材料科学基础第10章教材.ppt

明德 砺志 博学 笃行 第10章 金属材料 黑色金属：铁及其合金 有色合金：铝及其合金、 铜及其合金、 镁及其合金 明德 砺志 博学 笃行 10.1 工业用钢 l工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 l碳素钢是指含碳量低于 2.11%的铁碳合金 l合金钢是指为了提高钢 的性能，在碳钢基础上 有意加入一定量合金元 素所获得的铁基合金 明德 砺志 博学 笃行 10.1.1 钢的分类及编号 一、钢的分类 1、按化学成分分 中碳钢 0.25~0.6%C 高碳钢 0.6%C 低碳钢 0.25%C 低合金钢 合金元素总量 5% 中合金钢 合金元素总量 5~10% 高合金钢 合金元素总量 10% 碳素钢 合金钢 明德 砺志 博学 笃行 钢 类 碳 素 钢合 金 钢 PSPS 普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045 优 质 钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035 高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025 特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015 •2、按质量分类 •钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。

•分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢. •根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 明德 砺志 博学 笃行 3、按冶炼方法分 转炉炼钢 平炉炼钢 平炉钢 转炉钢 电炉钢 按 炉 别 分 沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发 镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低 半镇静钢：介于前两者之间 生沸腾这种钢成材率高，但不致密 按脱氧程度分 特殊镇静钢 明德 砺志 博学 笃行 4、按金相组织分 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 铁素体钢 奥氏体钢 莱氏体钢 按正火组织分 亚共析钢 共 析 钢 过共析钢 按退火组织分 电弧炉炼钢 明德 砺志 博学 笃行 5、按用途分 工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 渗 碳 钢 调 质 钢 弹 簧 钢 滚动轴承钢 耐 磨 钢 机器用钢 结 构 钢 刃具钢 模具钢 量具钢 工 具 钢 不锈钢 耐热钢 特 殊 性 能 钢 挤压模具 明德 砺志 博学 笃行 齿轮齿轮刀具刀具 •二、钢的编号 •我国钢材的编号是采 用汉语拼音字母、化学元素 符号和阿拉伯数字相结合的 方法 •采用汉语拼音字母表 示钢产品的名称、用途、特 性和工艺方法时，一般从代 表钢产品名称的汉字的汉语 拼音中选取第一个字母. 明德 砺志 博学 笃行 常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（ GB/T 221—2000） 名称符号位置名称符号位置 碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾 低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾 易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾 碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头 (滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头 焊接用钢H头沸腾钢F尾 铆螺钢ML头半镇静钢b尾 船用钢 国际符号 镇静钢Z尾 汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾 压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾 明德 砺志 博学 笃行 •1、碳素结构钢和低合金高强度钢 •Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方 法符号 •Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa ； •质量等级符号为A、B、C、D、E。

由A到E ，其P、S含量依次下降，质量提高l脱氧方法符号: 沸腾钢—F； 镇静钢—Z；半镇静钢—b； 特殊镇静钢—TZ l如碳素结构钢牌号表示为 Q235AF、Q235BZ 钢板钢板 明德 砺志 博学 笃行 •低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其 牌号中没有表示脱氧方法的符号如Q345C •根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用 两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元 素符号，按顺序表示，如16Mn l*说明：通常情况下， 屈服强度值小300MPa 时为碳素结构钢，大 于300MPa时为低合金 高强度钢 热连热连轧钢板轧钢板 明德 砺志 博学 笃行 齿轮加工 方钢 •2、优质碳素结构钢 •牌号用两位数字表示 •这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 •如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即 0.45%）的优质碳素结构钢 明德 砺志 博学 笃行 钢带 •*说明： •① 含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后 加元素符号“Mn”，如40Mn l② 对于沸腾钢和半 镇静钢, 在钢号后分 别加字母F和b，如 08F、10b l③ 高级优质钢在钢 号后加字母A，如 20A。

明德 砺志 博学 笃行 钢管 •3、合金结构钢和合金弹簧钢 •两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+ 合金元素符号+该元素百分含量数字+…… •当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标 元素符号，不标含量； 明德 砺志 博学 笃行 •当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~ 3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相 应的合金元素符号后标2、3、4、5 ……等数字 如20CrNi3 •高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA •特级优质钢在牌号后加字母E，如 30CrMnSiE 不锈钢制管板式换热器 所有合 金钢的 合金元 素量标 法相同 明德 砺志 博学 笃行 •4、工具钢 •⑴ 碳素工具钢 •T + 数字 •T表示“碳素工具钢” ； •数字表示平均含碳量的千 分之几. •如T8—其平均含碳量为千 分之八(0.8%C) •*说明：碳素工具钢都是优 质以上质量的高级优质钢在 钢号后加“A”，如T8A 丝锥 锉刀 明德 砺志 博学 笃行 •⑵ 合金工具钢 •含碳量+合金元素符号+该元素百分含量 +…… •当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字 标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几， 如8MnSi. •当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。

高速钢不标含碳量，如 W6Mo5Cr4V2(含0.85%C). ** 含铬量小于1%时，在含铬 量(以千分之一为单位)前加 数字“0”，如Cr06 铣刀铣刀 明德 砺志 博学 笃行 •5、轴承钢 •G+Cr+铬含量(不标 含碳量) •“G”表示“滚动轴承 钢” * 铬含量以千分之 一为单位. •如“GCr15”的平均 含铬量为1.5% •渗碳轴承钢牌号的 表示方法与合金结构钢相 同，仅在牌号头部加字母 “G”，如“G20CrNiMo” 明德 砺志 博学 笃行 •6、不锈钢和耐热钢 •含碳量+合金元素符号+该元素百分含量 +…… •含碳量以千分之一为单位 l含碳量的表示方 法为： l①当平均含碳量 ≥1.00%时，用两 位数字表示，如 11Cr17(平均含碳 量为1.10%)； 涡轮叶片 明德 砺志 博学 笃行 •② 当1.0%平均含碳量≥0.1%时，用一位数 字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） •③ 当0.1%含碳量上限 0.03%时，以“0”表 示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） •④ 当0.03%≥含碳量上限0.01%时（超低碳 ），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为 0.03%） l⑤ 当含碳量上限≤0. 01%时 (极低碳)，以“01”表示，如 01Cr19Ni11（含碳量上限 为0.01%）。

汽轮机叶片 明德 砺志 博学 笃行 * 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢如 15CrMo •注：旧标准含碳量表示方法为： •当含碳量≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18. •当含碳量≤0.03%时，以“00”表示，如 00Cr18Ni10. 不锈钢法兰 不锈钢型材 明德 砺志 博学 笃行 •7、铸钢 •ZG + 两位数字 •ZG表示“铸钢”； •两位数字表示平 均含碳量的万分之几, 如ZG25. 铸钢件 2.5吨大齿轮铸件 明德 砺志 博学 笃行 10.1.2 合金元素在钢中的作用 一、合金元素在钢中的存在形式 明德 砺志 博学 笃行 合金元素在钢中的存在形 式 固溶体 化合物 游离态 固溶体 碳化物 金属间化合物 非金属夹杂物 合金渗碳体 特殊碳化物 明德 砺志 博学 笃行 例：形成合金F 合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格 类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生固溶强化 ，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧性略有下降 P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素 固溶体 固溶于F、A、M中 Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W 明德 砺志 博学 笃行 它是合金元素溶入渗碳体中并置换部 分铁原子而形成的碳化物。

(Fe , Me)3C Me代表Mn、Cr等合金元素 合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度 高，所以可以提高耐磨性 合金渗碳体 如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等 明德 砺志 博学 笃行 由中强或强碳化物形成元 素形成的碳化物其共同特 点是：熔点高、硬度高、稳 定性高、很难溶入Ａ中 特殊碳化物 VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoCW2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、 明德 砺志 博学 笃行 •1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素作 用为： •① 强化铁素体； •② 消除硫的有害作用 二、杂质元素对性能的影响 l钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S是由原料带入 或脱氧残留的元素 明德 砺志 博学 笃行 •① 强化铁素体； •② 增加钢液流动性 •3、S：是有害元素 •常以FeS形式存在易与Fe 在晶界上形成低熔点共晶(985℃) ，热加工时(1150~1200℃)，由于 其熔化而导致开裂，称热脆性. •钢中的硫应控制在0.045% 以下. l2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。

作用为： 合金晶界的低熔点硫化物共晶 明德 砺志 博学 笃行 •Mn可消除硫的有 害作用, •FeS + Mn → Fe + MnS， •MnS熔点高 (1600℃) •4、P：也是有害 元素 •能全部溶入铁素体 中，使钢在常温下硬度 提高，塑性、韧性急剧 下降，称冷脆性 •P一般控制在 0.045%以下. 钢中的MnS夹 杂 比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产 生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入 河中 明德 砺志 博学 笃行 •5、气体元素 •① N：室温下N在铁 素体中溶解度很低，钢 中过饱和N在常温放置过 程中以FeN、Fe4N形式 析出使钢变脆, 称时效脆 化. •加Ti、V、Al等元素 可使N固定，消除时效倾 向 •② O：氧在钢中以 氧化物的形式存在，其 与基体结合力弱，不易 变形，易成为疲劳裂纹 源. 钢中TiN夹 杂 钢中氧化物夹杂 明德 砺志 博学 笃行 •③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低当 氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆 •当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高 内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发 裂 钢中钢中白点白点钢的 钢的氢脆断口氢脆断口 明德 砺志 博学 笃行 •㈠ 对钢中基本相的 影响 •1、溶于铁素体, 起 固溶强化作用 •非碳化物形成元素 及过剩的碳化物形成元 素都溶于铁素体，形成 合金铁素体. •Si、Mn对强度、 硬度提高显著。

Cr、Ni 在适当范围内提高韧性 三、合金元素在钢中的作用 对铁素体冲击韧性影响 明德 砺志 博学 笃行 •2、形成碳化物，起强化相作用 •合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 ： Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、 Fe l⑴ Ti、Nb、 V为强碳化物 形成元素，碳 化物的稳定性 、熔点、硬度 、耐磨性高， 如TiC、VC等 钢中钢中碳化物碳化物 明德 砺志 博学 笃行 •⑵ W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳 定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等 •⑶ Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、 熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等 明德 砺志 博学 笃行 •㈡ 对Fe - Fe3C相图的影 响 •1、对奥氏。