钢铁材料学1～3课件

钢铁材料科学，2005年11月1日。引言：材料是人类社会发展的基础。物质、能量和信息构成了人类文明。材料是基础。任何能为人类节约使用的材料都将成为材料和结构材料的基础。人类社会的发展以物质为标志旧石器时代新石器时代(陶器)青铜时代铁器时代。结构材料的性能要求是1。稳定形式(在温度、湿度和外力作用下稳定)-更高的刚性(不包括气体和液体)-更高的承载能力(屈服强度和断裂强度、拉伸强度、压缩强度、抗弯强度、耐磨性和耐疲劳性，如高层建筑和运输车辆的轻质要求)-温度稳定性(冷脆性和热强度)-环境介质作用稳定性(耐候性)，结构材料性能要求2，安全-韧性(冲击载荷下的能量吸收)-耐温性(不同使用条件下的不同要求， 如低温钢和耐热钢)-耐腐蚀性(不同使用条件下的不同要求，如耐候钢、耐海水腐蚀钢和耐酸钢)-自修复(如加工硬化)，结构材料的性能要求3，易成型和加工-不同结构需要不同形状-流态成型(铸造、沉积)-半固态成型(带液芯的轧制或锻造)-固态成型(压力加工：热加工和冷加工)-固态成型(机械加工：重复软化和硬化)-连接成型(焊接、粘接、机械粘接、复合、涂覆)， 结构材料的性能要求4、生产成本低，可实现大规模生产资源丰富，开采容易接近自然平衡状态(硅酸盐材料具有特殊优势)满足大规模生产的要求(生产技术、成型技术、产品生产技术、提高性能技术等)。 )-环保、结构材料性能要求5、舒适性和装饰性-现代要求和发展趋势-表面质量和涂层-金属光泽和抗氧化性-抗震、降噪、隔热-颜色(如彩钢)-特殊性能(如抗菌和手感)、主要结构材料(2014)、硅酸盐材料：价格低廉，年消耗量达几千亿吨；其中，天然砂石有数千亿吨，水泥41.8亿吨(中国24.76亿吨，占59.2%)，瓷砖140亿平方米(中国102.3亿平方米，占70%)，木材：天然锯材，但与环保有关，年消耗量约4.21亿立方米(中国8178万立方米)，钢铁材料：年产量16.61亿吨(中国827万吨49.5%)有色金属：每年1.1亿吨，原料铝5390精炼铜2301(中国4417万吨，铝2810铜796)高分子材料：每年3亿吨的塑料产品(中国7388.8万吨)，钢铁材料的特点，5%的资源丰富的地壳丰度和低成本。为了便于回收，大多数钢材以3000元/吨的价格出售。90%的钢材可以回收。具有优异性能和各种强韧性、耐腐蚀性、耐磨性、低温性能、特殊功能的固态多形性相变能极大地改变钢材料和技术的性能、发展方向、提高产量-满足经济发展需要高性能-高强度、高韧性、长寿命、高内在质量-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-钢和材料类型低成本-降低合金含量和工艺操作成本绿色-易回收和利用，可持续发展，中国钢产量的发展空间，目前，世界人均钢产量为240公斤/年。 发达国家工业化期间，人均钢产量为300-1000公斤/年，连续生产期为50-80年。发达国家基础设施建设达到饱和水平后，人均积累钢材25-50吨，人均产量和据估计，近年来峰值将在8亿吨左右，人均用钢量将达到600公斤/人。中国要实现全面工业化，达到发达国家的总体水平，需要50年左右的基础设施建设和400亿吨(人均30吨)的钢材储备。因此，中国后工业社会仍需保持300公斤/人年的生产和供应水平，即5亿吨/年，以提高钢铁工业20-30年稳定发展的绩效。改善钢材品种结构，增加品种：有多少种不同类型的钢材？钢不是单一产品。目前有3，500种不同等级的钢铁，具有许多不同的特性-物理的、化学的、环境的，其中75%是在过去20年中发展起来的。 :3358，调整生产结构，降低生产成本，提高产量：连铸比和粗钢产量，采用先进的钢铁生产技术，将煤粉注入高炉喷煤技术10多年(重点高炉喷煤比达到120公斤/吨)，可节约焦炭712万吨，节约11亿元。溅渣护炉技术普通转炉最长炉龄已超过30000炉(重点企业平均3600炉)，复合吹炼炉最长超过29000炉。按年产1亿吨转炉钢计算，年经济效益为3亿元。连铸工艺和设备技术的连铸比在10年内提高了61.9个百分点，节约约95亿元。在连续10年的棒线材轧制中，总增加量为45%，节约17亿元。综合节能技术10年降低标准煤0.691吨，节约356亿元。高效生产流程，生产结构优化的重点：缩短流程优化流程，实现紧凑连续的封闭生产，实现零排放管理信息化，生产智能化和环保化，建立节能钢厂，建立高效薄板坯连铸连轧生产流程。国外薄板坯连铸连轧生产线水平为130万吨/流和200万吨/流。中国已投产的七条薄板坯连铸连轧生产线开发并采用了高效生产工艺，实现了150万吨/年的单流产量和300万吨/年的双流产量。这将对中国乃至世界薄板坯连铸连轧生产过程产生重大影响。微合金钢和微合金化技术是钢铁材料发展的重要方向。超细晶粒尺寸、超细第二相强化钢的获取和控制、纳米级第二相屈强比的获取和控制、抗拉强度和均匀延伸率的提高是重要方向，而第二相和夹杂物的尺寸控制是钢铁材料微裂纹尺寸控制的关键。电炉炼钢是一项新技术。20年后，电炉炼钢将成为最重要的钢铁生产方法(废钢将超过铁矿石)。将实现超高功率、节能、降耗和紧凑生产。铜在钢中的应用和控制以及废钢的大量产生将不可避免地导致钢中热脆铜的产生和钢耐候性的提高。铜能在钢中产生强沉淀和沉淀强化。研究氮化铝在钢中的作用，铝被广泛用于脱氧，所以它在钢中很常见。低合金化成本的氮化铝不仅可以以六方硫化锌晶体结构的形式存在，还可以以近年来发现的面心立方氯化钠晶体结构的形式存在，从而具有与微合金碳氮化物相似的效果，奥氏体区析出控制晶粒粗化并适当调节变形奥氏体再结晶行为，铁素体区析出产生强烈的析出强化效应，并研究了氮在钢中的作用。铁碳相图和铁氮相图的对比扩大了奥氏体区的元素，取代镍生产不锈钢(不锈钢的需求增长率约为钢产量的2-3倍，世界镍资源短缺，镍资源的可利用时间预计只有几十年)。强间隙固溶强化氮化物比碳化物更稳定，而且颗粒尺寸较小的熔炼非常困难：高压熔炼，加入高氮合金甚至氮化物粉末。钢铁材料研究的挑战与机遇。几千年的发展使得进一步创新变得更加困难。工业化测试是昂贵的。企业创新理念需要强化。经济效益显著。它对国民经济有很大的影响。几千年的发展积累了丰富的经验，奠定了良好的基础。中国正逐渐成为世界钢铁研究的中心。二。铁-碳合金，铁-Fe3C相图，铁-Fe3C相图：特征点，3:0% 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，1148g 333669%ABCD线以上：L相区(液相区)AHN区：铁素体区GPQ区：铁素体区5单相区NJESG区：奥氏体区DFK线：FE3C区ABH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双相区EFKS区：奥氏体FE3C区全球定位系统区：铁素体奥氏体区QPK线以下区域：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)奥氏体(0.17%C)2，1148: l液相(4.3% c)奥氏体(2.11%C) Fe3C3，727:奥氏体(0.77% c)铁素体(0.0218%C) Fe3C，铁-Fe3C相图：基本相。液态铁L(Liquidiron)，密度7.035t/m3-铁素体，又称高温铁素体，BCC晶体结构，1394的晶格常数为0.29318nm，密度7.360t/m3A奥氏体，相，面心立方晶体结构，912的晶格常数为0.36468nm。密度7.420t/m3F的铁素体，BCC晶体结构，室温晶格常数为0.286645nm，渗碳体密度为渗碳体质量为11.22%，铁素体质量为88.78%，但莱氏体和铁碳合金共晶反应混合物的金相形态没有太大差异。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的共晶混合物，渗碳体质量占52.18%，奥氏体质量占47.82%；低温莱氏体是珠光体(30.69%)、共晶渗碳体(52.18%)和次生渗碳体(17.13%)的混合物。共析钢、亚共析钢和过共析钢在冷却过程中的组织演变。铁-石墨相图为4.26%。与铁-Fe3C相图相比，铁-石墨相图的共析温度提高了11，共晶温度提高了6，相应地c、e、s、p点向低碳含量方向移动了0.04%、0.03%、0.09%，铁-石墨相图的右端是100%碳，而铁-Fe3C相图只有6.69%石墨，比渗碳体更稳定。因此，铁-石墨相图是真正的平衡相图，而铁-Fe3C相图是亚稳态平衡相图。铁-石墨相图主要用于铸铁生产。石墨是铁-石墨相图中出现的重要相石墨，是一种具有六方结构的层状晶体。室温下的晶格常数为0.24612nm，0.67078nm，密度为2.267t/m3，熔点为3825，石墨强度、硬度低且多孔，是一种良好的导电导热材料，减摩润滑、减震降噪也可分为一次、共晶、二次、共析和三次石墨，石墨密度明显低于钢铁材料中的铁。钢铁中可减少凝固过程中收缩孔隙的石墨形式包括片状、球状、蠕虫状等。第三，钢铁材料的强韧化理论，钢铁材料的性能控制因素，每一个学科都有对研究对象的性能起根本控制作用的因素。它们构成了该学科研究的基本水平。化学的基本层次是原子，原子物理学的基本层次是亚层。天文学的基本层次是星体结构材料科学的基本层次，即微观缺陷组织。它控制材料的机械性能、组织和性能之间的关系、材料的机械性能、物理性能、化学性能、腐蚀和磨损过程性能、材料的金相分析、材料的金相分析、X射线晶体学、相的电子显微分析、组织和性能之间的关系、金属物理材料的物理化学强化和增韧原理、材料技术热处理原理和过程热处理技术(熔炼、铸造、轧钢、锻造、焊接)、材料科学， 钢铁材料、合金化原理、显微组织与性能关系、显微组织与性能关系、显微组织与性能关系、复杂问题的分段求解性能F=F(各种成分和工艺参数)这种函数关系非常复杂，难以在实践中应用。 性能F=F(各种微结构参数)微结构参数f=f(各种组件和工艺参数)因此，复杂的问题可以分为两个步骤。明显不需要研究的零件、显微组织缺陷、点缺陷：空位、间隙原子、固溶体原子(置换固溶体、间隙固溶体)线缺陷：位错平面缺陷：晶界、相界、表面体缺陷：第二相、夹杂、结构-性能关系(韧化原理)、位错与各种微缺陷结构的相互作用-间隙固溶体原子-置换固溶体原子-森林位错-晶界-第二相、相应的强韧化技术-间隙固溶体强化-置换固溶体强化-位错强化-晶粒细化强化-第二相强化、强韧化过程分析、 马氏体强化：碳间隙固溶强化、孪晶界强化、相变位错强化、-碳化物沉淀强化加工硬化或低温回火后应变硬化：位错强化沉淀强化或时效硬化：第二相强化、位错晶格电阻、位错运动的晶格电阻，即P-N力P:位错晶格电阻。 根据P-N模型，位错宽度的增加会降低P-N力，因此边缘位错比螺旋位错的P-N力低，位错点阵电阻，表1一些金属晶体在室温下的P实验测量值(MPa)为2，所以铁的P-N力约为56.8兆帕，强固溶强化元素的固溶强化强度增量，而碳含量变化很小，这也可以表示为：kC和kN通常取为4570兆帕(小于0.2%)，弱固溶强化元素的固溶强化强度增量，以及普通置换固体的强化效果系数值kM(MPa)Mn，37Si，84岁；p，470；铜，38；Cr，-40；镍，0，固溶强化效果比较，固溶强化效果比较，碳氮间隙固溶强化是钢中最经济有效的强化方法，0.2%提供约900兆帕的强度增量，0.8%提供约1800兆帕的强度增量(发展铁碳合金和含氮钢)。大多数替代固溶体元素的固溶体强化是一种非常不经济的强化方法。注意m和m的区别，只有固溶状态的部分才能产生固溶强化效果，位错强化，钢材料中的约为0.4-0.5位错密度：退火状态约为105-106/mm2，正火状态约为107/mm2，低碳位错马氏体或表面冷变形强化钢材料约为108-109/mm2，在冷加工的钢材中最大位错强化效果可达51010/mm2。退火状态：6.