《金屬材料學(xué)》全冊配套完整教學(xué)課件2

《金屬材料學(xué)》全冊配套完整教學(xué)課件2金屬材料學(xué)

MetallicMaterials

學(xué)

時：48

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、金屬材料的發(fā)展熱點五、關(guān)于本課程Chapter0緒

論一、金屬材料的歷史地位1.材料發(fā)展與社會進步有著密切關(guān)系,它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)。

2.目前，金屬材料在材料的應(yīng)用中起主導(dǎo)地位。雖然無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等的使用量與日俱增，但在可預(yù)見的時期內(nèi)，仍不會改變這種狀況。Chapter0緒

論二、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)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Chapter0緒

論三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況(1)1.從總產(chǎn)量來看，鋼鐵材料的產(chǎn)量占絕對優(yōu)勢，占世界金屬材料總產(chǎn)量的95％，而且有許多良好的性能，能滿足大多數(shù)條件下的應(yīng)用，價格低廉。2.在世界金屬礦儲量中，鐵礦資源雖然比較豐富和集中，但就世界地殼中金屬礦產(chǎn)儲量來講，則非鐵金屬礦儲量大于鐵礦儲量，如鐵只占5.1％，而非鐵金屬中鋁為8.8％．鎂為2.1％，鈦為0.6％。Chapter0緒

論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。4.非鐵金屬所創(chuàng)造的價值高，并且它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。

Chapter0緒

論三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況(2)四、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行結(jié)構(gòu)、成分的科學(xué)設(shè)計。Chapter0緒

論五、關(guān)于本課程(1)1.本課程的目的是講授金屬結(jié)構(gòu)材料的物理冶金問題，使學(xué)生掌握合金中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、環(huán)境對金屬材料各種性能影響的基本規(guī)律；掌握常用金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計、熱處理和使用中的問題。Chapter0緒

論2.本課程的內(nèi)容

金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論碳鋼、合金鋼鑄鐵有色金屬及合金Chapter0緒

論六、關(guān)于本課程(2)3.學(xué)習(xí)要求掌握金屬材料的合金化原理、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、有色金屬等材料的牌號、成分、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，合理選用材料，確定熱處理工藝等。能對產(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。六、關(guān)于本課程(3)Chapter0緒

論4.成績考核方式期末試卷（70%）+平時綜合（30%）5.教材與參考書《金屬材料學(xué)》，吳承建.冶金工業(yè)出版社，2010;《金屬材料學(xué)》，齊錦剛等.冶金工業(yè)出版社，2012;《金屬材料學(xué)》，戴起勛，化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

六、關(guān)于本課程(4)Chapter0緒

論Chapter1鋼鐵中的合金元素

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論1.2鋼的合金化原理1.3合金鋼的分類與牌號主要內(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對鋼的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。要求全面掌握合金元素在鋼中的存在形式，與鐵和碳的相互作用，對Fe-Fe3C相圖、對鋼的熱處理及組織與性能的影響規(guī)律。3.掌握合金鋼的分類與牌號。Chapter1鋼鐵中的合金元素

幾個基本概念（1）合金元素：特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機械性能的化學(xué)元素。雜質(zhì)：冶煉時由原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學(xué)元素。碳鋼：含碳量在0.0218-2.11%范圍內(nèi)的鐵碳合金。合金鋼：在碳鋼基礎(chǔ)上加入一定量合金元素的鋼。Chapter1鋼鐵中的合金元素

低合金鋼：一般指合金元素總含量小于或等于5%的鋼。中合金鋼：一般指合金元素總含量在5～10%范圍內(nèi)的鋼。高合金鋼：一般指合金元素總含量超過10%的鋼。微合金鋼：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能顯著影響組織和性能的鋼。幾個基本概念（2）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論

Chapter1鋼鐵中的合金元素

Steelmakingflowlines

1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

SteelFinishingflowlines

1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（1）1.錳（

Mn）和硅（

Si）

煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進入鋼中的。

Mn：在碳鋼中的含量一般小于0.8%?？晒倘?，也可形成高熔點MnS（1600℃）夾雜物。

MnS在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，加工后硫化錳呈條狀沿軋向分布。

Si：在鋼中的含量通常小于0.5%?？晒倘?，也可形成SiO2夾雜物。

Mn和Si是有益雜質(zhì)，但夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強度和塑、韌性下降。1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（2）2．硫（S）和磷（P）S：在固態(tài)鐵中的溶解度極小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔點共晶。發(fā)生熱脆(裂)。P：可固溶于α-鐵，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。S和P是有害雜質(zhì)，但可以改善鋼的切削加工性能。

1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（3）3．氮（N）、氫（H）、氧（O）N：在α-鐵中可溶解，含過飽和N的鋼經(jīng)受冷變形后析出氮化物—機械時效或應(yīng)變時效。N可以與釩、鈦、鈮等形成穩(wěn)定的氮化物，有細化晶粒和沉淀強化。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。O：在鋼中形成硅酸鹽2MnO?SiO2、MnO?SiO2或復(fù)合氧化物MgO?Al2O3、MnO?Al2O3。

N、H、O是有害雜質(zhì)。1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

二、碳鋼的分類（1）400C1400C1200C1000C800C600C1600CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgadSteelCastIron1．按鋼中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相圖分類亞共析鋼：

0.0218%≤wc≤0.77%共

析

鋼：

wc

=0.77%過共析鋼：

0.77%＜wc≤2.11%1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）按鋼中碳含量的多少分類低碳鋼：

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)），碳鋼可分為

（1）普通碳素鋼：wS≤0.05%，wP≤0.045%。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.035%，

wP≤0.035%。

（3）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.02%，

wP≤0.03%。

（4）特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.015%，

wP≤0.025%。

1.1碳鋼概論二、碳鋼的分類（2）Chapter1鋼鐵中的合金元素

3．按鋼的用途分類，碳鋼可分為

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：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。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種機器零件，如軸、齒輪、彈簧、連桿等。

（3）碳素工具鋼：主要用于制造各種工具，如刃具、模具、量具等。

（4）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。1.1碳鋼概論二、碳鋼的分類（3）Chapter1鋼鐵中的合金元素

4．按鋼冶煉時的脫氧程度分類，可分為

（1）沸騰鋼：指脫氧不徹底的鋼，代號為F。

（2）鎮(zhèn)靜鋼：指脫氧徹底的鋼，代號為Z。

（3）半鎮(zhèn)靜鋼：指脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。

（4）特殊鎮(zhèn)靜鋼：指進行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。

1.1碳鋼概論二、碳鋼的分類（4）Chapter1金屬材料的合金化原理

1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）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）。（2）熱軋后空冷是這類鋼通常的供貨狀態(tài)。用戶一般不需要再進行熱處理而是直接使用。wC=0.06%~0.38%，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。三、碳鋼的用途（1）1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

（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。屈服點數(shù)值共分195、215、235、255、275五個強度等級；1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（2

）Chapter1鋼鐵中的合金元素

等級符號是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。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。

1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（3

）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（4

）（4）典型牌號、性能與用途（表1-1）Q195、Q215：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；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：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。Chapter1鋼鐵中的合金元素

2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）用于較為重要的機械零件，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)可以是熱軋后空冷，也可以是退火、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。這兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍，如20鋼、45鋼。1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（5）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（6）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”。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。Chapter1鋼鐵中的合金元素

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按含錳量的不同，分為普通含錳量和較高含錳量兩組。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。三、碳鋼的用途（7）1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論（4）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼共有31個鋼號（表1-2）。08F鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)低、塑性好，強度較低。可用于各種冷變形加工成型件。10~25等鋼：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)?。三、碳鋼的用途?）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（9）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。可用于如傳動軸、發(fā)動機連桿、機床齒輪等機械零件。高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼：經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高的彈性極限和屈強比以及足夠的韌性和耐磨性。可制造小線徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。Chapter1鋼鐵中的合金元素

3-碳素工具鋼

（1）主要用于制作各種小型工具?？蛇M行淬火、低溫回火處理獲得高的硬度和高耐磨性。可分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。（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)量分數(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，T12等。1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（10）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（11）（3）含錳碳素工具鋼中錳的質(zhì)量分數(shù)可擴大到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（表1-3）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）；Chapter1鋼鐵中的合金元素

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。三、碳鋼的用途（12）1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

4-一般工程用鑄造碳素鋼（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。（3）典型的碳素鑄鋼（表1-4）1.1碳鋼概論三、碳鋼的用途（13）Chapter1鋼鐵中的合金元素

（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。

三、碳鋼的用途（14）1.1碳鋼概論Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1．形成鐵基固溶體

（1）形成鐵基置換固溶體①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可與Fe形成無限固溶體。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe為基的無限固溶體，Cr和V形成以α-Fe為基的無限固溶體。②Mo和W只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。

1.2鋼的合金化原理一、合金元素的存在形式（1）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

ⅠA

0H

ⅡA

ⅢA

ⅣA

ⅤA

ⅥA

ⅦA

He

LiBeBC

NOFNeNaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTi

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

ZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn元素周期表Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）形成鐵基間隙固溶體①對α-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體間隙。

②對γ-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體或四面體間隙。③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。1.2鋼的合金化原理一、合金元素的存在形式（2

）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

2．形成合金滲碳體或碳化物（1）合金滲碳體（碳化物）(Fe,Mn)3C、氮化物和碳、氮化物間隙化合物相，是鋼中的基本強化相；(Fe,Mn)3C、TiN、Ti（C、N）等；（2）過渡族金屬與碳、氮的親和力、碳化物和氮化物的強度（或穩(wěn)定性）按下列規(guī)律遞減：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe1.2鋼的合金化原理一、合金元素的存在形式（3）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

其中：Ⅳ、Ⅴ族金屬的碳化物與氮化物具有簡單的點陣結(jié)構(gòu)，如TiC、VC、TiN、TaC等；Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金屬的碳化物與氮化物具有復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。在鋼中，鐵的碳化物與合金碳化物相比，是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。

一、合金元素的存在形式（4）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

3．形成金屬間化合物（1）金屬化合物的類型通常分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。金屬間化合物通常僅指電子化合物。（2）在奧氏體不銹鋼、馬氏體時效鋼及許多高溫合金中較為重要的金屬間化合物是σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、

μ(Co7Mo6)、

P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、

Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、

NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。

1.2鋼的合金化原理一、合金元素的存在形式（5）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

4．形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相（1）鋼中的非金屬相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。非金屬夾雜物一般都是有害的。（2）AlN和一些稀土氧化物彌散質(zhì)點可用來強化鋼或其它有色金屬合金。（3）在特殊條件下（如快速冷卻凝固），可使某些金屬或合金形成非晶體相結(jié)構(gòu)。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細的實驗和理論依據(jù)。

1.2鋼的合金化原理一、合金元素的存在形式（6）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（1）1．合金元素與鐵的相互作用（1）γ相穩(wěn)定化元素（奧氏體形成元素）

使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴大了γ相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為：開啟γ相區(qū)(無限擴大γ相區(qū))；擴展γ相區(qū)(有限擴大γ相區(qū))。

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（2）①開啟γ相區(qū)(無限擴大γ相區(qū))（圖1-1）

這類合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足夠量的Ni或Mn，可完全使體心立方的α相從相圖上消失，γ相保持到室溫，故而由γ相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-1擴大γ相區(qū)并與γ-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

②擴展γ相區(qū)(有限擴大γ相區(qū))（圖1-2）雖然γ相區(qū)也隨合金元素的加入而擴大，但由于合金元素與α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶體，并且也使A3（GS線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使γ相區(qū)完全開啟。這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相區(qū)借助C及N而擴展，當(dāng)C含量在0~2.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個熱處理的基礎(chǔ)。

1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（3）Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-2擴大γ相區(qū)并與γ-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b)1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）α相穩(wěn)定化元素（鐵素體形成元素）

合金元素使A4降低，A3升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了γ相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為：封閉γ相區(qū)(無限擴大α相區(qū))；縮小γ相區(qū)(不能使γ相區(qū)封閉)。

1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（4）Chapter1鋼鐵中的合金元素

二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（5）①封閉γ相區(qū)(無限擴大α相區(qū))（圖1-3）

當(dāng)合金元素達到某一含量時，A3與A4重合，其結(jié)果使δ相與α相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過一定含量時，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）。

這類合金元素有：Si、Al和強碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti、P及Be等。但應(yīng)該指出，含Cr量小于7%時，A3下降；含Cr量大于7%時，A3才上升。Chapter1鋼鐵中的合金元素

Chapter1鋼鐵中的合金元素

二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（6）②縮小γ相區(qū)(不能使γ相區(qū)封閉)合金元素使A3

升高，A4

下降，使相區(qū)縮小，但不能使其完全封閉。如圖1-4。這類合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-4縮小γ相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b)1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

2．合金元素與碳的相互作用（1）形成碳化物碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是鋼中主要的強化相。碳化物形成元素均位于Fe的左側(cè)。非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶體，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（7）Chapter1鋼鐵中的合金元素

碳化物的晶體結(jié)構(gòu)：當(dāng)rc/rMe>0.59時，碳與合金元素形成一種復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)的碳化物。Cr、Mn、Fe屬于這類元素，它們形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。當(dāng)rc/rMe

≤0.59時，形成簡單點陣的碳化物（間隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（8）Chapter1鋼鐵中的合金元素

碳化物的特性：硬度大、熔點高（可高達3000℃），分解溫度高（可達1200℃）；間隙相碳化物雖然含有50%~60%的非金屬原子，但仍具有明顯的金屬特性；可以溶入各類金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式，在合金鋼中常遇到這類碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。

二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（9）1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）Me對固溶體中碳活度及擴散系數(shù)的影響合金元素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合金元素，會改變金屬原子與碳的結(jié)合力或結(jié)合強度。碳化物形成元素增加固溶體中碳與合金元素之間的結(jié)合力，降低其活度。非碳化物形成元素，相反將“推開”碳原子，提高其活動性，即增加碳的活度，同時將出現(xiàn)碳從固溶體中析出的傾向。（圖1-5）

1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（10）Chapter1鋼鐵中的合金元素

在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奧氏體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，合金元素對碳在奧氏體中的活度具有很重大的意義。

圖1-5合金元素的摩爾原子濃度對1000℃時碳在奧氏體中的相對活度系數(shù)的影響

的影響

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

Me對C在A中的擴散激活能和擴散系數(shù)的影響碳化物形成元素：如Cr、Mo和W等降低C的活度，即提高了C在A中結(jié)合力，因而使擴散激活能升高擴散系數(shù)下降。非碳化物形成元素：如Ni、Co等提高C的活度，即降低了C在A中的結(jié)合力，因而使擴散激活能下降，擴散系數(shù)升高。1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（11）Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-6合金元素對C在奧氏體中的擴散激活能和擴散系數(shù)的影響

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

需要指出的是Si是個例外，它能升高擴散激活能，降低擴散系數(shù)，造成這個例外的原因，則是由于Si雖提高C的活度，但同時降低了Fe原子的活動性，即增加了Fe在固溶體中的結(jié)合能，因而得到與Ni、Co相反的結(jié)果。1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（12）Chapter1鋼鐵中的合金元素

總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實際意義:它關(guān)系到所形成的碳化物的種類、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，如奧氏體化溫度和時間，奧氏體晶粒的長大等。

1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（13）Chapter1鋼鐵中的合金元素

3．合金元素對奧氏體層錯能的影響（1）層錯能的概念：晶體中形成層錯時增加的能量。（2）奧氏體層錯能對鋼的組織和性能的影響：一般認為層錯能越低，越有利于位錯擴展和形成層錯，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢增大。1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（14）Chapter1鋼鐵中的合金元素

例如高Mn鋼和高Ni鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢相差很大。高Ni鋼易于變形加工，

Ni、Cu和C等元素使奧氏體層錯能提高。高Mn鋼則難于變形加工，

Mn、Cr、Ru和Ir則降低奧氏體的層錯能。

1.2鋼的合金化原理二、合金元素與鐵和碳的相互作用

及其對γ層錯能的影響（15）Chapter1鋼鐵中的合金元素

三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（1）1．合金元素對奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響擴大γ相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全擴大γ相區(qū)的合金元素Ni或Mn的含量較多時，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni9高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳耐磨鋼等。1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-7（a）合金元素Mn對Fe-Fe3C相圖中奧氏體區(qū)的影響1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

縮小γ相區(qū)的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全封閉γ相區(qū)的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。Cr對Fe-Fe3C相圖中A區(qū)的影響如圖1-7（b）。

1.2鋼的合金化原理三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（2）Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-7（b）合金元素Cr對Fe-Fe3C相圖中奧氏體區(qū)的影響1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

2．合金元素對Fe-Fe3C相圖共析點S的影響Me對共析轉(zhuǎn)變溫度的影響1.2鋼的合金化原理三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（3）擴大γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度上升。圖1-8合金元素對共析溫度的影響

Chapter1鋼鐵中的合金元素

Me對共析點（S）成分的影響

幾乎所有合金元素都使S點（圖1-9）降低，尤其以強碳化物形成元素的作用最為強烈。共晶點E的碳含量也隨合金元素增加而降低。圖1-9合金元素對共析含碳量的影響

三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響（4）1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

四、合金元素對鋼的熱處理的影響（1）

1．Me對鋼加熱時奧氏體形成過程的影響合金元素的加入改變了臨界點的溫度、S點的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化；由于奧氏體的形成是一個擴散過程，合金元素原子不僅本身擴散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴散，從而影響奧氏體化過程。

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

奧氏體形成過程奧氏體的形核奧氏體的長大滲碳體的溶解奧氏體成分均勻化1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（2）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

（1）Me對奧氏體形成速度的影響

奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長大，兩者都與碳的擴散有關(guān)。非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奧氏體中的擴散速度，增大奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn等對碳在奧氏體中的擴散速度影響較小，故對奧氏體的形成速度影響不大。強碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中的擴散，大大減慢了奧氏體的形成速度。

1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（2）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

碳化物的分解：

奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點幾十或幾百度。奧氏體的成分均勻化：

由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體成分均勻化，碳和合金元素均需擴散。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（3）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

由于合金元素的擴散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長的保溫時間。四、合金元素對鋼的熱處理的影響（4）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-10碳化物和氮化物在奧氏體中溶解度與溫度的關(guān)系

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）Me對奧氏體晶粒長大傾向的影響合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長大，顯著細化晶粒。按照對晶粒長大作用的影響，合金元素可分為：

①Ti、V、Zr、Nb等強烈阻止奧氏體晶粒長大，Al在鋼中易形成高熔點AlN、Al2O3細質(zhì)點，也能強烈阻止晶粒長大；②W、Mo、Cr等阻礙奧氏體晶粒長大的作用中等；1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（5）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-11AlN含量對奧氏體晶粒度的影響

圖1-12MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點（電解萃取碳復(fù)型）1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

③Ni、Si、Cu、Co等阻礙奧氏體晶粒長大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于奧氏體的晶粒長大。Mn鋼有較強烈的過熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時間應(yīng)較短。

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

2．Me對鋼的過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在合金元素可以使鋼的C曲線發(fā)生顯著變化。具體可以分為以下幾個方面：（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響；（2）對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響；（3）對低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（6）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-13合金元素對奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線的影響(a)強碳化物形成元素

(b)中等及弱碳化物形成元素

(c)非碳化物形成元素

1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（7）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響除Co外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（即增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變）。C曲線右移的結(jié)果：降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（8）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

Me的加入對鋼還有固溶強化的作用；合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加熱溫度不高，保溫時間較短，Cr、Mo、W、V等強碳化物未溶解時，非但不能提高淬透性，反而會由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（9）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

兩種或多種合金元素同時加入對淬透性的影響要比兩單個元素影響的總和強得多，例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。合金元素的加入推遲珠光體型轉(zhuǎn)變的同時還可在連續(xù)冷卻過程中得到貝氏體型組織的鋼。

四、合金元素對鋼的熱處理的影響（10）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（2）對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響合金元素對貝氏體轉(zhuǎn)變的作用是通過對γ→α轉(zhuǎn)變和碳原子的擴散的影響而起作用。首先表現(xiàn)在對貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度BS點的影響。碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS點，使得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個轉(zhuǎn)變的C曲線。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（11）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

合金元素還改變貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。四、合金元素對鋼的熱處理的影響（12）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

四、合金元素對鋼的熱處理的影響（13）

圖1-14Mn和Mo對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響

（圖中曲線旁的數(shù)字，分別表示Mn或Mo的百分含量）1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

（3）對低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響合金元素的作用表現(xiàn)在對馬氏體點Ms~Mf溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細結(jié)構(gòu)。除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms和Mf下降（圖1-15）。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（14）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

圖1-15合金元素對1.0%C碳鋼的影響

四、合金元素對鋼的熱處理的影響（15）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

Ms和Mf點的下降，使得室溫下將保留更多的殘留奧氏體量（圖1-16）。四、合金元素對鋼的熱處理的影響（16）

圖1-16合金元素對1.0%C碳鋼1150℃淬火后殘余奧氏體含量的影響

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

合金鋼中高的殘余奧氏體含量對鋼的性能產(chǎn)生很大影響—殘余奧氏體量過高（有時達30%-40%）時，鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。對于奧氏體不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下（

Ms點遠低于室溫或零下）獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。

四、合金元素對鋼的熱處理的影響（17）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余奧氏體量，需要進行附加的處理：冷處理就是將淬火后的鋼件在負溫下繼續(xù)冷卻，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的工藝。如生產(chǎn)上采用干冰與酒精混合可獲得-70℃的低溫。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（18）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

多次回火過程中殘余奧氏體發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余奧氏體中的合金成分，使殘余奧氏體的Ms、Mf點升高，而在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（稱為二次淬火），從而使殘余奧氏體量減少。四、合金元素對鋼的熱處理的影響（19）

1.2鋼的合金化原理Chapter1鋼鐵中的合金元素

合金元素還影響馬氏體的形態(tài)和馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。當(dāng)Ms點溫度較高時，由于滑移的臨界分切應(yīng)力較低，在Ms點以下形成位錯結(jié)構(gòu)的馬氏體；在Ms點溫度較低時，孿生分切應(yīng)力低于滑移臨界分切應(yīng)力，則馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（20）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

3．合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過程的影響主要表現(xiàn)在提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。具體為（1）Me對馬氏體分解的影響（2）Me對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響（3）Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響（4）Me對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響（5）Me對回火脆性的影響

1.2鋼的合金化原理四、合金元素對鋼的熱處理的影響（21）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

五、合金元素對鋼性能的影響（1）加入Me的主要目的：使鋼具有更優(yōu)異的1.2鋼的合金化原理力學(xué)性能使用性能耐腐蝕性、耐熱性強度塑性韌性耐腐蝕性熱強性抗氧化性耐熱性Chapter1鋼鐵中的合金元素

工藝性能鑄造性能鍛壓性能焊接性能熱處理性能切削性能1.2鋼的合金化原理五、合金元素對鋼的性能的影響

（2）Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與編號

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號一、合金鋼的分類1．按化學(xué)成分分類（1）按鋼中所含合金元素的種類分，可分為：錳鋼、鉻鋼、硅鋼、硅錳鋼、鉻錳鈦鋼等。（2）按鋼中合金元素總質(zhì)量分數(shù)分，可分為：低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號2．按鋼的用途分類（1）合金結(jié)構(gòu)鋼：工程構(gòu)件用鋼（低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼）和機械制造用鋼（合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾動軸承鋼和超高強度鋼）。（2）合金工具鋼：刃具鋼（低合金刃具鋼和高速鋼）、量具鋼和模具鋼（冷作模具鋼和熱作模具鋼）。（3）特殊性能鋼：抗氧化鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和易削鋼等。

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號3．按金相組織分類（1）按退火后的組織分：亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、萊氏體鋼。（2）按正火后的組織分：鐵素體鋼、珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。4．按冶金質(zhì)量分類（1）普通低合金鋼（2）優(yōu)質(zhì)低合金鋼（3）高級優(yōu)質(zhì)合金鋼（4）特高級優(yōu)質(zhì)合金鋼Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號1．合金結(jié)構(gòu)鋼（1）工程構(gòu)件用鋼（低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼）

由代表屈服點的漢語拼音字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）等三個部分按順序排列組成。如Q390A。專用工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)鋼：在牌號的頭部（或尾部）標(biāo)注出代表產(chǎn)品用途的符號，例如表示壓力容器用鋼牌號表示為“Q345R”；焊接氣瓶用鋼牌號表示為“Q295HP”；鍋爐用鋼牌號表示為“Q390g”；橋梁用鋼表示為“Q420q”等等。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號二、合金鋼的牌號（2）機器零件制造用鋼由三部分組成，即由“二位數(shù)字+元素符號+數(shù)字”組成。前面的兩位數(shù)字表示鋼的碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍，元素符號表示所含合金元素，后面的數(shù)字表示合金元素含量的百倍。凡合金元素質(zhì)量分數(shù)小于1.5%時，編號中只標(biāo)明元素符號，一般不標(biāo)含量。如果合金元素平均質(zhì)量分數(shù)等于或大于1.5%、2.5%、3.5%……，則在元素符號后相應(yīng)標(biāo)出2、3、4……。合金結(jié)構(gòu)鋼中的Nb、Ti、B等元素，雖然含量很低，但屬有意加入，故在鋼的牌號中仍應(yīng)表示出來。如40B，其平均碳的質(zhì)量分數(shù)為0.4%，硼的質(zhì)量分數(shù)僅為0.0005%~0.0035%。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號合金結(jié)構(gòu)鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼（牌號后加“A”字）或特級優(yōu)質(zhì)鋼（牌號后加“E”字）。高碳鉻軸承鋼的牌號在頭部加符號“G”，但不標(biāo)碳含量。鉻含量以千分之幾計，其他合金元素按合金結(jié)構(gòu)鋼的合金含量表示。例如：平均含鉻量為1.50%的軸承鋼，其牌號表示為“GCr15”。其它專用機器零件制造用鋼也要在牌號的頭部（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號，例如鉚螺鋼“ML30CrMnSi。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號2．合金工具鋼表示方法與機器零件制造用結(jié)構(gòu)鋼相似，但當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分數(shù)大于1%時，含碳量不標(biāo)出；當(dāng)其平均碳的質(zhì)量分數(shù)小于1%時，則牌號前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)的千倍。合金元素的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。由于合金工具鋼都屬于高級優(yōu)質(zhì)鋼，故不再在牌號后標(biāo)出“A”字。如9SiCr表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)為0.9%左右，鉻、硅各為1%左右。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號高速工具鋼不論碳的平均質(zhì)量分數(shù)為多少均不予標(biāo)出。如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、CW6Mo5Cr4V2等，但當(dāng)合金成分不相同時，對高碳者牌號前冠以“C”字。低鉻（平均鉻含量小于1%）的合金工具鋼，在鉻含量前加數(shù)字“0”。例如：平均含鉻量為0.60%的合金工具鋼，其牌號表示為“Cr06”。塑料模具鋼在牌號頭部加“SM”，牌號表示方法與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼相同。例如：SM45、SM3Cr2Mo。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號3．特殊性能鋼不銹鋼及耐熱鋼牌號前的數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)的千倍，合金元素的表示方法與其它合金鋼相同。當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)小于或等于0.03%時，在牌號前冠以00”；當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)小于或等于0.08%時，在牌號前冠以“0”。如不銹鋼3Cr13的平均wC=0.3%、wCr≈13%；不銹鋼0Cr19Ni9的平均wC≤0.08%、wCr≈19%、wNi≈9%；00Cr19Ni11鋼的平均wC≤0.3%、wCr≈19%、wNi≈11%。另外，當(dāng)wSi≤1.5%%、wMn≤2%時，牌號中不予標(biāo)出。Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號一些特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在牌號前或后附以字母。鑄造合金鋼的牌號是在一般合金鋼的牌號前加“ZG”，如ZGMn13、ZG1Cr18Ni9。易切削鋼Y15、Y40Mn、Y15Pb。易切削非調(diào)質(zhì)機械結(jié)構(gòu)鋼YF35V。熱鍛用非調(diào)質(zhì)機械結(jié)構(gòu)鋼F45VChapter1鋼鐵中的合金元素

1.3合金鋼的分類與牌號

Chapter2

工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼

主要內(nèi)容第一節(jié)低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼第二節(jié)微合金化鋼第三節(jié)低碳貝氏體型鋼針狀鐵素體型鋼鐵素體馬氏體雙相鋼第四節(jié)新一代鋼鐵材料Chapter2工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼教學(xué)要求:

基本要求:

了解工程結(jié)構(gòu)用鋼的性能特點及用途，熟悉常用低合金構(gòu)件用鋼。重點與難點：

各種工程結(jié)構(gòu)用鋼的成分特點，合金元素的作用，顯微組織與力學(xué)性能。一、應(yīng)用背景工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼是在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要用于制造各種大型金屬結(jié)構(gòu)（如橋梁、船舶、屋架、鍋爐及壓力容器等）。Chapter2工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼二、工程構(gòu)件的服役特點

不作相對運動，長期承受靜載荷作用，有一定的使用溫度和環(huán)境要求。如寒冷的北方，構(gòu)件在承載的同時，還要長期經(jīng)受低溫的作用；橋梁或船舶則長期經(jīng)受大氣或海水的浸蝕；電站鍋爐構(gòu)件的使用溫度則可達到250℃以上。三、力學(xué)性能要求彈性模量大，以保證構(gòu)件有更好的剛度；有足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力，即σs和σb較高，而δ和ψ較好；缺口敏感性及冷脆傾向性較小等；具有一定的耐大氣腐蝕及海水腐蝕性能。Chapter2工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼四、工藝性能要求良好的冷變形性能和焊接性能。以工藝性能為主，力學(xué)性能為輔。五、成分設(shè)計要求低碳（wC%≤≤0.25%）；加入適量的合金元素提高強度（1）當(dāng)合金元素含量較低時，如低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和微合金化鋼，其基體組織是大量的鐵素體和少量的珠光體；（2）當(dāng)合金元素含量較多時，其基體組織可變?yōu)?，貝氏體、針狀鐵素體或馬氏體組織。六、供貨狀態(tài)大部分構(gòu)件通常是在熱軋空冷（正火）狀態(tài)下使用，有時也在回火狀態(tài)下使用。Chapter2工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼2.1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

（普通低合金結(jié)構(gòu)鋼）一、普通低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的

化學(xué)成分特點（1）低碳，這類鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般小于0.2%，主要是為了獲得較好的塑性、韌性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，加很少Cr和Ni，是經(jīng)濟性能較好的鋼種。Mn能細化珠光體和鐵素體晶粒；Mn的含量在1%~1.5%范圍內(nèi)可促進鐵素體在形變時發(fā)生交滑移，使<112>〈111〉滑移系在低溫下仍其作用，同時，錳還使三次滲碳體難于在鐵素體晶界析出，減少了晶界的裂紋源，這也將改善鋼的沖擊韌性。Mn的加入還可使Fe--Fe3C相圖中的S點左移，使基體中珠光體數(shù)量增多，致使強度不斷提高。2.1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（3）輔加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可產(chǎn)生沉淀強化作用，還可細化晶粒，從而使強韌性得以改善。（4）加入一定量的Cu和P，改善這類鋼的耐大氣腐蝕性能。Cu元素沉積在鋼的表面，具有正電位，成為附加陰極，使鋼在很小的陽極電流下達到鈍化狀態(tài)；P在鋼中可以起固溶強化的作用，也可以提高耐蝕性能；Ni和Cr都能促進鋼的鈍化，減少電化學(xué)腐蝕；（5）加入微量稀土元素可以脫硫去氣，凈化鋼材，并改善夾雜物的形態(tài)與分布，從而改善鋼的力學(xué)性能和工藝性能。2.1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼表2-1

為我國發(fā)展的的牌號、化學(xué)成分和機械性能表2-2國外幾種低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的的化學(xué)成分和力學(xué)性能表2-3我國低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的特性及用途2.1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼二、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、

機械性能和用途

2.2微合金化鋼一、化學(xué)成分特點加入適量的微合金化合金元素，如鈦、鈮、釩等。二、工藝特點運用控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝。通過化學(xué)成分和制備工藝的最佳配合達到最佳強韌化效果，即細化晶粒強化和沉淀強化等的最佳組合。2.2微合金化鋼三、微合金元素在鋼中的作用阻止奧氏體晶粒的長大抑制奧氏體形變再結(jié)晶形成沉淀相促進沉淀強化圖2.1Nb在鋼中的作用圖2.2V在鋼中的作用2.2微合金化鋼圖2.1Nb在鋼中的作用2.2微合金化鋼2.2微合金化鋼圖2.2V在鋼中的作用

2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼

具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強度的極限約為460MPa。若要求更高強度和韌性的配合，就需要考慮選擇其它類型組織的低合金鋼，如采用相變強化的方法，因而發(fā)展了低碳貝氏體型、低碳索氏體型及低碳馬氏體型鋼。主要是適當(dāng)降低鋼的含碳量以改善韌性，由此造成的強度損失可由加入合金元素通過控制軋制和控制冷卻后形成低碳貝氏體或馬氏體的相變強化的方法得到補償。配合加入微合金化元素，如鈮以細化晶粒并進一步提高韌性。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼在軋制或正火后控制冷卻，得到低碳貝氏體組織，與相同含碳量的鐵素體-珠光體組織相比，具有更高的強度和良好的韌性。利用貝氏體相變強化，鋼的屈服強度可達490-780MPa。一、低碳貝氏體鋼2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼1貝氏體鋼的成分主加合金元素是Mo和B，顯著推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少。鉬和硼對CCT圖的影響如圖2-7。在此基礎(chǔ)上再加入Mn、Cr、Ni元素，進一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，并使Bs下降，以獲得下貝氏體組織。通過微合金化，充分發(fā)揮Nb、V、Ti的細化晶粒和沉淀強化。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2鋼種及處理工藝14MnMoV、14MnMoVBRe：屈服強度為490MPa級。主要用于制造容器的板材和其他鋼機構(gòu)。板厚＜14mm，熱軋；板厚＞14mm，正火+高溫回火。14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需預(yù)熱150℃以上。超低碳貝氏體鋼：

w(C)=0.02%，并加入w(Ti)=0.01%使之成為Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳貝氏體鋼。通過控制軋制和控制冷卻可以得到高位錯密度的細小貝氏體組織。這種鋼可在0℃以下溫度條件下服役。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼

二、針狀鐵素體鋼

1顯微組織低碳或超低碳的針狀鐵素體（屬于貝氏體），其α片呈板條狀，具有高密度位錯。相變開始發(fā)生在較上貝氏體為高的溫度范圍里。2成分及性能典型鋼種：Mn-Mo-Nb鋼。其成分范圍：C≤0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有時還加0.06%V或0.01%Ti。屈服強度＞470MPa，伸長率≥20%，室溫沖擊值≥80J，并具有好的低溫韌性。焊接性能良好。抗H2S腐蝕性好。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼3合金元素的作用碳

低碳量是為了增加Nb的碳化物沉淀；降低對韌性的損害。錳

Mn推遲鐵素體-珠光體相變，降低BS點，使針狀的鐵素體在450℃以下形成；也是固溶強化元素。鉬

Mo能有效地推遲鐵素體而不影響貝氏體相變；Mo與Mn聯(lián)合使用還有利于得到細晶粒的針狀鐵素而不是粗大的多邊形鐵素體。鈮通過沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地產(chǎn)生沉淀強化，并且在奧氏體熱軋時，沉淀相Nb(C,N)也可以細化晶粒。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼4針狀鐵素體鋼的用途應(yīng)用于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼三、低碳馬氏體鋼1顯微組織、性能及處理工藝鍛軋后空冷：貝氏體+馬氏體+鐵素體；其性能為：σ0.2=828MPa；σb=1049MPa；室溫沖擊功96J。用于制造汽車的輪臂托架。鍛軋后直接淬火并回火：低碳回火馬氏體。σ0.2=935MPa；σb=1197MPa；室溫沖擊功50J，-40℃沖擊功32J。制造汽車操縱桿。具有高強度、高韌性和高的疲勞強度，適用于工程機械上運動的部件和低溫下使用的部件。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2低碳馬氏體鋼的合金化低C、加入Mo、Nb、V、B等與合理含量的Mn和Cr配合。提高淬透性，Nb還細化晶粒。BHS系列：Mn-Mo-Nb；

BHS-1成分：C：0.10%，Mn：1.8%，Mo：0.45%，Nb：0.05%Mn-Si-Mo-V-Nb系列。2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼四、鐵素體-馬氏體雙相鋼1雙相鋼的特征顯微組織：鐵素體+島狀馬氏體+少量的殘余奧氏體。性能特點：低的屈服強度，一般不超過350MPa；σ-ε曲線是光滑連續(xù)的，沒有屈服平臺，更沒有鋸齒形屈服現(xiàn)象；高的均勻延伸率和總延伸率，其總延伸率在24%以上；高的加工硬化指數(shù)，n值大于0.24；（σ=Kεn）高的塑性應(yīng)變比（r）。（r=εw/εb。εw為寬度應(yīng)變，εb為厚度應(yīng)變）2.3低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2雙相組織的獲得方法

（1）熱處理雙相處理

鋼在Ac1與Ac3雙相區(qū)加熱，其組織為α＋γ，隨著加熱溫度的