机械工业出版社 金属工艺学第一章 金属材料基础知识

第一章 金属材料基础知识 一、金属材料的分类 二、钢铁材料生产过程概述 三、机械制造过程概述 四、金属材料的性能 五、金属材料的晶体性能 六、纯金属的结晶过程 七、金属材料的同素异构转变 八、合金的晶体结构与结晶过程 九、金属材料的铸锭组织特征 十、铁碳合金相图 第一节　金属材料的分类 金属是指具有良好的导电性和导热性,有一定的强度和塑性,并具有光泽的物质,如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以某种金属元素为主,其他金属或非金属为辅构成的,并具有金属特性的工程材料,它包括纯金属和合金两类。 纯金属在工业生产中虽具有一定的用途,但由于其强度、硬度一般都较低,且冶炼技术复杂,价格较高,因此在使用上受到较大的限制。目前广泛使用的是合金状态的金属材料。 合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。例如,普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金,碳素钢是由铁和碳组成的合金,合金钢是由铁、碳和合金元素组成的合金。与纯金属相比,合金除具有更好的力学性能外,还可以通过调整组成元素之间的比例,以获得一系列性能各不相同的合金,从而满足不同的性能要求。 金属材料,尤其是钢铁材料在国民经济中有重要的作用,这主要是由于金属材料具有比其他材料优越的性能,如物理性能、化学性能、力学性能及工艺性能等,能够满足生产和科学技术发展的需要。金属材料通常还可分为钢铁材料和非铁金属两大类,如图1-1所示。 1.钢铁材料 以铁或以铁为主而形成的金属材料,称为钢铁材料(或称黑色金属),如各种钢材和铸铁。 2.非铁金属 除钢铁材料以外的其他金属材料,统称为非铁金属(或称有色金属),如铜、铝、镁、锌、钛、锡、铅、铬、钼、钨、镍等。 除此之外,还出现了许多新型的具有特殊性能的金属材料,如粉末冶金材料、非晶态金属材料、纳米金属材料、单晶合金、超导合金以及新型的金属功能材料(如永磁合金、高温合金、形状记忆合金、超细金属隐身材料、超塑性金属材料、储氢合金)等。 第二节　钢铁材料生产过程概述 钢铁材料是铁和碳的合金。钢铁材料按其碳的质量分数w(C) (含碳量) 进行分类, 可分为工业纯铁[w(C)<0.021 8%]; 钢[w(C)=0.021 8%~2.11%]和白口铸铁或生铁[w(C)>2.11%]。 生铁是由铁矿石经高炉冶炼而获得的,它是炼钢和铸件生产的主要原材料。 钢材生产以生铁为主要原料,首先将生铁装入高温的炼钢炉里,通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数,获得所需要的钢液,然后将钢液浇铸成钢锭或连铸坯,再经过热轧或冷轧后,制成各种类型的型钢。图1-2所示为钢铁材料生产过程示意图。 一、炼铁 炼铁用的原料主要是含铁的氧化物。含铁比较多且有冶炼价值的矿物有赤铁矿石、磁铁矿石、菱铁矿石、褐铁矿石等。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外,还含有硅、锰、硫、磷等元素的氧化物杂质,这些杂物称为脉石。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)。 焦炭作为炼铁的燃料,一方面为炼铁提供热量,另一方面焦炭在不完全燃烧时所产生的CO,又作为使氧化铁和其他金属元素还原的还原剂。熔剂的作用是使铁矿石中的脉石和焦炭燃烧后的灰分转变成密度小、熔点低和流动性好的炉渣(漂浮在钢液表面),并使之与铁液分离。常用的熔剂是石灰石(CaCO3)。 炼铁时需要将炼铁原料分批分层装入高炉中,在高温和压力的作用下,经过一系列的化学反应,将铁矿石还原成铁。高炉冶炼出的铁不是纯铁,其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素,这种铁称为生铁。生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要,生铁可分为两类:铸造生铁和炼钢生铁。铸造生铁的断口呈暗灰色,硅的质量分数较高,主要用于生产复杂形状的铸件。炼钢生铁的断口呈亮白色,硅的质量分数较低(w(Si)<1.5%),用来炼钢。 高炉炼铁产生的副产品主要是炉气和炉渣。高炉排出的炉气中含有大量的CO、CH4和H2等可燃性气体,具有较高的经济价值,可以回收利用。高炉炉渣的主要成分是CaO,SiO2,也可以回收利用,用于制造水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。 二、炼钢 炼钢以生铁(铁液或生铁锭)和废钢为主要原料,此外,还需要加入熔剂(石灰石、氟石)、氧化剂(O2、铁矿石)和脱氧剂(铝、硅铁、锰铁)等。炼钢的主要任务是把生铁熔化成液体,或直接将高炉铁液注入高温炼钢炉中,利用氧化作用将碳及其他杂质元素减少到规定的化学成分范围之内,以获得需要的钢材。所以,用生铁炼钢实质上是一个氧化过程。 1.炼钢方法 现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法。各种炼钢方法的热源及生产特点比较列于表1-1。 2.钢的脱氧 钢液中的过剩氧气与铁生成氧化物,对钢的力学性能会产生不良的影响,因此,