《金属材料学》课件第1章 钢合金化概论.ppt

1、 第第1 1章章 钢的合金化原理钢的合金化原理1.11.1 MeMe和和FeFe基二元相图基二元相图一、钢中的一、钢中的MeMe 1、杂质元素（、杂质元素（impurity-element）常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成，微量元素微量元素O、H、N等。等。与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关，如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）；？氢氢 脆脆 H 白点。白

2、点。2、合金元素（、合金元素（alloying-element）为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。钢中常用合金元素：钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。二、二、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-C相图的变化特点。相图的变化特点。Me和和Fe的作用：的作用：1、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区扩大区扩大a)与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启开启区区 量大时，量大时，室温为室温为相；相；b)与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。2、稳定

3、化元素稳定化元素使使A3，A4，区缩小区缩小a)完全封闭完全封闭区区 Cr、V、W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相?W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b)缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 A形成元素。形成元素。(a)Ni，Mn，Co(b)C，N，Cu (c)Cr，V(d)Nb,B等等 图图1 1 合金元素和合金元素和FeFe的作用状态的作用状态 1.2 1.2 MeMe对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响一、对一、对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动，F形成元

4、素使形成元素使S、E点向点向左上方左上方移动。移动。S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小；E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响合金元素对共析碳量的影响 二、对临界点的影响二、对临界点的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）线向下移动；线向下移动；F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向上移动线向上移动三、对三、对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；奥氏体钢；F形成元

5、素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高钢在高温下仍为温下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 1.3 铁基固溶体铁基固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)无无限限无无限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*无无限限无无限限无无限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与注：有些元素的固溶度与C C量有关量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么?简单地

6、说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3d d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数

7、值的数值（1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%，可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶；15%，溶解度极小。，溶解度极小。结结论论 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律，即即Hume-R

8、othery规律规律 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似相同或相似.有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe。溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度溶解度。N溶解度比溶解度比C大大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸

9、变为最小。间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。二、间隙固溶体二、间隙固溶体1.4 碳（氮）化物碳（氮）化物 一、钢中常见的碳化物一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。重要的作用。非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）由强到弱排列）钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵；M7C3：例例Cr7C3，复杂六方复杂六方；M23C6：例例Cr23C6，复杂

10、立方复杂立方；M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方；MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属不是一种金属K。复杂六方点阵复杂六方点阵。K也有空位存在也有空位存在；可形成复合；可形成复合K,如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物,复杂结构，复杂结构，性能

11、特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。1 1、K K类型类型 K类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径有关。各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下：Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 二、二、K K形成的一般规律形成的一般规律 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K；rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，

12、形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型。Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如如（Cr,M）23C6型型。2 2、相似者相溶、相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。如如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiC VC。有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等.最大值为最大值为 20%Cr，2%W，400，Me开始开始重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基体中，形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进形成元素逐步进入析出的入析出的K

13、中，其程度决定于回火温度和时间。中，其程度决定于回火温度和时间。二、二、Me的偏聚（的偏聚（segregation ）偏聚偏聚现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为吸附现象。这种现象也称为吸附现象。偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关都与此有关.Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；Me+：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；Me+：溶质原子

14、在螺位错吸附形成溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团气团.偏聚偏聚机理机理 溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。结构学结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；子容易存在；能量学能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。能量的方向发生。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。即使暂时不发生，也存

15、在潜在的趋势。热力学热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。RTECCexp0影响影响因素因素 缺陷处缺陷处溶质浓度溶质浓度 温度温度T：T，内吸附强烈；内吸附强烈；时间时间t：偏聚偏聚需要需要原子扩散原子扩散需要一定时间需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈，吸附也越强烈;其它元素：间接作用其它元素：间接作用:优先吸附问题优先吸附问题,B与与C 直接作用直接作用:影响吸附元素影响吸附元素D,MnDP，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；扩散加快，促进了

16、钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：点阵类型：bcc点阵内吸附较点阵内吸附较fcc强烈强烈1.6 1.6 合金钢的加热合金钢的加热A A化化 一、一、K K在在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越好，溶解度就越小；2）温度）温度，溶解度，溶解度，沉淀析出；沉淀析出；3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解;4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac，K的溶解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相则相 反反,ac，K的溶解。如：较多的溶解。如：

17、较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 二、二、A体均匀化体均匀化 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的的分布是不均匀的.合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别?三、三、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大；晶粒长大；2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大；3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大。1.7 1.7 过冷过冷A A体的分解体的分解一、过冷一、过冷A A体的稳定性体的稳定性 过冷过冷A A

18、体稳定性实际上有两个意义：孕育期和体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持 C钢的钢的“C”线形状，使线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动；2）Co不改变不改变“C”线，但使线，但使“C”线左移；线左移；3）K形成元素，使形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致曲线出现不同形状，大致 有五种。有五种。“

19、C C”曲线五种形状曲线五种形状 常用合金元素对奥氏体等常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响温转变曲线的影响 (上左上左)强强K形成元素形成元素 (上右上右)中、弱中、弱K形成元素形成元素 (下左下左)非非K形成元素形成元素 二、过冷二、过冷A A体的体的P P、B B转变转变 P转变转变：需要：需要C和和Me都扩散都扩散；综合影响顺序：综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变贝氏体转变：C原子作短程扩散，原子作短程扩散，Me几乎没有几乎没有扩散。扩散。影响顺序：影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si，而而W、Mo等等影响很小。影响很小。三、三、MeMe对对MsMs的影响的影响

20、各种各种Me对对Ms位置的影响程度是不同的。位置的影响程度是不同的。思考题：思考题：W、Mo等元素对贝氏体转变等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解迟作用大，如何理解?对一般结构钢的成分设计时，对一般结构钢的成分设计时，要考虑其要考虑其MS点不能太低，为什么点不能太低，为什么?1.8 1.8 合金钢的回火转变合金钢的回火转变一、一、M M分解分解 低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不同程度影响同程度影响:1）Ni、Mn的影响

21、很小；的影响很小；2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们分解，其程度与它们与与C的亲和力大小有关。这些的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了阻止了渗碳体的析出长大；渗碳体的析出长大；3）Si比较特殊：比较特殊：Fe和和C的的结合力结合力 ,a,ac c-FeXC的形核、长大的形核、长大Si能溶于能溶于，不溶于不溶于Fe3C，Si要从要从中出去中出去 Fe3C 效果效果:含含2%Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上以上4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律基基本本规规律律 渗碳体形成开始温度与合金化无关；渗碳体形成开始温度

22、与合金化无关；含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 钢（线钢（线2 2）和）和C C钢（线钢（线1 1）规律相同；）规律相同；在相同回火温度在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含 C量要比量要比C钢的高，如图中的钢的高，如图中的C3 C1，2；不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度的温度TK是不同的，线是不同的，线3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。回火时马氏体中回火时马氏体中C C量的变化量的变化 线线1-C1-C钢钢;线线2-2-含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的

23、合除外）的合金钢金钢;线线3-3-含碳化物形成元素的合金钢含碳化物形成元素的合金钢 二、回火时二、回火时K K的形成的形成 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温度为：Me Si Mn Cr Mo W V T,300 350 400500 500 500550 1）K长大长大 聚集温度：聚集温度：M3C型，型，350 400；其它；其它K，450 600；2）K成分变化和类型转变成分变化和类型转变K转变转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊K T,500 能否形成特殊能否形成特殊K，取决于取决于:Me性质、性质、NM/NC比值；比值；T和和t。钒钢（钒钢（0

24、.3C,2.1V）在在1250淬火不同温度回火淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化碳化物成分、结构和硬度的变化 3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 +M3C MXCY (M7C3,M23C6)异位析出异位析出：M P+M3C 0+MXCY (MC,M2C)特殊特殊K析出析出 二次硬化，直接析出二次硬化，直接析出 贡献最大贡献最大 三、回火脆性三、回火脆性 1、第、第1类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆；与回火后冷速无关；与回火后冷速无关；晶界脆断。晶界脆断。产生产生原因原因Me作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成；杂质元素杂质元

25、素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界，晶界强度。晶界强度。Mn、Cr脆性；脆性；V、Al改善脆性；改善脆性；Si 脆性温度区脆性温度区.2 2、第、第2 2类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 可逆；可逆；回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制；晶界脆断晶界脆断.产生产生原因原因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界；形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；等

26、是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；促进其它元素偏聚，助偏剂；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂抑制其它元素偏聚，清除剂Me对相图的影响对相图的影响Me与与C的作用的作用Me在材料处理各过在材料处理各过程中的行为表现程中的行为表现加热加热冷却冷却回火回火温温度度时间时间 一方面要清楚材料处理各过程的演化规律一方面要清楚材料处理各过程的演化规律;另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各过程中的作用和影响在各过程中的作用和影响.为理解为理解Me的作用的作用 要了解钢的基本强化机理要了解钢的基本强化机理.1.9 Me对钢强韧化的作

27、用对钢强韧化的作用 一、一、MeMe对钢强化的形式及其机理对钢强化的形式及其机理 强化本质：强化本质：各种强化途径各种强化途径塑变抗力塑变抗力位错运动阻力位错运动阻力 钢强度钢强度niiSCK表达式表达式 对于对于C、N等间隙原子，等间隙原子，n=0.332.0；对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子：n=0.51.0 机理机理效果效果提高强度，降低塑韧性提高强度，降低塑韧性 原子固溶原子固溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生弹性产生弹性应力场，与位错交互作用应力场，与位错交互作用位错运动阻力位错运动阻力1 1、固溶强化、固溶强化 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响合金元素对低碳铁

28、素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，时，钢的塑韧性将有较大的下降。钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。合金元素对合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应型不锈钢的强化效应-间隙元素，间隙元素，-F形成元素，形成元素，-A形成元素形成元素2 2、位错强化、位错强化 2/1ddK表达式表达式 机理机理 位错密度位错密度 位错交割、缠结，位错交割、缠结，有效地阻止了位错运动有效地阻止了位错运动 钢强度。钢强度。对对bcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好?效果效果 在强化的同时，同样也降

29、低了伸长在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度率，提高了韧脆转变温度TK3 3、细晶强化、细晶强化2/1dKgg表达式表达式机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。阻止位错运动，产生位错塞积强化。效果效果 钢的强度，又钢的强度，又塑性和韧度塑性和韧度这是最理想的强化途径这是最理想的强化途径.著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，Kg为系数为系数 晶界处位错塞积现象晶界处位错塞积现象4 4、第二相强化、第二相强化1PPKpgdS02.0表达式表达式机理机理 微粒第二相微粒第二相钉

30、扎钉扎位错运动位错运动强化效果强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，淬火时残留第二相强化。淬火时残留第二相强化。效果效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。钢强度表达式钢强度表达式 位错被质点障碍物所挡住位错被质点障碍物所挡住在低碳结构钢中各种强化效果示意图在低碳结构钢中各种强化效果示意图二、合金钢强化的有效性二、合金钢强化的有效性 最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。1 1、强化的有效性

31、、强化的有效性 强化强化:弥散析出弥散析出P|-S|硬度峰值硬度峰值弱化弱化:M分解分解P|-S|弱化缓慢弱化缓慢 图图 强化和弱化的演变强化和弱化的演变 1-M分解；分解；2-弥散析出；弥散析出；3-综合效应综合效应 2、Me对强化有效性的影响对强化有效性的影响 强化有效性取决于形成弥散相的强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。及其量。Me量量 弥散相量弥散相量(有足够的有足够的C)二次硬化二次硬化 例：含例：含0.10.15%C钢，钢，需需0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr强化强化 弱化弱化Me最小浓度最小浓度临界值临界值K类型类型含含C量量 图图 V对对40钢

32、回火硬度的作用钢回火硬度的作用不同含不同含C量量的的V钢，如钢，如产生二次硬产生二次硬化，化，V的临的临界浓度是不界浓度是不同的同的，为什为什么么?对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与献最大。合金钢与C C钢的强韧性差异，钢的强韧性差异，主要不在于主要不在于MeMe本身的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于MeMe对钢相变过程的影响，并且对钢相变过程的影响，并且MeMe的良好的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。才能充分得到发挥。需要充分理解需要充分理解三、三、MeMe对钢韧性的影响对钢韧性的影响

33、1、影响韧性的因素影响韧性的因素 强化强化因素因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧塑韧,称为称为强韧强韧性转变矛盾性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地化因素都会程度不同地韧性。韧性。危害最大是间隙固溶；危害最大是间隙固溶；沉淀强化较小沉淀强化较小,但对强化贡献较大。但对强化贡献较大。合金合金元素元素 Ni韧性韧性；Mn在少量时也有效果；其它在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韧性韧性晶粒晶粒度度 细晶既细晶既S，又又TK,即即 韧性韧性 最佳组织因素。最佳组织因素。第二第二相相 K韧性。韧性。K 小、匀、圆、适量

34、小、匀、圆、适量 工艺努力方向。工艺努力方向。杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，提高钢的冶金质量是必须的。提高钢的冶金质量是必须的。杂质杂质 合金元素对铁素体合金元素对铁素体 冲击韧度的影响冲击韧度的影响 晶粒大小对强度、韧脆转晶粒大小对强度、韧脆转 变温度变温度TK的影响的影响20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能钢不同晶粒度的低温冲击性能2 2、提高钢韧度的合金化途径、提高钢韧度的合金化途径 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 如如Ti、V、Mo；2）回火稳定性回火稳定性 如强如强K形成元素形成元素；3）改善基体韧度）改善基体韧度 Ni；4）细化细化K 适

35、量适量Cr、V，使使K小而匀小而匀；5）回脆回脆 W、Mo；6）在保证强度水平下，适当）在保证强度水平下，适当含含C量量.冶金质量。冶金质量。思考题：思考题：有些零件为什么要经过调有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态质处理，而不直接用正火态?1.10 Me对钢工艺性的影响对钢工艺性的影响 一、冷成型性冷成型性 冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。成型性差。P、Si、C等元素等元素冷作硬化率

36、。冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格控制需要冷成型的材料应严格控制P P、N N量，尽可能量，尽可能SiSi、C C等量。等量。二、热压力加工性二、热压力加工性 热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。Me溶入基体溶入基体 产生畸变产生畸变,热变形抗力热变形抗力 热压力加工性能热压力加工性能。如如Mo、W、Cr、V等元素等元素影响较大。影响较大。C和和Me量较多时，形成共晶量较多时，形成共晶K，热，热压力加工性更差。压力加工性更差。合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的等高合金钢的热压力加工难度是较

37、大的.三、切削加工性三、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑速度；精加工主要考虑表面粗糙度。速度；精加工主要考虑表面粗糙度。C钢钢 硬度在硬度在170230HB，切削性能最好切削性能最好.对组织来说，对组织来说，P:F=1:1较佳较佳。不同含。不同含C量的钢要量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：得到较好的切削性，其预处理是不同的：对对C钢钢:0.1%C,宜淬火；宜淬火；0.5%C,宜正火；宜正火；0.8%C,宜球化退火宜球化退火思考题：思考题：为什么钢的切屑是连续为什么钢的切屑是连续的，而铸铁的切屑是碎的，而铸铁的切屑是碎片状断开的片

38、状断开的?四四、材料的热处理工艺性材料的热处理工艺性钢号钢号合金元素质量分数含量合金元素质量分数含量/%P转变孕育期转变孕育期/秒秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.38 3540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25 500淬透性淬透性 一般是指淬火时获得一般是指淬火时获得M的能力的能力.合金元素复合作用大合金元素复合作用大,不是简单加和不是简单加和.在结构钢中，在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大淬透性作用显著的元素从大到小排列：（到小排列：（B）、）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。淬透淬透性好性好的作的作用用 可以使工件得到均匀而良好的力学可以使工件得到均匀而

39、良好的力学性能，满足技术要求；性能，满足技术要求；在淬火时，可选用较缓和的冷却介在淬火时，可选用较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向质，以减小工件的变形与开裂倾向 +Mo 能有效能有效P转变，但不能完全转变，但不能完全先共先共析析F的析出的析出B淬淬透性透性 +B 偏聚晶界偏聚晶界 有效抑制先共析有效抑制先共析F的析出的析出0.40%C析出析出5%F5%F（600）0.14%Mo 0.35%Mo 0.60%Mo 1 2 4P开始转变时间开始转变时间 1 3 36贝氏体贝氏体淬透性淬透性 合金化基本元素是合金化基本元素是0.5%Mo+微量微量B。淬硬性淬硬性 理想淬火条件下理想淬火条件下

40、,形成形成M能达到的最高硬度能达到的最高硬度.淬硬性主要与钢的含碳量有关淬硬性主要与钢的含碳量有关。变形开裂倾向变形开裂倾向 热应力热应力变形变形;组织应力组织应力 开裂开裂;附加应力附加应力较复杂较复杂.影响因素比较复杂影响因素比较复杂,要综合分析要综合分析.采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球化退火等预先热处理也可减小零件的变形。化退火等预先热处理也可减小零件的变形。过热敏感性和氧化脱碳倾向过热敏感性和氧化脱碳倾向 奥氏体晶粒急剧长大的敏感性奥氏体晶粒急剧长大的敏感性,Mn.如如

41、40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。等。氧化和脱碳往往伴随产生氧化和脱碳往往伴随产生.Si.含硅钢氧含硅钢氧化脱碳倾向较大，如化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。等。脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有害的害的.回火稳定性回火稳定性(热稳定性热稳定性)合金钢回火稳定性要比碳钢好合金钢回火稳定性要比碳钢好.同样回火硬同样回火硬度度,合金钢的回火温度高合金钢的回火温度高,时间也可长些时间也可长些,应力应力消除也大些消除也大些;

42、同样塑韧性同样塑韧性,合金钢的强度比碳合金钢的强度比碳钢高钢高.回火脆性回火脆性(前面已介绍前面已介绍)钢的编号方法自学钢的编号方法自学1.8 1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计 目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三千多种。千多种。材料的废弃物再生循环很困难材料的废弃物再生循环很困难 可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所以就

43、出现了通用合金和简单合金的概念。以就出现了通用合金和简单合金的概念。1.8.1 1.8.1 通用合金与简单合金通用合金与简单合金 通用通用合金合金 又称为泛用性合金。这种通用又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。的热处理等方法来实现。Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn钢钢.通过改通过改变变Fe、Cr、Ni（Mn）的相对含量，）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。围内变化。Cr-Mo钢钢,耐热钢耐热钢 简单简单合金合金 组

44、元组成简单的合金系就叫组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设做简单合金。简单合金在成分设计上有几个特点：计上有几个特点：合金组元简单，再生循环过合金组元简单，再生循环过程中容易分选；程中容易分选；原则上不加入目前还不能用原则上不加入目前还不能用精炼方法除去的元素；精炼方法除去的元素；尽量不使用环境协调性不好尽量不使用环境协调性不好的合金元素。的合金元素。两个两个基本基本原则原则 （1 1）在维持合金高性能的前提）在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；下，尽量减少合金组元数；（2 2）获得合金高性能时，以控）获得合金高性能时，以控制显微组织作为加入合金元素的替制显微组织作为

45、加入合金元素的替代方法。代方法。这种设计合金的思路叫这种设计合金的思路叫省合金化设计或最小省合金化设计或最小合金化法合金化法。简单合金的主要用途是代替大量消。简单合金的主要用途是代替大量消费的金属结构件材料。费的金属结构件材料。Si-Mn合金钢就是目前重点开发的一合金钢就是目前重点开发的一种普通的简单合金。可以通过各种热处种普通的简单合金。可以通过各种热处理获得不同的组织结构，如理获得不同的组织结构，如F+P、F+B、B+M、B、M等，等，得到不同强度、塑得到不同强度、塑性配比的性能，以满足各种用途。性配比的性能，以满足各种用途。Si和和Mn作为主要合金元素，在地球上作为主要合金元素，在地球上

46、储量相当大，并容易提取。是一个有前储量相当大，并容易提取。是一个有前途的环境材料系列。在汽车薄板和冲压途的环境材料系列。在汽车薄板和冲压件上得到了广泛的应用件上得到了广泛的应用典典型型例例子子1.8.2 1.8.2 环境协调性合金设计环境协调性合金设计环境协调性合金的成分设计环境协调性合金的成分设计 尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素和对生态环境和对生态环境 人体有较大毒害作用的元素。人体有较大毒害作用的元素。对人体毒害作用比较大的元素有对人体毒害作用比较大的元素有Cr、As、Pb、Ni、Hg等。含有这些元素的材料废弃后，会造成空气、土

47、壤等。含有这些元素的材料废弃后，会造成空气、土壤的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子金属金属空气中空气中水中水中土壤中土壤中As47001.40.043Cd5802.97.0Cr6+470004100130Co242.00.065Cu0.240.0200.0052Fe0.0420.0036Pb1600.790.025Mn120Zn0.0330.002

48、90.0070Hg1204.70.15Mo3.30.290.70Ni4700.0570.014 表表 某些金属元素对人体的毒害作用系数某些金属元素对人体的毒害作用系数性能环境负荷比性能环境负荷比 环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是较大的。表面技术处理涉及到表面处理过程中的较大的。表面技术处理涉及到表面处理过程中的能源消耗、资源消耗和废弃物排放能源消耗、资源消耗和废弃物排放.从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言，从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言，按电子束表面处理按电子

49、束表面处理电火花表面处理电火花表面处理激光表面激光表面处理处理加热处理加热处理气体表面渗碳处理气体表面渗碳处理火焰表面火焰表面处理处理离子化学热处理，从弱到强排列离子化学热处理，从弱到强排列.金属材料金属材料 Fe Al Ti Zn Cr Ni Cu Mn环境负荷环境负荷（ELV）1.33 9.04 15.518.216.7 19.4 24.0 5.0 比强度比强度（b b/）4.19 4.08 9.98 1.69 4.17 5.61 2.46 6.78弹性比功弹性比功（2 2/E/E）6.68 1.25 0.25 0.39 0.47 2.91 0.18 1.29（b/）/ELV 3.15 0

50、.45 0.64 0.09 0.25 0.29 0.10 1.34（2/E）/ELV 5.02 0.14 0.02 0.02 0.03 0.15 0.01 0.26 表表 常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比 小小 结结 材料学核心是合金化基本原理材料学核心是合金化基本原理，这是材料这是材料强韧强韧化矛盾的主要因素化矛盾的主要因素。要真正理解要真正理解“合金元素的作用，主要在于对合合金元素的作用，主要在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。适的处理条件下才能得到体现。”掌