金屬材料和熱處理基礎(chǔ)知識(shí)

金屬材料及熱處理

基礎(chǔ)知識(shí)

靜載單向靜拉伸應(yīng)力―應(yīng)變曲線1．I(oab)段―彈性變形階段a:Pp

，b:Pe

（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）oa段：△L∝P

直線階段ab段：極微量塑性變形2．II(bcd)段―屈服變形c:屈服點(diǎn)

Ps3．III(dB)段―均勻塑性變形B:

Pb材料所能承受的最大載荷4．IV(BK)段―局部集中塑性變形頸縮低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線分為四階段：

材料的強(qiáng)度――材料所能承受的極限應(yīng)力.單位Pa(N/mm2)σ=P/Fo

表示材料抵抗變形和斷裂的能力1．抗拉強(qiáng)度σb=Pb/Fo材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。2．屈服強(qiáng)度σs和條件屈服強(qiáng)度σ0.02a:

σs=Ps/Fo

（σs代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。）b:

σ0.02條件屈服強(qiáng)度3．疲勞強(qiáng)度σ-1

（80%的斷裂由疲勞造成）疲勞極限：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。

塑性1．延伸率

Lk:試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度延伸率與試樣尺寸有關(guān)，

d5,

d10(Lo=5do,10do)2．?dāng)嗝媸湛s率y

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

剛度和彈性1．剛度－材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子結(jié)應(yīng)力的大小，組織不敏感的力系指標(biāo)。2．彈性：材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力。比例極限：σp=Pp/Fo

應(yīng)力―應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值彈性極限：σe=Pe/Fo

不產(chǎn)永久變形的最大抗力工程上，σp、σe視為同一值，通常也可用σ0.01

沖擊韌性韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力--韌性。沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積F(J/cm2)ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形，斷口呈金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。韌性與溫度有關(guān)—脆性轉(zhuǎn)變溫度TK

碳鋼一、碳鋼中的雜質(zhì)1．錳—有益；0.25--0.80%脫氧劑；

降低FeO→↓脆性，Mn+S→MnS(降低S的有害作用)↑熱加工性能固溶強(qiáng)化；使性能更優(yōu)；2．Si

有益脫氧→↓脆性固溶強(qiáng)化3．硫—

有害985℃（Fe+FeS）→熱脆加入Mn→MnS4．磷

—

有害Fe3P

室溫下<100℃，脆性大→冷脆5．O、N、HO2－↓機(jī)械性能，強(qiáng)度、塑性降低，有害元素N2－蘭脆，若鋼中存在Al.V.Ti↑→蘭脆消失→強(qiáng)度，硬度提高

H2—?dú)浯?、白點(diǎn)，有害

二、碳鋼的分類1、按含碳量分類低碳鋼:鋼中含碳量小于0.25％;中碳鋼:鋼中含碳量在0.25～0.6％之間;高碳鋼:鋼中含碳量大于0.6％。2、按質(zhì)量分類按鋼中有害雜質(zhì)硫、磷的含量為標(biāo)志分為:普通碳素鋼(S≤0.055％、P≤0.045％)優(yōu)質(zhì)碳素鋼(S≤0.040％、P≤0.040％)高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼(S≤0.030％、P≤0.035％)3、按用途分類分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。

三、碳鋼的編號(hào)及用途1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼又稱為普通碳鋼,鋼號(hào)表示方法由代表屈服強(qiáng)度的字母、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)等四部份順序組成。Q×××─××┬─┬─┬┬│││└──脫氧方法符號(hào),分為F(沸騰鋼)、B(半鎮(zhèn)靜鋼)、│││Z(鎮(zhèn)靜鋼)、TZ(特殊鎮(zhèn)靜鋼)││└───質(zhì)量等級(jí),分為A、B、C、D等│└──────該鋼的屈服強(qiáng)度值,單位MPa└─────────屈服強(qiáng)度代號(hào)如Q235─A、F屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。Q255─B、Z屈服強(qiáng)度為255MPa的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。鋼的質(zhì)量等級(jí)中A級(jí)最低,D級(jí)最高,通常應(yīng)用最多為A、B級(jí),主要用于制造型鋼、建筑用材和普通機(jī)械零件。C、D級(jí)鋼中硫、磷含量偏低、含碳量控制比較嚴(yán)格,主要用在焊接結(jié)構(gòu)中。工程中的普通結(jié)構(gòu)、建筑用材使用最多的是Q235--AX或Q235--BX,即原普通碳素結(jié)構(gòu)編號(hào)系統(tǒng)中的A3鋼。

2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼既保證機(jī)械性能,又保證化學(xué)成分,而且鋼中所含雜質(zhì)及非金屬夾雜物較少,機(jī)械性能比較優(yōu)良。主要用于制造重要的機(jī)械零件。一般在熱處理后使用。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用兩位數(shù)字表示鋼號(hào),兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。如20鋼的平均含碳量為0.20％。3、碳素工具鋼碳素工具鋼的含碳量在0.65～1.35％范圍內(nèi),按其含硫、磷量的不同,分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼的編號(hào)是以"T"開頭,后面的數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾,高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼,在鋼號(hào)后面再標(biāo)以"A"。如T8A表示平均含碳量為0.8％的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

4、碳素鑄鋼將鋼液直接鑄造成鋼件的鋼稱為鑄鋼。碳素鑄鋼的編號(hào)是在數(shù)字之前冠以“ZG”,后面的兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。如ZG25表示平均含碳量為0.25％的碳素鑄鋼。5、專用碳素鋼常用在鋼號(hào)的前面或后面加一漢語拼音字母。如20g表示20號(hào)鍋爐鋼;H08表示碳平均含量為0.08％的焊條用鋼;容器用鋼加字母"R"等。1.4按照冶煉過程中脫氧程度和鋼坯內(nèi)氣孔存在情況1.4.1鎮(zhèn)靜鋼（Z）1.4.2沸騰鋼（F）1.4.3半鎮(zhèn)靜鋼（b）1.4.1鎮(zhèn)靜鋼（Z）為完全脫氧的鋼。在鋼號(hào)尾部加注Z表示。通常注成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時(shí)鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰。錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時(shí)作補(bǔ)充鋼液用），這節(jié)帽頭在軋制開坯后需切除，故鋼的收得率低。在正常操作條件下，鎮(zhèn)靜鋼中沒有氣泡，勻致密；由于含氧量低，鋼中氧化物夾雜較少，純凈度較高，冷脆和時(shí)效傾向小；同時(shí)，鎮(zhèn)靜鋼偏析較小，性能比較均勻，質(zhì)量較高。鎮(zhèn)靜鋼材主要用于低溫下承受沖擊的構(gòu)件、焊接結(jié)構(gòu)及其他要求強(qiáng)度較高的構(gòu)件。

1.4.2沸騰鋼（F）為脫氧不完全的鋼。鋼在冶煉后期不加脫氧劑（如硅、鋁等），澆注時(shí)鋼液在鋼錠模內(nèi)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象（氣體逸出），鋼錠凝固后，蜂窩氣泡分布在鋼錠中，在軋制過程中這種氣泡空腔會(huì)被粘合起來。不使用硅鐵脫氧，所以硅含量很低，通常注成不帶保溫帽的上小下大的鋼錠。沸騰鋼的外層是在沸騰所造成的鋼液劇烈攪動(dòng)的條件下結(jié)晶成的，故表層純凈、致密，表面質(zhì)量好，有很好的塑性和沖壓性能，沒有大的集中縮孔，切頭少，成材率高，而且沸騰鋼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，鐵合金消耗少，鋼材成本低。鋼心部雜質(zhì)較多，偏析較嚴(yán)重，組織不致密，力學(xué)性能不均勻。同時(shí)由于鋼中氣體含量較多，故韌性低，冷脆和時(shí)效敏感性較大，焊接性能也較差。沸騰鋼板不適于制造承受沖擊載荷、在低溫條件下工作的焊接結(jié)構(gòu)及其他重要結(jié)構(gòu)。沸騰鋼板大量用于制造各種沖壓件，建筑及工程結(jié)構(gòu)及一些不太重要的機(jī)器結(jié)構(gòu)零部件。1.4.3半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧較完全的鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，澆注時(shí)有沸騰現(xiàn)象，但較沸騰鋼弱。半鎮(zhèn)靜鋼在澆注過程中一般不析出氣體，只在注畢后排出少量氣體，在模內(nèi)發(fā)生短時(shí)間的微弱沸騰。殘留于鋼錠中的氣泡容積大體上抵消鋼的冷凝收縮，無集中縮孔，且形成微凸的頂部。故半鎮(zhèn)靜鋼又稱為“平衡鋼”。半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的結(jié)構(gòu)與沸騰鋼鋼錠相似，而性能卻與鎮(zhèn)靜鋼鋼錠相近，成分偏析小，綜合機(jī)械性能好。用半鎮(zhèn)靜鋼可部分代替鎮(zhèn)靜鋼。因切頭減少，成坯率可提高7％～10％，還可節(jié)約脫氧用硅鐵和鋁1／2～1／3。由于它的偏析較小和軋制廢品少，成材率可接近沸騰鋼，鋼材性能卻比沸騰鋼好。半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠澆注無需強(qiáng)制封頂，又特別適宜于快速上注，使鑄錠生產(chǎn)能力比沸騰鋼更高。

一、合金鋼的分類1、按合金元素的總含量分類低合金鋼:鋼中合金元素總含量小于5％;中合金鋼:鋼中合金元素總含量在5～10％之間;高合金鋼:鋼中合金元素總含量大于10％。

2、按用途分類合金結(jié)構(gòu)鋼:主要用于重要的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)上,按用途的不同可分為普通低合金鋼(普低鋼)、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼。合金工具鋼:主要用于重要的刃具、量具和模具。特殊鋼:具有某些特殊物理、化學(xué)性能的鋼,有不銹鋼、耐磨鋼、耐熱鋼等。3、按金相組織分類按正火后的組織分為珠光體鋼、馬氏體鋼和貝氏體鋼等。

二、合金鋼的編號(hào)方法根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:合金鋼是按鋼的成分和用途,以數(shù)字、化學(xué)元素符號(hào)及漢語拼音字母結(jié)合的方法編號(hào)的。1、合金結(jié)構(gòu)鋼這類鋼的編號(hào)是以兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字組成的(前面兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù);中間為元素符號(hào),元素符號(hào)后的數(shù)字表示該元素在鋼中的平均含量的百分?jǐn)?shù))。合金鋼中的合金元素往往有兩個(gè)以上,按順序列出,并遵循以下原則:a.合金元素的平均含量小于1.5％時(shí),鋼中只注明元素,不標(biāo)數(shù)字。如15CrMo表明該鋼平均含碳量0.15％，Cr、Mo含量均小于1.5％。b.合金元素在鋼中平均含量大于或等于1.5％、2.5％、3.5％...時(shí),在合金元素后面要相應(yīng)標(biāo)出2、3、4...等數(shù)字。如12Cr2MoWVTiB(鋼102)表明該鋼含碳量為0.12％,含鉻量為1.5～2.5％,Mo、W、V、Ti和的含量均小于1.5％。c.兩種鋼的化學(xué)成分除一個(gè)主要元素的含量外,其余都基本相同,這個(gè)主要合金元素平均含量在兩種鋼中均小于1.5％,含量較高者,后面應(yīng)加"1"字,以示區(qū)別。如12Cr1MoV和12CrMoV鋼的含鉻量分別為0.9～1.2％和0.4～0.6％。

2、合金工具鋼和特殊鋼這兩類鋼的編號(hào)基本相同,由一位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字組成。前面數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分?jǐn)?shù),又規(guī)定合金工具鋼的含碳量超過1.0％時(shí),含碳量略去不標(biāo),合金元素含量的表示原則同合金結(jié)構(gòu)鋼。如CrWMn鋼表示鋼的平均含碳量大于1.0％,Cr、W、Mn的含量均在1.5％以下。又如1Cr18Ni9Ti表示鋼的平均含碳量為0.1％,Cr的平均含量為18％,Ni的平均含量為9％,Ti的平均含量小于1.5％。為區(qū)別鋼的質(zhì)量的好壞,高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)末尾加上"A"字,如50CrMoA即屬于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

不銹鋼1．抗腐蝕原理ａ.金屬腐蝕的方法(化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕)ｂ.金屬腐蝕破壞的方式:①均勻腐蝕②晶間腐蝕③電腐蝕④應(yīng)力腐蝕⑤腐蝕疲勞c.金屬抗腐蝕的原理：①單相組織→原電池形成可能性↓、金屬電極電位↑→抗腐蝕；②↓電極電位差、↑陽極電極電位；③表面保護(hù)膜→鈍化

2.不銹鋼的合金化原理：①含C量盡可能低；②加入Cr→n/8定律→含量＞12.5%電極電位躍升(如M不銹鋼)；③含Cr量＞12.7%→單相F(如F不銹鋼)；④加入Ni→單相A或F+A(如A不銹鋼)；⑤加入Ti、Nb、B→晶界腐蝕↓3．常用不銹鋼a.M不銹鋼1Cr13,2Cr13用于汽輪機(jī)葉片、熱裂設(shè)備,3Cr13,4Cr13手術(shù)器具及刀具b.F不銹鋼1Cr17化工設(shè)備、食品工業(yè)c.A不銹鋼1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti化工、食品、醫(yī)療行業(yè)d.A－F不銹鋼1Cr12Ni5Ti化工設(shè)備、熱交換器

二、不銹鋼的分類根據(jù)不銹鋼基體組織的不同，可分為以下三種類型：1、馬氏體不銹鋼這類鋼的含鉻量為13～18％，含碳量0.1～1.0％，室溫組織為馬氏體，主要包括Cr13型不銹鋼等。常用的鋼號(hào)有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。馬氏體不銹鋼中的含鉻量大于12％，使鋼的電極電位明顯升高，因而耐蝕性也明顯提高。便這類鋼中含有較高的碳，含碳量增加，鋼的硬度、強(qiáng)度、耐磨性及切削性能顯著提高，而耐蝕性下降。含碳量較低的1Cr13、2Cr13等不銹鋼具有較高的塑性、沖擊韌性和良好的綜合力學(xué)性能，常用來制造汽輪機(jī)葉片等。2、鐵素體不銹鋼這類鋼的特點(diǎn)是含鉻量高(＞15％)，含碳量低(≤0.15％)，室溫組織為單相鐵素體，熱力設(shè)備中常用的有1Cr17和1Cr25Ti。這類鋼的耐蝕性優(yōu)于馬氏體型不銹鋼，但其缺點(diǎn)是韌性低，脆性大。這類鋼主要用于機(jī)械性能要求不高的耐蝕構(gòu)件上，如鍋爐燃燒室，高溫過熱區(qū)的吹灰器，吊架等。3、奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼是生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的不銹鋼。最常見的是含鉻量為18％，含鎳量為9％的18－8型不銹鋼。如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、TP304H、TP347H等都屬于18－8型不銹鋼。在18－8型鋼基礎(chǔ)上加入Ti、Nb是為了消除晶間腐蝕。這類鋼有很好的耐蝕性，同時(shí)具有優(yōu)良的抗氧化性和高的機(jī)械性能。奧氏體不銹鋼若含碳量較多，則奧氏體在冷卻時(shí)易發(fā)生分解形成(CrFe)23C6，不能保持單相奧氏體狀態(tài)，故奧氏體不銹鋼中含碳量應(yīng)小于0.1％。

三、晶間腐蝕Cr-Ni奧氏體不銹鋼在400～850℃保溫或緩慢冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕破壞。貧鉻理論對(duì)晶間腐蝕的解釋較為普遍被人們所接受。鉻是決定不銹鋼耐蝕性的主要元素，有效含量應(yīng)超過12％。以碳含量為0.08％的普通18－8型鋼為例，由于室溫時(shí)碳的溶解度只有0.02～0.03％，固溶處理后奧氏體中碳必為過飽和，而且呈不穩(wěn)定狀態(tài)。若經(jīng)再次中溫加熱(一般為400～850℃之間)，超過溶解度的碳將向晶界擴(kuò)散，并與Cr結(jié)合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23C6沉淀于晶界。這時(shí)，由于晶粒內(nèi)部Cr的擴(kuò)散速度較慢，在形成Cr的碳化物的同時(shí)發(fā)生Cr的供不應(yīng)求的現(xiàn)象，致使靠近晶界的晶粒表面一個(gè)薄層嚴(yán)重缺Cr。有腐蝕介質(zhì)作用時(shí)，貧Cr區(qū)將產(chǎn)生明顯腐蝕，即形成晶間腐蝕。