从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系

从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系 2011年07月14日钢铁从被利用开始至今日一直是人类不可替代的原材料，是衡量一个国家综合国力和工业水平的重要指标。对于一个国家，钢铁发展直接影响着与其相关的国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。铁在地壳中的丰度约为5%，仅次于氧(49%)、硅(26%)和铝(7%)，而在地心中含量可能达90%，其资源十分丰富。而且相对铝来说，铁化学活泼性适中，使得铁矿开采和钢铁的冶炼更加方便，生产...

从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系从钢铁材料看材料成分—结构—性能关系 2011年07月14日钢铁从被利用开始至今日一直是人类不可替代的原材料，是衡量一个国家综合国力和工业水平的重要指标。对于一个国家，钢铁发展直接影响着与其相关的国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。铁在地壳中的丰度约为5%，仅次于氧(49%)、硅(26%)和铝(7%)，而在地心中含量可能达90%，其资源十分丰富。而且相对铝来说，铁化学活泼性适中，使得铁矿开采和钢铁的冶炼更加方便，生产成本和销售价格也相对低廉。同时钢铁材料具有各样优良的性能特别是力学性能，可以充分满足人类生产和生活对材料的性能需求。因此，自从3000年前人类开始进入铁器时代以来，钢铁材料在人类的生产和生活中一直扮演着重要角色。钢铁是铁与碳、硅、锰、磷、硫以及少量的其他元素所组成的合金。钢铁的分类方法有很多，但大家最常见的就是按其组成成分及比例来分的。比如说我们常听到的碳素钢和合金钢的区别就是:合金钢了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上加入一些合金元素。而碳素钢又可以按其含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢;合金钢按其合金元素的总含量可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。我们都知道除铁外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，钢是含碳量为0.03%,2%的铁碳合金。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。同时含碳量对工艺性能也有很大影响。对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧;始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。而那些比例极小的合金加入，可以对钢性能产生很大影响。可以说普通钢、优质钢和高级优质钢就是在这些比例极小的成分作用下分别出来的。那些合金的加入可以使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。比如说，铬的加入不仅能能提高金属的耐腐蚀性和抗氧化性，也能提高钢的淬透性显著提高钢的强度、硬度和耐磨性;锰可提高钢的强度，提高对体温冲击的韧性;稀土元素可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能…… 钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和显微组织结构。钢铁是属于由金属键所构成的晶体，因此就具有金属晶体的特性，如延展性。同时这也注定钢的机械性能不仅与其化学性能有关，而其晶体的结构和晶粒的大小影响更大。钢的热处理就是加热到一定温度，再按一定的冷却速度冷却，通过改变晶体结构和细化晶粒来改变钢的机械性能。通过热加工可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高:也可以使其中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，提高使用寿命。铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，其含碳量非常低，所以性能与纯铁相似，硬度低、塑性高，并有铁磁性。其显微组织与工业纯铁也相似。碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，具有面心立方晶体结构，可以溶解较多的碳。在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,故奥氏体的硬度较低，塑性高。通常在对钢铁材料进行热变形加工，都应将其加热成奥氏体状态, 所谓"趁热打铁"正是这个意思。铁碳合金中的基本相另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件。而渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物。它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227?，质硬而脆，耐腐蚀。渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大片状影响. Fe—Fe3C相图看起平比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析.上半部分为共晶转变:在1148?,4.3%C的液相发生共晶转变，转变的产物称为莱氏体，存在于1148?~727?之间的莱氏体称为高温莱氏体，组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727?以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，组织由渗碳体和珠光体组成。低温莱氏体是由珠光体，Fe3C?和共晶Fe3C组成的机械混合物。下半部分为共析转变:钢加热奥氏体化后缓慢冷却过程中，在727?时，奥氏体(0.77%C)将发生共析相变生成珠光体。珠光体组织的硬度、强度比铁素体都高，比渗碳体低，塑性也较好。从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。就如我们说:含碳量对钢铁的工艺性能有很大影响。对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧;始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。由此，从钢铁材料中，我们看到，材料的成分，组织和性能是密不可分的三者。成分和结构往往可以极大的影响材料的性能，而成分和结构之间也是相互影响的。

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