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1、钢铁材料学,20015年 11月,一、引言,材料是人类社会发展的基础,材料、能源、信息构成人类文明，而材料是基础 任何物质只要能为人类经济地使用，就成为材料 结构材料是基础的基础,人类社会的发展是以材料作为基础标志的 旧石器时代 新石器时代（陶器） 铜器时代 铁器时代,结构材料的性能要求1,稳定的形态（温度、湿度、外力作用下稳定） 较高的刚度（排除了气体和液体） 较高的承载能力（屈服强度与断裂强度，抗拉、抗压、抗弯、耐磨、抗疲劳，轻量化要求如高层建筑、运输工具） 温度稳定性（冷脆、热强性） 环境介质作用稳定性（耐候性）,结构材料的性能要求2,安全性 韧性（冲击载荷作用下吸收能量） 耐温（不同使
2、用条件下有不同要求，如低温钢、耐火钢） 耐蚀（不同使用条件下有不同要求，如耐候钢、耐海水腐蚀钢、耐酸钢） 自我修复（如加工硬化）,结构材料的性能要求3,易于成型和加工 不同结构要求不同的形状 流态成型（铸造、沉积） 半固态成型（带液芯轧制或锻造） 固态成型（压力加工：热加工与冷加工） 固态成型（机械加工：反复软化与硬化） 连接成型（焊接、粘合、机械结合、复合、涂饰）,结构材料的性能要求4,生产成本低廉且能大规模生产 资源丰富且易于开采 接近自然平衡态（硅酸盐材料具有特殊优势） 满足大规模生产要求（生产工艺技术、成型工艺技术、产品生产工艺技术、性能提高的工艺技术等） 环境友好,结构材料的性能要求
3、5,舒适性与装饰性 现代要求且是发展趋势 表面质量与涂装 金属光泽与抗氧化 抗震降噪隔热 色彩（如彩钢） 特殊性能（如抗菌、手感）,主要结构材料（2014）,硅酸盐材料：价格低廉，年用量上千亿吨；其中天然沙石量上千亿吨，水泥41.8亿吨(中国24.7619亿吨，占59.2%)，陶瓷砖140亿平米(中国102.3亿平米，占70%) 木材：天然锯材，但涉及环境保护，年消耗量约4.21亿立方米 (中国约8178万立方米） 钢铁材料：年产量16.615亿吨(中国8.2270亿吨，占49.5%） 有色金属：年产量11000万吨，原铝5390精炼铜2301(中国4417万吨，铝2810铜796) 高分子材
4、料：塑料制品年产量3亿吨(中国7387.8万吨),钢铁材料的特点,资源丰富 地壳中5%的丰度 成本低廉 大部分钢材的售价在3000元/吨 便于回收 90%的钢铁材料可回收,性能优良且多样 强度和韧度 耐腐蚀性能 耐磨性能 低温性能 特殊功能 固态多形性相变使得性能可大幅改变,钢铁材料与技术的发展方向,提高产量满足经济建设发展需求 高性能高强度、高韧性、长寿命 高内部质量高洁净度、高均匀性、超细晶粒 高表面质量高尺寸精度和光洁度 微合金化改善组织和性能 多品种钢种和材型 低成本降低合金含量和工艺操作成本 绿色化易于回收和利用、可持续发展,中国钢铁产量的发展空间,目前世界人均钢产量240kg/年
5、发达国家在实现工业化期间，人均钢产量300-1000kg/年，持续生产时间为50-80年，人均累积用钢25-50吨 发达国家基础设施建设达到饱和后，仍保持人均300-500kg/年的生产供应水平 在后工业化社会，钢铁材料仍占全部金属材料的90%以上,我国2003年人均占有钢已达到当时世界平均水平约160kg/人，总产量达到2.24亿吨。2014年钢产量为8.2270亿吨，人均600kg。预计近年内将保持8亿吨左右的峰值，人均占有钢达到600kg/人 中国要实现全面工业化，达到发达国家整体水平，基础设施建设时间约需50年，累积用钢应达到400亿吨（人均30吨），故钢铁产业平稳发展还有2030年
6、中国后工业化社会仍需保持300kg/人年，即5亿吨/年的钢铁材料生产供应水平,提高性能,改善钢材品种结构,增加品种：How many different types of steel grades are available?,Steel is not a single product. There are currently more than 3,500 different grades of steel with many different properties-physical, chemical, environmental, 75% of which have been deve
7、loped in the last 20 years. Sources: http:/www.worldsteel.org,生产结构调整,降低生产成本提高成材率： 连铸比与粗钢产量,采用先进钢铁生产工艺技术,高炉喷煤技术 10年多喷吹煤粉（重点高炉喷煤比达到120kg/t）节约焦炭712万吨，节约成本11亿元。 溅渣护炉技术 普通转炉最长炉龄已大于3万炉（重点企业平均3600炉），复吹炉最高大于2.9万炉。按年产1亿吨转炉钢计算年经济效益3亿元。 连铸工艺与装备技术 10年间连铸比增加61.9个百分点，节约成本约95亿元。 棒线材连轧 10年间共提高了45个百分点，节约成本17亿元。 综合节能
8、技术 10年降低0.691吨标煤，节约成本356亿元。,高效化生产工艺,生产结构优化的重点： 缩短工艺优化流程，紧凑化、连续化 实现封闭生产，达到零排放 管理信息化，生产智能化 环境友好，建立节能型钢铁厂,薄板坯连铸连轧高效化生产工艺,国外薄板坯连铸连轧生产线水平为：单流130万吨，双流200万吨。 国内投产的7条薄板坯连铸连轧生产线，研究开发和采用高效化生产工艺，使单流产量达到150万吨/年，双流产量达到300万吨/年。 将对我国和世界薄板坯连铸连轧生产工艺产生巨大的影响,微合金钢与微合金化技术是钢铁材料发展的重要方向,超细晶粒钢，微米级晶粒尺寸的获得与控制 超微细第二相强化钢，纳米级第二相
9、的获得与控制 屈强比问题，提高抗拉强度及均匀延伸率是重要方向，而第二相与夹杂物的尺寸控制是钢铁材料中微裂纹尺寸控制的关键,电炉炼钢新技术,20年后，电炉炼钢将成为最主要的钢铁生产方式（废钢原料将超过铁矿石原料） 超大功率 节能降耗 紧凑生产,铜在钢中的应用与控制,废钢原料的大量应用必然带来铜在钢中的富积 铜在钢中产生热脆 铜提高钢的耐候性 铜在钢中可产生强烈的沉淀析出强化,AlN在钢中的作用研究,铝广泛用于脱氧，故在钢中普遍存在，合金化成本低廉 AlN不仅可能以六方ZnS晶体结构的形态存在，近年来发现还可能以面心立方NaCl晶体结构的形态出现，从而具有类似于微合金碳氮化物的作用 奥氏体区析出控
10、制晶粒粗化并适当调节形变奥氏体再结晶行为，铁素体区析出产生强烈沉淀强化效果,N在钢中的作用研究,Fe-C相图与Fe-N相图的比较 扩大奥氏体区元素，替代镍用于生产不锈钢（不锈钢需求量的增长速度大致是钢产量增长速度的23倍，世界性镍资源匮乏，预计镍资源可用时间仅为数十年） 强烈的间隙固溶强化 氮化物比碳化物更稳定，颗粒尺寸更细小 冶炼难度很大：高压熔炼、加入高氮合金甚至氮化物粉体,钢铁材料研究的挑战与机遇,上千年的发展使其进一步创新难度增大 工业化试验费用很高 企业创新观念需加强,经济效益显著，对国民经济影响较大 上千年的发展积累了丰富的经验和奠定了良好的基础 中国正逐步成为世界钢铁研究的中心,
11、二、Fe-C合金,Fe-Fe3C相图,Fe-Fe3C相图：特征点,A:0%C,1538 B:0.52%C,1495 C:4.3%C,1148 D:6.69%C,约1227 E:2.11%C,1148 F:6.69%C,1148 G:0%C,912,H:0.09%C,1495 J :0.17%C,1495 K:6.69%C,727 N:0%C,1394 P:0.0218%C,727 Q:0%C,-273 S:0.77%C,727,Fe-Fe3C相图：相区,ABCD线以上：L相区（液相区） AHN区：-铁素体区 GPQ区：-铁素体区 5个单相区 NJESG区：奥氏体区 DFK线：Fe3C区 ABH
12、区：-铁素体液相区 HJN区：-铁素体奥氏体区 JBCE区：奥氏体液相区 CDF区：Fe3C液相区 7个双相区 EFKS区：奥氏体Fe3C区 GPS区：铁素体+奥氏体区 QPK线以下：铁素体+ Fe3C区,Fe-Fe3C相图：三相平衡反应,1、1495： -铁素体(0.09%C)+L液相(0.52%C)A奥氏体(0.17%C) 2、1148： L液相(4.3%C)A奥氏体(2.11%C)+Fe3C 3、727： A奥氏体(0.77%C)铁素体(0.0218%C)+Fe3C,Fe-Fe3C相图：基本相,液态铁L(Liquid iron)，密度7.035t/m3 -铁素体(-Ferrite) ，又
13、称高温铁素体，BCC晶体结构，1394的点阵常数为0.29318nm，密度7.360t/m3 A奥氏体(Austenite)，-相，FCC晶体结构，912的点阵常数为0.36468nm，密度7.420t/m3 F铁素体(Ferrite) ，BCC晶体结构，室温点阵常数0.286645nm，密度7.875t/m 渗碳体Fe3C(Cementite)，正交晶体结构，分为一次、共晶、二次、共析、三次渗碳体，室温点阵常数为0.45235、0.50890、0.67433nm，密度7.683t/m3,Fe-Fe3C组织图,基本组织,珠光体(Pearlite)，铁素体与渗碳体的共析混合物，平衡状态下呈片层状
14、。渗碳体质量11.22%，铁素体质量88.78%，但从金相形貌上看差别没有这么大 莱氏体(Ledeburite)，铁碳合金共晶反应混合物。高温莱氏体为奥氏体和渗碳体的共晶混合物，渗碳体质量52.18%，奥氏体质量47.82% ；低温莱氏体为珠光体(30.69%)与共晶渗碳体(52.18%)、二次渗碳体(17.13%)的混合物,共析钢、亚共析钢、过共析钢 冷却过程中的组织演变,Fe-石墨相图,4.26,Fe-石墨相图与Fe-Fe3C相图比较,Fe-石墨相图的共析温度升高了11、共晶温度升高了6，相应地使C、E、S、P点向低碳含量方向移动了0.04%、0.03%、0.09%、0.0012%。 Fe
15、-石墨相图的右端为100%碳含量，而Fe-Fe3C相图仅为6.69% 石墨比渗碳体更为稳定，故Fe-石墨相图才是真正的平衡相图，而Fe-Fe3C相图是亚稳平衡相图 Fe-石墨相图主要在铸铁生产中应用,石墨,Fe-石墨相图中出现的重要相石墨为六方结构的层状晶体，室温点阵常数为0.24612nm、0.67078nm，密度为2.267t/m3，熔点3825 石墨强度、硬度较低且多孔隙，是良好的导电、导热材料，减摩润滑，减震降噪 在钢铁材料中同样可分为一次、共晶、二次、共析、三次石墨 石墨密度明显比铁低，钢铁凝固过程中可减少缩孔率 钢铁中的石墨形态有片状、球形、蠕虫形等,三、钢铁材料的强韧化理论,钢铁材料的性能控制因素,每一门学科均存在对研究对象的性质起基础控制作用的因素，它们构成了该学科的研究基础层次 化学的基础层次是原子，原子物理学的基础层次是层子，天文学的基础层次是星体 结构材料学的基础层次是显微缺陷组织，它控制了材料的力学性能,组织性能关系,材料性能 力学性能 物理性能 化学性能 腐蚀与磨损 工艺性能,材料组织 化学分析 金相分析 X射线晶体学 电子显微分析 相分析,组织性能关系 金属学 金属物理 材料物理化学 强韧化原理,材料工艺技术 热处理原理与工艺 热加工工艺(冶炼、铸造、轧钢、锻造、焊接),材料学 钢铁材料学 合金化原理,组织性能关系,组织性能关系,组织性能关系,
