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湖北联谊实业集团有限公司,钢铁材料基础知识,2009年3月徐光华,1,钢铁材料基础知识(讲座）,第一节钢铁生产的意义及其广泛应用 第二节 金属学热处理及机械性能基本概念 第三节 钢的分类及生产 第四节 钢材产品的分类及生产 第五节 钢中的元素及其作用 第六节 武钢热轧专用钢牌号性能及用途 第七节 产品技术标准及主要内容,2,第一节钢铁生产的意义及其广泛应用,一、钢铁生产的重要意义 二、钢铁材料广泛使用的原因 1、钢材组织、结构和性能的多样性 2、具有深入的理论研究和丰富的实践经验 3、容易生产加工 4、可循环使用，使资源得到充分保证,3,一、钢铁生产的重要意义,根据考古学家把人类历史阶段划分为石器时代、铜器时代（4000多年前）和铁器时代（3000多年前）的事实，就可以充分说明在人类历史发展过程中，金属材料起着极为重要的作用 钢铁是我们广泛应用的一种生产资料在工业、农业、交通、建筑、国防等部门钢铁材料所起的作用尤为重要 在世界范围内钢铁的需求量很大 可以说，钢铁是伴随着人类社会的发展而发展，人类社会离不开钢铁4,二、钢铁材料广泛使用的原因,1、钢材组织、结构和性能的多样性对于钢铁材料，人们可以用铁这一元素为基体，得到从低强度到高强度，从低塑性到高塑性，从韧性到脆性的各种钢铁材料，以及具有优良的耐磨性能、耐热性能和耐腐蚀性能和磁性等各种优良性能的合金。

其原因是在钢材生产中,可以通过控制温度和各种合金的配比组合形成不同的组织结构，以得到需要的性能 2、具有深入的理论研究和丰富的实践经验除了要有多样的性能外，还需要人们去认识它经过长期的理论研究和实践，人们对钢铁材料已具有了比较深入的理论研究和丰富的实践经验如金属学、热处理、冶金学、轧制原理和材料力学等5,二、钢铁材料广泛使用的原因,3、容易生产加工钢材容易生产加工，可以轧制、锻造、挤压和冲压成型，还可以车削、焊接和铸造，加工成各种需要的形状钢铁材料制品的生产方式，最主要的是轧制，占生产量的90%以上因为轧制法生产效率高，产品种类多,生产成本低，适合于大规模生产这些优点使钢铁产品具有难以被其他材料代替的重要位置 4、可循环使用，使资源得到充分保证钢铁材料可以回收利用，循环使用由矿石（氧化铁）经冶炼（还原）成钢铁，使用过程中又氧化成氧化铁，回到大自然，遵守物质不灭定律从理论上讲可以用之不尽，使资源得到充分保证6,第二节 金属学热处理及机械性能基本概念,一、金属学基本概念1、同素异晶转变；2、固溶体； 3、奥氏体； 4、铁素体； 5、渗碳体； 6、珠光体; 7、马氏体；8、铁碳相图 二、热处理基本概念1、退火； 2、正火；3、淬火； 4、回火 5、调质处理 6、时效 三、主要机械性能1、屈服强度； 2、抗拉强度； 3、伸长率； 4、冷弯； 5、冲击韧性； 6、硬度,7,一、金属学基本概念,一切物质都既可以非晶状态存在，又可以结晶状态存在。

在非晶状态下，物质的原子是杂乱无章排列的，它们的相互位置不是固定的在结晶状态下，物质是由那些按照某种严格的几何模型排列的原子，更严格地说是离子组成的物质不同，这种模型就会变化自然界中所有的金属都是结晶体金属的结晶发生在凝固过程中金属凝固时其原子本身能够排列出几种形式，其中最有共性的3种形式表示在图中8,一、金属学基本概念,1、同素异晶转变当一种金属处于从一种结晶格子向另一种结晶格子转变的时候，这种结晶转变就是同素异晶转变铁的同素异晶形式如下所列：铁的同素异晶形式温度范围：α体心立方（≤910 ℃ ）γ面心立方（910~1403 ℃ ）δ体心立方（1403~1535 ℃）,9,一、金属学基本概念,2、固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种当金属A与另一种具有不同晶格的金属B形成固溶体时，该固溶体的晶格可能与两种金属中的某一金属晶格相同，也可能与它们的晶格都不相同在固溶体的晶格与某一金属相同的情况下，金属A就被认为是溶剂，而金属B则被认为是溶质如果固溶体的晶格与两种金属的晶格都不相同，那么可以认为比例大的金属是溶剂。

10,ａ:置换式固溶体晶格 ｂ:间隙固溶体晶格,,11,一、金属学基本概念,3、奥氏体奥氏体是碳在γ-Fe（面心立方）中的间隙固溶体，碳的最大固溶量为2.1%,在合金钢中则是碳和合金元素溶于γ-Fe 中所形成的固溶体奥氏体具有面心立方晶格塑性很高 4、铁素体铁素体是碳在α-Fe（体心立方）中的间隙固溶体，常温下碳的固溶量为0.008%，具有体心立方晶格铁素体性能接近纯铁，有很高的塑性，很软强度很低12,一、金属学基本概念,5、渗碳体渗碳体是铁和碳的化合物（又称碳化铁，可用Fe3 C表示）因为碳在α -Fe中溶解度很小，常温下碳大都以渗碳体存在于铁碳合金中渗碳体的熔化温度约为1600℃脆性极大，硬度很高，塑性几乎为零 6、珠光体珠光体是含碳量约为0.8%的碳钢共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织转变温度越低珠光体的片层间距越小按片间距大小，分别称为珠光体、索氏体和屈氏体由于它们之间没有实质上的区别，可以统一称为珠光体13,一、金属学基本概念,7、马氏体马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是钢在奥氏体化后快速冷却时于马氏体点以下发生无扩散性相变的产物马氏体处于亚稳状态，具有体心立方晶格。

淬火钢的马氏体很脆，冲击韧性很低，延伸率和断面收缩率几乎为零14,8、铁碳二重相图,,15,铁碳合金冷却时组织变化的分析,,16,铁碳合金冷却时组织变化的分析,Ⅱ合金（共析钢）的成分位于共析点，冷却过程中的组织变化如图1-19所示冷至1点开始从液相中析出γ相，冷至2点结晶完了变成均一的γ固溶体冷至3点（727℃）发生共析反应全部分解成共析体γ0.77→α0.0218+ Fe3C钢铁中的共析体，根据其形貌特征，定名为珠光体，常用P来表示珠光体是片层状的两组机械混合物，如图1-20所示利用杠杆定理可以计算出珠光体中α铁素体和渗碳体的相对量：α%=( 6.69-0.77)/(6.69-0.0218) ×100%=88%Fe3C%=（100-88）%=12%,17,碳钢临界点在铁碳平衡图上的相对位置,,18,二、热处理基本概念,1、退火退火是将钢加热到临界点（ Ac3或Ac1）或再结晶温度以上，保温一定时间后随炉缓慢冷却，以获得接近于平衡状态的组织退火的目的是（1）降低钢的硬度，消除内应力或冷作硬化，提高塑性以利于继续冷加工；（2）改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均（如偏析、带状组织和魏氏组织等），以提高其工艺性能和使用性能；（3）改善高碳钢中碳化物的分布和形态。

2、正火正火（又叫常化或正常化）是将钢加热到Ac3点以上30~50℃或更高温度的奥氏体区域，保温一定时间后在空气中进行冷却，以获得珠光体类的组织19,二、热处理基本概念,退火和正火两者的主要区别在于冷却速度的不同，得到的组织虽然都是珠光体型转变产物，但其分散度不同退火和正火既可作为预备热处理，也可作为最终热处理，视性能的要求和加工过程的需要而定3、淬火淬火就是把钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法4、回火把已淬火钢加热到Ac1点以下的温度，保持一段时间，然后冷却的一种操作叫做回火20,二、热处理基本概念,5、调质处理利用淬火和高温（或中温）回火这样双重热处理以得到所需要的强度和韧性的工艺叫做调质处理适于进行调质处理的钢叫调质钢一般指中碳钢和中碳合金结构钢6、时效在日常生产中常发现，如低碳钢板等材料经加工（热加工或冷变形等）后，在室温放置一定时间，它的机械性能发生了变化一般讲，硬度和强度有所增加，塑性、韧性和内应力则有所降低，而其组织则由亚稳定状态逐渐过渡到较稳定状态这种金属材料的性能随时间的延长而发生变化的现象称为时效。

21,三、主要机械性能,1、 屈服点（或叫物理屈服强度）试样在拉伸过程中，负荷不增加或开始有所降低而试样仍能继续变形时的恒定、最大或最小负荷除以原横截面积所得的应力，该应力分别为试样的上屈强度（ReH）或下屈强度（Rel）单位为牛顿/平方毫米（N/ m㎡） 2、抗拉强度（或叫强度极限）试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力称为抗拉强度，它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力单位为牛顿/平方毫米（N/ m㎡） 3、伸长率（或叫延伸率）试样在拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比称为伸长率以A表示单位为%22,,,液压式万能电子材料试验机,23,,三、试样,1．材料类型低碳钢：灰铸铁：,2．标准试样：,塑性材料的典型代表 脆性材料的典型代表,标距：等截面测试部分长度,尺寸符合国标的试样,,拉 伸 试 验,24,拉伸过程,25,测定低碳钢拉伸机械性能(Rel ss、Rm sb 、A d、 y ),,,屈服点：,抗拉强度：,伸长率：,断面 收缩率：,,拉 伸 试 验,26,屈服强度( yield strength),条件屈服强度: 规定残余伸长应力： 0.2 =F0.2 /S 0,,,27,三、主要机械性能,4、冷弯金属的冷弯曲试验是检查金属材料，在冷状态下，承受不同程度的弯曲变形性能，以显示其缺陷。

根据钢种及技术条件的要求，弯曲角度分为90度、120度和180度;弯心直径分为0和试样厚度a的n倍;试样宽度分为窄试样和宽试样28,三、主要机械性能,5、冲击韧性用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的试验机上受冲击的负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功，称为冲击韧性它表示金属材料承受冲击负荷的抵抗能力国家标准（GB229-63）规定以梅氏试样作为冲击韧性的标准试样其尺寸为10X10X55单位毫米）中间带有“U”形刻槽此外还有V型（夏比）冲击试验，其尺寸为10×10×55冲击韧性以aK表示，单位为焦（焦耳J）29,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,30,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H – m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处位 截面积上所消耗的冲击功31,三、主要机械性能,6、硬度金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力，称为硬度根据试验方法和适用范围的不同，硬度可分为：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度以及显微硬度、高温硬度等几种⑴布氏硬度（HB）用一定直径D的淬硬的钢球，以规定负荷P压入试验金属的表面并保持一定时间，而后去掉负荷，测量试样表面所压出的园形凹陷压痕直径d，据以算出压痕球面积F，以负荷P除以压痕球面积F所得之商，即为试样的布氏硬度值。

布氏硬度以HB表示，单位为牛顿/ m㎡32,布氏硬度（HB）,,33,布氏硬度原理,,34,第三节 钢的分类及生产,一、金属及合金 二、钢与生铁及其特点 三、钢的分类 四、钢铁生产 （一）钢铁生产钢铁生产工艺流程 （二）采矿烧结 （三）炼铁 （四）炼钢 （五）炉外精炼,35,钢的分类及生产,一、金属及合金钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过2.0%钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等 二、钢与生铁及其特点一般而言，钢与生铁都是以铁为主的铁碳合金它们的主要区别是：钢的含碳量≤2.0%，生铁含碳量>2.0～6.69%钢具有良好的塑性和韧性，生铁则脆而硬钢具有加工性、可焊性、可锻性，生铁则无此特性，但具有可铸造性钢中的P、S含量比生铁低,36,三、钢的分类,钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种：1、按品质分类(1) 普通钢（P、S含量一般）(2) 优质钢（P、S含量较低）(3) 高级优质钢（P、S及杂质含量更低且性能优良）2.、按化学成份分类(1) 碳素钢低碳钢（C＜ 0.25%）中碳钢（C 0.25～0.60%）高碳钢（C＞ 0.60%）,。