金属材料学-金属材料合金化基础(第一章)教案_1

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1、讲课内容补充说明第一章金属材料合金化基础金属材料按其组成材料的元素是单个还是多个可分为纯金属和合金。按其色质或主要组成元素的种类在习惯上又可分为黑色金属与合金以及有色金属与合金两大类。黑色金属与合金是指铁、铬、锰和以铁、铬、锰为主的合金；有色金属与合金是指除铁、铬、锰以外的其它金属或其主要组成元素不是铁、铬、锰的合金。由于铁基合金（钢铁材料）在黑色金属材料中占据极其重要的地位，因此本书主要讲授钢（包括铁基高温合金）和铸铁。也正基于此，习惯上人们常把除铁和钢以外的金属及其合金称为有色金属或非铁合金。本章重点讲授钢的合金化原理，并在此基础上介绍有色金属材料合金化的特点

2、。1.1碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。它们对碳钢的性能有一定的影响。1．锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%。主要固溶于铁中。此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的

3、MnS夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。因为FeS熔点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600℃），MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。硅在钢中的含量通常小于0.5%。由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢

4、的质量。必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。2．硫和磷的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。磷也是在炼钢过程

5、中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（＜0.06%），而在碱性电炉和电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在α-铁中的最大溶解度可达2.55%(1049℃)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。例如09MnCuPTi、

6、10MnPNbRE等低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保证取得细晶组织的条件下（如用Al脱氧的钢），磷的冷脆作用得以抑制。故在σs、σb升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含磷量提高到0.08%~0.15%时，可使铁素体适当脆化，从而提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，

7、延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。3．氮、氢、氧的影响氮是在冶炼时进入钢中的。氮在α-铁中的溶解度在590℃时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌等合金元素

8、时，氮可以