材料工程學(xué)匯總

1、第一章第一章 鋼的合金化基礎(chǔ)鋼的合金化基礎(chǔ)碳鋼的強(qiáng)度、硬度總的說(shuō)來(lái)還是比較低的，雖然可以通過(guò)調(diào)節(jié)碳含量及熱處理的方法來(lái)提高其力學(xué)性能，但其淬透性淬透性及回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用。淬透性：淬透性：表征鋼件淬火時(shí)形成的能力。（用淬硬層深度來(lái)表示）淬硬性：淬硬性：以大于上臨界冷速的冷卻速度冷卻時(shí)得到的的硬度?；鼗鸱€(wěn)定性：回火穩(wěn)定性：在高溫下保持硬度和強(qiáng)度的能力。1.1 概述概述為提高碳鋼的力學(xué)性能、淬透性及回火穩(wěn)定性，在鋼中添加一定量的合金元素合金鋼合金鋼。常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化

2、鋼微合金化鋼是近二、三十年來(lái)鋼鐵是近二、三十年來(lái)鋼鐵生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只要加入要加入極少量的（極少量的（0.1%)的強(qiáng)碳化物形的強(qiáng)碳化物形成元素如成元素如Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以再配合以控軋工藝控軋工藝，就可以制成屈，就可以制成屈服強(qiáng)度達(dá)服強(qiáng)度達(dá)350-550MPa，并具有良好韌性，并具有良好韌性的低碳鋼。的低碳鋼。合金元素合金元素的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。一、合金元素的作用一、合金元素的作用合金元素在鋼中的存在形式多合金元素在鋼中的存在形式多樣，還會(huì)改變相圖，影響相變。樣，還會(huì)改變相圖，影響相變

3、。所以要理解合金鋼，必須了解所以要理解合金鋼，必須了解合金元素及其作用，雖然很難，但合金元素及其作用，雖然很難，但我們無(wú)法回避。我們無(wú)法回避。成分成分組織組織性能性能是材料科學(xué)的主旋律。成分的是材料科學(xué)的主旋律。成分的復(fù)雜性對(duì)研究工作帶來(lái)困難，但同復(fù)雜性對(duì)研究工作帶來(lái)困難，但同時(shí)也蘊(yùn)藏著更多的發(fā)展?jié)摿?。時(shí)也蘊(yùn)藏著更多的發(fā)展?jié)摿?。合金元素在鋼中的存在形合金元素在鋼中的存在形式式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶體固溶體碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物例：形成合金例：形成合金F 合金元素溶入合金元素溶入F后，由于后，由于原子

4、半徑原子半徑和和晶晶格類形格類形的差異，必然引起晶格畸變，產(chǎn)生的差異，必然引起晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使的強(qiáng)度、硬度固溶強(qiáng)化，使的強(qiáng)度、硬度，而塑、韌，而塑、韌性略有下降。性略有下降。P、Si、Mn、Ni是是顯著顯著的的強(qiáng)化元素強(qiáng)化元素。固溶體固溶體固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素它是合金元素溶入滲碳體溶入滲碳體中中并并置換部分鐵置換部分鐵原子原子而形成的碳化物。而形成的碳化物。(Fe , Me)3CMe代表代表Mn、Cr等合金元素。等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，硬度高硬度高，所以可以所以可以提高耐磨性提高耐磨性。

5、合金滲碳體合金滲碳體如（如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等、等由中強(qiáng)或強(qiáng)由中強(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)是：是：熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高、硬度高硬度高、穩(wěn)定性穩(wěn)定性高高、很難溶入中很難溶入中。特殊碳化物特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC 、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、金屬間化合物金屬間化合物FeS、FeCr、Ni3Al、 Ni3Ti、 Fe2W非金屬夾雜物非金屬夾雜物Al2O3、AlN、 SiO2、 TiO2 、MnS游離

6、態(tài)游離態(tài)如如Pb、Cu等等（一）合金元素改善鋼的熱處理工藝性能（一）合金元素改善鋼的熱處理工藝性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻礙鋼在加熱時(shí)A晶粒的長(zhǎng)大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻礙晶界遷移，細(xì)化晶粒。P21王曉敏 工程材料學(xué)1. 細(xì)化奧氏體晶粒細(xì)化奧氏體晶粒除除Co外，外，固溶于固溶于A中中的合金元素的合金元素總是不同程度的增加穩(wěn)定性，延緩總是不同程度的增加穩(wěn)定性，延緩的轉(zhuǎn)變，使的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，淬透性提曲線右移，淬透性提高。高。合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚至至空冷空冷即可獲得即可獲得M組織。組織。Cr、Mn、Mo、Si、Ni

7、、B2. 提高淬透性提高淬透性非碳化物形成元素及Mn，使C曲線右移。Mn, Ni, Cu碳化物形成元素使C曲線右移，還改變C曲線形狀。使P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變明顯分開成兩個(gè)轉(zhuǎn)變圖。Cr使B轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使P轉(zhuǎn)變右移的作用。碳化物形成元素Mo、W等使P轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使B轉(zhuǎn)變右移的作用?？绽淇色@得B組織。工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)主講教師：潘希德 除除Co、Al外，外，所有合金元素所有合金元素降降低低Ms 、Mf增加殘余奧氏體含量，按作用由增加殘余奧氏體含量，按作用由強(qiáng)到弱：強(qiáng)到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2. 提高淬透性提高淬透性3. 提高回火抗力，產(chǎn)生二次硬化，提高回火抗力，產(chǎn)生二次

8、硬化，防止第二類回火脆性防止第二類回火脆性回火抗力是指淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗回火抗力是指淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力，又稱硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性。合金元素合金元素固溶于淬火固溶于淬火M中中可減慢碳的擴(kuò)可減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過(guò)飽和固溶體中析出，散，阻礙碳化物從過(guò)飽和固溶體中析出，推推遲遲M的分解的分解，延緩硬度下降延緩硬度下降，因此，合金鋼，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。碳鋼高。在要求相同硬度條件下，在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，合金鋼

9、的回火溫度高，塑韌性好。塑韌性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素較多的合金鋼，等合金元素較多的合金鋼，在在500600范圍內(nèi)范圍內(nèi)回火回火時(shí)，時(shí)，由于由于沉淀析出沉淀析出這些合金元素這些合金元素的碳化物并呈的碳化物并呈彌散狀彌散狀分布，分布，因而對(duì)材料起到沉淀強(qiáng)化的因而對(duì)材料起到沉淀強(qiáng)化的作用。作用。淬火鋼在較高溫度回火淬火鋼在較高溫度回火時(shí)，硬度不降低反而升高的時(shí)，硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為二次硬化二次硬化?；鼗饻囟然鼗饻囟菻RCwSi 回火溫度回火溫度HRCwMo 多次多次回火過(guò)程中回火過(guò)程中AR發(fā)生發(fā)生合金合金碳化物碳化物析出析出回火過(guò)程中回火過(guò)程中AR中的碳及合金中的碳

10、及合金元素元素“貧化貧化”，使其，使其Ms高于室溫高于室溫，在在冷卻冷卻過(guò)程中過(guò)程中AR轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镸。二次淬火二次淬火大部分合金元素大部分合金元素均均延緩延緩相相的回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程的回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程幾種元素的綜合作用可更顯幾種元素的綜合作用可更顯著著提高提高相再結(jié)晶溫度。相再結(jié)晶溫度。淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400出現(xiàn)韌性下降，稱第第一類回火脆性一類回火脆性；在500 600 回火后緩慢冷卻時(shí)韌性亦會(huì)下降，稱第二類第二類回火脆性回火脆性。回火溫度回火溫度 AK快冷300500650慢冷產(chǎn)生回火脆性的原因產(chǎn)生回火脆性的原因第一類回火脆性與M及殘余A分解時(shí)沿M針條邊界析出

11、薄片狀Fe3C有關(guān)。目前尚無(wú)有效方法消除，只能盡量避開在此溫度范圍內(nèi)回火。第二類回火脆性，是因鋼中的雜質(zhì)S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。 對(duì)小型零件可采用回火后快冷的方法； 而對(duì)于大型零件則可在材料中加入Mo、W等，這些元素可阻止或延緩有害元素在晶界上的析出。防止第二類回火脆性的措施防止第二類回火脆性的措施 固溶強(qiáng)化 第二相強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化（二）合金元素提高鋼的使用性能（二）合金元素提高鋼的使用性能1. 提高鋼的強(qiáng)度提高鋼的強(qiáng)度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等等合金元素固溶于合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸變，增加位中引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，產(chǎn)生強(qiáng)化。錯(cuò)運(yùn)

12、動(dòng)的阻力，產(chǎn)生強(qiáng)化。（1）固溶強(qiáng)化）固溶強(qiáng)化硬度硬度提高提高韌性韌性降低降低Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb、Zr等合金元素在鋼中能夠形成各種碳化物合金碳化物。根據(jù)元素與碳親和力的強(qiáng)弱，合金元素分為根據(jù)元素與碳親和力的強(qiáng)弱，合金元素分為強(qiáng)強(qiáng)碳化物形成元素碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱弱碳化物形成元素碳化物形成元素：Mn中中強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相強(qiáng)化（）第二相強(qiáng)化合金碳化物合金碳化物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物合金滲碳體合金滲碳體它是合金元素溶入滲碳體中并置換部分鐵原子而形成的碳化物。(Fe , Me)3CMe代表弱及中強(qiáng)碳化物形成

13、元素Mn、Cr、Mo、W等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，加熱時(shí)難溶入A中，也不易聚集長(zhǎng)大，可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)、硬度，提高耐磨性。一般低合金結(jié)構(gòu)鋼中主要的合金元素為：Mn、Cr、Mo等，故在此類鋼中主要形成的是合金滲碳體。特殊碳化物特殊碳化物由中強(qiáng)或強(qiáng)由中強(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、其共同特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶入中。入中。具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物物 WC、Mo2C、VC、TiC具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的碳化物具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的碳化物 Cr23C6、Cr7C3

14、、Fe5W3CV、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是顯著細(xì)化A、F晶粒及M，提高鋼的強(qiáng)度、硬度，并能提高鋼塑性和韌性。（）細(xì)晶強(qiáng)化（）細(xì)晶強(qiáng)化鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是以降低塑、韌性為代價(jià)的。以降低塑、韌性為代價(jià)的。只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，又能提高鋼的塑性和韌性。度，又能提高鋼的塑性和韌性。合金元素固溶于鐵素體及奧氏體中，會(huì)改變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度A4、A3共析溫度A1共析成分S奧氏體中碳的最大溶解度點(diǎn)E. 使鋼獲得特殊性能使鋼獲得特殊性能合金元素加入鋼中后會(huì)改變相圖，使鋼在室溫下得到單相組織，并可形成致密

15、的氧化膜和金屬間化合物，使鋼獲得耐蝕性及耐熱性。（）形成單相組織（）形成單相組織u特點(diǎn)：特點(diǎn)： A4、A3， 相區(qū)相區(qū)擴(kuò)大擴(kuò)大u擴(kuò)大擴(kuò)大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形形成無(wú)限固溶體的元素成無(wú)限固溶體的元素Ni、Mn等等u部分部分?jǐn)U大擴(kuò)大 相區(qū)與相區(qū)與 -Fe形成有限固溶體的元形成有限固溶體的元素素C、N、Cu等。等。 擴(kuò)大擴(kuò)大 相區(qū)合金元素（穩(wěn)定元素）相區(qū)合金元素（穩(wěn)定元素）ES N（A4） G（A3） Tw Me % CNCuTLwMe %NiMnCo擴(kuò)大擴(kuò)大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形成無(wú)限固溶體形成無(wú)限固溶體部分部分?jǐn)U大擴(kuò)大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形成有限固溶體形成有限固溶體u特點(diǎn)：特點(diǎn)

16、：A3、A4， 相區(qū)相區(qū)縮小縮小u縮小并完全封閉縮小并完全封閉 相區(qū)相區(qū)的元素的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等等u僅使僅使 相區(qū)部分縮相區(qū)部分縮小而不閉的元素小而不閉的元素、b、Ta、Zr等。等。 縮小縮小 相區(qū)的元素（穩(wěn)定元素）相區(qū)的元素（穩(wěn)定元素）LFeMeMeTCrV縮小并完全封閉縮小并完全封閉區(qū)并與區(qū)并與形成形成無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體縮小并完全封閉縮小并完全封閉區(qū)并區(qū)并與與形成有限固溶體形成有限固溶體LFeMeMeTBNbTaZr部分縮小部分縮小區(qū)而不封閉區(qū)而不封閉MeLFeMeTMoWTiAlSi當(dāng)鋼中當(dāng)鋼中wNi=9%，wMn=13%時(shí)，可時(shí)，可使使A3降低至室溫，此時(shí)鋼

17、在室溫下為單降低至室溫，此時(shí)鋼在室溫下為單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。當(dāng)鋼中當(dāng)鋼中wCr=1728%時(shí)，可使奧氏時(shí)，可使奧氏體區(qū)消失，此時(shí)鋼在室溫下為單相鐵素體區(qū)消失，此時(shí)鋼在室溫下為單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有耐蝕、耐高溫等特殊性能。耐蝕、耐高溫等特殊性能。合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等加入鋼中后，會(huì)形成u 致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等u 金屬間化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2

18、W、Fe2Mo等（）形成致密氧化膜或金屬間化合物（）形成致密氧化膜或金屬間化合物致密的氧化膜覆蓋在鋼的表面上，可提高鋼的耐蝕性和高溫抗氧化性；金屬間化合物可阻礙位錯(cuò)在高溫下的運(yùn)動(dòng)，提高鋼的蠕變抗力，及高溫強(qiáng)度。合金元素在鋼中作用合金元素在鋼中作用細(xì)化細(xì)化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大擴(kuò)大A相相Ni、Mn、Cu、N擴(kuò)大擴(kuò)大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化

19、膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti1. 按用途分按用途分合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼（一）分類（一）分類1.2 合金鋼的分類及牌號(hào)合金鋼的分類及牌號(hào)2. 按化學(xué)成分分類 1）按合金元素種類分為 2）按合金元素含量分為：低合金鋼 Me5%中合金鋼 5% 10%鉻鋼、錳鋼、硅錳鋼、鉻錳硅鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等； 3）按質(zhì)量分普通鋼 wS 0.050%，wP 0.055%優(yōu)質(zhì)鋼 wS 0.040%，wP 0.040%高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 wS 0.030%，wP 0.035% 4）按金相組織分珠光體鋼（包括S、T鋼）貝氏體鋼馬氏體鋼奧氏體鋼（二）編號(hào)（二

20、）編號(hào)數(shù)字化學(xué)元素?cái)?shù)字?jǐn)?shù)字化學(xué)元素?cái)?shù)字合金元素平均含量主要合金元素符號(hào)平均含碳量1、含碳量的標(biāo)記結(jié)構(gòu)鋼：wC10,000工具鋼：wC1,000，為了避免與結(jié)構(gòu)鋼混淆，又規(guī)定wC1.0%時(shí)不予以標(biāo)注，高速鋼例外，其wC 1.0%也不標(biāo)注。特殊性能鋼： wC1,000 wC=0.080.1%，標(biāo) 1 wC=0.030.08%，標(biāo) 0 wC 0.03%，標(biāo) 002、合金元素含量的標(biāo)記wMe %1.51.52.53.54.5標(biāo)記-2345注：滾動(dòng)軸承鋼鉻的標(biāo)記除外(wCr1,000)3、附加標(biāo)記高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：編號(hào)后+“A”（高）特殊用途鋼：編號(hào)前+“特殊用途符號(hào)” G滾動(dòng)軸承鋼；C磁鋼； Y易切削鋼40

21、CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%,wNi2%的合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼wCr1.5%的滾動(dòng)軸承鋼wC0.03%,wCr13%的M不銹鋼wC0.08%,wCr17%的F不銹鋼wC0.03%,wCr18%, wNi9%的A不銹鋼wW18%,wCr4%的高速鋼要點(diǎn)總結(jié)要點(diǎn)總結(jié)熟悉熟悉合金元素在鋼中存在的形合金元素在鋼中存在的形式和作用式和作用掌握掌握第一第二類回火脆性第一第二類回火脆性了解了解合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)及特點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)及特點(diǎn)合金元素在鋼中的存在

22、形式合金元素在鋼中的存在形式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等合金元素在鋼中作用合金元素在鋼中作用細(xì)化細(xì)化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大擴(kuò)大A相相Ni、Mn、Cu、N擴(kuò)大擴(kuò)大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400出現(xiàn)韌性下降，稱第第一類回火脆性一類回火脆性；在500 600 回火后