《金属材料学》全册配套完整教学课件.pptx

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金属材料黑色金属(Fe/Mn/Cr)结构钢铸钢、锻钢铸铁 有色金属比重大、熔点高的金属Cu、Ni及其合金比重大、熔点低的金属Zn、Sn及其合金比重小、熔点中等的金属Al、Mg及合金特殊合金金属材料金属材料学金属材料学第一部分：钢铁材料第一部分：钢铁材料- -黑色金属黑色金属第二部分：有色金属第二部分：有色金属第三部分：复合材料第三部分：复合材料- -金属基体金属基体 本课程的目的: 金属材料的物理冶金问题，掌握金属及合金的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律； 分析各种金属材料的化学成分设计、生产、热处

2、理和使用中的问题； 阐明材料合金化的原理、总结规律、加强系统性和实用性； 在内容上力求少而精，并尽可能反映金属材料研究和发展的新成果；系统阐述通过加入合金元素来改变金属材料的相组成、显微组织和热处理工艺，以得到各种优异的性能； 学以致用。钢钢 铁铁 材材 料料第第 1 章章 钢的合金化原理钢的合金化原理1.1 钢中合金元素1.1.1 绪论合金元素：为了保证获得所要求的组织结构、物理性能、化学性能和力学性能而特别添加到钢中的化学元素。合金钢：所获得的钢称为合金钢 目的：（1）材料的使用性能：物理、化学、机械性能等；（2）材料的工艺性能：焊接，铸造、热处理、修复性能（3）经济性能：钢中常用合金元素

3、 ： 第二周期中B,N; 第三周期中A1,Si; 第四周期中Ti, V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu； 第五周期中Nb,Mo,Zr； 第六周期中W以及稀土元素等。低合金钢：合金元素总含量M5；中合金钢：合金元素总含量M =510%高合金钢：合金元素总含量M 10。炼铁原理杂质： 在冶炼时由于所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素 Si、Mn由脱氧剂带入； S、P由原料带入而被保留下来； S：热脆现象，P：冷脆现象，H：白点，氢脆。（N：蓝脆） 同一化学元素既可能作为杂质又可能作为合金元素， S：钢中形成硫化物夹杂，特别是横向韧性以及抗层状撕裂性；易切削钢中硫含量高达0.3%，以

4、形成MnS夹杂而提高钢的切削性； P：恶化钢的冷脆性，但在易切削钢中（P：0.12%）可提高钢的切削性，在汽车钢板及奥氏体沉淀硬化不锈钢中，磷用来提高钢的强度；1. 1. 2 钢的分类和编号钢的分类和编号一、按用途分：一、按用途分： 工程构件用钢: 用作桥梁、车辆、船舶 、钢架等工程构件。这类钢在建筑、石油、化工、国防等国民经济各部门用途广泛。 机器零件用钢： 用作各种机器零件轴类零件、齿轮、弹簧、轴承等。 工模具用钢： 用作各种工具、模具等，又可分为量具钢、刃具钢、冷变形模具钢、热变形模具钢等。 特殊性能钢：可分为不锈钢、耐热钢、无磁钢、耐磨钢等。二、按金相组织分： 按平衡状态或退火组织：

5、亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。 按正火组织： 珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。 按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织： 铁素体钢、马氏体钢、奥氏体钢等。三、按质量等级分三、按质量等级分： 普通质量钢：Ws 0.040% , WP 0.050%。 质量钢： Ws 0. 035% , WP 0.035%。 优质钢： Ws 0.025% , WP 0.025%。 45钢、T12 高级优质钢：Ws 0. 015%， WP 0.025%。45A 、T12A钢材的分类与编号钢材的分类与编号钢材分类按成分碳素钢低碳钢中碳钢高碳钢合金钢甲类钢乙类钢特类钢按组织平衡组织亚共析钢共析钢过共析钢莱

6、氏体钢正火组织珠光体马氏体奥氏体贝氏体有无相变铁素体奥氏体复相钢按用途结构钢工具钢特殊钢其它冶炼脱氧1碳素结构钢 Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。 “Q”：代表钢材的屈服点，后面的数字：屈服点数值，单位：MPa Q235：屈服点（s）为235 MPa的碳素结构钢。 Q195、Q215 Q690 必要时钢号后面可标出：表示质量等级、脱氧方法的符号 。 质量等级符号：A、B、C、D。 脱氧方法符号15：F沸腾钢；b半镇静钢：Z镇静钢；TZ特殊镇静钢， Q235-AF：A级沸腾钢。 专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。二、

7、我国钢号表示方法的分类说明2优质碳素结构钢：45、10、25、10F，35Mn钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示， 45：平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”； 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出， 例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。3碳素工具钢：T7、T8T13、T7A、T8AT13A钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。 钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。 “T8”：平均碳含量为0.8%。 “T8Mn”：锰含量较高者，在钢号最后标出 高级

8、优质碳素工具钢：P、S含量低，钢号最后加注字母“A” “T8MnA”。二、我国钢号表示方法的分类说明我国合金钢编号方法的原则是：我国合金钢编号方法的原则是：数字数字+合金元素合金元素+数字数字+. 35 Si2 Mn Mo V（1）平均含碳量，）平均含碳量，含碳量以万分之一为单位表示（2）合金元素：）合金元素：钢中所含的合金元素（3）合金元素后数字：）合金元素后数字：钢中所含的合金元素的百分含量 钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。 20MnVB钢中：钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 钢中碳含量钢中碳含量

9、合金元素的种类合金元素的种类元素的含量元素的含量数字数字合金元素合金元素数字数字+*5、不锈钢： 4Cr13、 9Cr18、 1Cr18Ni9：含碳量以千分之一表示 （40Cr13、95Cr18、 12Cr18Ni9：含碳量以万分之一表示/GB/T20787-2007）6、铬轴承钢： 铬含量以千分数表示，并冠以用途名称。 GCr15：平均铬含量为1.50%的轴承钢；7、合金工具钢： 含碳量以千分之一表示；9SiCr、5CrNiMo； C1.0%时，不标出；CrWMn，Cr2、W18Cr4V 1.2 合金钢中相组成合金钢中相组成合金元素加入钢中，一般都在钢中形成各种相： 固溶体、 中间相（如碳化

10、物、氮化物、金属间化合物等 非金属夹杂物钢的使用性能和工艺性能：1.2.1 固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 铁基置换固溶体的形成，遵循Hume-Rothery规律；决定组元在置换固溶体中溶解度的因素是：点阵结构、原子尺寸因素、电子结构。 铁有两种同素异构体：bcc的-Fe、fcc的-Fe； 合金元素在 -Fe和， -Fe中溶解情况不同 。二、间隙固溶体二、间隙固溶体铁基间隙固溶体是Fe与尺寸较小的C、H、O、N、B原子组成，一般满足Hagg定则：Rx / rme 0. 59 间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙元素的原子尺寸。间隙原子的溶解度随其原子尺寸的减小而

11、增加，即按B、C、N、O、H的顺序增加，r碳=0. 077nm、r氮=0. 071 nm，N在-Fe中最大溶解度分别为2. 8%。 碳C在-Fe中的最大溶解度为0.021%，在-Fe中?三、铁基二元相图三、铁基二元相图 铁在加热和冷却时产生如下同素异构转变：钢中合金元素的影响： -Fe、-Fe、-Fe的相对稳定性 同素异构转变温度A3、A4。Fe-C合金的几种基本组织合金的几种基本组织Fe-C合金的几种基本组织介绍如下：合金的几种基本组织介绍如下： 铁素体铁素体 F、奥氏体奥氏体 A、渗碳体渗碳体F e3C 、珠光体珠光体 P、莱氏体莱氏体 Ld 合金元素：溶入-Fe中形成 -Fe为基的固溶体

12、 溶入-Fe中形成 -Fe为基的固溶体。奥氏体形成元素： -Fe有较大的溶解度，并稳定-Fe固溶体的合金元素铁素体形成元素： 在 - Fe中有较大的溶解度，使 -Fe不稳定的合金元素；合金元素对铁的同素异构转变的影响，主要可以分为: 扩大 相区 缩小 相区（1） 稳定化元素：稳定化元素：使A3点，A4点 ，在较宽的成分范围内，促进奥氏体形成，即扩大了相区。 开启相区：Mn 、Co、Ni 等，与-Fe无限固溶，使相区存在的温度范围变宽，和相区缩小，当合金元素含量超过某一限量时，可以在室温得到稳定相。 Ni,Co,Mn的原子半径与-Fe相差很小，同时化学性质很接近（在周期表上位置靠近 ），并且晶体

13、点阵相同，因此它们与 一Fe可以形成无限固溶体，具有扩大 区的作用。 扩大扩大 相区：相区：虽然 相区也随C、N、Cu等元素的溶入而扩大，但这些元素与一Fe有限固溶，不能使之完全开启。类元素有：B、Zr、Nb、S、Ta等 (2) 相稳定元素：相稳定元素：使A3点，A4点 ，在较宽的成分范围内，促进铁素体形成，即缩小相区，它也包括两种情况： 封闭封闭 相区：相区：使A3升高，A4下降，在一定浓度处汇合相区为相区所封闭，在相图上形成圈。这意味着当合金元素含量超过一定限量后，无 相变。 这类元素有：V,Cr,Ti,W,Mo,AI,P等。 铬 、钒不但与-Fe点阵相同，而且原子半径也很接近，故与 -F

14、e形成无限固溶体。 0Cr13 、00Cr30Mo3 缩小缩小 相区：相区：这类元素与封闭相区类似，但由于固溶度小，不能使之完全封闭，这类元素有：B、Zr、Nb 、S、Ta等。 1.2.2 钢中化合物一、钢中碳化物碳化物的性质、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极其重要的影响。碳化物具有高硬度和高熔点，脆性大。合金元素：Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb，（Co、Cu） 溶解度W ： 3410 C -Fe：1534 CCu： 1083 CAl： 666 CPb： 327.5 C Sn ： 232 C钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成、转变、溶解、析出和聚集长大有着极大的影响。

15、 碳化物在钢中的相对稳定性合金元素与碳的亲合力大小，即取决于金属d层电子数，金属元素d层电子数越少，它与碳的亲合力就越大，所形成的碳化物在钢中越稳定。 在每一周期中，从左到右，金属元素d层电子数增大，因而金属元素与碳的结合力将逐渐下降。由于Co、Ni的d层电子数比铁大，与碳的结合力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。 钢中的碳化物主要有以下几种：（1）rx/rme0. 59，间隙尺寸较大，可以容纳碳原子，形成简单点阵碳化物。这类碳化物主要有两类： NaCl型：简单立方点阵碳化物。主要由钒族（V,Nb,Ta）和钛族元素（Ti , Zr, Hf）与碳形碳化物中金属原子以面心立方结构的方式排列，较小的碳原

16、子占据八面体间隙，形成和NaCl相同的结构，金属原子与碳原子的比例是1:1。成碳化物，如TiC、ZrC、VC、NbC等。 一般形式是MeCx，其中X 0. 59，简单密排点阵如不发生变化，其间隙已不能容纳碳原子，因此形成复杂点阵碳化物。 M23 C6型：如Cr23 C6等。复杂立方点阵，含Cr较高（大于5-8%）的高合金钢中。易于形成复合碳化物，如(Fe,Cr,W)23C6。 Cr13 （2Cr13、3Cr13、4Cr13、Cr12MoV） M7C3型：如Cr7C3等。复杂六方点阵，含Cr量（3-4%）的结构钢中，常形成复合碳化物，如（Cr, Fe )7C3等。 M3C型：如Fe3 C等。正交

17、晶系点阵，形成合金渗碳体， （Fe,Mn) 3C、（Fe,Mn,Cr) 3C等。二、钢中氮化物r氮原子17%Cr-Fe， 00Cr30Mo2（008Cr30Mo2）V-Ni， Mo-Co系等。（2）AB2相：拉维斯相尺寸因素起主导作用的化合物。含钨、钼、钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在AB2相。AB2相是耐热钢和合金中的一种强化相，由于具有较高的稳定性，可使持久强度保持在较高水平。AB2相的晶体结构有三种类型： MgCu2型复杂立方点阵， MgZn2型复杂六方点阵 MgNi2型复杂六方点阵1.2.3 合金元素在钢中的分布状态 一、合金元素在钢中分布钢一般是由几种不同晶体结构的组织构成：

18、铁素体、奥氏体、碳化物、珠光体、莱氏体 合金钢：氮化物、金属间化合物等，根据Me-C的相互作用：不形成碳化物元素：固溶于于铁素体、奥氏体，如Si,A1,Cu,Ni,Co等；强碳化物形成元素：优先形成碳化物，如V、Zr、Nb、Ti、Ta等；弱碳化物形成元素：介于两者之间，固溶体+合金渗碳体，如（Fe, Cr)3C。但当含量超过一定限度时，又将形成各自特殊碳化物，如Cr7 C3 ,Cr23 C6等。它们在碳化物中浓度一般都比在铁素体、奥氏体中的高。 二、溶质原子在晶界的偏聚 溶质原子溶于多晶体铁中形成固溶体后，将与晶界产生交互作用，在晶界区有很高的富集浓度。这种溶质原子与晶界的结合与富集，称为晶界

19、偏聚或晶界内吸附。 在铁中产生强烈晶界偏聚的元素有N、P、S、As,Sb,Bi,Se,Te,Sn等。 溶质原子的晶界偏聚将对钢的组织和晶间有关的性能产生巨大的影响，（1）相变时晶界优先成核；（2）晶粒长大、晶界迁移；（3）晶界强化、晶界弱化、晶界脆性；（4）晶间腐蚀等。1.3 合金钢中的相变1.3.1 合金元素对Fe-C相图的影响Fe-C合金相图是研究碳素钢组织变化和确定其热处理工艺的依据，钢中加入合金元素以后，Fe-C相图的变化：（1）对奥氏体相区的影响。Ni，Co，Mn等奥氏体形成元素使奥氏体相区扩大，Cr，Mo，W，V，Ti等铁素体形成元素使奥氏体相区缩小。 E-P （2）对临界点的影响

20、。 扩大奥氏体相区元素（如Ni， Mn， Cu等 ）一般使A1，A3点温度下降； 缩小奥氏体相区元素（如W，Mo，V，Ti等）将使A1，A3点温度升高，这使合金钢的热处理工艺发生变化。 在过共析合金钢中Acm点取决于相应碳化物完全分解温度。过共析钢一般进行不完全淬火或球化退火，故Acm点实际意义不大，只是在需要正火时（为消除网状碳化物），Acm位置才有实际意义。（3）应用举例 S点左移 2Cr13 中碳钢， 4Cr13 过共析钢， E点左移 9Cr18 莱氏体钢，热处理工艺： E点上移 Ac1 、 Acm上移，加热温度T。 Cr13 Cr23C6增加，保温时间t 空冷马氏体 回火： 2Cr13

21、 中碳钢， 4Cr13 过共析钢：回火温度T钢的热处理可根据加热温度、冷却速度大致可分为以下几种普通热处理普通热处理热处理热处理表面热处理表面热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火火焰加热火焰加热化学热处理化学热处理感应加热感应加热渗碳渗碳氮化氮化碳、氮共渗碳、氮共渗（局部热处理）（局部热处理）1.3.2 对加热时转变的影响钢在加热时的转变 ：奥氏体的形成（形核、长大）碳化物溶解奥氏体成分均匀化奥氏体晶粒长大；影响：过冷奥氏体的稳定性和得到的组织和性能。（1）合金元素对奥氏体形成的影响：在通常加热速度下，当TAc1时，相通过扩散型多型性转变、碳化物的溶解而形成的，相的生长依赖于

22、碳化物溶解和碳的扩散。合金元素对碳化物稳定性的影响以及对碳在奥氏体中扩散的影响，直接控制着奥氏体的形成速度。TiC，VC，NbC，ZrC等的溶解温度，T溶解1100-1150；M23C6，M6C，M7C3等的T溶解TTiC，NbC，VC，ZrC。例如，MC型碳化物的1.3.2 对加热时转变的影响（1）对奥氏体形成的影响： 相转变：扩散转变，碳化物溶解和碳的扩散。 合金元素对碳化物稳定性的影响以及对碳在奥氏体中扩散的影响，直接控制着奥氏体的形成速度。 强碳化物元素：C的扩散，对奥氏体形成 一定减缓作用。 TiC，VC，NbC，ZrC等，溶解温度一般要大于1100-1150；热轧-渗碳 M23C6

23、，M6C，M7C3等，溶解温度一般大于950；4Cr13 非碳化物形成元素：C的扩散，对奥氏体形成有一定促进作用。 Ni， Co（2）对奥氏体成分均匀化的影响： 合金元素扩散较慢，这种均匀化过程缓慢，而且由于碳化物元素对奥氏体中碳的亲合力较强，在碳化物元素富集区，碳的浓度也偏高；一般用升高淬火温度或延长保温时间的方法来使奥氏体成分均匀化。钢中奥氏体晶界还会发生溶质原子在晶界的偏聚，随着加热温度的升高，晶界偏聚现象将逐渐减弱，如要利用晶界偏聚来提高钢的淬透性，则淬火温度不易过高。（3）对奥氏体晶粒长大的影响 ： 钢中奥氏体晶粒长大通过晶界移动进行的。 晶粒长大的驱动力系统界面能的降低，长大过程依

24、靠晶界原子的扩散，两者可以改变奥氏体晶粒的长大进程 碳、氮、磷：当其溶于奥氏体时，促进奥氏体晶粒长大。 TiC，VC，ZrC，NbC： TiN，VN，ZrN，NbN： 显著阻止奥氏体晶粒长大本质细晶钢 Ti(C,N)，V (C,N) ，Zr (C,N) ，Nb (C,N) W，Mo作用稍小。 Al、Si：含量极少时，仅以非金属夹杂物形式存在，对奥氏体晶界起钉扎作用，阻止长大。当含量足够高，作为合金元素溶入固溶体时，促进奥氏体长大。 非碳化物元素Ni，Co，Cu作用不明显。 Mn：低碳钢中有细化晶粒作用，而在中碳以上的钢中可促进晶粒长大，这是因为在中高碳钢中，Mn加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作用

25、本质粗晶钢。应用： 通常采用加Ti，Nb，V，Al等元素在钢中形成稳定的碳化物、氮化物等弥散第二相控制奥氏体晶粒长大， 氮化物比碳化物有更低的溶解度和更高的稳定性，因此在细化奥氏体晶粒能力上，弥散的氮化物比碳化物更有效，其中TiN弥散质点到1400都不易固溶和聚集长大，其次是NbN，AIN，VN，NbC，TiC。研究合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，有很重要的实际意义，因为奥氏体晶粒的大小决定着冷却时转变生成产物的晶粒尺寸元素形成碳化物的能力由强到弱如下： TiNbZrVMoWCrMnFe 钢材轧制： 热处理：渗碳20CrMnTi 焊接：15MnVN 1.3.3 合金元素过冷奥氏体分解的影响一、

26、合金元素过冷奥氏体等温转变曲线的影响合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线有着复杂的影响，不同类型合金元素对珠光体P转变、贝氏体B转变、马氏体M转变有着不同作用。 Fe-C合金：由于珠光体和贝氏体最大转变速度的温度极为接近，故在过冷奥氏体转变曲线上只有一个C曲线； 合金元素由于对P、B转变影响不同，因此出现不同的过冷奥氏体转变曲线。钢中加入碳化物形成元素，不仅使C曲线位置移动，而且也使C曲线形状改变，甚至使珠光体、贝氏体转变区域完全分开，出现两个鼻尖。 （1）Ti，Nb，V，W，Mo等强碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变，对贝氏体转变推迟较少，同时升高珠光体最大转变速度的温度，降低贝氏体最大转变速度的

27、温度，使相变C曲线明显分开（2）中、弱碳化物形成元素Cr，Mn 推迟贝氏体转变的作用更加显著，使最大转变速度出现在高温转变温度区域。（3）钢中加如非碳化物元素（Ni，Al，Si，Cu，Co等），C曲线仍然保持与碳钢相同形状，只是位置有所改变。AI，Si：增加过冷奥氏体稳定性，推迟贝氏体转变更强烈；Ni强烈推迟珠光体转变；Co则使C曲线左移，转变孕育期缩短。钢中晶界偏聚的B，P、稀土等微量元素使先共析铁素体转变的推迟极为明显，对珠光体、贝氏体转变推迟较弱。 20MnVB钢中：Mn：0.8-1.3%V：0.07-0.12%，B：0.001-0.005%二、合金元素珠光体转变的影响珠光体转变是典型的

28、形核和长大过程，包括孕育期、碳化物形核和长大。相形核、长大几个步骤。合金元素对珠光体转变形核率N和长大速度G都有重要影响，一般合金元素都降低N或G 中一个或使两者同时降低。 A（0.77C）P A（0.77C） Fe3C （6.67C）+ F（0.02C）A（0.77C） + P A（0.77C） + Fe3C （6.67C）+ F（0.02C）Fe-C碳钢：奥氏体发生珠光体转变形成Fe3C，只需要碳的扩散和重新分布。合金钢：+M1C+M2C+. M+CMC（1）碳化物形成元素： 直接形成特殊碳化物或合金渗碳体 奥氏体中的碳扩散和重新分布， 奥氏体中的合金元素扩散和重新分布扩散系数：K合金元素

29、10-5.K碳（560）， 导致P珠光体转变推迟。 增加相的形核功和转变激活能， 导致P珠光体转变推迟（2）对非碳化物形成元素Al，Si： 奥氏体分解时完全不含Al，Si，在(Fe,M)3C形核和长大地区，Al，Si原子必须先扩散开，才有利于渗碳体形核和长大，从而推迟珠光体转变。 Si的加入也增加了相原子间结合力，降低了铁的自扩散系数，增加 相的稳定性。 合金元素除Co外 （3）元素B，P、稀土RE：提高过冷奥氏体稳定性 富集在奥氏体晶界上，降低了晶界表面能，阻止相和碳化物在奥氏体晶界的形核。三、合金元素贝氏体转变的影响半扩散型相变：碳的扩散和重新分布，合金元素的扩散几乎不进行合金元素C扩散速

30、度、Cr，Mn，Ni：转变温度，奥氏体与铁素体的自由能差 ，从而贝氏体转变速度 。Cr，Mn由于能阻止碳原子扩散，其作用尤为明显。强碳化物元素Mo，W，V：一方面升高转变温度，增大了奥氏体与铁素体的自由能差，从而加速贝氏体转变；另一方面由于Mo，W，V降低了碳原子扩散速度，阻止了贝氏体转变。因此Mo，W，V推迟贝氏体转变的作用比Cr，Mn，Ni小得多。Si是非碳化物形成元素，但对贝氏体转变有强烈的滞缓作用，这与Si强烈阻止过饱和铁素体脱溶有关。Co由于升高A3点，降低相相变临界形核功，因而促进贝氏体转变。晶界偏聚元素B强烈推迟珠光体转变而对贝氏体转变影响较小。因此含强碳化物元素W，Mo，V，N

31、b，Ti或晶界偏聚元素B的钢，由于珠光体转变孕育期长、贝氏体转变孕育期短而易于得到贝氏体组织，成为贝氏体钢的主要合金元素。四、合金元素马氏体转变的影响无扩散性相变： 对马氏体转变动力学影响较小；W,Mo,Nb,V,Ti,B 改变了Ms，Mf点温度范围，从而影响残留奥氏体量； 对马氏体亚结构也有很大影响。除Co，Al以外，大多数合金元素均使Ms点降低，残留奥氏体量增加。合金元素降低Ms点，主要是由于合金元素降低奥氏体化学自由能，或升高马氏体的化学自由能，即减少了两者之差，故必须在更大的过冷度下才能供给马氏体转变所需要的化学自由能差。合金元素对低合金钢Ms点影响的经验公式为马氏体亚结构的影响：一般

32、在Fe-C合金中，当含碳量小于0.4%，以板条马氏体为主；含碳量大于0.6%，以孪晶马氏体为主，含碳量在0.4%0.6范围内为混合结构。合金元素的加入，由于降低了Ms点，一般都增加了形成孪晶马氏体倾向；如在Fe-19Ni-C合金中，碳含量大于0.31就形成孪晶马氏体 。低碳钢、中碳钢、高碳钢1.3.4 合金元素淬火钢回火转变的影响淬火： M+ 残，亚稳定相； 淬火钢在回火 马氏体的分解； 20200 C 残留奥氏体转变： 200300 碳化物的形成和聚集长大： 300-450C 相的回复： 300-450C 相的再结晶： 450- 700 合金元素对这些过程均产生影响。一、合金元素马氏体分解的

33、影响碳化物元素（Cr，W，V，Nb等）： 强烈阻止马氏体分解。这是因为溶解于马氏体的合金元素MC相互吸引的作用，阻碍了马氏体的分解过程； 非碳化物形成元素（Ni，Cu )和弱碳化物形成元素Mn： 不推迟碳从马氏体中析出， Si推迟了马氏体的分解。回火温度低时，Si不发生扩散，形成的-FexC中的硅含量等于马氏体中平均硅含量，随回火温度升高，渗碳体形成，由于Si完全不溶于Fe3C，硅必须扩散离去后，渗碳体才能在那儿形核、长大，而硅在+-Fe中扩散激活能远大于碳在-Fe中扩散激活能，故阻止马氏体分解。二、合金元素 残 转变的影响降低Ms点的合金元素增加淬火钢中残留奥氏体量。 低碳马氏体的板条间也可

34、存在：2-3的残留奥氏体薄膜； 中碳结构钢中，残留奥氏体量一般为：35%； 合金元素含量较高的钢中残留奥氏体量：10%15%； 高速钢中残留奥氏体量高达：20%40%。 低合金钢： 残残一般发生在高于200的温度，在300左右转变完成。 高合金钢： 残残非常稳定，加热到500600时， 残残中析出碳化物 残残中碳和合金元素含量，Ms点，在随后冷却时， 残残马氏体，称“二次淬火”。三、合金元素碳化物形成的影响T 回火温度，合金元素扩散，并在相碳化物之间重新分配。碳化物形成元素向渗碳体中富集，形成合金渗碳体 (M)(Fe,M)3C 非碳化物元素将离开渗碳体。 渗碳体或合金渗碳体将长大，碳化物的聚集

35、长大 小颗粒溶解，碳和合金元素扩散 大颗粒上而使其长大。 强碳化物元素（Mo，V，W等）：和碳的亲合力较强，阻碍合金渗碳体长大 合金渗碳体稳定性 ，合金渗碳体溶解速度 ； 增加碳在相中的扩散激活能 ，碳的扩散速度 ；与碳钢相比，含碳化物形成元素的钢能在更高回火温度下保持细小质点。当钢中含有较多的强碳化物形成元素Mo，V，W，Nb时，在回火时将析出特殊碳化物。特殊碳化物的形成机制有两种：（1）原位形核。）原位形核。（2）直接形核。）直接形核。（1）原位形核。碳化物形成元素在回火时向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时，合金渗碳体就原位转变成特殊碳化物。 铬钢中常出现特殊碳化物的原位形

36、核。 渗碳体可以溶解25% Cr，在回火初期，随时间延长，Cr在渗碳体中富集，550回火6h后，合金渗碳体Cr中富集到22.5浓度，但仍为渗碳体，进一步延长回火时间，当渗碳体中Cr超过其溶解度时，合金渗碳体转变为Cr的特殊碳化物(Cr,Fe)7C3，回火50h后，全部(Fe,Cr)3C都转，变为(Cr,Fe)7 C3。高铬钢在回火时形成的（Cr,Fe) 23C6也可由（Cr,Fe)7C3原位转变而来。由于原来合金渗碳体颗粒较粗大，原位形成的特殊碳回火时化物也具有较粗尺寸。（2）直接形核。特殊碳化物形成的另一种机碳化物成分和结构的变化机制是直接从过饱和相中析出特殊碳化物；MC型碳化物（VC ，N

37、bC，TiC，ZrC）Mo和W的碳化物（MoC，WC，Mo2C，W2C）铬的碳化物（Fe,Cr)7C3和(Cr,Fe)23C6均可采用直接形核方式形成。直接形核时，碳将在固溶体和碳化物之间发生复杂的再分配，在低温回火下已经形成的渗碳体在提高回火温度时将重新溶如固溶体，从而保证形成特殊碳化物所需的含碳量。这种直接形核的特殊碳化物一般在450600回火温度范围内形成。300-450C450600 直接从相中析出的特殊碳化物能产生“二次硬化”效应，二次硬化效果取决于合金元素种类和含量。V钢中析出的VC和Mo钢中析出的Mo2C与基体保持共格，且聚集长大速度小，因此产生明显的“二次硬化”效应。铬钢碳化物

38、（Cr,Fe)7C3，1.4 合金元素对钢性能的影响1. 4.1 合金元素对钢力学性能的影响力学性能： 拉伸（Rm、Rp0.2、A、Z）、弯曲、疲劳、冲击、硬度、断裂韧性等 低温、高温一、合金元素对钢常温力学性能的影响 固溶体、碳（氮）化物固溶体的强度、硬度和冷变形加工硬化率提高，韧性和延展性都降低。钢淬火的马氏体的硬度，主要决定于碳的含量。钢中碳化物、氮化物对钢力学性能的影响主要取决于碳化物、氮化物的 性质、数量、大小和分布。钢中碳化物、氮化物对钢力学性能的影响主要取决于碳化物、氮化物的性质、数量、大小和分布。等温转变： 珠光体P、屈氏体T、索氏体S、上贝氏体、下贝氏体、马氏体连续转变 ：

39、回火珠光体P、回火屈氏体T、回火索氏体S碳含量： 低碳钢、中碳钢、高碳钢二、合金元素对钢高温力学性能的影响晶粒和晶界的强度都要下降，但是由于晶界的缺陷多，原子扩散较晶内快，故晶界强度下降比晶内的快。到一定温度，晶界的强度便低于晶粒本身的强度。因此为了改善钢的力学性能，特别是蠕变极限，需要适当地减少晶粒边界，即要求使用粗晶粒的钢。在钢中加入Xt（RE）、B等化学性质活泼的元素，可以净化晶界，使易熔杂质元素从晶界转移到晶内，强化晶界。提高钢高温力学性能的另一个有效途径是强化基体，提高合金基体原子间的结合力，增大原子自扩散激活能。Mo的影响最为显著 ，而Co和Ni的影响很小。在钢中加入能形成具有高温

40、强度和高温稳定性的第二相颗粒的强碳化物形成元素，对位错运动起阻碍作用，可提高合金的高温性能 。三、合金元素对钢低温力学性能的影响（1）碳、氮。重要的脆化元素、脆性相，是裂纹源。（2）氧、硫、磷。 （3）锡、砷。 （4）镍 ： （5）细化晶粒的元素。可以提高钢的韧性，包括低温韧性。低温钢： 1Ni9、 0Cr18Ni9、 15Mn26Al4、5%Ni1.4.2 对工艺性能的影响一、对焊接性能的影响钢在一定焊接条件下，形成符合使用要求的完整焊接接头的能力称为钢的焊接性。影响焊接性的主要因素是钢的化学成分和组织，也与焊接工艺因素和使用条件相关。钢的化学成分是决定其冶金焊接性的主要因素，钢中碳含量越高

41、，焊接性越差，钢中其它化学元素可以通过碳当量（Ceq）来对其影响进行比较和估计。国际焊接协会推荐的碳当量的计算公式为Ceq0.6： 焊接困难一般而言，凡能提高淬透性的合金元素对钢的焊接性都不利，因为在焊缝热影响区靠近熔合线一侧冷却时易形成马氏体等硬脆组织，有导致开裂的危险。焊接材料对焊缝金属化学成分变化的影响。尤其是不锈钢熔焊，不同化学成分的不锈钢（奥氏体、铁素体、马氏体和双相不锈钢）必须选择成分适宜的专用填充金属，以改善不锈钢的焊接性。此外，热影响区靠近熔合线处的晶粒因为受热容易粗化，因此适当加入具有细化晶粒作用的元素有益。Si含量高，焊接时会发生严重喷溅；S含量高容易发生热裂；P含量高容易

42、导致冷裂。金属材料学金属材料学钢铁材料钢铁材料黑色金属黑色金属第二章第二章 工工 程程 结结 构构 钢钢工程结构钢 专门用来制造各种工程结构件的一大类钢种，如制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。对材料的要求：（1）力学性能： 承受各种载荷，要求有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性，以保证工程结构的可靠性。可能要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀。（2）工艺性能：铸造、锻压、焊接、热处理、修复、冷热变形 冷弯、冲压、剪切等，成形后常用焊接的方法连接起来，因此构件用钢还必须具有良好的焊接性和成形工艺性。构件用钢化学成分的设计和选择，首先必须满足这方面的要求。在钢总产量中，工程

43、结构钢占90左右。（3）经济性能 2.1.2 合金元素对钢组织、性能的影响合金元素对钢组织、性能的影响碳素工程结构钢中的基本元素是Fe，C，Si，Mn，P，S， （1）碳元素：C 0.38%，为亚共析钢 碳素结构钢中重要元素，材料性能基本上由碳含量决定。 对于亚共析钢，钢的硬度和强度几乎是随碳含量呈直线变化。塑性和韧性。 钢的冷脆性和时效敏感性，降低钢的抗大气腐蚀能力。 碳的增加导致钢的焊接性能显著下降 。 （2）硅Si：脱氧能力比Mn还要强，在常用的脱氧元素中仅次于Al，炼钢过程中硅铁是常用的脱氧剂。 Mn-Fe脱氧-F Si-Fe脱氧-Z Al脱氧-TZ 固溶： 硅几乎全部溶于铁素体从而提

44、高钢的强度、硬度、弹性，降低塑性、韧性，硅可以显著提高抗拉强度，小幅提高屈服强度，碳素工程结构钢Wsi0.35%。 夹杂：少部分硅元素存在于硅酸盐夹杂中，当硅仅作为杂质存在时对碳钢的性能影响不显著。 硅：提高钢的时效敏感性，提高韧脆转变温度，硅还能提高抗氧化能力和抗腐蚀能力。（3）锰Mn：炼钢时用Mn（Fe）脱氧和脱硫而残存在钢中的元素。一般认为锰是有益元素。 固溶 ：锰大部分溶于铁素体，形成置换固溶体使铁素体强化；一部分锰溶于Fe3 C (Fe,Mn)3 C 增加珠光体的相对量，使珠光体变细，这都会使钢的强度增加。 脱硫、夹杂： Mn+S MnS，能减轻硫的有害作用，在普通碳素结构钢中WMn

45、=0.250.80% 提高钢的淬透性。（4）磷 ：有害元素，是炼钢中带进来的杂质 固溶：磷在钢中可以全部溶于铁素体提高铁素体强度；磷使屈服点和屈强比显著提高，使塑性和韧性恶化，对焊接有不利影响。 偏聚：碳的存在使磷的溶解度急剧下降，磷在钢中的扩散速度很慢，有可能在铁素体晶界上出现Fe3P薄膜，造成钢的脆性剧增，这种现象称为“冷脆”，一般需要严格控制磷含量。 磷在易切削钢中含量提高到0.080.15可以显著改善钢的易切削性能，当磷含量在0.1时就能改善建筑钢的抵抗大气腐蚀能力。普通碳素结构钢中磷的含量国标规定不大于0.045，对钢的性能没有显著影响。Y30（5）硫：有害杂质。 硫不溶于铁，而以F

46、eS形式存在， FeS +Fe共晶点为989 ，分布于奥氏体晶界上， Fe+FeS+FeO940C ;10001200热加工时发生熔化，使钢材变脆，称为“热脆”，需要严格控制硫含量。 当S含量在0.080.20时可以大幅改善钢的切削性能易切削钢普碳钢国标规定S0.75，经时效处理可产生沉淀硬化。 铜 ：可以提高钢的抗大气腐蚀性能，铜还可以改善钢水的流动性，不利的方面是含铜钢在热轧时会出现表面鱼鳞状开裂。2.2 低合金高强度钢2.2.1 低合金高强度钢的分类、成分和性能 低合金高强度钢：在碳素工程结构钢的基础上，加人少量合金元素（主要是Mn， Si和微合金元素Nb，V，Ti，Al等）而形成的。

47、“低合金”钢中合金元素总量不超过3%， “高强度”相对于碳素工程结构钢而言：Q195Q275低合金高强度钢合金化的基本原则： 尽量少的合金元素获得尽可能高的综合力学性能，以达到成本低廉的目的。低合金高强度钢： 固溶强化 细晶强化 沉淀强化。 利用细晶强化使钢的韧一脆转化温度的降低，来抵消由于碳氮化物析出强化使钢的韧一脆转化温度的升高。 把铁素体的晶粒尺寸细化 m级，F一P低合金高强度钢的强度也可达到800MPa。 轧制或正火态供应，一般不再进行热处理，也不再进行机械加工就直接使用。它广泛使用在桥梁、船舶、车辆以及石油化工容器等方面 国家标准GB/T 1591-94，有Q295，Q345，Q39

48、0，Q420，Q460五个牌号。根据质量要求分为： 五个等级 A：不做冲击试验。 B： 20 冲击试验 C： 0 冲击试验 D： -20 冲击试验：Q420D E： -40冲击试验： Q345E、 （Q690）一、合金元素的作用一、合金元素的作用低合金高强度钢，其力学性能好，其最显著的特征就是高强度。以满足结构件在承受各种载荷时能保持稳定的形状，而不致由于产生明显的变形或断裂而导致失效。 低合金高强度钢一般比相应的碳素工程结构钢的强度高30一50%，因而能够承受较大的载荷。而结构材料自身的重量往往也是结构件需要承受的载荷的组成部分，因而结构材料强度的提高同时还可明显降低结构件的自重而使其承受其

49、它载荷的能力更进一步提高。 在低合金高强度钢中，主要是通过加人少量合金元素（成本考虑），通过（1）固溶强化；（2）增加珠光体含量强化；（3）细化晶粒强化；（4）析出弥散强化；强化机理：强化机理：固溶强化：利用点阵缺陷对晶体进行的强化，根据固溶强化的规律，间隙原子的强化作用比置换原子大得多，因此间隙原子碳是提高钢强度最重要的元素。（1）间隙固溶：提高碳含量：当时的碳含量高达0.3%，屈服强度可达300MPa 500MPa，P含量，T韧一脆转化温度显著提高 ，焊接性，因此从强化和塑韧性及工艺性考虑，其含碳量，一般均应限制在0.25以下。（2）置换固溶：利用Si，Mn，Cu，P等元素溶人铁素体来提高

50、强度。 P0.1%。 Mn和Si为常用的固溶强化元素，Mn2% ， Si0.8%，否则对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性不利。 Cu作为钢中的残余元素加以利用，一般含0.25%0.5%。（3） 细化晶粒： 可以提高钢的强度，而且可提高钢的塑性和韧性; 重要的是用铝脱氧和合金化。 用铝脱氧生成的细小弥散的AIN质点，用Ti 、Nb、V的微合金化生成弥散的氮化物 、碳化物和碳氮化物，这些弥散相都能钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，细化铁素体晶粒和珠光体领域。 （4）沉淀强化微合金碳氮化物的沉淀强化：低合金高强度钢中采用的重要的强化方式。 应用V、Nb、Ti的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中弥散