材料对石墨化的影响可归结为冷却速度的影响，壁厚大、浇注温度高及砂型都有利于石墨化。化学成分的影响C、Si强烈促进各阶段石墨化；P亦促进石墨化，但作用小于C和Si；碳化物形成元素都阻碍石墨化；非碳化物形成元素影响较复杂。Mn和S的影响。§11.6

铸

铁

三、灰铸铁灰铸铁的组织金属基体加条形片状石墨;金属基体有铁素体、铁素体加珠光体和珠光体三种。§11.6