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1、材料的性能与成分、相结构和组织的关系学院：机械工程与自动化学院班级：机电 161姓名：叶佳民学号：120163403023材料的性能与成分、相结构和组织的关系摘要：摘要：金属材料是目前应用最广泛的工程材料，尤其是钢铁材料，有色金属及其合金中的铝及铝合金，铜及铜合金和轴承合金的应用也占有重要地位。金属材料的成分，相结构和组织与性能的关系是密不可分的。成分，相结构和组织往往可以极大的影响材料的性能，而成分，相结构和组织之间也是相互影响的。由于重点学习的是钢铁材料，本次论文将着重分析钢铁材料性能与成分，相结构和组织的关系。关键字：关键字： 钢铁材料 材料性能 组织，成分和相结构 金属材料热处理1 1
2、 材料的性能与成分的关系材料的性能与成分的关系钢铁材料是钢和铸铁的总称。钢铁的分类方法有很多。按化学成分分按化学成分分 一 、碳素钢 碳素钢是指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金，按其含碳量的不同，可分为：（1)低碳钢-含碳量 wc0.25% （2)中碳钢-含碳量 wc0.25%0.60% （3)高碳钢-含碳量 wc0.60%高碳钢 二、合金钢 为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素而炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按其合金元素的总含量，可分为： （1)低合金钢-合金元素的总含量5%（2)中合金钢-合金元素的总含量 5%10% （3)高合金钢-
3、合金元素的总含量10% 按钢的品质分按钢的品质分 (1)普通钢 钢中含杂质元素较多，含硫量ws 一般O.05%，含磷量 wP0.045%， (2)优质钢 钢中含杂质元素较少，含硫量 ws 一般0.030%，含磷量 wp0.035% (3)高级优质钢 钢中含杂质元素极少，含硫量 ws 一般O.020%，含磷量 wP0.030% (4)特级优质钢 钢中含杂质元素更少，含硫量 ws 一般O.015%，含磷量 wP0.025% 按钢的用途分按钢的用途分 一、结构钢 （1)建筑及工程用结构钢简称建造用钢，它是指用于建筑、桥梁、船舶、锅炉或其他工程上制作金属结构件的钢。（2)机械制造用结构钢-是指用于制造
4、机械设备上结构零件的钢。主要有调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等 二、工具钢 一般用于制造各种工具，按用 途又可分为刃具钢、模具钢、量具钢。 三、特殊钢 具有特殊性能的钢，如不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、高电阻合金、耐磨钢、磁钢等。1.11.1 杂质元素对钢性能的影响杂质元素对钢性能的影响普通碳素钢除含碳以外，还含少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的故称为杂质元素。下表为各种杂质元素对钢性能的影响序号元素名称作 用备 注1硅（Si）在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有 0.150.30%的硅。如果钢中含
5、硅量超过 0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入 1.01.2%的硅，强度可提高 1520%。硅和钼、钨、铬等结2锰（Mn）在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入 0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如 16Mn 钢比 A3 屈服点高 40%。含锰 1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能3磷（P）在一般情况下，磷是钢中有害
6、元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于 0.045%，优质钢要求更低些。 304 不锈钢管4硫（S）硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于 0.055%，优质钢要求小于 0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢5硼 (B)钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度6氮 (N)氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性7氢（H）钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢
7、脆。钢中氢的来源主要为下列三个方面：冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能即时逸出而存留在钢材中；焊接过程中由于水分或油污在高弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中。当钢中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂8氧（O）氧小部分溶解在铁素体中，且大部分以各种氧化物夹杂型式存在，使钢在强度，塑性与韧性，尤其是疲劳性能降低，故应对钢液脱氧1.21.2 C C 含量对钢材料性能的影响含量对钢材料性能的影响我们都知道除铁外，C 的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，钢是含碳量为 0.03%2%的铁碳合金。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。同时含碳
8、量对工艺性能也有很大影响。对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。碳在 F-C 合金中存在的形态一种是游离态，另一种是化合态。不论碳以何种形态存在，当 c%5%时，合金力学性能都很差，工程上无实际价值。所以我们讨论的 F-C 合金的碳的质量分数至 6,69%为止。C 的含量对钢铁的机械性能起着重要作用，随着碳含量的升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。图 1.1 碳含量对钢铁硬度的影响谈到 C 含量对钢铁材料的组织性能的影响时，Fe-Fe3C 相图也是我们对其认识的重要工具1.31.3 合金元素对钢性能的影响合金元素对钢
9、性能的影响合金成分的加入可以使钢的组织结构和性能都发生一定的变化，从而具有一些特殊性能。合金钢的主要合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。序号元素名称作 用备 注1铬（Cr）在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素2镍(Ni)镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢3钼(Mo)钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变
10、能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性4钛(Ti)钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬 18 镍 9 奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀5钒(V)钒是钢的优良脱氧剂。钢中加 0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力6钨(W)钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用7铌(Nb)铌能细化
11、晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象在热处理中，对加热时奥氏体化的影响，对奥氏体粒的大小，Ti、Nb、V 等强碳化物形成元素以及 Al（950）可强烈的阻碍奥氏体晶粒长大，而使晶粒细化，W、Mo、Cr 等起到一定的阻碍作用。在回火转变过程中，合金元素还能提高耐火性、产生二次硬化和消除回火脆性。2 2 材料的性能与相结构的关系材料的性能与相结构的关系钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和显微组织结构。不同碳含量的铁碳合金，其室温下的相组成
12、都是铁素体和渗碳体。但是不同合金的结晶过程不同，因而各相的形态、分布和相对含量差异较大，也就是不同成分的铁碳合金的组织不同。铁素体：铁素体：铁素体是碳在 -Fe 中的间隙固溶体,用符号“F“(或 )表示,体心立方晶格;虽然 BCC 的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727时),室温时几乎为 0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低奥氏体：奥氏体：奥氏体是碳在 -Fe 中的间隙固溶体,用符号“A“(或 )表示,面心立方晶格;虽然 FCC 的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以
13、它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148时),727时为 0.77%。在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为 7271394,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态渗碳体：渗碳体：渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式“Fe3C“表示.它的碳质量分数 Wc=6.69%,熔点为 1227, 质硬而脆,耐腐蚀.用 4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用 4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分
14、布对铁碳合金性能有很大影响.3 3 材料性能与组织的关系材料性能与组织的关系铁碳合金的强度对组织形态较为敏感。当钢铁中的碳含量较小时（小于 0.9） ，强化相渗碳体均匀分布在基体相铁素体中，随着碳含量的增加，合金的强度逐渐增加。但当钢中碳含量较大时(大于0.9%)，渗碳体呈网状分布于铁素体晶界，铁碳合金的强度随碳含量的增加而逐渐降低，同时脆性也增加。所以，为了保证工业用钢具有足够的强度，碳含量一般不超过 1.3%-1.4%。参考文献：参考文献： P153 机械工程材料张铁树主编 北京大学出版社 2011.2 P38工程材料 周继烈 倪益华 徐志农 主编 浙江大学出版社 2013.6 P125-126 工程材料及成型基础吕广庶 张友明主编 高等教育出版社2011.6 P140工程材料傅宇东 崔秀芳 高玉芳 方双全 主编主审 北京工业出版社 2014.8 P22工程材料及其热处理孙齐磊 邓化棱主编 机械工业出版社 2014.8 P59工程材料及成型基础李镇江 张淼主编 北京工业出版社 2013.7
