1、钢的生产,钢的冶炼,炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内，清除有害元素S、P、O2、N2，同时保留或加入有益元素（Si、Mn、Ni、Cr）并调整元素之间的比例，获得最佳性能。,钢的生产,炼铁与炼钢,铁矿石在高炉中通过化学反应炼制成生铁，生铁碳含量高于2%，其制品硬而耐磨，但很脆不易焊接；钢的碳含量低于2%，其制品具有良好的综合性能。 炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内，清除有害元素S、P、O2、N2，同时保留或加入有益元素（Si、Mn、Ni、Cr）并调整元素之间的比例，获得最佳性能。,炼钢在1700C进行，首先发生 2Fe+O2=2FeO在铁液中被C、Mn、Si还原， C+FeO= CO+Fe
2、Si+2FeO=SiO2+Fe Mn+FeO=MnO+Fe生成气体作为废气排出，氧化物成为炉渣排出。最后加入脱氧剂脱氧，在适当的成分和温度下出钢。,钢的生产,主要原料是废钢和铁水，造渣剂（石灰、萤石），氧化剂（铁矿石），脱氧剂（铁合金）。炉气作为燃料（煤气、高炉焦炉的高炉煤气、重油天然气等）。 熔化阶段为使炉料尽快熔化，需要消耗大量煤气提供热量。,平炉炼钢,钢的生产,转炉炼钢,（1）普通转炉炼钢：依靠炉底吹入空气将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素氧化时产生的热来炼钢的。特点是周期短，生产效率高。氮的侵入、不能利用废钢，由于冶炼时间短，质量不好控制。所以不能冶炼优质钢。,钢的生产,（2）纯氧顶吹转炉
3、炼钢：采用纯氧从碱性转炉口吹进铁水进行冶炼。原料为铁水，采用部分废钢做冷却剂。加入石灰、萤石除S、P。用锰、硅或铝脱氧。（3）电炉炼钢：废钢做原料，冶炼高质量钢的方法。平炉与转炉冶炼时都发生强氧化过程，合金元素烧损严重，电炉利用电能做热源，避免元素烧损。冶炼时杂质少、质量稳定、原材料消耗低，金属回收率高。,钢的生产,转炉炼钢三种炼钢方法比较,具有不同的特点，并且钢中杂质含量不同。含碳量相同时三种钢的强度、伸长率无显著差别，但冲击韧性、冷脆性、焊接性不同，其中普通转炉钢最差。选材时对重要结构一般可用平炉、电炉或纯氧转炉冶炼。,钢的生产,镇静钢与沸腾钢,根据炼钢时脱氧程度的不同，钢材可分为镇静钢、
4、沸腾钢和半镇静钢。 （1）镇静钢：用锰、硅（或用铝补充），脱氧完全。浇注后析出气体少，钢锭安静凝固，但有集中缩孔，其他部分致密。,钢的生产,（2）沸腾钢：只用锰脱氧，脱氧不完全。钢中留下的FeO冷却时与C反应生成CO，在钢锭中呈沸腾状态，凝固后没有集中缩孔，有分散气泡，在轧制与锻造过程中可弥合。 （3）半镇静钢：加入的脱氧剂比镇静钢少，析出的气体比沸腾钢少，浇注后钢锭下部无沸腾，上部有沸腾。,钢的生产,脱氧剂中锰、硅、铝的脱氧能力依次增强。沸腾钢中不加硅，所以可用此来区分钢的类型，沸腾钢的 硅含量0.05%或0.07%，大于0.170.35%为镇静钢。,钢的生产,（4）特别镇静钢：合金添加量提
5、高到约0.2%Si、0.02%Al和少量的Mn使钢水完全脱氧，其中 Mn与大部分硫化合，这类钢在凝固时特别的镇静。,碳钢,工业用钢，绝大多数是由冶金厂生产的板材、棒材、型材、管材及线材等。 材料的组织和性能除与其成分、加工工艺及热处理有关外，还与它的冶金质量密切相关。,钢的生产,钢的冶金质量是指钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量，主要包括钢中所含的杂质元素及非金属夹杂物，钢锭的宏观组织及压力加工后的组织与缺陷，它们均是衡量钢材冶金质量的重要标志。,钢的冶金质量,钢的生产,钢中的杂质元素及其质量,碳钢中除铁和碳二个基本组元之外，还含有少量的Mn、Si、P、O、H、N等元素。它们是从矿石和在冶炼过程
6、中进入钢中的，这些元素称为常存杂质。,钢的生产,（1）Mn和Si,锰和硅是在炼钢时作为脱氧剂加入钢中的，Mn和Si都能溶入铁素体，有固溶强化作用。可提高钢的强度。Mn还能与钢中的S形成MnS，降低S的有害作用。在合理含量范围内，Mn和Si是有益元素。,钢的生产,（2）S,硫是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质。硫会引起钢的热脆性，含S高的钢，因为有热脆性而难以进行热压力加工。 S是钢中的有害杂质但当钢中含S量增高的同时并含有较多的Mn时，可以改善钢的切削加工性能。,钢的生产,（3）P,一般说来，磷是有害杂质元素，它是由矿石和生铁等炼钢原料带入的。P在铁中有较大的溶解度，室温下P在。-Fe中溶解
7、度达1.2。所以钢中的P一般都溶于铁中。P具有很强的固溶强化作用，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。 在一定条件下P也具有一定的有益作用，例如由于它降低铁素体的韧性，可以用来提高钢的切削加工性。它与铜共存时，可以显著提高钢的抗大气腐蚀能。,钢的生产,金属的冷塑性变形,（1）弹性变形：卸载后形状恢复 （2）塑性变形：卸载后不能恢复的部分，不可逆。,金属的结构和特性II,金属受力时其原子相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化称为变形。,单晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形的基本方式为滑移和孪生，但一般在大多数情况下都是以滑移方式进行。,金属的结构和特性II,多晶体的塑性变形的特
8、点,a) 晶粒位向的影响：各晶粒位向不同，塑性变形逐步扩展、不均匀，产生内应力； b) 晶界的作用： 对塑性变形有阻碍作用； c) 晶粒大小的影响：越细小、不同位向的晶粒越多，塑性变形抗力越大。,金属的结构和特性II,冷塑性变形对金属性能的影响,造成形变强化（加工硬化），即随着塑性变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降； 是不能经过热处理强化合金的重要强化方式； 可使金属具有抗偶然超载的能力！,金属的结构和特性II,冷塑性变形对金属组织结构的影响,塑性变形是借位错在应力作用下不断地增殖和移动而进行的。在金属未变形或少量变形时，位错的分布一般是均匀的，随着变形增大，由于位错运动和交
9、互作用，出现位错不均匀分布并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒，同时，在亚晶界上聚集大量位错，亚晶界愈多。位错密度愈大，金属塑性变形抗力愈大。,金属的结构和特性II,回复与再结晶,经过冷塑性变形的金属，不仅其组织结构与性能发生了变化，而且还存在残余内应力位金属处于不稳定状态。为了使其组织结构趋于稳定状态，恢复或改善其物理、化学、力学性能，可以对金属进行加热。随加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。,金属的结构和特性II,回复,回复阶段是指加热温度不高时，由于原子扩散能力不很大，变形金属的显微组织不发生明显变化，仅强度和硬度略有降低，而塑性略有增大，但残余应力显著下降，
10、其物理和化学性能也部分地恢复到变形前的这一阶段。在工业上，为保持金属经冷塑性变形后的高强度，往往采用回复处理，以降低内应力，适当提高塑性。,金属的结构和特性II,再结晶,温度进一步增加时，由于原子扩散能力增大，使被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴晶粒，同时使加工硬化现象消除，这一过程称为再结晶。 再结晶后的晶粒内部晶格畸变消失，位错密度下降，残余应力与加工硬化现象也完全消失，因而金属的强度、硬度显著下降，而塑性则显著上升，结果使变形金属的组织和性能基本上恢复到冷塑性变形前的状态。,金属的结构和特性II,金属的冷塑性变形程度愈大，再结晶的倾向愈大，再结晶开始温度愈低。当冷塑性变形程度达到一定量后，
11、再结晶温度将趋于某一个稳定值此温度就是通常指的再结晶温度。大量实验证明，各种纯金属再结晶温度等于其熔点的40%。因此，熔点越高的材料其再结晶温度越高。,再结晶温度,金属的结构和特性II,冷变形金属加热时组织和性能的变化,金属的结构和特性II,在金属学上，冷加工和热加工不是根据变形时金属是否加热，而是根据金属的再结晶温度来区分的。 在再结晶温度以下的塑性变形为冷加工；在再结晶温度以上的塑性加工为热加工。 热加工同样引起金属的加工硬化，但因有回复和再结晶过程产生而抵消。,金属的热加工与冷加工,金属的结构和特性II,金属热加工对组织和性能的影响,（1）消除铸态金属的组织缺陷 通过热加工(热轧、锻造等
12、)可使金属毛坯中的气孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，将粗大的柱状晶粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒，改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布，其结果可使金属材料致密程度与力学性能提高。,金属的结构和特性II,（2）细化晶粒 热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可使晶粒细化，因而可以提高金属的力学性能。但热加工金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。变形程度小，终止加工的温度过高，再结晶晶核长大又快，加工后得到粗大晶粒；相反则得到细小晶粒。但终止加工温度不能过低，否则造成形变强化及残余应力。因此，制定正确的热加工工艺规范，对改善金属的性能有重要的意义。,金属的结构和特性II,（3）形成锻造
13、流线 金属内部的夹杂物(如MnS等)在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中，金属锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致，使之变成条带状、线状或片层状，在宏观试样上沿着变形方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的流线。由一条条流线勾划出来的这种组织称为热变形纤维组织。,金属的结构和特性II,由于锻造流线的出现，使金属材料的性能，在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线的方向，其抗拉强度及韧性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度较高，而抗拉强度较低。,金属的结构和特性II,热处理方法是不能消除或改变工件中的流线分布的，而只能依靠适当的塑性变形来改善流线的分布。在某些场合下，不希望金属材料中出现各向异性，此时须采用不同方向的变形(如锻造时采用镦粗与拔长交替进行)以打乱流线的方向性。,金属的结构和特性II,（4）形成带状组织 若钢在铸态下存在严重的夹杂物偏析或热变形加工时的温度过低，则在钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为带状组织。带状组织使钢的性能变坏，特别是横向的塑性、韧性降低。,钢中的带状组织,金属的结构和特性II,
