金属材料的合金化原理-1讲解

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1、Chapter 1 金属材料的合金化原理 第一部分,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,1.2 钢的合金化原理,1.3 合金钢的分类、牌号,1.4 有色金属材料的分类及合金化特点,主要内容,碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途,Me在钢中的存在形式 Me与铁和碳的相互作用 Me对Fe-Fe3C相图的影响 Me对钢的热处理的影响 Me对钢的性能的影响,重点及基本要求,1.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用 2.第二节是本章重点。要求全面掌握合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。难点是合金元素对钢中基

2、本合金相结构的影响 3.掌握合金钢的分类、牌号 4.了解有色金属材料的分类，掌握强化有色金属合金的基本途径。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,Steelmaking flowlines,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,1.1 碳钢概论,Steel Finishing flowlines,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,一、碳钢中的常存杂质-锰和硅（1）,1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形成高熔点MnS（1600）夹杂物。 MnS在

3、高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。 Si在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。 夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）,2硫（S）和磷（P）的影响 S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。 S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。 P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于-铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P还可以改善钢的切削加

4、工性能。,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,一、碳钢中的常存杂质氮、氢、氧（3）,3氮（N）、氢（H）、氧（O）的影响 N在-铁中 可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。 H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。 O在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,二、碳钢的分类（1）,1按钢中碳含量的多少分类,（1）复习铁碳合金按Fe-Fe3C相图分类 亚共析钢： 0

5、.0218%wc0.77% 共 析 钢： wc =0.77% 过共析钢： 0.77%wc2.11%,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（2）按钢中碳含量的多少，碳钢通常可分为 低碳钢： wc 0.25% 中碳钢：0.25%wc0.6% 高碳钢： wc0.6%,2按钢的质量（品质），碳钢可分为 （1）普通碳素钢：wS0.05%，wP0.045%。 （2）优质碳素钢：wS0.035%， wP0.035%。 （3）高级优质碳素钢：wS0.02%， wP0.03%。 （4）特级优质碳素钢：wS0.015%， wP0.025%。,1.1 碳钢概论,二、碳钢的分类（2）,Chap

6、ter 1 金属材料的合金化原理,3按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。 （2）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 （3）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。 （4）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。,1.1 碳钢概论,二、碳钢的分类（3）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢：是指脱氧不彻底的钢，代号为F。 （2）镇静钢：是指脱氧彻底的钢，代号为Z。 （3）半镇静钢：

7、是指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：是指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。,1.1 碳钢概论,二、碳钢的分类（4）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1-普通碳素结构钢 （1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%以上）。 （2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。wC =0.06%0.38%，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。

8、,三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法 牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。 标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q； 屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中： A

9、级wS0.05%, wP0.045%， B级wS0.045%, wP0.045%， C级wS0.04%, wP0.04%， D级wS0.035%, wP0.035%。 其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。 脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）,（4）典型牌号、性能与用途（表1-1） Q195、Q215钢含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、

10、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。 Q235A、Q255A用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。 Q255、Q275钢强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,2-优质碳素结构钢 （1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。 （2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。 （3）优质碳素

11、结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）,优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。 高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。 专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为0.2%的锅炉

12、用钢，其牌号表示为“20g”等。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如15Mn 、45Mn等。 注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。,三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。 08F钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。 1025等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表

13、面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。,三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）,45等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。 高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的e和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,3-碳素工具钢 （1）主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高

14、的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其wS0.03%，wP0.035%）和高级优质碳素工具钢（wS0.02%，wP0.03%）两类。 （2）牌号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如T8A，T12等。,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）,（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn

15、，T8MnA。 （4）典型的碳素工具钢（表1-3） T7、T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为4854HRC（工作部分）；,Chapter 1 金属材料的合金化原理,T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为6062HRC，T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具； T12、T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为6265 HRC。 T12A也可用于制造量具。 T7T12、

16、T7AT12A还可用于形状简单的塑料模具。,三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）,1.1 碳钢概论,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。 （2）牌号用标志性符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。 （3）典型的碳素铸钢（表1-4）,1.1 碳钢概论,三、碳钢的用途（4-一般工程用铸造碳素钢）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（4）其他类型的铸钢件还有： 焊接结构用碳素铸钢件 （GB/T7659-1987），如ZG230-450H； 低合金铸钢件 （GB/T14408-1993），如ZGD535-720； 耐热铸钢件 （GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20； 不锈耐酸钢铸件 （GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；