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金属材料工程概论,主 编 刘宗昌 任慧平 郝少祥 教 师 陈召松 电 话1,本教材主要内容,第一章 材料在国民经济中的地位 第二章 金属材料导论 第三章 金属材料的生产及加工 第四章 金属结构材料 第五章 不锈钢和耐热钢 第六章 金属耐磨材料 第七章 金属功能材料 第八章 亚稳态材料 第九章 铸铁 第十章 有色金属及合金 第十一章 非金属材料 第十二章 金属整合系统 第十三章 材料科学基础理论知识,2,3,4.1 钢的的分类及编号 4.2 碳素结构钢和低合金高强度钢 4.3 中高碳铁素体-珠光体钢 4.4 调质钢 4.5 超高强度钢 4.6 弹簧钢 4.7 渗碳钢、渗氮钢 4.8 双相钢 4.9 低温用钢,第四章 金属结构材料,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,什么是钢？ 钢是指碳含量介于0.02%2.06%（质量分数）的铁碳合金。 0.02%2.06%和0.02%2.11%？ 实际中钢的碳含量一般保持在1.5%以下。 分为（是否添加合金元素）： 碳素钢 合金钢,铬：增加耐磨损性，硬度，最重要的是耐腐蚀性，拥有12%以上的认为是不锈钢。尽管这么叫，如果保养不当，所有钢材都会生锈。 Mn：重要奥氏体稳定元素，有助于生成纹理结构，增加坚固性和强度及耐磨损性。 镍：保持强度、抗腐蚀性、和韧性。 硅：有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。 钨：增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。 钒：增强抗磨损能力和延展性。一种钒的碳化物用于制造条纹钢。 磷：是有害元素，降低钢的塑性和韧性，出现冷脆性，能使钢的强度显著提高，同时提高大气腐蚀稳定性，含量应该限制在0.05%以下。 硫：是有害元素，使钢热脆性大，含量限制在0.05%以下,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.1 钢的的分类及编号,4.2 碳素结构钢和低合金高强度钢,碳素结构钢和低合金高强度钢占总产量的大部分，这类钢在国民经济中起着极为重要的作用。,4.2 碳素结构钢和低合金高强度钢,碳素结构钢广泛用于建筑、桥梁、船舶、车辆、铁道和各种机械制造产业，产量约占各国钢总产量的80%。 分为： 碳素结构钢：对碳含量、性能和杂志含量的限制较宽。 优质碳素结构钢：对钢中S、P及非金属夹杂物的存在要求较严。,随着经济技术的发展，比强度高、具有良好性能（如焊接性、不经过热处理也有高强度的钢等等）用量越来越大，从经济角度考虑，不适宜添加过多合金元素，因此低合金高强度钢大量出现。 技术发展历程： 20世纪初，焊接代替铆接，出现大量船体断裂事故 20世纪6070年代，MnS夹杂物形貌控制 20世纪7080年代，转炉炼钢，碳含量进一步降低，出现超低碳贝氏体钢、无珠光体钢、针状铁素体钢等等。,4.2 碳素结构钢和低合金高强度钢,我国的低合金高强度钢共有21种，按屈服强度可分为：,12Mn钢：多用于锅炉和容器；09MnNb钢：用于桥梁及车辆,16Mn钢：用于船舶、桥梁等；12MnPRE钢：化工容器及建筑结构,16MnNb钢:大型结构和起重机械；10MnPNbRE钢：造船港口建筑结构和石油井架,14MnVTiRE钢：大型船舶；15MnVN钢：大型桥梁、锅炉及车辆,14MnMoVBRE钢：中温高压容器；18MnMoNb钢：中温高压厚壁容器和锅炉,14CrMnMoVB：高温中压（400560）容器,4.3 中高碳铁素体-珠光体钢,中高碳铁素体-珠光体钢是含0.3%C以上的碳素钢和合金结构钢，主要用于铁道工程的钢轨、轮、轴，岩石工程中的钻杆、建筑工程的型钢、钢筋等。 前期只注重依靠珠光体提高强度和耐磨性，后期出现一系列断裂事故；降低C含量又牺牲了强度和耐磨性。因此需要系统的理解力学性能与组织结构参量之间的关系。,45钢组织,组织：,铁素体+珠光体,相：,铁素体+渗碳体,4.3 中高碳铁素体-珠光体钢,根据研究结果，中、高碳铁素体-珠光体钢的设计和改进方法： 1.降低C含量 2.降低固溶N含量，适当提高Si含量 3.加入Mn可以降低相变温度，降低临界点A1，从而减小珠光体团尺寸，减小珠光体的片间距及细化铁素体晶粒。 4.加入V、Ti、Nb等元素，或正火处理均可细化铁素体晶粒。,已钢轨为例： 我国重轨钢的标准成分为0.67%-0.8%C，0.13%-0.28%Si,0.7%-1.0%Mn,P0.04%，S0.05% 德国：0.55%-0.75%C，0.8%-1.3%Mn,0.8%-1.3%Cr,V0.3%,4.4 调质钢,提高钢强度最有效最简单的方法就是淬火热处理，淬火后，通过回火来消除内应力，调整钢的强度、塑性和韧性。 调质：淬火+高温回火 调质钢：经过调质处理使用的结构钢。调质后，钢的强度虽然降低，但其塑性和韧性却提高。因此，机器部件一般采用调质工艺来获得各项力学性能的最佳组合，称为综合力学性能。 应用：机床主轴，连杆，高强度螺栓等。 调质组织：回火索氏体，即铁素体基体上分布着颗粒状的碳化物组织，良好综合力学性能的原因：1.粒状碳化物的弥散强化和合金元素的固溶强化；2.组织均匀性好；3.作为基体的铁素体由淬火马氏体转变而成，晶粒细小，使钢的冷脆倾向大大减少。,调质钢的典型钢种： 1 低淬透性调质钢 2 中淬透性调质钢 3 高淬透性调质钢 低碳马氏体钢 淬火+低温回火，用回火马氏体代替回火索氏体 某汽车厂用15MnVB低碳马氏体钢代替40Cr调质钢，200会后，强度达到40Cr调质钢处理后水平，冲击韧性又显著超过40Cr调质钢。,4.5 超高强度钢,超高强度：b1400MPa; s1200MPa. 比强度：单位质量的强度 对于宇宙航行和航空工业来说，降低飞行器的重量是至关重要的，因此航天金属材料要求具有较高的比强度，提高比强度：提高强度和减轻重量。采用密度小的铝、镁、钛合金属于减轻重量，但价格贵，超高强度