金屬材料及熱處理

基礎知識

靜載單向靜拉伸應力―應變曲線1．I(oab)段―彈性變形階段a:Pp

，b:Pe

（不產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

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：

材料的強度――材料所能承受的極限應力.單位Pa(N/mm2)σ=P/Fo

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

σs=Ps/Fo

（σs代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設計和選材的主要依據之一。）b:

σ0.02條件屈服強度3．疲勞強度σ-1

（80%的斷裂由疲勞造成）疲勞極限：材料經無數次應力循環而不發生疲勞斷裂的最高應力值。

塑性1．延伸率

Lk:試樣拉斷后最終標距長度延伸率與試樣尺寸有關，

d5,

d10(Lo=5do,10do)2．斷面收縮率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，抵抗彈性變形的能力E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa本質是：反映了材料內部原子結應力的大小，組織不敏感的力系指標。2．彈性：材料不產生塑性變形的情況下，所能承受的最大應力。比例極限：σp=Pp/Fo

應力―應變保持線性關系的極限應力值彈性極限：σe=Pe/Fo

不產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/標準試樣斷口截面積F(J/cm2)ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形，斷口呈金屬光澤，呈結晶狀。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—脆性轉變溫度TK

碳鋼一、碳鋼中的雜質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)↑熱加工性能固溶強化；使性能更優；2．Si

有益脫氧→↓脆性固溶強化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－↓機械性能，強度、塑性降低，有害元素N2－蘭脆，若鋼中存在Al.V.Ti↑→蘭脆消失→強度，硬度提高

H2—氫脆、白點，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、按質量分類按鋼中有害雜質硫、磷的含量為標志分為:普通碳素鋼(S≤0.055％、P≤0.045％)優質碳素鋼(S≤0.040％、P≤0.040％)高級優質碳素鋼(S≤0.030％、P≤0.035％)3、按用途分類分為碳素結構鋼和碳素工具鋼。

三、碳鋼的編號及用途1、普通碳素結構鋼這類鋼又稱為普通碳鋼,鋼號表示方法由代表屈服強度的字母、屈服強度值、質量等級符號和脫氧方法符號等四部份順序組成。Q×××─××┬─┬─┬┬│││└──脫氧方法符號,分為F(沸騰鋼)、B(半鎮靜鋼)、│││Z(鎮靜鋼)、TZ(特殊鎮靜鋼)││└───質量等級,分為A、B、C、D等│└──────該鋼的屈服強度值,單位MPa└─────────屈服強度代號如Q235─A、F屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。Q255─B、Z屈服強度為255MPa的B級鎮靜鋼。鋼的質量等級中A級最低,D級最高,通常應用最多為A、B級,主要用于制造型鋼、建筑用材和普通機械零件。C、D級鋼中硫、磷含量偏低、含碳量控制比較嚴格,主要用在焊接結構中。工程中的普通結構、建筑用材使用最多的是Q235--AX或Q235--BX,即原普通碳素結構編號系統中的A3鋼。

2、優質碳素結構鋼優質碳素結構鋼既保證機械性能,又保證化學成分,而且鋼中所含雜質及非金屬夾雜物較少,機械性能比較優良。主要用于制造重要的機械零件。一般在熱處理后使用。優質碳素結構鋼用兩位數字表示鋼號,兩位數字表示平均含碳量的萬分數。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,按其含硫、磷量的不同,分為優質碳素工具鋼和高級優質碳素工具鋼。碳素工具鋼的編號是以"T"開頭,后面的數字表示平均含碳量的千分之幾,高級優質碳素工具鋼,在鋼號后面再標以"A"。如T8A表示平均含碳量為0.8％的高級優質碳素工具鋼。

4、碳素鑄鋼將鋼液直接鑄造成鋼件的鋼稱為鑄鋼。碳素鑄鋼的編號是在數字之前冠以“ZG”,后面的兩位數字表示平均含碳量的萬分數。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的前面或后面加一漢語拼音字母。如20g表示20號鍋爐鋼;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氣孔存在情況1.4.1鎮靜鋼（Z）1.4.2沸騰鋼（F）1.4.3半鎮靜鋼（b）1.4.1鎮靜鋼（Z）為完全脫氧的鋼。在鋼號尾部加注Z表示。通常注成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時鋼液鎮靜不沸騰。錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時作補充鋼液用），這節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，冷脆和時效傾向小；同時，鎮靜鋼偏析較小，性能比較均勻，質量較高。鎮靜鋼材主要用于低溫下承受沖擊的構件、焊接結構及其他要求強度較高的構件。

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），澆注時鋼液在鋼錠模內產生沸騰現象（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的條件下結晶成的，故表層純凈、致密，表面質量好，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，而且沸騰鋼生產工藝簡單，鐵合金消耗少，鋼材成本低。鋼心部雜質較多，偏析較嚴重，組織不致密，力學性能不均勻。同時由于鋼中氣體含量較多，故韌性低，冷脆和時效敏感性較大，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構及其他重要結構。沸騰鋼板大量用于制造各種沖壓件，建筑及工程結構及一些不太重要的機器結構零部件。1.4.3半鎮靜鋼（b）脫氧較完全的鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間，澆注時有沸騰現象，但較沸騰鋼弱。半鎮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，在模內發生短時間的微弱沸騰。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。故半鎮靜鋼又稱為“平衡鋼”。半鎮靜鋼鋼錠的結構與沸騰鋼鋼錠相似，而性能卻與鎮靜鋼鋼錠相近，成分偏析小，綜合機械性能好。用半鎮靜鋼可部分代替鎮靜鋼。因切頭減少，成坯率可提高7％～10％，還可節約脫氧用硅鐵和鋁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。半鎮靜鋼鋼錠澆注無需強制封頂，又特別適宜于快速上注，使鑄錠生產能力比沸騰鋼更高。

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、按用途分類合金結構鋼:主要用于重要的機械零件和工程結構上,按用途的不同可分為普通低合金鋼(普低鋼)、滲碳鋼、調質鋼、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、合金鋼的編號方法根據國家標準規定:合金鋼是按鋼的成分和用途,以數字、化學元素符號及漢語拼音字母結合的方法編號的。1、合金結構鋼這類鋼的編號是以兩位數字+元素符號+數字組成的(前面兩位數字表示鋼中平均含碳量的萬分數;中間為元素符號,元素符號后的數字表示該元素在鋼中的平均含量的百分數)。合金鋼中的合金元素往往有兩個以上,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,鋼中只注明元素,不標數字。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,在合金元素后面要相應標出2、3、4...等數字。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.兩種鋼的化學成分除一個主要元素的含量外,其余都基本相同,這個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,后面應加"1"字,以示區別。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基本相同,由一位數字+元素符號+數字組成。前面數字表示鋼中平均含碳量的千分數,又規定合金工具鋼的含碳量超過1.0％時,含碳量略去不標,合金元素含量的表示原則同合金結構鋼。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％。為區別鋼的質量的好壞,高級優質鋼在鋼號末尾加上"A"字,如50CrMoA即屬于高級優質鋼。

不銹鋼1．抗腐蝕原理ａ.金屬腐蝕的方法(化學腐蝕、電化學腐蝕)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用于汽輪機葉片、熱裂設備,3Cr13,4Cr13手術器具及刀具b.F不銹鋼1Cr17化工設備、食品工業c.A不銹鋼1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti化工、食品、醫療行業d.A－F不銹鋼1Cr12Ni5Ti化工設備、熱交換器

二、不銹鋼的分類根據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性能，常用來制造汽輪機葉片等。2、鐵素體不銹鋼這類鋼的特點是含鉻量高(＞15％)，含碳量低(≤0.15％)，室溫組織為單相鐵素體，熱力設備中常用的有1Cr17和1Cr25Ti。這類鋼的耐蝕性優于馬氏體型不銹鋼，但其缺點是韌性低，脆性大。這類鋼主要用于機械性能要求不高的耐蝕構件上，如鍋爐燃燒室，高溫過熱區的吹灰器，吊架等。3、奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼是生產上應用最廣泛的不銹鋼。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，同時具有優良的抗氧化性和高的機械性能。奧氏體不銹鋼若含碳量較多，則奧氏體在冷卻時易發生分解形成(CrFe)23C6，不能保持單相奧氏體狀態，故奧氏體不銹鋼中含碳量應小于0.1％。

三、晶間腐蝕Cr-Ni奧氏體不銹鋼在400～850℃保溫或緩慢冷卻時會發生嚴重的晶間腐蝕破壞。貧鉻理論對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，有效含量應超過12％。以碳含量為0.08％的普通18－8型鋼為例，由于室溫時碳的溶解度只有0.02～0.03％，固溶處理后奧氏體中碳必為過飽和，而且呈不穩定狀態。若經再次中溫加熱(一般為400～850℃之間)，超過溶解度的碳將向晶界擴散，并與Cr結合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23C6沉淀于晶界。這時，由于晶粒內部Cr的擴散速度較慢，在形成Cr的碳化物的同時發生Cr的供不應求的現象，致使靠近晶界的晶粒表面一個薄層嚴重缺Cr。有腐蝕介質作用時，貧Cr區將產生明顯腐蝕，即形成晶間腐蝕。