1、金属材料学全册配套完整金属材料学全册配套完整教学课件教学课件2金属材料学参考书：1.金属材料学 吴承建2.金属材料学 王笑天3.工程材料学 王晓敏4.合金钢 章守华 教材：金属材料学 重大出版社重要提示一、关于课程1、本课程是材料科学与工程的专业基础课；2、本课程的先修课程是金属学与热处理、材料力学等；3、本课程理论教学42学时，实验12学时。二、关于纪律1、旷课3次及以上，取消考试资格；2、缺实验1次及以上，课程成绩以0分计。三、关于成绩评定1、课程成绩由平时成绩、实验成绩、课堂成绩和考试成绩组成；2、平时成绩（含出勤和作业）占15%，实验成绩占10%，课堂测验占15%，考试成绩占60%。
2、理论教学 （教学 ：42学时）第一章 绪论 第二章 钢中的合金元素 第三章 合金元素对钢强韧性的影响 第四章 合金元素对钢相变的影响 第五章 工程构件用钢 第六章机器零件用钢 第七章工具钢 第八章不锈钢 第九章耐热钢和耐热合金 第十章铸铁 第十一章有色金属及其合金 本课程主要内容： 钢的合金化基础理论；合金钢；铸铁；有色金属材料。 学习目的： 金属材料学是研究金属材料的成分、组织结构与性能之间的一门技术科学，它对生产、使用和发展金属材料起着重要的指导作用。 要求：1.掌握金属的合金化原理。 2.理解各类金属材料的化学成分、热处理特点、材料的组织形貌和力学性能、化学性能和物理性能之间的关系。 3
3、.了解材料的成分设计的依据和热处理的作用。4.对常用钢铁材料以及有色金属材料的较全面和系统的学习，了解如何依据服役条件合理选用材料，运用比较成熟的基础理论知识来解决金属材料使用过程中的实际问题。 按材料的化学组成分类：按材料的化学组成分类：陶瓷、玻璃、水泥等金属材料金属材料黑色金属黑色金属有色金属有色金属无机非金属材料无机非金属材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 材料有机高分子材料有机高分子材料非金属材料非金属材料复合材料复合材料金属基复合材料金属基复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料钢铁、锰、铬及合金铝、铜、镁、钛等塑料、橡胶、纤维等材料分类第一章第一章 绪论绪论第一
4、节第一节 材料概述材料概述材料的定义材料的定义：材料是能为人类社会经济地制造有用器件的物质。绪论材料学：材料学：(Materialogy)研究材料的学问。研究材料化学成分-组织结构-性能的关系。绪论使用表现使用表现性能性能/ /性质性质成分成分/ /结构结构制备制备/ /加工加工MSE的四个组成要素的四个组成要素第二节 工程材料的失效分析失效失效(Failure)：各种工件丧失规定的功能。失效的原因：失效的原因：1 1）设计不合理；2）选材不合适；3）加工缺陷；4）使用不当。材料的性能材料的性能力学性能（机械性能）力学性能（机械性能）物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能使用性能使用
5、性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能可锻性能可锻性能切削加工性能切削加工性能绪论失效类型失效类型 ：变形: E，G，e (Re)，s(ReH、ReL)，0.2(Rr0.2)。磨损:b(Rm)，HRC等。断裂:-1，da/dN，b，aK，CVN，KIc，脆性转变温度TK等 。AABCDE p e s b E低碳钢的低碳钢的 曲线曲线 绪论腐蚀 :1）均匀腐蚀；2）晶间腐蚀；3）点腐蚀；4）应力腐蚀；5）腐蚀疲劳；6）磨损腐蚀。提高失效抗力的方法 ：冶金质量：微量杂质元素对钢的性能危害大。 微合金化：Al、V、Ti、Zr、Nb、B、RE等。控制轧制：细化晶粒。强韧化工艺：低碳马氏体、亚温淬火、超细
6、晶粒处理、形变热处理等。采用局部复合强化：中碳钢淬火+低温回火+滚压、C-N共渗淬火+低温回火+滚压。绪论第三节 工程材料的选用原则使用性能选材原则：力学性能、物理性能、化学性能。 工艺性能选材原则：锻(挤压)、铸、焊、热处理、机加工。 经济性选材原则： 绪论第二章第二章 钢中的合金元素钢中的合金元素第一节第一节 基本概念：基本概念：钢： 是以铁(Fe)为基的合金。合金：是通过熔炼等方法,将一种金属元素同一种或几种其它元素溶合在一起所形成的具有金属特性的物质。合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带
7、入的化学元素。 合金化原理（1）碳钢：Fe+C+杂质元素的合金。（2）合金钢：为了提高某些性能而添加入化学元素的钢 。（3）钢中的合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo；V、Ti、Nb、Zr；Al、Cu、Co、N、B、RE。（4）钢中的杂质元素：P、S；H、O、N。合金化原理实际的钢铁材料钢的分类（1）碳钢： 1）低碳钢(wc0.55%）。（2）合金钢： 1） 低合金钢(wMe5%)； 2）中合金钢(5%10%)。（3）微合金钢： 合金元素(如V、Nb、Ti、Zr、B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 合金化原理第二节 钢中常加的合金元素合金化原理-Fe912A3线-F
8、e-Fe1394A4线铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变：一、钢中合金元素的分类：一、钢中合金元素的分类： 按照与铁相互作用的特点分类： 1）奥氏体形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni、Co等； 这些合金元素使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了相区。 (1)(1)开启开启相区的元素相区的元素: :锰、镍、钴。合金化原理(2)(2)扩展扩展相区的元素相区的元素: :碳、氮、铜 合金化原理2）铁素体形成元素： Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W、Nb、Zr等； 合金元素使A3温度上升，A4温度下降，即缩小了相区 (1)封闭封闭相区的元素相区的元素 :V、Ti、W、Mo、Al、Cr等合金化
9、原理（2）缩小）缩小相区的元素相区的元素 ：B、Zr、Nb 等合金化原理按照与碳的相互作用的特点分类：1 1）非碳化物形成元素：）非碳化物形成元素：NiNi、SiSi、CuCu、AlAl、P P、CoCo等；等； 易于溶入铁素体或奥氏体等固溶体中。易于溶入铁素体或奥氏体等固溶体中。2 2）碳化物形成元素：）碳化物形成元素：MnMn、CrCr、W W、MoMo、V V、TiTi、NbNb、ZrZr等；等； 易于溶入碳化物中，形成合金渗碳体；易于溶入碳化物中，形成合金渗碳体； 加入数量较多时，形成特殊碳化物。加入数量较多时，形成特殊碳化物。（2 2）碳化物特性：）碳化物特性： 硬度：硬度：形成碳化
10、物的倾向性越强，碳化物的硬度越高。形成碳化物的倾向性越强，碳化物的硬度越高。稳定性：稳定性：碳化物具有高熔点、高的分解温度，难以溶入奥氏体。碳化物具有高熔点、高的分解温度，难以溶入奥氏体。溶解：溶解：各种碳化物可以固溶各种合金元素。各种碳化物可以固溶各种合金元素。合金化原理（1 1）形成碳化物的规律性）形成碳化物的规律性： Ti、Zr、 Nb、 V、 Mo、 W、 Cr、 Mn、Fe碳化物稳定性由强到弱碳化物稳定性由强到弱第二节 合金钢中的相组成钢中合金元素的分布： 1）形成非金属夹杂（氧化物、硅酸盐、氮化物、硫化物）。2）*溶入固溶体。3）*形成强化相：合金渗碳体、金属间化合物。4）自由存在
11、。元素元素溶解度溶解度%元素元素溶解度溶解度%-Fe-Fe-Fe-FeAl1.136Nb2.01.8B0.0180.0260.008Ni无限无限10C2.060.02P0.22.8Co无限无限76Si218.5Cr12.8无限无限Ti0.637Cu8.50.2V1.4无限无限Mn无限无限3W3.233Mo337.5Zr0.70.3N2.80.1合金化原理一、置换固溶体形成规律 铁基置换固溶体的形成规律： (1)溶剂与溶质的点阵相同； (2)原子尺寸因素(形成无限固溶体时，两者之差不大于8%)； (3)组元的电子结构(即组元在周期表中的相对位置)。Cu (rCu=0.1276nm) Ni (rN
12、i=0.1244nm) 合金化原理二、间隙固溶体形成规律(1)溶剂金属的晶体结构； (2)间隙元素的原子尺寸； (3)间隙位置 。Fe (rFe=0.1260nm) C (rC=0.0770nm) 间隙固溶体间隙固溶体-Fe八面体间隙(720) ：r=0.0192nm-Fe八面体间隙(1148) ：r=0.0535nm间隙元素 BCONH原子半径r(nm) 0.091 0.077 0.071 0.063 0.046 合金化原理第三节 钢中的碳化物 一般特点： 1）碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔点，这表明它具有共价键特点。 2）碳化物具有正的电阻温度系数，具有导电特性，这表明它具有金属键特点
13、。 碳化物的结构：1.当C/M 0.59, 形成复杂点阵的碳化物 : (1)复杂立方点阵 ，如Cr23C6, Mn23C6, Fe3W3C, (M6C)；(2)复杂六方点阵 ，如Cr7C3，Mn7C3；(3)正交晶系点阵 ，如Fe3C，Mn3C。 合金化原理碳化物的稳定性Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe强碳化物形成元素中等强碳化物形成元素 弱碳化物 形成元素 在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：（1）次d层电子层越不满，形成碳化物的能力越强；（2）碳化物生成热越大，其稳定性越高。MCM6CM7C3M2CM23C6M3C碳化物稳定性由高至低Fe3C 、(Fe,Me)3C ；Cr23
14、C6 ；Cr7C3 ；W2C 、Mo2C ；Fe3W3C 、Fe3Mo3C ；VC 、NbC 、TiC 。合金化原理碳化物的相互溶解 影响不同类型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的点阵类型； (2)合金元素的尺寸因素：原子半径差810% (3)合金元素的电化学因素。 1.完全互溶 ： 例如： Mn3C - Fe3C (Fe,Mn)3C ；VC - NbC ( V,Nb,Ti)C Fe3W3C - Fe3Mo3C Fe3(W,Mo)3C 2.有限溶解：如果三个因素中任意一个不合适，例如： Fe3C中可溶解28%Cr, 14%Mo, 2%W, 3%V,形成合金渗碳体 (Fe,Me)3C ； (F
15、e,Cr)3C中铬含量超过28%，则合金渗碳体转换形成以铬为主的碳化物(Cr,Fe)7C3 ；合金化原理第四节 钢中的氮化物 氮原子比碳原子小，氮原子半径N和金属原子半径M之比N/M均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。例如： (1) NaCl型简单立方点阵：TiN，VN，CrN， Fe4N（）等； (2) 简单密排立方点阵：WN，MoN，Cr2N，Fe2-3N（）等。合金化原理第五节 钢中的金属间化合物 金属间化合物保持着金属的特点，对奥氏体不锈钢、马氏体时效钢和许多高温合金的强化有较大的影响 。一、相 （Cr46Fe54）： 相具有较高的硬度，在铬镍钢中伴随着相的出现，钢的塑性和韧性
16、显著下降，脆性增加。二、AB2相(拉弗斯相TiFe2)：在含钨、钼、铌、钛复杂成分的耐热钢中均出现AB2相。 例如：(W,Mo,Nb)(Fe,Ni,Mn,Cr) 2复杂相。三、AB3相(有序相Ni3Fe)：这类有序相是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。 例如：Fe3Al,Ni3Al等。合金化原理第六节 非金属相（非金属夹杂物） 一、氧化物 简单氧化物，如FeO,MnO,TiO2,Al2O3,SiO2等。 复杂氧化物，如MgOAl2O3，MnOAl2O3等。 氧化物的特点：脆，易断裂，一般无塑性。这些氧化物在钢材轧制或锻造后，沿加工方向呈链状分布。 二、硫化物如MnS，FeS。 硫化物一般有
17、较高的可塑性，热加工后会伸长。 FeS引起热脆。 三、硅酸盐易变形的硅酸盐(Mn,Fe)SiO2，以硫化物来评级； 不易变形的硅酸盐FeOAl2O3，以氧化物来评级。合金化原理第七节 钢的冶金质量 一、钢的低倍缺陷 ： 1、疏松：组织不致密。 2、缩孔残余：切除冒口后，钢锭内还有缩孔。 3、偏析：钢中化学成分不均匀。 (1)枝状偏析；（2）方框形偏析；(3)点状偏析 ；4、气泡：皮下气泡和内部气泡。5、发纹：类似头发丝粗细的裂纹。6、夹杂（宏观）：非金属夹杂。7、白点：银白色的圆形斑点。合金化原理二、钢的高倍缺陷 1.带状组织： C的不均匀分布造成偏析。2、液析：液析碳化物是由于碳和合金元素偏
18、析，在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物 。合金化原理三. 合金钢断口 1、纤维状断口：正常断口，为晶内韧性断口。 2、结晶状断口：穿晶，脆性断口。 3、瓷状断口：正常断口，为高碳钢淬火后的断口。4、萘状断口：脆性穿晶断口，类似萘晶。合金化原理第三章合金元素对钢强韧性和工艺性能的影响合金元素对性能的影响第一节 钢的强化机理与韧化途径一、强化机理强化机理 1、固溶强化 ：FiniFisCK1元素 C+N P SiTiAlCu Mn Cr Ni Mo V KiF/100MPa4670 690858060 403530 30 10 3 2、晶界强化： 铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-P
19、etch公式而增加，即s = i + ksd-0.5其中:d为晶粒直径；i为在晶粒中位错运动所需的应力；ks为晶界障碍系数。当软钢的晶粒为当软钢的晶粒为d=0.25mm(d=0.25mm(粗晶粒粗晶粒) )时，屈服强度约为时，屈服强度约为100MPa; 100MPa; 当软钢的晶粒为当软钢的晶粒为d=0.0025mm(d=0.0025mm(细晶粒细晶粒) )时，屈服强度大于时，屈服强度大于500MPa;500MPa;合金元素对性能的影响3、第二相强化（沉淀、弥散强化）: 沉淀相的体积比越大，强化效果越显著； 第二相弥散度越大，强化效果越好；对位错运动阻力越大的硬质点，其强化效果也越大。 合金元
20、素对性能的影响沉淀强化：位错切过第二相粒子。第二相粒子可变形，并与母相具有共格关系；弥散强化：位错绕过第二相粒子。第二相粒子不参与变形，与基体具有非共格关系。高温合金中的位错与第二相粒子高温合金中的位错与第二相粒子400400nm4、形变强化（位错强化）:合金元素对性能的影响位错数量的影响：冷变形可使位错密度达到1012/cm2以上，产生很高的强化量。2/1bG利用位错强化的途径： 1）细化晶粒：加入细化晶粒的合金元素； 2）形成第二相粒子：加入强碳化物形成元素； 3）促进淬火效应：加入提高淬透性的合金元素。位错组态的影响：钢的流变应力与位错胞直径的关系为1cfdk二、韧化途径 1、细化晶粒
21、：位错塞积的位错数目减少；2、降低有害元素的含量 ：减少钢中夹杂物的数量；3、调整化学成分 ： 改变显微组织 ：如低碳马氏体强韧化 ；改善基体本身的韧性 。4、第二相的影响：球状、细小和均匀弥散分布；5、位错强化与钢的韧性：增加位错密度使钢的塑性下降。合金元素对性能的影响第二节 合金元素对钢的工艺性能的影响 冷态成型性： 低的屈服强度 ；高的延伸率 ；铸造性能：流动性；焊接性能：C当量0.35% 焊接良好；切削性：加工金属材料的难易程度称为切削加工性能。 合金元素对性能的影响44CCSiMnwww当量热处理工艺性：1）马氏体淬透性的影响 2）与钢的淬裂倾向性关系 Ms温度越低，组织应力越大；3
22、）回火脆性：Mn、Ni、Cr；第四章 合金元素对钢相变的影响第一节、对铁碳状态图的影响合金元素对相变的影响对奥氏体相区的影响：1）扩大相区：Ni、Mn、Co等，使S点左移、A3线下降；wMn对区的影响2）缩小相区：Cr、W、Mo、Si等，使S点左移、A3线上升； wCr对区的影响对共析温度的影响：1)扩大相区的合金元素使共析转变温度下降：Mn、Ni。合金元素对相变的影响2) 缩小相区的合金元素则使共析温度上升：Mo 、Si、W、Cr等。对共析成分的影响： 改变了共析体的含碳量 ，所有的合金元素都降低共析点碳含量 。1）合金元素添加量使C0.8%的钢中出现共析组织； 例：3Cr2W8V、4Cr1
23、3等 2）合金元素添加量使C2.11%的钢中现合金莱氏体。 例：W18Cr4V、Cr12MoV等合金元素对相变的影响第二节、对非平衡状态下相变的影响 合金元素对钢加热转变的影响： 1）对奥氏体形成速度的影响： 共析温度； 碳的扩散速度；2）对残余碳化物溶解的影响： 碳化物的稳定性；3）对奥氏体均匀化的影响： 碳的扩散；合金元素对相变的影响4）对奥氏体晶粒长大的影响： 本质细晶粒钢合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响：合金元素对相变的影响1）对过冷奥氏体稳定性的影响 除Co以外，所有溶入奥氏体的合金元素都使TTT曲线右移；非碳化物形成元素一般不改变TTT曲线形状，但使曲线右移。例如：Ni、Si。N
24、i对TTT曲线的影响碳化物形成元素使TTT曲线右移，并分为珠光体和贝氏体两个独立的TTT曲线。Cr对TTT曲线的影响2）对珠光体转变的影响： 除Co、Al外，所有合金元素都不同程度推迟珠光体转变； 例：Mo、Ni、Cr、Mn较强；非碳化物形成元素作用较弱。 强碳化物形成元素作用的特殊性； 例：Ti、Zr、Nb、V等形成的碳化物极稳定，加热时不易分解，为珠光体转变的形核提供了条件，加速相变的作用。 多种元素共同作用的特点； 微量B的奥氏体晶界吸附，形成M23（C3B3），wB0.001%，降低界面能；合金元素对相变的影响3）对贝氏体转变的影响：合金元素Mn、Ni等降低两相自由能差，从而减小相变的
25、驱动力，使贝氏体转变温度下降，且推迟了贝氏体转变。 合金元素Cr、 Mo、W等既可使转变温度提高，又使两相自由能差加大，但降低碳原子扩散，使C曲线分离。 合金元素Si阻碍过饱和固溶体中碳原子脱溶，所以强烈推迟贝氏体转变。合金元素Co增大两相自由能差，同时提高碳的扩散速度，加速贝氏体形成。 Aaronson用合金元素对碳在奥氏体中活度的影响来解释贝氏体转变。合金元素对相变的影响4）合金元素对马氏体相变的影响：降低MS点；合金元素对相变的影响 增加残余奥氏体量；MS=538-317C-33Mn-28Cr -17Ni-11Si-11Mo-11W改变马氏体形态；合金元素对淬火钢回火转变的影响：1）马氏
26、体分解 碳化物形成元素强烈推迟马氏体分解；Si是延缓马氏体分解的特殊元素；2）残余奥氏体分解 与过冷奥氏体分解有类似的分解规律；3）碳化物形成、聚集和长大 对碳化物聚集长大起阻碍作用； 析出特殊碳化物，产生二次硬化现象；4）-Fe的回复和再结晶 合金元素对相变的影响Me-Fe0.1%C2%Ni2%Si1%Mn2%Co1.5%W2%MoT再结晶520550550550575630655650钢中的常用合金元素及其作用总结 ：1.碳(C) :产生固溶强化和硬化，形成渗碳体，增加淬透性。2.锰(Mn) :产生固溶强化，提高珠光体的相对含量及细化组织，增加淬透性，高Mn含量时形成奥氏体钢，具有高的磨损
27、抗力。3.硅(Si) :产生固溶强化，增加淬透性。提高氧化抗力，增加脱碳敏感性，在铸铁中促进石墨化。 4.磷(P):杂质元素，加剧回火脆性。 5.硫(S):杂质元素，增加切削性。总结6.镍(Ni):增加淬透性，增加低温韧性，奥氏体不锈钢。7.铬(Cr):增加淬透性，耐蚀性和高温氧化抗力。8.钼(Mo):增加淬透性，提高高温蠕变强度，阻碍回火脆性。在不锈钢中的提高耐蚀性。9.钨(W):增加淬透性，在工具钢中形成硬的耐磨碳化物颗粒。10.钒(V)：细化晶粒，沉淀强化，增加淬透性。11.铜(Cu):提高耐大气腐蚀性，非碳化物形成元素。 12.钴(Co):提高热硬性，非碳化物形成元素，降低淬透性。13
28、.铌(Nb):细化晶粒，沉淀强化。14.锆(Zr):控制硫化物形态，细化晶粒，沉淀强化。15.钛(Ti):细化晶粒，沉淀强化。16.铝(Al):氮化钢中的重要元素。细化晶粒。17.硼(B):增加淬透性。18.氮(N):形成氮化物，强化或细化晶粒。第五章 工程构件用钢 工程构件用钢（工程结构用钢）是制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑结构等的钢种。工程构件用钢普通碳钢；普通低合金钢（低合金钢高强度钢）；微合金钢。 第一节 工程构件用钢的力学性能特点一、工程构件用钢的屈服现象1.拉伸曲线上出现屈服齿 与屈服平台；2.塑性变形分布是宏观不均匀的。工程构件用钢 屈服现象会影响构件的
29、表面质量，采用平整加工（冷变形0.8%1.5%）可以消除。 原因：碳富集在位错线周围形成柯氏气团，阻碍位错运动。 材料设计：减少碳、氮原子含量；加入强碳化物形成元素，如钛、铌等。二、工程构件用钢的冷脆现象影响Tk的因素: (1)构件上有缺口、裂纹等，Tk提高；(2)冶炼方法和轧制工艺：杂质含量；晶粒大小；(3)钢的组织状态：细小F晶粒和适量的细片状P；(4)合金元素Mn、Al使Tk下降；C、Si使Tk上升。工程构件用钢冷脆现象：随着实验温度降低，低碳钢由宏观塑性断裂过渡为宏观脆性的解理断裂。这一过渡温度称为塑脆转变温度Tk。三、工程构件用钢的应变时效、淬火时效和蓝脆时效材料经塑性变形或淬火后，
30、其力学性能随时间发生变化；例：锅炉钢板变形后放置10天，aK值120J/cm235J/cm2； 应变时效：柯氏气团是低碳钢应变时效的主要原因。加入少量V、Ti、Nb、Zr或Al可以抑制甚至完全消除应变时效现象； 淬火时效：过饱和C、N在-Fe固溶体脱溶沉淀的结果。对焊接件影响较大，防止方法同应变时效。工程构件用钢蓝脆：低碳钢加热到300400时出现反常的b增高，而、降低的现象。第二节 工程构件用钢的耐大气腐蚀性一、大气腐蚀过程电化学腐蚀过程 ：工程构件用钢二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径： 减少微电池数量：减少C、S含量； 提高基体的电极电位：加入Cr、Ni、Ti等； 利用钝化效应：Cr、Al
31、、Si；Cu、P的作用； 表面处理FeFeCuCu原电池原理图原电池原理图H H2 2SOSO4 4水溶液水溶液FeFeCuCuH H2 2e eFeFe2+2+第三节 工程构件用钢的加工工艺性能二、工程构件用钢的焊接性能焊接脆性马氏体转变脆性：碳当量CE。凝固脆性：成分过冷加剧凝固脆性，加入Ti、Zr减小凝固脆性。 热影响区的时效脆性：马氏体转变；应变时效等。 焊后加热开裂：类似回火脆性：工程构件用钢一、工程构件用钢的冷变形性能钢材的变形能力：表面质量。塑性变形时开裂的可能性：冷（热）弯曲试验法。冷变形后性能的变化：应变时效问题。第四节 碳素构件用钢（碳素结构钢、普碳钢）1、普碳钢：产量约占
32、钢总产量的7080%； 钢号（GB70088）：Q195Q275五类工程构件用钢牌号牌号等级等级化学成分化学成分wc%CMnSiSP脱氧脱氧方法方法不大于不大于Q195-0.060.120.250.500.30.0500.045F、b、ZQ215AB0.090.150.250.550.300.0500.0450.045F、b、ZQ235ABCD0.140.220.120.200.180.170.300.650.300.700.350.890.300.0500.0450.0400.0350.0450.0400.035F、b、ZZTZQ255AB0.180.280.400.700300.0500.
33、0450.045ZQ275-0.280.380.500.800.300.0500.045Z例：Q235-AF；用途：热轧钢板、钢带、型钢等（表3-3）；组织：F+P（少量）；不热处理，原因是淬透性很低，淬火难以得到马氏体。 工程构件用钢普碳钢的力学性能及用途钢号钢号用途举例用途举例Q195Q215薄板、钢丝、焊接钢管、地脚螺丝、铆钉、犁板等薄板、钢丝、焊接钢管、地脚螺丝、铆钉、犁板等Q235薄板、钢筋、各种型钢、中厚板；薄板、钢筋、各种型钢、中厚板；拉杆、螺栓、螺钉、轴、连杆等拉杆、螺栓、螺钉、轴、连杆等Q255各种型钢，也用于制造机器零件各种型钢，也用于制造机器零件Q275鱼尾板、农业机械用
34、的型钢等鱼尾板、农业机械用的型钢等碳素结构钢用途举例状态状态SMN/m2bMN/m2%ak(J/cm2)/断口中韧性部分百分数10-20-40-60热轧以后热轧以后热处理以后热处理以后24535942053033.7296069.5140/60160/10032/0140/70-125/258/0110/20强化热处理对Q235钢性能的影响普碳钢中合金元素对机械性能的影响 碳 ：含碳量增加，强度上升，硬度提高，塑韧性下降。增加珠光体的相对含量。锰 ：固溶强化；细化组织。硅 ：对铁素体固溶强化。硫 ：硫与铁形成FeS，引起钢的热脆；加锰可以避免热脆。磷 ：凝固时极易造成偏析、晶界脆化、引起钢的冷
35、脆。 工程构件用钢专业用钢名称专业用钢名称混泥土用钢筋混泥土用钢筋桥梁用热轧钢桥梁用热轧钢铆钉用热轧钢铆钉用热轧钢船体用结构钢船体用结构钢牌号牌号A3、A3DA3qML33C由由Q235Q235钢派生出的专业用钢钢派生出的专业用钢2冷冲压薄板钢： 制造厚度在4mm以下的冷冲压件，如车身、驾驶室、各种仪表及机器的外壳等 ；要求：良好的冷冲压性能，不产生“桔皮”状皱折。选材：08、08F、 08Al 、10、15、20。特点：低碳、细晶（铁素体晶粒度在67级）； 当渗碳体在晶界上析出或呈链状分布，使钢的冲压性能变坏； 轧制工艺控制： a.热轧与冷轧之间要进行一次重结晶退火（加热到AC3以上）； b
36、.冷轧减缩率20%，轧后采用再结晶退火（650750)。工程构件用钢普碳钢分析举例普碳钢分析举例: :1.怎样使怎样使Q235钢热轧后钢热轧后S达到上限值达到上限值? ?含碳量处于上限；含碳量处于上限；杂质含量低；杂质含量低；晶粒细小。晶粒细小。2.怎样使怎样使Q235钢钢S350MPa？热处理强化；热处理强化；工程构件用钢思考题二：试分析经热处理后Q235钢大于350MPa的原因。状态状态SMN/m2bMN/m2%ak(J/cm2)/断口中韧性部分百分数10-20-40-60热轧以后热轧以后热处理以后热处理以后24535942053033.7296069.5140/60160/10032/0
37、140/70-125/258/0110/20第五节 低合金构件钢（HSLA钢、普低钢）一、普低钢的性能要求1.良好的综合力学性能 在热轧状态下具有高的屈服强度和高的抗拉强度，屈强比为0.650.75。 塑性与韧性要求： k18%20%，k50%； 室温下纵向k80J/cm2,横向k60J/cm2； 组织：1）F+P，S为300400MPa； 2）低碳B，S为500650MPa； 3）低碳回火马氏体，S为650800MPa.工程构件用钢 普低钢是为了适应大型工程结构、减轻结构自重并提高使用的可靠性而发展起来的二、普低钢的化学成分及使用特点 1合金元素的作用(Mn、Si、Cr、Mo、Ni、B、V、
38、Nb、Ti、Cu、RE等)： 固溶强化：Si、Mn； 控制晶粒大小：Mn、Si、Nb、Ti等； 沉淀强化： V、 Nb、Ti等； 改善钢的耐大气腐蚀性能：Cu、P、Cr等； RE：脱硫去气，净化钢材，改善夹杂物形状与分布；工程构件用钢部分普低钢的钢号及力学性能新牌号新牌号旧牌号旧牌号SMPabMPa5%V型冲击吸型冲击吸收功收功JQ29509MnV12Mn2752952352954305903905902320222727Q34516Mn14MnNb275345335345470620470640202120212727Q39016MnNb15MnTi375390375390510680510
39、6801920202727Q42014MnVTiRE15MnVN41044039044053070053074019192727Q46014MnMoVBNb14CrMnMoVB5005006507501615工程构件用钢2普低钢的应用16Mn（300MPa）：矿山、运输、化工等各种机械，与Q235相比，节约钢材2030%。16MnRE（350MPa）：冲击韧性与冷弯性能比16Mn显著提高；16MnNb（400MPa）：焊接性能、热加工性和低温冲击韧性好，大型焊接结构；15MnVN、14MnVTiRE(450MPa)：大型桥梁、船舶、车辆、中压或高压锅炉及容器等；09MnV、09MnNb（300
40、MPa）：冲压薄板，深冲压用钢。10MnPNbRE（390MPa）：抗大气及海水腐蚀的各种机械设备。工程构件用钢第六节 进一步提高普低钢性能的途径一、发展微合金化低碳钢高强度钢含碳量：低碳wC=0.120.14%或0.030.05%；成分特点：1）加入微量V、Nb、Ti：控轧后空冷，使铁素体晶粒细化，同时沉淀析出细小、弥散的强碳化物粒子。 2）严格控制珠光体分数：获得无珠光体钢或无间隙原子钢；可得到s500MPa、TK100的钢种。 工程构件用钢化学成分特点：wC=0.100.20%；wMo=0.30.6%； wMn=0.61.6%；wB=0.0010.005%；wV=0.040.1%；wNb
41、或wTi=0.010.06%；wCr=0.40.7%；二、发展新型普低钢1低碳贝氏体钢 轧制后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织。工程构件用钢性能特点：屈服强度为490MPa级， 焊接性能好，体积效应小；韧性、强度不高。典型牌号：14MnMoV、14MnMoVBRE。用途：中温高压容器，大锻件。2.低碳索氏体型普低钢（低碳马氏体钢） 低碳低合金钢淬火后高温回火获得回火索氏体组织。工程构件用钢典型钢种：（T-1型钢）化学成分： wC=0.10.2%；wMo=0.40.6%； wMn=0.61.0%；wB=0.0020.006%；wSi=0.150.35%；wV=0.04%；wCr=0.40.8%；
42、 wCu=0.150.5%。性能特点：0.2=743MPa；=22%；TK=153。易于焊接，焊前不须预热。用途：重型载重车辆、桥梁、水轮机及舰艇等。3.针状铁素体钢 低碳或超低碳钢，片呈板条状。工程构件用钢典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。化学成分： wC=0.06%；wMo=0.250.4%； wMn=1.62.2%；wB=0.0020.006%；wSi=0.10.4%；wNb=0.020.10%；wAl=0.05%。性能特点：S490MPa；TK100。易于焊接。用途：大直径石油和天然气输出管道。三、微合金化低碳高强度钢简介工程构件用钢1.油气管材用钢钢号钢号用途用途化学成分化学成分%CMn
43、SiNbVMoCrX65北极管线北极管线用钢用钢0.061.50.250.050.2海底管线海底管线用钢用钢0.081.350.30.020.070.17Cu0.12Fama大口径管大口径管线用钢线用钢0.032.53.40.050.12.海洋用微合金化低碳高强度钢钢号钢号用途用途化学成分化学成分%CMnPMoCrAlRE10Cr2MoAlRE抗海水腐蚀抗海水腐蚀0.060.650.0170.422.120.860.06HY80Mod采油平台采油平台0.060.352.08Ni0.250.620.017VHT80跨海桥梁跨海桥梁0.141.21.0Ni0.60.60.05V加加B1.普低钢一般
44、都在热轧或正火态下使用，它们的组织是普低钢一般都在热轧或正火态下使用，它们的组织是 ；合金元素对该组织主要通过合金元素对该组织主要通过 来达到强化作用。来达到强化作用。2.Ti、Nb在微合金普低钢中的主要作用是在微合金普低钢中的主要作用是 。3.Mn在普低钢中的主要作用是在普低钢中的主要作用是 。4.RE在普低钢中的主要作用是在普低钢中的主要作用是 。5.Q235DZ是是 钢的一个牌号，可用来制造钢的一个牌号，可用来制造 。其中。其中Q235表示表示 ；D表示表示 ；Z表示表示 。6.针状铁素体钢合金化的主要特点是针状铁素体钢合金化的主要特点是 。7.低碳贝氏体型普低钢多采用低碳贝氏体型普低钢
45、多采用 为基本成分，以保证为基本成分，以保证得到贝氏体组织。得到贝氏体组织。8.为提高普低钢耐大气腐蚀性，可向钢中加入为提高普低钢耐大气腐蚀性，可向钢中加入 等元素。等元素。9.微合金化普低钢控制轧制的主要目的是微合金化普低钢控制轧制的主要目的是 。10低碳贝氏体钢焊接性能好的主要原因是低碳贝氏体钢焊接性能好的主要原因是 。 本章思考题工程构件用钢11.有一批低碳冷轧薄钢板，在冲压前表面质量很好，但在冲压后的工件某些部位出现水波纹的皱折。试分析形成原因及消除办法。12.与12Mn相比，12MnPRE有何优越性？与12MnPRE 相比，12MnPNbRE又有什么优越性？13.普低钢的合金化原则是
46、什么？合金元素的作用是什么？工程构件用钢思考题第六章 机器零件用钢 机器零件用钢 机器零件用钢是制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、轴承等的金属材料。1.机器零件用钢的强度与脆性中碳回火索氏体钢低碳马氏体钢b：12001400MPa中碳低合金马氏体钢 b：14002000MPa 微碳马氏体时效钢 b：19002300MPa 形变热处理中合金钢 b：24003200MPa 高碳冷拉钢丝： b：30004000MPa 机器零件用钢2.机器零件用钢的淬透性淬透的钢可获得高强度和高屈强比。淬透的钢可获得高强度和高屈强比。合金元素提高淬透性的作用。合金元素提高淬透性的作用。提高钢淬透性能力：提高钢淬透性
47、能力：NiNi、SiSi、CrCr、MoMo、MnMn、B B。理想临界直径：理想临界直径：D=DCfSifMnfCrfMn=1+5.0MnfSi=1+0.7SifMo=1+2.96MofNi=1+0.42NifCr=1+2.25CrfCu=1+0.27CufW=1+1.2WfCo=10.06Co机器零件用钢合金元素在机器零件用钢中的其它作用提高回火稳定性：硅、铬、钨、钼、钒、钛等都可推迟或延缓钢的回火转变。细化晶粒：强碳化物形成元素细化晶粒作用较强。固溶强化：硅、锰作用较明显。防止第二类回火脆性：钨、钼可以减弱或抑制第二类回火脆性的发展。改善钢的被切削性能：硫、钙等元素能改善钢的被切削加工性
48、能。机器零件用钢3.机器零件用钢的含碳量与热处理工艺的选择不重要的零件：中碳钢正火处理。表面要求耐磨性好，整体又承受冲击负荷心部要求较高强韧性的零件：低碳钢或低碳合金钢，采用渗碳、淬火和低温回火的热处理工艺。综合力学性能要求较高的零件：中碳调质钢或中碳合金调质钢，采用调质处理。高的弹性极限和疲劳强度的零件：碳素弹簧钢或合金弹簧钢，采用淬火和中温回火的热处理工艺。滚动轴承：滚动轴承钢经淬火和低温回火的热处理工艺。第一节 渗碳钢 经渗碳处理后使用的钢种。主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。 渗碳钢一、渗碳钢组织性能的要求 :渗碳层具有高硬度，高耐磨性 。渗碳工
49、件心部良好的的塑性和韧性 。渗碳处理时具有良好的热处理工艺性能。表层高碳 （0.81.1%）；心部低碳（0.10.25%）。组织： 表层为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。 心部淬透为低碳回火马氏体； 若未淬透为低碳回火马氏体+铁素体。表层形成残余压应力，显著提高钢的疲劳强度。渗碳钢二、渗碳钢化学成分特点低碳：含碳量一般为wC=0.10.25%之间 ；合金元素的作用：提高淬透性： Ni、Si、Cr、Mo、Mn、B。细化晶粒：V、Ti强碳化物形成元素，阻止A晶粒长大。对表层碳化物形态的影响：Cr易使碳化物呈粒状分布。改进渗碳性能：1230.61.01.41.82.22.6CrMoWNiMnSiwC
50、%Me%渗碳钢123450.81.21.62.02.42.80Me%/mmMnCrMoWNiSi三、常用渗碳钢1低淬透性渗碳钢：2035mm 15、20、20Mn2、20MnV、15Cr、20Cr、20CrV等。小型渗碳件：套筒、活塞销、小型机床齿轮 、小凸轮。2中淬透性合金渗碳钢：2560mm 20CrMnTi、20MnVB、20Mn2B、20CrMo等。中等动负荷截面较大件：汽车变速箱齿轮 、爪型离合器、蜗杆、花键轴等。3高淬透性合金渗碳钢：100mm以上 20CrMnMo、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。重载荷、大截面的零件：航空发动机齿轮、高速柴油机曲轴、连
