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1、钢铁材料学20062006年年年年 9 9月月月月一、引言材料是人类社会发展的基础l材料、能源、信息构成人类文明，而材料是基础l任何物质只要能为人类经济地使用，就成为材料l结构材料是基础的基础l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1l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2l安全性韧性（冲击载荷作用下吸收能量）耐温（不同使用
2、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3l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4l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5l舒适性与装饰性现代要求且是发
3、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l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，水泥亿吨(中国亿吨，占48%)，陶瓷亿吨(中国亿吨，占52%)l木材：天然材，但涉及环境保护，年消耗量约40亿立方米 (中国约5亿立方米）l钢铁材料：年产量亿吨(中国亿吨，占31%）l有色金属：年产量8100万吨(中国1635万吨)l高分子材料：塑料年产量亿吨(中国2199万吨)中国水泥产量发展钢铁材料的特点l资源丰富地壳中5%的丰度l成本低廉大部分钢材的售价在3000元/吨l便于回收90%的钢铁材料可回收l性能优良且多样强度和韧度耐
4、腐蚀性能耐磨性能低温性能特殊功能l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l提高产量满足经济建设发展需求l高性能高强度、高韧性、长寿命l高内部质量高洁净度、高均匀性、超细晶粒l高表面质量高尺寸精度和光洁度l微合金化改善组织和性能l多品种钢种和材型l低成本降低合金含量和工艺操作成本l绿色化易于回收和利用、可持续发展提高产量中国钢铁产量的发展空间l目前世界人均钢产量160kg/年l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l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l在后工业
5、化社会，钢铁材料仍占全部金属材料的90%以上l我国2003年人均占有钢已达到世界平均水平约160kg/人，总产量达到亿吨。2005年钢产量为亿吨，人均267kg。预计近年内将达到5亿吨左右的峰值，人均占有钢达到350-400kg/人l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200-300亿吨（人均15-20吨）l中国后工业化社会仍需保持200kg/人年，即3亿吨/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?lSteel is
6、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 developed in the last 20 years. lSources: http:/生产结构调整产品结构变化棒线材转向扁平材开发高质量和新型钢材工艺装备调整小方坯连铸-棒线材轧制板坯连铸-扁平材轧制扩大高炉炉容转炉大型化超高功率电炉地区结构调
7、整年份19501970198019901998华北12.7219.9621.5122.6926.10东北82.8337.3226.4420.8914.30东部1.9523.7024.7427.5731.60中南0.9013.5715.0516.6415.80西南1.614.5110.349.388.80西北00.941.912.823.40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炼铁Ironmaking高炉喷吹煤粉技术降低炼铁各工序能耗炼钢Steelmaking溅渣护炉技术转炉复吹技术电炉炼钢技术二次精炼技术连铸Continuous casting传统连铸生产的高效化新
8、型连铸技术轧钢Hot rolling确立先进轧钢生产流程生产装备和技术的现代化开发新型轧钢生产技术l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。l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），复吹炉最高大于万炉。按年产1亿吨转炉钢计算年经济效益3亿元。l连铸工艺与装备技术10年间连铸比增加个百分点，节约成本约95亿元。l棒线材连轧10年间共提高了45个百分点，节约成本17亿元。l综合节能技术10年降低吨标煤，节约成本356亿元。高效化生产工艺l生产结构优化的重点：l缩短工艺优化流程，紧凑化、连续化l实现封闭生产，达
9、到零排放l管理信息化，生产智能化l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l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。l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。l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l超细晶粒钢，微米级晶粒尺寸的获得与控制l超微细第二相强化钢，纳米级第二相的获得与控制l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l20年后，
10、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）l超大功率l节能降耗l紧凑生产铜在钢中的应用与控制l废钢原料的大量应用必然带来铜在钢中的富积l铜在钢中产生热脆l铜提高钢的耐候性l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l铝广泛用于脱氧，故在钢中普遍存在，合金化成本低廉lAlN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l奥氏体区析出控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lFe-C相图与Fe-N相图的比较l扩大奥氏体区元素，替代镍
11、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）l强烈的间隙固溶强化l氮化物比碳化物更稳定，颗粒尺寸更细小l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l上千年的发展使其进一步创新难度增大l工业化试验费用很高l企业创新观念需加强l经济效益显著，对国民经济影响较大l上千年的发展积累了丰富的经验和奠定了良好的基础l中国正逐步成为世界钢铁研究的中心二、Fe-C合金Fe-Fe3C相图727温温度度，0.77%2.11%4.30%0.0218%1148143265C, %14950.09%0.52%0.17
12、%9121394153812276.69LFe-Fe3C相图：特征点lA:0%C,1538 lB:0.52%C,1495lC:4.3%C,1148 lD:6.69%C,约1227lE:2.11%C,1148 lF:6.69%C,1148lG:0%C,912 lH:0.09%C,1495lJ :0.17%C,1495 lK:6.69%C,727lN:0%C,1394 lP:0.0218%C,727lQ:0%C,-273lS:0.77%C,727Fe-Fe3C相图：相区lABCD线以上：L相区（液相区） lAHN区：-铁素体区lGPQ区：-铁素体区 5个单相区lNJESG区：奥氏体区lDFK线：F
13、e3C区 lABH区：-铁素体液相区lHJN区：-铁素体奥氏体区 lJBCE区：奥氏体液相区lCDF区：Fe3C液相区 7个双相区lEFKS区：奥氏体Fe3C区lGPS区：铁素体+奥氏体区 lQPK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)+Fe3C3、727： A奥氏体(0.77%C)铁素体(0.0218%C)+Fe3CFe-Fe3C相图：基本相l液态铁L(Liquid iron)，密度3l-铁素体(-Ferrite) ，又称
14、高温铁素体，BCC晶体结构，1394的点阵常数为，密度t/m3lA奥氏体(Austenite)，-相，FCC晶体结构，912的点阵常数为，密度t/m3lF铁素体(Ferrite) ，BCC晶体结构，室温点阵常数，密度l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、，密度t/m3Fe-Fe3C组织图PLdLdL1234566.69C，%温温度度，基本组织l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。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l莱氏体(Ledeburit
15、e)，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7277380.02060.682.0811541148+G+GC, %L温温度度，3825Fe-石墨相图与Fe-Fe3C相图比较lFe-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-石墨相图的右端为100%碳含量，
16、而Fe-Fe3C相图仅为6.69%l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lFe-石墨相图主要在铸铁生产中应用石墨lFe-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、，密度为t/m3，熔点3825l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l在钢铁材料中同样可分为一次、共晶、二次、共析、三次石墨 l石墨密度明显比铁低，钢铁凝固过程中可减少缩孔率l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l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
17、该学科的研究基础层次l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l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组织性能关系金属学金属学金属物理金属物理材料物理化学材料物理化学强韧化原理强韧化原理材料工艺技术材料工艺技术热处理原理与工艺热处理原理与工艺热加工工艺热加工工艺( (冶炼、铸造、冶炼、铸造、轧钢、锻造、焊接轧钢、锻造、焊接) )材料学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l复杂
18、问题分段解决l性能F=F(各种成分及工艺参量） 该函数关系式将非常复杂而难于实际应用l性能F= F(各种显微缺陷组织参量） 显微缺陷组织参量f=f (各种成分及工艺参量） 由此可将复杂的问题分解为两步，过程中可剔除明显不需要研究的部分显微缺陷组织l点缺陷：空位、间隙原子、固溶原子（置换固溶、间隙固溶）l线缺陷：位错l面缺陷：晶界、相界、表面l体缺陷：第二相、夹杂物组织性能关系（强韧化原理）l位错与各种显微缺陷组织的相互作用间隙固溶原子置换固溶原子林位错晶界第二相l相应的强韧化技术间隙固溶强化置换固溶强化位错强化晶粒细化强化第二相强化强韧化工艺解析l马氏体强化：碳间隙固溶强化、孪晶界强化、相变位
19、错强化，低温回火后-碳化物沉淀强化l加工硬化或应变硬化：位错强化l沉淀强化或时效硬化：第二相强化位错点阵阻力l位错运动的点阵阻力，即P-N力P： 位错点阵阻力 由P-N模型可知，位错宽度增加将使P-N力降低，因而刃位错较螺位错的P-N力低而更容易滑移；位错柏矢量绝对值减小及位错滑移面间距的增大将使P-N力降低，因而位错总是在密排面上沿密排方向滑移；由于面心立方点阵和密排六方点阵的晶体较体心立方点阵的晶体在密排面上的原子排列更紧密，因而面心立方点阵和密排六方点阵的晶体的P-N力较低而体心立方点阵的晶体的P-N力较高。 位错点阵阻力表1 一些金属晶体在室温的P实验测定值（MPa） 体心立方金属M为
20、2，故铁的P-N力约金属AlCuAgAuNiFeMgZnCdSnBiP1.81.00.60.95.728.40.80.90.61.32.2强固溶强化元素的固溶强化强度增量 l碳含量变动较小时，也可表述为：lkC 、 kN通常取为4570MPa(小于时)弱固溶强化元素的固溶强化强度增量 l常见置换固溶元素的强化作用系数值 kM（MPa） Mn,37; Si,84; P,470; Cu,38; Cr,-40; Ni,0固溶强化效果比较Alloy Mass，%YIELD STRENGTH INCREMENT, MPa固溶强化效果比较lC、N间隙固溶强化是钢中最经济有效的强化方式，0.2%提供强度增量
21、约900MPa，0.8%提供强度增量约1800MPa（Fe-C合金，含氮钢的发展）l大多数置换固溶元素的固溶强化是很不经济的强化方式l注意M、M的区别，只有处于固溶态的部分才能产生固溶强化作用位错强化l钢铁材料中大致在之间 l位错密度：退火态大致在105-106/mm2，正火态大致在107/mm2 ，低碳位错马氏体中或表面冷变形强化的钢铁材料中大致在108-109/mm2，剧烈冷加工态钢铁材料中最高可达51010/mm2 位错强化效果l退火态：6.4-20.3 MPa l正火态：64MPa l低碳位错马氏体或表面冷变形强化：203-641MPa l剧烈冷加工态：最高4529MPa （目前人们获
22、得的最高强度就是在冷拉钢丝中通过剧烈冷加工得到）l突出的问题是位错密度测定或估算 晶粒细化强化l Hall-Petch关系式：l低碳钢中比例系数约为mm1/2；高碳钢中约为mm1/2。但晶粒超细化后比例系数将降低。l该类型关系式可用于抗拉强度、断裂强度等。晶粒细化强化效果lASTM 8级晶粒度相当于20m 的晶粒尺寸，约7 .07mm-1/2 。晶粒度级别增大2级，晶粒尺寸减小为一半， mm-1/2数增大为21/2倍。l传统热轧钢材保证6级晶粒度，5mm-1/2 ，晶粒细化强度增量87MPal控制轧制钢材可达5m 的晶粒尺寸，-1/2 ，晶粒细化强度增量246MPa第二相强化lOrowan机制
23、与切过机制Orowan机制下的强度增量l第二相体积方式很小时（f1/2远小于） ：l钢铁材料中，G为80650 MPa，泊松比为，b为， 可得：Orowan机制下的强度增量l高碳钢中渗碳体体积分数可高达15，平均尺寸1 m （1000nm），强度增量；最佳控制条件下平均尺寸 100nm，强度增量191MPa 。l微合金钢中微合金碳氮化物体积分数仅为，最佳控制条件下平均尺寸 2nm，强度增量228MPa ；若体积分数增加至0.28%，强度增量约410MPa 。强化作用的叠加l不同固溶元素所产生的固溶强化效果可以直接线性叠加；置换固溶强化效果与位错强化、细晶强化或第二相强化的强化效果也可线性叠加l
24、某一强化方式的强化效果远大于其他强化方式的强化效果时，可忽略同类其他强化方式的强化效果而将非同类强化方式产生的强化效果直接线性叠加 l位错强化和细晶强化采用均方根叠加 l不同种类第二相的强化效果采用均方根叠加 脆性矢量l强度必须有足够的韧性做保证才能充分发挥作用，但强度和韧性是一对矛盾，提高强度时一般均将使材料韧性下降。因此，强韧化原理必须包括韧性方面的考虑l低碳钢及低合金钢韧性的最主要指标是韧脆转变温度TC l每提高强度1MPa使韧脆转变温度TC升高的温度数称为该强化方式的脆性矢量脆性矢量晶粒细化64-10析出强化位错强化20%珠光体屈服强度P+53N+30Sn+17C+10Si+8Mn-
25、-5Al- -27屈服强度增量15MPa韧脆转折温度(ITT), 脆性矢量l晶粒细化强化的脆性矢量为-0.67/MPa ，是唯一的在提高强度的同时提高材料韧性的强化方式，因而获得最广泛的重视l合金元素Al、Mn对晶粒细化有较好作用l沉淀强化，0.26/MPa ，相对较小l片层状渗碳体强化，1.07/MPa l位错强化，0.4/MPa l间隙固溶强化的C、N，、2.0/MPa l置换固溶强化；Cr、Mn,0 /MPa 抗拉强度与屈服强度的相互影响l屈服强度对微裂纹的形成过程具有重要影响 l抗拉强度是其屈服强度提高的极限，屈服强度超过抗拉强度是不可能的，而屈服强度相当接近于甚至等于抗拉强度的钢材在
26、实际工程中是不可能安全应用的 抗拉强度在很大程度上是一个重要的塑性指标l抗拉强度Rm与屈服强度RP之间的差值是材料塑性的重要指标 l材料屈服后继续变形将产生加工硬化，流变应力随均匀塑性变形量增加而不断增大，达到断裂应力后将不再继续均匀塑性变形而将发生断裂。抗拉强度Rm与屈服强度RP之间适当的差值一方面保证了均匀塑性的实现（屈服比很大时均匀塑性变形未完成就可能发生断裂），另一方面对非均匀塑性（乃至总塑性）有重要的影响屈强比在塑性变形中具有重要作用l材料的屈强比被定义为RP/ Rml屈强比大于或等于1的材料无塑性，且实际屈服强度被降低l屈强比在以上的钢材在使用安全性方面存在隐患l屈强比在以下的钢材
27、具有良好的冷加工变形性能抗拉强度在很大程度上是一个重要的韧性指标 静力韧度UT被定义为静拉伸实验中材料断裂前单位体积所吸收的功：抗拉强度在很大程度上是一个重要的韧性指标l断裂韧度将材料的断裂强度与微裂纹尺寸结合为一个韧性指标：材料断裂强度l由Griffith脆性断裂理论推导并经塑性修正后的平面应变状态下材料的断裂强度SC为： 提高材料断裂强度的机制l减小微裂纹尺寸aC l增大裂纹尖端塑性变形功P （材料基体的比表面能S 变化幅度很小，一般在2范围；而裂纹尖端单位面积塑性变形功P 变化范围可从0变化到100000 J/m2）微裂纹的产生l原有未钝化的孔洞或裂纹l弱化的界面（晶界或相界），此时适当
28、的微区塑性变形是必须的，因而材料的屈服强度对抑制微裂纹的产生具有重要作用l位错塞积与位错反应微裂纹尺寸的控制因素l塑性材料主要受屈服强度影响，大规模塑性撕裂可产生较大尺寸的微裂纹l高强度材料主要受弱化的晶界尺寸或第二相（包括夹杂物）尺寸的影响微裂纹的扩展l只有达到临界尺寸的微裂纹才会失稳扩展导致断裂，因而控制材料中的微裂纹失稳扩展必须控制微裂纹的最大尺寸而不是平均尺寸 l微裂纹亚临界扩展时的断裂塑性功与微裂纹形成时的断裂塑性功可能存在很大差别，因而导致微裂纹的扩展被加速或被抑制 提高材料断裂强度的方法1消除晶界弱化现象（晶界尺寸相对较大，一般在数十至数百微米以上，必须首先控制晶界微裂纹的产生）
29、l低熔点晶界偏析金属如铅、锑、铋、锡的消除l低熔点金属如铜的抑制晶界偏析（加镍）l低熔点共晶如磷共晶的消除（脱磷）l晶界弱化元素的消除或抑制晶界偏析（脱硫，加硼）提高材料断裂强度的方法2大颗粒夹杂物或第二相尺寸的控制（其最大尺寸一般在数十微米以上）l液析夹杂物或氮化物、碳化物的控制（降低夹杂物形成元素如氧、硫、磷、氮在钢中的含量，电磁搅拌使之上浮或细化，高温铁水快速冷却抑制液析）l溶度积公式的应用（可能时固态回溶）l最佳控制条件下仅使之在固态析出提高材料断裂强度的方法3适当的屈服强度l屈服强度与裂纹尖端单位面积塑性变形功的矛盾，需要根据钢中可能的最大微裂纹尺寸而加以匹配l屈服强度低，容易在局部
30、产生塑性撕裂形成大尺寸微裂纹（不受最大夹杂物颗粒尺寸影响）l屈服强度高，裂纹尖端单位面积塑性变形功迅速下降具体计算结果SC ，MPa P， J/m2 aC ，mm20010000-500000 18.1-90.54005000-10000 2.26-4.53 1000 500-1000 0.0362-0.0724 2000200-500 0.00362-0.00905 特殊的思路l使微裂纹被包围在塑性相当良好的基体组织处 ，将只会发生微孔聚合型韧性断裂 l微裂纹扩展路径中存在塑性相当良好的基体组织（连续软相） 复相基体组织l屈服强度主要取决于基体相中的软相的屈服强度 ：l抗拉强度基本遵从混合物规律 ：需要重视的问题l硬相与软相之间的强度差足够大l软相体积分数要足够小（保证抗拉强度）l软相必须连续（保证软相中的位错可滑移出工件表面产生宏观塑性变形，同时保证微裂纹扩展中必然遇到软相）重要应用l双相钢lTRIP钢l硬相：马氏体、贝氏体 l软相：奥氏体、铁素体 l方法：亚临界区加热后淬冷 保持适当残余奥氏体形变诱导相变强化的基体组织 l初始组织较软，易于发生屈服；且必须是非稳定平衡组织l形变诱导相变得到的平衡组织强度较高即形变诱导相变强化效果较大l高锰钢lTRIP钢l可能的思路：形变诱导超微细第二相沉淀析出
