金屬材料學(xué)-鋼鐵篇

金屬材料學(xué)

一、金屬材料的歷史地位二、金屬材料的分類三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況四、金屬材料發(fā)展的歷史五、金屬材料的發(fā)展熱點六、關(guān)于本課程緒論主要內(nèi)容:一、金屬材料的歷史地位1.材料是衡量人類社會文明程度的標(biāo)志之一。金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)。石器時代→青銅器時代→鐵器時代2.目前，人類還處在金屬器時期。二、金屬材料的分類黑色金屬有色金屬金屬材料鑄鐵

鋼

工程構(gòu)件用鋼機器零件用鋼工具鋼特殊性能用鋼(不銹鋼及耐熱鋼)輕金屬(鋁,鎂,鈦)重金屬(銅,鋅,鉛,鎳)貴重金屬(金,銀,銅)稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷)放射金屬(鐳鈾釷)結(jié)構(gòu)金屬材料功能金屬材料三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況1.總產(chǎn)量：鋼鐵材料占世界金屬總產(chǎn)量的95％，用量最大，且價格低廉。2.世界金屬礦產(chǎn)儲量：鐵占5.1％，而非鐵金屬中鋁為8.8％．鎂為2.1％，鈦為0.6％。3.非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，因而生產(chǎn)成本高，限制了生產(chǎn)總量的增長幅度。4.非鐵金屬所創(chuàng)造的價值高，且有鋼鐵所不具備的特殊性能，例如比強度高，耐低溫、耐腐蝕等，因而非鐵金屬產(chǎn)量仍在迅速增長。

公元前4300年：自然的金、銅及鍛打、熱加工等工藝公元前2800年：鐵的熔煉四、金屬材料發(fā)展的歷史公元前3800年：人工冶煉的銅器；公元前3000年：我國出現(xiàn)錫青銅——甘肅東鄉(xiāng)馬家窯文化的青銅刀（含6％~10％Sn）。公元前2000年：青銅器興盛，編鐘與武器（商、周、春秋戰(zhàn)國）東漢時：反復(fù)鍛打鋼→最原始形變熱處理工藝。淬火技術(shù):“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”

→現(xiàn)代的水淬、油淬。我國冶鐵技術(shù)在春秋末期有很大的突破，發(fā)明了生鐵經(jīng)退火制造韌性鑄鐵和以生鐵制鋼的技術(shù)。

現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展自19世紀(jì)中葉的轉(zhuǎn)爐煉鋼和平爐煉鋼開始。19世紀(jì)末的電弧爐煉鋼和20世紀(jì)中葉的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及爐外精煉技術(shù)，使鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)了現(xiàn)代化。20世紀(jì)40年代，用鎂作還原劑從四氯化鈦制得純鈦，并使真空熔煉加工等技術(shù)逐步成熟后，鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用得以實現(xiàn)。非鐵金屬冶金方面:19世紀(jì)80年代發(fā)電機的發(fā)明，使電解法提純銅的工業(yè)方法得以實現(xiàn)，開創(chuàng)了電冶金新領(lǐng)域；用熔鹽電解法將氧化鋁加入熔融冰晶石，電解得到廉價的鋁，使鋁成為僅次于鐵的第二大金屬；同時，其他非鐵金屬也陸續(xù)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)中葉，新金屬材料研究發(fā)展迅猛。如非晶態(tài)合金、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬納米材料等。19世紀(jì)末，出現(xiàn)了新型的合金鋼如高速工具鋼、高錳鋼、鎳鋼和鉻不銹鋼，并在20世紀(jì)發(fā)展為門類眾多的合金鋼體系。鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金和難熔金屬及合金等也先后形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。上圖：吳王夫差矛和越王勾踐劍右上：青銅鼎右下：商代青銅縱目人面像

上圖滄州鐵獅子鑄于953年，重40余噸。右圖當(dāng)陽鐵塔鑄于1061年，八棱13層，塔體分段鑄造

擂鼓礅二號墓編鐘復(fù)制件

1981年湖北擂鼓墩二號墓出土戰(zhàn)國編鐘一套，音律準(zhǔn)確，音色優(yōu)美。其件數(shù)和規(guī)模僅次于曾侯乙編鐘，總音域達(dá)5個8度以上，可自己轉(zhuǎn)調(diào)，奏出五聲、六聲、七聲音階構(gòu)成的各種樂曲。須五人合作演出，眾聲齊發(fā)，交響疊鳴。無愧為古代音樂之絕響。

水陸兩用汽車輕型吊軌磁懸浮列車

MX-400空中汽車

美國莫勒潛心研究.被譽為“汽車演變的里程碑”。飛機外形像一輛新穎別致的小汽車。空中飛行依仗的是它有可轉(zhuǎn)動的發(fā)動機及專門提供升力的風(fēng)扇。試用2年多來，它最高飛行時速超過了600多公里，比直升機快2倍，可載4人，飛行最大高度9000米，航程1500公里。

材料的發(fā)展使汽車和飛機等性能發(fā)生了突變

自從1903年12月17日美國萊特兄弟把第一雙人類翅膀送上天空后，各種飛機不斷地在快速發(fā)展，對制造飛機各類零部件的材料要求也越來越高。主要是比強度高、重量輕、耐高溫、耐疲勞等性能。

世界貿(mào)易大廈基本上是用鋁合金貼面的.

在“9.11”事件中，該雙子大樓遭到襲擊，毀于一旦。但它作為一個大量使用鋁合金貼面的的雄偉建筑將永遠(yuǎn)載入史冊。五、金屬材料的發(fā)展熱點1．繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料具有高強度、高韌性、耐高、低溫、抗腐蝕等性能。2．非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)合金材料、金屬納米材料。3．特殊條件下應(yīng)用的金屬材料低溫、高壓、高溫、外場以及輻照條件材料的結(jié)構(gòu)、組織和性能的研究。4．材料的設(shè)計及選用科學(xué)化按照指定的性能對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)、成分的科學(xué)設(shè)計。本課程的目的、性質(zhì)、內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求1.本課程的目的：講授金屬結(jié)構(gòu)材料的物理冶金問題，使學(xué)生掌握金屬及合金中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對金屬材料各種性能的影響的基本規(guī)律；掌握分析、解決各種金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計、生產(chǎn)、熱處理和使用中的問題。

主要內(nèi)容是金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論，在論述常用類型金屬材料的性能要求的基礎(chǔ)上，分析各類工程構(gòu)件用鋼、機器零件及工模具用鋼、不銹鋼、耐熱及高溫合金、鑄鐵及有色金屬及其合金等的合金化特征、熱處理工藝特點及選擇材料與使用材料的原則和方法。2.本課程的性質(zhì)：3.本課程的內(nèi)容金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論，著重討論了金屬材料中的合金元素、金屬合金中的相組成與相變、合金元素對金屬的強韌性和工藝性能等的影響。常用鋼鐵材料、有色金屬及合金材料和新金屬結(jié)構(gòu)材料（包括工程構(gòu)件用鋼、機器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鑄鐵、有色金屬及合金、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬基復(fù)合材料、亞穩(wěn)金屬材料等）。4.學(xué)習(xí)要求掌握金屬材料合金化原理、合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律。掌握常用鋼、鑄鐵、高溫合金、有色金屬等材料的牌號、成份、熱處理規(guī)范、組織、力學(xué)性能和用途。能夠根據(jù)工程構(gòu)件、機器零件（或工具）的服役條件，具有合理選用材料，正確確定熱處理技術(shù)條件的知識。能對材料產(chǎn)品質(zhì)量作初步分析，提出消除或預(yù)防熱處理缺陷的措施。5.

參考書目錄

戴起勛編著?！督饘俨牧蠈W(xué)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2005。王笑天主編。金屬材料學(xué)，機械工業(yè)出版社，1987。王曉敏主編。工程材料學(xué)，機械工業(yè)出版社，1999。Chapter1金屬材料的合金化原理1.1碳鋼概論1.2鋼的合金化原理1.3合金鋼的分類、牌號主要內(nèi)容碳鋼中的常存雜質(zhì)碳鋼的分類碳鋼的用途Me在鋼中的存在形式Me與鐵和碳的相互作用Me對Fe-Fe3C相圖的影響Me對鋼的熱處理的影響Me對鋼性能的影響重點及基本要求:1.了解碳鋼中的常存元素及其影響，重點掌握碳鋼的分類與應(yīng)用;2.第二節(jié)是本章重點。要求全面掌握Me對鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握Me的加入對鋼的基本強化機制的影響。難點是Me對鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響;3.掌握合金鋼的分類、牌號.1.1碳鋼概論一、碳鋼中的常存雜質(zhì)-Mn和Si（1）Mn和Si是煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進(jìn)入鋼中的。(1)Mn<0.8%。主要固溶于鐵中。產(chǎn)生固溶強化作用，↑鋼的強度和硬度。(2)適量的Mn和S可形成高熔點(1600℃)MnS夾雜物。MnS在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，在加工過程中MnS呈條狀沿軋向分布。(4)夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強度和塑性、韌性↓。當(dāng)鋼中含有大量硫化物夾雜時，軋成鋼板后會造成分層。(3)Si<0.5%。碳鋼中的Si一般均可溶入鐵中。產(chǎn)生固溶強化作用，↑鋼的強度和硬度;也可形成SiO2夾雜物。(2)S和Fe能形成FeS，并易于與γ-Fe形成低熔點(989℃)共晶。當(dāng)鋼凝固結(jié)晶時低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100℃以上時，共晶體就將熔化，因此引起軋制或鍛造時的晶界碎裂(熱脆)。(1)S是煉鋼時不能除盡的有害雜質(zhì),在固態(tài)鐵中的溶解度極小。一、碳鋼中的常存雜質(zhì)-S和P（2）(3)若鋼液脫氧不良，含有較多的FeO，還會形成熔點更低（940℃）的（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，危害更大。(4)鑄鋼件含S量高時會引起鑄件在鑄造應(yīng)力作用下發(fā)生熱裂。(5)S容易導(dǎo)致焊縫熱裂，同時在焊接過程中，生成SO2氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。(6)P也是在煉鋼過程中不能除盡的元素。P可固溶于α-Fe。但↓↓鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。此外，P-Fe合金的結(jié)晶范圍很寬，因此P具有嚴(yán)重的偏析傾向。P可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。(7)S和P還可以改善鋼的切削加工性能。應(yīng)變時效——含過飽和N的鋼經(jīng)受冷變形后析出氮化物，使低碳鋼的強硬度↑，塑韌性↓的現(xiàn)象。一、碳鋼中的常存雜質(zhì)—N、H、O（3）N是在冶煉時由爐料及爐氣進(jìn)入鋼中的。含過飽和N的鋼在室溫長時間放置或稍微加熱時,N逐漸以氮化鐵的形式從F中彌散析出.使低碳鋼的強度、硬度↑，塑韌性↓（時效硬化）（有害）。N還會使低碳鋼產(chǎn)生應(yīng)變時效(不利)；N可以與V、Ti、Nb等形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強化，N也可↑鋼的耐熱性能。(有利)。N是使鋼產(chǎn)生藍(lán)脆現(xiàn)象的主要原因。藍(lán)脆是指鋼在加熱到150~300℃時產(chǎn)生的硬度↑，塑韌性↓的現(xiàn)象，因為鋼在空氣中加熱到150~300℃時，由于氧化作用，鋼的表面呈現(xiàn)藍(lán)色。（有害），但截斷鋼材時可加以利用。H在鋼中和應(yīng)力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。在鋼中產(chǎn)生裂紋，↓鋼的塑韌性；容易在焊縫處產(chǎn)生裂紋。O在鋼中形成硅酸鹽2MnO?SiO2、MnO?SiO2或復(fù)合氧化物MgO?Al2O3、MnO?Al2O3等非金屬夾雜物，對鋼的質(zhì)量有重要影響。H是在冶煉過程中，由含水的爐料及潮濕的大氣帶入鋼中的。二、碳鋼的分類1．按鋼中碳含量分為:低碳鋼，WC≤0.25%;中碳鋼，0.25%＜WC≤0.6%;高碳鋼，WC＞0.6%。2．按鋼的質(zhì)量（品質(zhì)）分為:普通碳素鋼：wS≤0.05%，wP≤0.045%。優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.035%，wP≤0.035%。高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.02%，wP≤0.03%。特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.015%，wP≤0.025%。3．按鋼的用途分類:碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素工具鋼：主要用于制造各種工具，如刃具、模具、量具等。一般工程用鑄造碳素鋼：主要用于制造形狀復(fù)雜且需一定強度、塑性和韌性零件。主要用于制造各種機器零件，如軸、齒輪、彈簧、連桿等。主要用于各種工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、建筑構(gòu)件等。也可用于不太重要的機件。4．按鋼冶煉時的脫氧程度分類:沸騰鋼：脫氧不徹底的鋼，代號為F。鎮(zhèn)靜鋼：脫氧徹底的鋼，代號為Z。半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。特殊鎮(zhèn)靜鋼：進(jìn)行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。三、碳鋼的用途（2）供貨狀態(tài)：熱軋后空冷。一般不需再進(jìn)行熱處理而直接使用。1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）C%在0.06~0.38%范圍內(nèi)，主要用于一般工程結(jié)構(gòu)和普通零件，它通常軋制成鋼板、鋼帶、鋼管、盤條、型鋼、棒鋼或各種型材（圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等），可供焊接、鉚接、栓接等結(jié)構(gòu)件使用。應(yīng)用量很大（鋼總產(chǎn)量的70%以上）。標(biāo)志符號Q來源于屈服點的漢語拼音字頭Q；屈服點數(shù)值共分195、215、235、255、275五個強度等級；（3）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四個部分按順序組成。等級符號：指這類鋼所獨用的質(zhì)量等級符號，也按S、P雜質(zhì)多少來分，以A、B、C、D四個符號代表四個等級，其中：A級wS≤0.05%,wP≤0.045%，B級wS≤0.045%,wP≤0.045%，C級wS≤0.04%,wP≤0.04%，D級wS≤0.035%,wP≤0.035%。其中質(zhì)量等級最高的是D級，達(dá)到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級，A、B、C三個等級均屬于普通級范圍。Q195、Q275不分質(zhì)量等級，Q215、Q235、Q255，當(dāng)質(zhì)量等級為“A”、“B”時，在保證力學(xué)性能的要求下，化學(xué)成分可根據(jù)需方要求作適當(dāng)調(diào)整。脫氧方法符號在鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的牌號中可省略。

（4）典型牌號、性能與用途Q195、Q215鋼：含碳量很低，強度不高，但具有良好的塑性、韌性和焊接性能，常用作鐵釘、鐵絲、鋼窗及各種薄板等強度要求不高的工件。Q235A、Q255A：用于農(nóng)機具中的拉桿、小軸、鏈等。也用于建筑鋼筋、鋼板、型鋼等；Q235B、Q255B：用作建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件，機械中一般的轉(zhuǎn)動軸、吊鉤、自行車架等；強度較高，其中Q275屬于中碳鋼，可用作制造摩擦離合器、剎車鋼帶等。Q235C、Q235D：質(zhì)量較好，可作一些重要的焊接結(jié)構(gòu)件及機件。Q255、Q275鋼：牌號中的A級鋼，一般用于不經(jīng)鍛壓加工和熱處理的工程結(jié)構(gòu)件或普通滲碳件（如制造機器中受力不大的鉚釘、螺釘、螺母等）；有時也可制造不重要的滲碳件。B級鋼常用以制造稍微重要的機器零件和船用鋼板，并可代替相應(yīng)含碳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。（1）這類鋼中硫、磷等有害雜質(zhì)含量相對較低，夾雜物也較少，化學(xué)成分控制較嚴(yán)格，質(zhì)量比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼好。用于較為重要的機件，可以通過各種熱處理調(diào)整零件的力學(xué)性能。（2）供貨狀態(tài)：熱軋后空冷，退火、正火等狀態(tài)，一般隨用戶需要而定。（3）牌號：一般用兩位數(shù)字表示。表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍,如45鋼。2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼專用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼還要在牌號的頭部（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號，例如平均碳含量為0.2%的鍋爐用鋼，其牌號表示為“20g”等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，它們是08F、10F、15F。半鎮(zhèn)靜鋼標(biāo)“b”，鎮(zhèn)靜鋼一般不標(biāo)符號。高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加符號“A”，特級碳素結(jié)構(gòu)鋼加符號“E”。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按含錳量的不同，分為普通含錳量(Mn%=0.25~0.8%)和較高含錳量(Mn%=0.7~1.2%)兩組。含錳量較高的一組在其數(shù)字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。注意：這類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，不要和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼混淆。10~25等鋼的焊接和冷沖壓性很好，可用來制造標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可以經(jīng)熱處理制造表面硬度高、心部有較高的強度和韌性的耐磨損、耐沖擊的零件。如齒輪、凸輪、銷軸、摩擦片、水泥釘?shù)取＃?）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼共有31個鋼號。08F鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、塑性好，強度較低?？捎糜诟鞣N冷變形加工成型件。45等中碳鋼通過適當(dāng)熱處理可獲得良好的綜合力學(xué)性能的機件及表面耐磨、心部韌性好的零件。如傳動軸、發(fā)動機連桿、機床齒輪等。高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高的σe和屈強比以及足夠的韌性和耐磨性?？芍圃煨【€徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。3-碳素工具鋼（1）平均含C量在0.65~1.35%范圍;主要用于制作各種小型工具?？蛇M(jìn)行淬火、低溫回火處理獲得高的硬度和高耐磨性?？煞譃閮?yōu)質(zhì)碳素工具鋼（簡稱碳素工具鋼，其wS≤0.03%，wP≤0.035%）和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼（wS≤0.02%，wP≤0.03%）兩類。（2）牌號一般用標(biāo)志性符號“T”（碳字的漢語拼音字頭）加上碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍表示。如T10，T12等。一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼不加質(zhì)量等級符號，而高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在其數(shù)字后面再加上“A”字，如T8A，T12A等。T7、T8適合于制造承受一定沖擊而要求韌性較高的刃具，如木工用斧、鉗工用鑿子等，淬火、低溫回火后的硬度為48~54HRC（工作部分）；（3）含錳碳素工具鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可擴(kuò)大到0.6%，這時，在牌號的尾部標(biāo)以Mn，如T8Mn，T8MnA。（4）典型的碳素工具鋼T9、T10、T11鋼用于制造沖擊較小而要求高硬度與耐磨的刃具，如小鉆頭、絲錐、手鋸條等，淬火、低溫回火后的硬度為60~62HRC，T10A鋼還可用于制造一些形狀簡單、工作負(fù)荷不大的冷作模具、量具；T12、T13鋼硬度及耐磨性最高，但韌性最差，用于制造不承受沖擊的刃具，如銼刀、鏟刮刀等，淬火、低溫回火后的硬度為62~65HRC。T12A也可用于制造量具。T7~T12、T7A~T12A還可用于形狀簡單的塑料模具。（1）主要用于鑄鐵保證不了其塑性，且形狀復(fù)雜，不便于用鍛壓制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。（2）牌號用標(biāo)志性符號“ZG”（鑄鋼這兩個字的漢語拼音字頭）加上最低屈服點值-最低抗拉強度值表示。如ZG340-640表示其屈服強度不小于340MPa，抗拉強度不低于640MPa的鑄鋼。4-一般工程用鑄造碳素鋼（3）典型的碳素鑄鋼ZG200-400：有良好的塑性、韌性和焊接性。用于受力不大、要求韌性好的各種機械零件，如機座、變速箱殼等；ZG230-450：有一定的強度和較好的塑性、韌性，焊接性良好。用于受力不大、要求韌性好的各種機械零件，如砧座、外殼、軸承蓋、底板、閥體、犁柱等ZG270-500：有較高的強度和較好的塑性，鑄造性能良好，焊接性能尚好，切削性好。用作軋鋼機機架、軸承座、連桿、箱體、曲軸、缸體等（4）其他類型的鑄鋼件還有：焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件（GB/T7659-1987），如ZG230-450H；低合金鑄鋼件（GB/T14408-1993），如ZGD535-720；耐熱鑄鋼件（GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20；不銹耐酸鋼鑄件（GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；中、高強度不銹鋼鑄件（GB6967-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。

1.2鋼的合金化原理合金元素：為合金化目的加入，其加入量有一定范圍的元素。鋼中常用Me：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.（1）置換固溶體(Hume-Rothery規(guī)律)1．形成鐵基固溶體一、合金元素的存在形式

表1-1常用Me點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（3）Cu和γ-Fe點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大——有限固溶；（4）原子半徑對溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。（2）間隙固溶體1、間隙固溶體的形成條件：間隙固溶體總是有限固溶體，并且間隙原子僅占據(jù)溶劑金屬的部分間隙位置，即總有部分間隙沒有被填滿。2、間隙固溶體的溶解度取決于溶劑金屬點陣結(jié)構(gòu)和間隙原子的原子尺寸。（1）同一溶劑金屬的不同點陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的——

如γ-Fe與α-Fe。（2）間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H的順序而增加。3、間隙原子總是優(yōu)先占據(jù)有利的間隙位置，畸變?yōu)樽钚?。對?Fe，是八面體間隙；對γ-Fe，是八面體或四面體間隙。2、形成碳化物與氮化物（1）鋼中常見的碳化物K的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對鋼的性能有極重要的影響。非K形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等，與碳不能形成K，但可固溶于Fe中形成固溶體，或者形成其它化合物，如氮化物等。非K形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。K形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它們都是過渡族元素；K形成元素均位于Fe的左側(cè)。M6C：(W，Mo，F(xiàn)e)6C，不是一種金屬K。復(fù)雜立方點陣。常在含W、Mo的合金鋼中出現(xiàn)。

鋼中常見K的類型有：M3C：滲碳體，正交點陣；M7C3：例Cr7C3，復(fù)雜六方；可形成復(fù)合K,

如(Cr,Fe,Mo，…)7C3M23C6：例Cr23C6，復(fù)雜立方；多為復(fù)合KM2C：例Mo2C、W2C。密排六方；MC：例VC、TiC，簡單面心立方點陣；復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)：M23C6

、M7C3

、M3C。特點：硬度、熔點較低，穩(wěn)定性較差；簡單點陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。M6C型不屬于金屬型的碳化物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)，性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。

在鋼中，鐵的K與合金K相比，是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe的原子可以被若干Me的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等。（2）碳化物形成的一般規(guī)律各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe

0.610.600.61

0.570.560.550.530.53

1、碳化物類型的形成碳化物類型與Me的原子半徑有關(guān)。rc/rMe>0.59—復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe<0.59—簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。Me量少時，形成復(fù)合碳化物，如(Cr,M)23C6型。2、相似者相溶完全互溶：晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電子因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C。M23C6可溶解25%的Fe，還可溶解Mo、W、V等。溶入強者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K，但都有一定的溶解度。如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值為<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo；W2C中Cr可置換75%的W原子；3、強者先，依次成K形成元素中，強者優(yōu)先與C結(jié)合，隨C↑，依次形成K。如：在含Cr、W鋼中，隨C↑，依次形成M6C，Cr23C6

，Cr7C3,Fe3C。如果鋼中C量有限，則弱的K形成元素溶入固溶體。如：在含Cr、V的低碳鋼中，大部分Cr都在基體固溶體中。（4）、NM/NC比值決定了K類型形成什么K主要決定于當(dāng)時的NM/NC比值。退火態(tài):在Cr鋼中，隨NM/NC↑，先后形成順序為：M3C→M7C3→M23C6

?；鼗饝B(tài):基體中的NM/NC↑，則析出的K中NM/NC也↑。如W鋼回火時，析出順序為：

Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC

是不斷↑。注:NM/NC為固容體中Me和C的原子數(shù).（5）、強者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長大也難MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時，在500~700℃才析出，并且不易長大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強化方法。（3）氮化物及其形成規(guī)律基本性能特點：高硬度、脆性、高熔點。氮化物一般形成間隙相。強氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中強氮化物形成元素：Mo、W；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe氮原子比碳原子小，氮原子半徑rN和金屬原子半徑rM之比rN/rM均小于0.59，所以氮化物都呈簡單密排結(jié)構(gòu)。例如：(1)

NaCl型簡單立方點陣：TiN，VN，CrN，F(xiàn)e4N（γ'）等(2)

簡單密排立方點陣：WN，MoN，Cr2N，F(xiàn)e2-3N（ε）等氮化物的穩(wěn)定性和氮化物之間的溶解與碳化物相類似。3、金屬間化合物金屬間化合物有：σ相、AB2相（拉氏相）、

AB3相（有序相）等。σ相：在高Cr不銹鋼、鉻鎳及鉻錳奧氏體不銹鋼、高合金耐熱鋼及耐熱合金中，會出現(xiàn)σ相。AB2相：如Fe2Mo、Fe2W、Fe2Nb等，是尺寸因素起主導(dǎo)作用的化合物，兩組元原子直徑之比為dA:dB=1.2:1.在含W、Mo、Nb和Ti等Me的耐熱鋼中存在。AB3相：Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al、Ni3Fe，是一種有序固溶體相，是介于無序固溶體與化合物之間的過渡狀態(tài)。二、合金元素與Fe和C的相互作用1．合金元素與Fe的相互作用（1）γ相穩(wěn)定化元素——使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了γ相區(qū)。α-Feδ-Feγ-Fe鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：圖1-1擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)①開啟γ相區(qū)(無限擴(kuò)大γ相區(qū))Me與γ-Fe形成無限固溶體，與α-Fe形成有限固溶體。它們均使A3降低，A4升高。如：Mn、Ni、Co等。如果加入足夠量的Ni或Mn，可完全使bcc的α相從相圖上消失，γ相保持到室溫（即A1點降低），故而由γ相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的A組織，它們是不銹鋼中常用作獲得A的元素。圖1-2擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b)②擴(kuò)展γ相區(qū)(有限擴(kuò)大γ相區(qū))Me也使A3降低，A4升高；γ相區(qū)也隨Me的加入而擴(kuò)大，但Me與α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶體，最終不能使γ相區(qū)完全開啟。這類Me主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相區(qū)借助C及N而擴(kuò)展，當(dāng)C含量在0~2.11%范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（A），這構(gòu)成了鋼的整個熱處理的基礎(chǔ)。（2）α相穩(wěn)定化元素

Me使A4↓，A3↑，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使F形成，即↓了γ相區(qū)。圖1-3封閉γ相區(qū)并與α-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及

Fe-Cr相圖(b)①封閉γ相區(qū)(無限擴(kuò)大α相區(qū))Me使A3↑，A4↓，達(dá)到某一含量時，A3與A4重合，γ相區(qū)被封閉，或者說Me↑了F的形成，使δ相與α相區(qū)連成一片。當(dāng)Me超過一定含量時，合金不再有α-γ相變，與α-Fe形成無限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。這類Me有：Si、Al和強K形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。含Cr量<7%時，A3↓；含Cr量>7%時，A3才↑。Cr、V與α-Fe完全互溶，W、Mo、Ti等部分溶解.Me使A3↑，A4↓，使γ相區(qū)↓但不能使其完全封閉。這類Me有：B、Nb、Zr等。圖1-4縮小γ相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b)②縮小γ相區(qū)(但不能使γ相區(qū)封閉)可將Me分為A形成元素和F形成元素兩大類，對生產(chǎn)實際有重要的指導(dǎo)意義。通過控制鋼中Me的種類和含量，使鋼在室溫下獲得單相組織。如發(fā)展A鋼時，需要往鋼中加入Ni、Mn、N等A形成元素；欲發(fā)展F鋼時，需要往鋼中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等F形成元素。同時向鋼中加入兩類Me時，其作用往往相互有所抵消。例外：Cr是F形成元素，在Cr18%與Ni同時加入時卻促進(jìn)了A的形成。Me擴(kuò)大或縮小γ相區(qū)的作用與該元素在周期表中的位置有關(guān)，與它們的點陣結(jié)構(gòu)、電子因素和原子大小有關(guān)。有利于擴(kuò)大γ相區(qū)的Me，其本身具有fcc點陣或在其多型性轉(zhuǎn)變中有一種fcc點陣，與鐵的電負(fù)性相近，與鐵的原子尺寸相近。2．合金元素與碳的相互作用（1）形成K非K形成元素，相反將“推開”C原子，?其活動性，即?ac，同時將出現(xiàn)C從固溶體中析出的傾向。（2）Me對固溶體中C活度（ac）及擴(kuò)散系數(shù)的影響Me對碳在固溶體中活度的影響主要表現(xiàn)在存在于固溶體中的Me，會改變金屬原子與碳的結(jié)合力或結(jié)合強度。K形成元素?固溶體中C與Me之間的結(jié)合力，?ac。在研究K、氮化物和碳、氮化合物在A中的溶解和冷卻時它們從固溶體中的析出，以及熱處理過程中元素在各相間的再分配這些問題時，Me對碳在A中的活度具有很重大的意義。

圖1-5Me的摩爾原子濃度對1000℃時碳在A中的相對活度系數(shù)的影響

主要表現(xiàn)在C在A和F中擴(kuò)散，Me本身在A和F中的擴(kuò)散、Me對C在A和F中擴(kuò)散以及Me對Fe的自擴(kuò)散的影響等。K形成元素如Cr、Mo和W等?ac，即?了C在A中的結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能?，擴(kuò)散系數(shù)?。非K形成元素如Ni、Co等?ac，即?了C在A中的結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能?，擴(kuò)散系數(shù)?。(3)Me對C在A中的擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響例外：Si能?擴(kuò)散激活能，?擴(kuò)散系數(shù)，由于Si雖?ac，但同時?了Fe原子的活動性，即?了Fe在固溶體中的結(jié)合能，因而得到與Ni、Co相反的結(jié)果。Me與碳的相互作用具有重大的實際意義:它關(guān)系到所形成的K的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布。而所有這些都會直接影響到鋼的性能，如鋼的強度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能。同時對鋼的熱處理亦有較大的影響，如A化溫度和時間，A晶粒的長大等。由于Me與C有著不同的親和力，對相變過程中C的擴(kuò)散速度亦有較大影響；強K形成元素?C的擴(kuò)散，?C原子的擴(kuò)散速度；弱K形成元素Mn以及大多數(shù)非K形成元素則無此作用，甚至某些元素如Co還有?C原子擴(kuò)散的作用。因而Me與C的作用對鋼的相變有重要影響。

三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響1、Fe-Fe3C相圖(1)鐵碳合金中的基本相——C原子溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體，fcc。C在γ-Fe中的溶解度較大，最大可達(dá)2.11%(1148℃)。隨著溫度↓，C在γ-Fe中的固溶度↓，在727℃時是0.77%。硬度較低，約為HB170-220，塑性好。奧氏體（γ或A）——鐵和碳的化合物，其碳含量為6.67%。復(fù)雜八面體結(jié)構(gòu)。——碳在α-Fe中的固溶體，bcc。碳在α-Fe中溶解度極小，最多只有0.028%(727℃)，在室溫時固溶度幾乎降為零。其性能和純鐵基本相同，強度極限只有250MPa，硬度只有80HBS，但塑性(延伸率δ=50%)和沖擊韌性好。鐵素體（α或F）滲碳體（Fe3C）滲碳體的硬度很高，HV800，但極脆，塑性和韌性幾乎是零，強度Rm=30MPa左右?？梢猿势瑺?、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在?！狥和Fe3C的機械混合物，其含碳量為0.77%，性能介于F和Fe3C之間，緩冷時硬度約為180～200HBS。珠光體（P）——含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到1148℃時，同時結(jié)晶出A和Fe3C的共晶體，該共晶體稱為高溫萊氏體，用“Ld”表示。而在727℃以下由P和Fe3C所組成的萊氏體稱為低溫萊氏體，用“Ld′”表示。萊氏體硬而脆，是白口鑄鐵的基本組織。萊氏體N（0，1394）d-Feg－FeG（0，912）g－Fea-Fe(2)Fe-Fe3C相圖分析1、相圖中的點（14個）（1）組元的熔點：A(0,1538)：鐵的熔點D(6.69,1227)：Fe3C的熔點（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點：（3）C在鐵中最大溶解度點P(0.218，727)：C在a-Fe中的最大溶解度Q(0.0008，RT)：室溫下C在a-Fe中的溶解度E(2.11，1148)：C在

g-Fe中的最大溶解度H(0.09，1495)：C在

d-Fe中的最大溶解度J(包晶點)：(d＋g＋L)三相共存點S(共析點)：(g＋a＋Fe3C)C(共晶點)：(g＋L＋Fe3C)F(6.69,1148)：滲碳體K(6.69,727)：滲碳體（5）其它點B(0.53，1495)：發(fā)生包晶反應(yīng)時液相的成分固相線(ＡＨＪＥＣＦ)：結(jié)晶時固相的成分，其下為固相。HJB——包晶轉(zhuǎn)變ECF——共晶轉(zhuǎn)變PSK(A1線)——共析轉(zhuǎn)變2、相圖中的線液相線(ＡＢＣＤ):結(jié)晶時液相的成分，在其上體系為液相表示恒溫轉(zhuǎn)變的線：PQ——C在F中的最大溶解度隨溫度的變化線固溶度線：ES(Acm線)——C在A中的最大溶解度隨溫度的變化線；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：GS(A3線)——表示含C<0.77%的鋼加熱時，F(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)锳的終了溫度。L+d,L+Fe3C，L+g,

+g,g+ag+Fe3C,a+Fe3C

3、相圖中的相區(qū)單相區(qū)（4個＋1個）L、a、g、d（＋Fe3C）兩相區(qū)（7個）4、Fe-Fe3C相圖中的轉(zhuǎn)變由液相直接結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變，屬于非恒溫轉(zhuǎn)變。（1）勻晶轉(zhuǎn)變：Lg

:由液相中直接結(jié)晶出g相。含碳量：0.53~4.3%LFe3C:由液相中直接結(jié)晶出Fe3C相。含碳量：4.3~6.69%Ld:由液相中直接結(jié)晶出d相。含碳量：0～0.53%）（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變d(b.c.c)g(f.c.c)NH（開始線）NJ（結(jié)束線）g(f.c.c)a(b.c.c)GS（開始線）GP（結(jié)束線）從一個固相中析出另一個固相的轉(zhuǎn)變。溫度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含C量就超過溶解度，多余的C就以Fe3C析出。（3）析出轉(zhuǎn)變：gFe3CII析出aFe3CIII析出1）包晶轉(zhuǎn)變→HJB線

（4）恒溫轉(zhuǎn)變dH0.09LB0.53gJ0.17+1495oC含義：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一個一定成分新固相的反應(yīng)2）共晶轉(zhuǎn)變gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148oC含義：由一定成分的液相在恒溫下同時轉(zhuǎn)變成兩個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。3）共析轉(zhuǎn)變aP0.0218gs0.77Fe3C6.69+727oC含義：在恒溫下由一個固定成分的固相同時生成兩個固定成分的新固相的轉(zhuǎn)變。產(chǎn)物：P。(3)典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析方法和步驟在相圖的橫坐標(biāo)上找出給定的成分點，過該點作成分線；在成分線與相圖的各條線的交點作標(biāo)記（一般用1、2、3、4等）根據(jù)每條線表示的轉(zhuǎn)變，寫出每兩個點之間或者重要點上發(fā)生的轉(zhuǎn)變；由液相分析至室溫。室溫下該成分線所在的相區(qū)，合金室溫下就具有那個相。組織組成物則取決于冷卻過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變。共析鋼室溫平衡組織為P。