第一章 鋼的合金化基礎(chǔ)

1、第一章第一章鋼的合金化基礎(chǔ)鋼的合金化基礎(chǔ)內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 本章介紹碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題、合金鋼的分類方法、編號和合金元本章介紹碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題、合金鋼的分類方法、編號和合金元素在鋼中的作用。著重介紹合金元素在鋼中的存在形式、與基體元素的相素在鋼中的作用。著重介紹合金元素在鋼中的存在形式、與基體元素的相互作用及強化機制?；プ饔眉皬娀瘷C制。學(xué)學(xué)學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求：本章是工程材料課程的重點，要求本章是工程材料課程的重點，要求1熟悉工程材料常見的強化方式，了解其機理；熟悉工程材料常見的強化方式，了解其機理；2明確工程材料強韌化的基本途徑；明確工程材料強韌化的基本途徑；3充分認識合金元素在鋼

2、中的作用充分認識合金元素在鋼中的作用(即鋼的合金化原理即鋼的合金化原理)；學(xué)學(xué)學(xué)習(xí)重點：學(xué)習(xí)重點：本章主要在婦納、概括機械工程材料強韌化的基礎(chǔ)上，重點討論了鋼鐵材本章主要在婦納、概括機械工程材料強韌化的基礎(chǔ)上，重點討論了鋼鐵材料強韌化的料強韌化的兩條主要途徑：一是對鋼鐵材料實施熱處理，二是通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分，兩條主要途徑：一是對鋼鐵材料實施熱處理，二是通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加人合金元素加人合金元素(亦即鋼的合金化原理亦即鋼的合金化原理)，以改善鋼的性能。，以改善鋼的性能。第一節(jié)第一節(jié)概述概述一. 碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題二二. 合金鋼，合金元素的定義合金鋼，合金元素的定義

3、三三. 合金鋼的分類合金鋼的分類四四. 合金鋼的編號合金鋼的編號 在本節(jié)內(nèi)容中，重點掌握合金鋼的分類在本節(jié)內(nèi)容中，重點掌握合金鋼的分類形式和編號形式和編號 一、碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題一、碳鋼在應(yīng)用中遇到的問題 隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了更高的要求，如更高隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了更高的要求，如更高的強度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損以及其它特殊物理、的強度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損以及其它特殊物理、化學(xué)性能的要求。碳鋼已不能完全滿足要求?；瘜W(xué)性能的要求。碳鋼已不能完全滿足要求。1淬透性低淬透性低一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有一般情況下，碳鋼水淬的最大

4、淬透直徑只有10 mm 20 mm。 2強度和屈強比較低強度和屈強比較低 普通碳鋼普通碳鋼Q235鋼的鋼的s為為235 MPa， 低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345 (16Mn)的的s則為則為360 MPa以上。以上。 40鋼的鋼的s /b僅為僅為0.43, 合金鋼合金鋼35CrNi3Mo的的s /b高達高達0.74。 下一張3回火穩(wěn)定性差回火穩(wěn)定性差 碳鋼在進行調(diào)質(zhì)處理時，為了保證較高碳鋼在進行調(diào)質(zhì)處理時，為了保證較高的強度需采用較低的回火溫度，這樣鋼的強度需采用較低的回火溫度，這樣鋼的韌性就偏低；為了保證較好的韌性，的韌性就偏低；為了保證較好的韌性，采用高的回火溫度時強度又偏低，所以采用高的

5、回火溫度時強度又偏低，所以碳鋼的綜合機械性能水平不高。碳鋼的綜合機械性能水平不高。 4不能滿足某些特殊性能的要求不能滿足某些特殊性能的要求 碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。不能滿足特殊使用性能的需求。返回二合金鋼、合金元素的定義二合金鋼、合金元素的定義 合金鋼：為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特合金鋼：為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素。所獲得的鋼種稱為意加入合金元素。所獲得的鋼種稱為合金鋼。合金鋼。 合金元素：合金元素： 常加入的合金元素有：常加入

6、的合金元素有：Mn 、Si、 Cr、 Ni、 Mo、 W 、V、 Ti、 B、 Al、 Nb、 Zr、 Re返回三合金鋼的分類三合金鋼的分類1.按合金元素含量多少分類：按合金元素含量多少分類： 低合金鋼（合金元素總量低于5%） 中合金鋼（合金元素總量為5%10%） 高合金鋼（合金元素總量高于10%）2.按所含的主要合金元素分類：按所含的主要合金元素分類： 鉻鋼（Cr-Fe-C) 鉻鎳鋼（Cr-Ni-Fe-C) 錳鋼（Mn-Fe-C) 硅錳鋼（Si-Mn-Fe-C)下3.按小試樣正火或鑄態(tài)組織分類：按小試樣正火或鑄態(tài)組織分類： 珠光體鋼珠光體鋼 馬氏體鋼馬氏體鋼 鐵素體鋼鐵素體鋼 奧氏體鋼奧氏體

7、鋼 萊氏體鋼萊氏體鋼 4.按用途分類：按用途分類： 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼合金工具鋼 特殊性能鋼特殊性能鋼 下5.按質(zhì)量按質(zhì)量 普通鋼（普通鋼（S0.05% P0.045%） 優(yōu)質(zhì)鋼（優(yōu)質(zhì)鋼（S P均均0.035%） 高級優(yōu)質(zhì)鋼（高級優(yōu)質(zhì)鋼（S P均均0.025%）6.按用途分類，按用途分類， 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼工具鋼 特殊性能鋼特殊性能鋼返回四四 合金鋼的編號合金鋼的編號世界各國合金鋼的編號方法不一樣。鋼的牌號應(yīng)反映世界各國合金鋼的編號方法不一樣。鋼的牌號應(yīng)反映其主要成分和用途。我國合金鋼是按碳含量、合金元其主要成分和用途。我國合金鋼是按碳含量、合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級別來

8、編號的，比較簡單明素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級別來編號的，比較簡單明了。了。 1 1 在牌號首部用數(shù)字標(biāo)明鋼的碳含量，為了表明用途，在牌號首部用數(shù)字標(biāo)明鋼的碳含量，為了表明用途，規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位的數(shù)字規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位的數(shù)字(兩位數(shù)兩位數(shù))、工具、工具鋼和特殊性能鋼以干分之一為單位的數(shù)字鋼和特殊性能鋼以干分之一為單位的數(shù)字(一位數(shù)一位數(shù))來來表示碳含量表示碳含量( (與碳鋼編號一樣與碳鋼編號一樣) )，而工具鋼的碳含量超，而工具鋼的碳含量超過過1 1時，碳含量不標(biāo)出。時，碳含量不標(biāo)出。 下2 2 在表明碳含量的數(shù)字之后，用元素符號表明在表明碳含量的數(shù)字之后，用元素符號表明鋼中主要

9、合金元素，含量由其后的數(shù)字標(biāo)明，鋼中主要合金元素，含量由其后的數(shù)字標(biāo)明，平均含量少于平均含量少于1 15 5時不標(biāo)數(shù)，平均含量為時不標(biāo)數(shù)，平均含量為1 15 52 249%49%、2 25 53 34949時，相應(yīng)時，相應(yīng)地標(biāo)以地標(biāo)以2 2、3 33 3 專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。例專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。例如，滾珠軸承鋼在鋼號前標(biāo)以如，滾珠軸承鋼在鋼號前標(biāo)以“G”G”字。字。4 4 對于高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號的末尾加對于高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號的末尾加“AA字表明。字表明。下 40Cr40Cr 平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%0.40%，主要合金元，主要合金元素素C

10、rCr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%1.5%以下的合金結(jié)構(gòu)鋼。以下的合金結(jié)構(gòu)鋼。 5CrMnMo5CrMnMo 平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%, 0.5%, 主要合金主要合金元素元素CrCr、MnMn、MoMo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在1.5%1.5%以下合金以下合金工具鋼。工具鋼。 GCr15GCr15 表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%1.0%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)約約1.5%1.5%(這是一個特例這是一個特例, , 鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)以千分之鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)以千分之一為單位的數(shù)字表示一為單位的數(shù)字表示)的滾珠軸承鋼。的滾珠軸承鋼。 Y40MnY40Mn 表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為表示碳質(zhì)量

11、分?jǐn)?shù)為0.4%0.4%、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于少于1.5%1.5%的易切削鋼等等。的易切削鋼等等。 20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A 高級優(yōu)質(zhì)鋼。高級優(yōu)質(zhì)鋼。 返回第二節(jié)合金元素和第二節(jié)合金元素和FeFe，C C的相互作用的相互作用在鋼中加入合金元素后，鋼的基本組元鐵在鋼中加入合金元素后，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會發(fā)生交互作用。和碳與加入的合金元素會發(fā)生交互作用。 鋼的合金化目的是利用合金元素與鐵、碳鋼的合金化目的是利用合金元素與鐵、碳的相互作用和對鐵碳相圖及對鋼的熱處理的相互作用和對鐵碳相圖及對鋼的熱處理的影響來改善鋼的組織和性能。的影響來改善鋼的組織和性能。一一. . 合

12、金元素在鋼中的存在形式（分布）合金元素在鋼中的存在形式（分布）形成非金屬夾雜形成非金屬夾雜溶入固溶體（溶解度溶入固溶體（溶解度見表見表）形成強化相形成強化相自由存在自由存在二二. . 合金元素與合金元素與FeFe的相互作用的相互作用 幾乎所有的合金元素（除幾乎所有的合金元素（除PbPb外）都可溶入鐵中外）都可溶入鐵中, , 形成形成合金鐵素體或合金奧氏體合金鐵素體或合金奧氏體, , 按其對按其對-Fe-Fe或或-Fe-Fe的作的作用用, , 可將合金元素分為擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體可將合金元素分為擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)兩大類。相區(qū)兩大類。Fe-CFe-C相圖相圖 相關(guān)知識相關(guān)知識 1

13、 1 奧氏體形成元素奧氏體形成元素 亦稱奧氏體穩(wěn)定化元素亦稱奧氏體穩(wěn)定化元素, , 主要是主要是NiNi、 MnMn、CoCo、C C、N N、CuCu等等, , 它們使它們使A A3 3點點(向向相的轉(zhuǎn)變點相的轉(zhuǎn)變點) )下降下降, , A A4 4點點(向向相的轉(zhuǎn)變點相的轉(zhuǎn)變點)上升上升, , 從而擴大從而擴大相存在范圍。相存在范圍。 其中其中NiNi、MnMn等加入到一定量后等加入到一定量后, , 可使可使相區(qū)擴大到室相區(qū)擴大到室溫以下溫以下, , 使使相區(qū)消失相區(qū)消失, , 稱為稱為完全擴大完全擴大相區(qū)元素。相區(qū)元素。 FeFeMnMn相圖所示相圖所示 另外一些元素另外一些元素( (如

14、如C C、N N、CuCu等等), ), 雖然擴大雖然擴大相區(qū)相區(qū), , 但但不能擴大到室溫不能擴大到室溫, , 故稱之為故稱之為部分?jǐn)U大部分?jǐn)U大相區(qū)的元素。相區(qū)的元素。 FeFeCuCu相圖所示相圖所示。 2. 縮小縮小相區(qū)元素相區(qū)元素 亦稱鐵素體穩(wěn)定化元素亦稱鐵素體穩(wěn)定化元素, , 主要有主要有CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi、B B、NbNb、ZrZr等。它們等。它們使使A A3 3點上升點上升, , A A4 4點下降點下降( (鉻除外鉻除外, , 鉻質(zhì)量鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于分?jǐn)?shù)小于7%7%時時, , A A3 3點下降點下降; ; 大于大于7%7%后后, ,

15、A A3 3點迅速上升點迅速上升), ), 從而縮小從而縮小相區(qū)存在的范相區(qū)存在的范圍圍, , 使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴大。使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴大。 按其作用不同可分為按其作用不同可分為完全封閉完全封閉相區(qū)相區(qū)的的元素元素( (如如CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等等) )和和部分縮小部分縮小相區(qū)相區(qū)的元素的元素( (如如B B、NbNb、ZrZr等等) )。如如Fe-CrFe-Cr、FeFeNbNb相圖所示相圖所示三三. .合金元素與合金元素與C C的相互作用的相互作用 合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小, , 可分為碳化物形成元素和

16、非碳化物形成元可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。素兩大類。 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：NiNi、CoCo、CuCu、SiSi、AlAl、N N、B B等。都溶于鐵素體和奧氏體中。等。都溶于鐵素體和奧氏體中。 碳化物形成元素：碳化物形成元素： TiTi、 ZrZr、NbNb、V V、 MoMo、 W W、CrCr、MnMn、FeFe等等( (按形成的碳化物的穩(wěn)定按形成的碳化物的穩(wěn)定性程度由強到弱的次序排列性程度由強到弱的次序排列) )，在鋼中一部，在鋼中一部分固溶于基體相中，一部分形成合金滲碳分固溶于基體相中，一部分形成合金滲碳體體, , 含量高時可形成新的合金碳化物。含量

17、高時可形成新的合金碳化物。 2.2. 形成碳化物的規(guī)律；形成碳化物的規(guī)律；1 1）合金滲碳體）合金滲碳體 MnMn與碳的親和力小，大部分溶入與碳的親和力小，大部分溶入-FeFe或或-Fe-Fe中，少部分溶入中，少部分溶入FeFe3 3C C中，置換中，置換FeFe3 3C C中的中的FeFe而而形成合金滲碳體（形成合金滲碳體（Mn,FeMn,Fe）3 3C; MoC; Mo、 W W、 CrCr少量時，少量時，也形成合金滲碳體也形成合金滲碳體2 2）合金碳化物）合金碳化物MoMo、W W 、CrCr含量高時，形成含量高時，形成M M6 6C C (FeFe2 2MoMo4 4C FeC Fe4

18、 4MoMo2 2C),MC),M2323C C6 6(Fe(Fe2121W W2 2C C6 6 Fe Fe2 2W W2121C C6 6)合金碳化合金碳化物物3 3）特殊碳化物）特殊碳化物Ti Ti 、V V 等與碳親和力較強時等與碳親和力較強時 當(dāng)當(dāng)r rc c/r/rMeMe0.590.590.59時，碳的直徑大于間隙，原金屬點陣變時，碳的直徑大于間隙，原金屬點陣變形，形成復(fù)雜點陣碳化物。形，形成復(fù)雜點陣碳化物。見表見表3 3. 碳化物的特性穩(wěn)定性、硬度、溶解一一. . 強化機制強化機制 強化就是強度增高的現(xiàn)象。強度一般指對強化就是強度增高的現(xiàn)象。強度一般指對塑性變形的抗力。金屬的塑

19、性變形是位錯的運塑性變形的抗力。金屬的塑性變形是位錯的運動引起的，所以阻礙位錯運動都會使金屬的強動引起的，所以阻礙位錯運動都會使金屬的強度提高，造成強化。度提高，造成強化。 金屬結(jié)構(gòu)中能阻礙位錯運動的障礙可以主金屬結(jié)構(gòu)中能阻礙位錯運動的障礙可以主要歸納為四種，因而強化機制也有四種：溶質(zhì)要歸納為四種，因而強化機制也有四種：溶質(zhì)原子原子固溶強化；晶界固溶強化；晶界細晶強化；第二相粒細晶強化；第二相粒子子第二相強化；位錯第二相強化；位錯位錯強化位錯強化第三節(jié)第三節(jié) 合金元素對鋼的強度合金元素對鋼的強度的影響的影響1 1. 固溶強化固溶強化 定義：當(dāng)溶質(zhì)原子溶入基體中形成的固溶體能定義：當(dāng)溶質(zhì)原子溶入

20、基體中形成的固溶體能強化基體時稱強化基體時稱 機制：合金形成固溶體時，由于溶質(zhì)原子與溶機制：合金形成固溶體時，由于溶質(zhì)原子與溶劑金屬原子大小不同，溶劑晶格發(fā)生畸變，并劑金屬原子大小不同，溶劑晶格發(fā)生畸變，并在周圍造成一個彈性應(yīng)力場，此應(yīng)力場與運動在周圍造成一個彈性應(yīng)力場，此應(yīng)力場與運動位錯的應(yīng)力場發(fā)生交互作用，使位錯的運動受位錯的應(yīng)力場發(fā)生交互作用，使位錯的運動受阻。阻。 間隙式溶質(zhì)原子所造成的間隙式溶質(zhì)原子所造成的強化量強化量 置換式溶質(zhì)原于置換式溶質(zhì)原于( (如鋼中的如鋼中的Me)Me)所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的強化量：強化量： 合金元素在低碳鐵素體中的強化效果合金元素在低碳鐵素體中的強化效果如圖如

21、圖2.2. 晶界強化（細晶）：晶界分大角度晶界晶界強化（細晶）：晶界分大角度晶界( (如奧氏體、鐵素如奧氏體、鐵素體的晶粒邊界等體的晶粒邊界等) )和小角度晶界和小角度晶界( (如馬氏體板條間的界面、如馬氏體板條間的界面、亞晶粒之間的界面等亞晶粒之間的界面等) )兩類。晶界能有效地阻礙位錯運動，兩類。晶界能有效地阻礙位錯運動，使金屬強化。晶粒愈細，強化作用愈大。使金屬強化。晶粒愈細，強化作用愈大。3.3.第二相強化：位錯運動通過位于滑移面上第二相粒子時，第二相強化：位錯運動通過位于滑移面上第二相粒子時，需要消耗額外能量，使合金發(fā)生強化。需要消耗額外能量，使合金發(fā)生強化。 （1 1）獲得途徑）獲

22、得途徑 a a 熱處理熱處理 b b 機械、化學(xué)法機械、化學(xué)法 （2 2）第二相強化機制）第二相強化機制 沉 淀 強 化 機 制 ： 位 錯 切 剖 粒 子 而 通 過沉 淀 強 化 機 制 ： 位 錯 切 剖 粒 子 而 通 過 如 圖如 圖 彌散強化機制：位錯繞過粒子而強化彌散強化機制：位錯繞過粒子而強化 如圖如圖 4. 4. 位錯強化：位錯強化：交割交割割階割階纏結(jié)纏結(jié)位錯受阻位錯受阻 強化量強化量 （變形量變形量 晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)） 二二. . 鋼的強化鋼的強化 提高鋼強度最重要的方法是淬火和隨后回火。提高鋼強度最重要的方法是淬火和隨后回火。 鋼淬火形成馬氏體：馬氏體中溶有過飽和的碳

23、和合金元鋼淬火形成馬氏體：馬氏體中溶有過飽和的碳和合金元素，產(chǎn)生很強的固溶強化效應(yīng)；素，產(chǎn)生很強的固溶強化效應(yīng)； 馬氏體形成時產(chǎn)生高密度位錯，位錯強化效應(yīng)很大；馬氏體形成時產(chǎn)生高密度位錯，位錯強化效應(yīng)很大； 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，形成許多極細小的、取向不同奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，形成許多極細小的、取向不同的馬氏體束，產(chǎn)生細晶強化效應(yīng)。因此淬火馬氏體具有的馬氏體束，產(chǎn)生細晶強化效應(yīng)。因此淬火馬氏體具有很高的硬度，但脆性較大。很高的硬度，但脆性較大。 淬火后回火：馬氏體中析出細碳化物粒子間隙固溶強淬火后回火：馬氏體中析出細碳化物粒子間隙固溶強化效應(yīng)大大減小，但產(chǎn)生強烈的析出強化效應(yīng)。由于基化效應(yīng)大大

24、減小，但產(chǎn)生強烈的析出強化效應(yīng)。由于基本上保持了淬火態(tài)的細小晶粒，較高密度的位錯及一定本上保持了淬火態(tài)的細小晶粒，較高密度的位錯及一定的固溶強化作用，所以回火馬氏體仍具有很高的強度，的固溶強化作用，所以回火馬氏體仍具有很高的強度，并且因間隙固溶引起的脆性減輕，韌性還大大改善。由并且因間隙固溶引起的脆性減輕，韌性還大大改善。由此可知，馬氏體強化充分而合理地利用了全部四種強化此可知，馬氏體強化充分而合理地利用了全部四種強化機制，是鋼的最經(jīng)濟和最有效的強化方法。機制，是鋼的最經(jīng)濟和最有效的強化方法。 作業(yè)及思考題第四節(jié)合金元素對鋼的塑性、韌性的影響第四節(jié)合金元素對鋼的塑性、韌性的影響塑性塑性：是指鋼

25、對變形的抗力，塑性指標(biāo)是指鋼對變形的抗力，塑性指標(biāo)， 韌性：是指材料對斷裂的抗力，韌性指標(biāo)韌性：是指材料對斷裂的抗力，韌性指標(biāo)akak 、TkTk 一一. . 材料的變形規(guī)律材料的變形規(guī)律 拉伸試驗中，材料的變形由二部分組成：拉伸試驗中，材料的變形由二部分組成： 均勻變形均勻變形+ + 縮頸變形縮頸變形斷裂。斷裂。 即即 TT 極限伸長率極限伸長率極限塑性變形的能力。極限塑性變形的能力。 uu 均勻伸長率均勻伸長率均勻塑性變形的能力均勻塑性變形的能力取決于材料的加工硬化率取決于材料的加工硬化率 pp 縮頸后伸長率縮頸后伸長率縮頸后的變形能力縮頸后的變形能力取決于微孔坑，微裂紋形成取決于微孔坑，

26、微裂紋形成 的難易程度。的難易程度。 puTpuT 二二. .影響鋼塑性的因素影響鋼塑性的因素 1.1. 溶質(zhì)的影響：溶質(zhì)的影響： 固溶在固溶在-Fe-Fe中合金元素一般均使塑性下降，強化效果大的元中合金元素一般均使塑性下降，強化效果大的元素使素使。 （1 1）間隙原子的影響：間隙原子的影響： C C，N N （2 2）置換式原子的影響）置換式原子的影響 ： 有利于螺位交滑移，減少位錯晶格阻力有利于螺位交滑移，減少位錯晶格阻力NiNi，MoMo，T T 不利于螺交滑，使位錯只在平面滑移，不利于螺交滑，使位錯只在平面滑移，u u 。 2. 2. 晶粒大小的影響：晶粒大小的影響： ddT T 原因

27、：單位晶界上的原因：單位晶界上的，應(yīng)力集中，應(yīng)力集中，推，推遲微孔坑，微裂紋的形成，使遲微孔坑，微裂紋的形成，使p p 。改善，藍脆現(xiàn)象低VTiC cM CN 300200)(3 3 第二相的影響第二相的影響（1 1）使）使uu（大多數(shù)的第二相）（大多數(shù)的第二相） 原因：變形時位錯運動通原因：變形時位錯運動通過第二相，位錯圈，強化率過第二相，位錯圈，強化率 （2 2）對極限伸長率）對極限伸長率T T有害有害 因此，第二相為球狀，均勻，細小對改善材料的塑性較因此，第二相為球狀，均勻，細小對改善材料的塑性較有利，且控制非金屬夾雜的數(shù)目，狀態(tài)，有利，且控制非金屬夾雜的數(shù)目，狀態(tài)，RERE合理的熱處理

28、。合理的熱處理。非金屬夾雜碳化物第二相分布：晶界第二相狀態(tài)：針，片，第二相尺寸裂紋，微孔坑本身TTp 4 4 位錯的影響位錯的影響 增加增加，纏結(jié)，纏結(jié)應(yīng)力集中應(yīng)力集中使使 總之，四種強化機制使強度增高，但對總之，四種強化機制使強度增高，但對塑性影響很大，細晶同時，塑性增加，在塑性影響很大，細晶同時，塑性增加，在實際應(yīng)用中，兩者之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)實際應(yīng)用中，兩者之間應(yīng)相互協(xié)調(diào) 。三三. . 鋼的韌性鋼的韌性 1. 1. 斷裂形式：韌性是指材料對斷裂的抗力斷裂形式：韌性是指材料對斷裂的抗力形成，擴大形成，擴大 延性斷裂，解理斷裂，沿晶斷裂。延性斷裂，解理斷裂，沿晶斷裂。 （1 1）延性斷裂：）延性斷

29、裂： 核心核心孔洞孔洞長大，匯合長大，匯合導(dǎo)致斷裂；導(dǎo)致斷裂； （2 2）解理斷裂：）解理斷裂： 低溫，高加載速度，金屬塑性差；低溫，高加載速度，金屬塑性差； （3 3）沿晶斷裂：）沿晶斷裂： 晶界上元素，第二相（脆性相）；晶界上元素，第二相（脆性相）； 2.2. 影響斷裂形式的因素影響斷裂形式的因素 （1 1）溫度：）溫度： 高強鋼高強鋼 韌性斷裂（室溫以下）韌性斷裂（室溫以下） （2 2）TkTk（塑脆轉(zhuǎn)變溫度）：（塑脆轉(zhuǎn)變溫度）： 不能單憑不能單憑a ak k高低來判斷材料的韌性，而是應(yīng)根據(jù)高低來判斷材料的韌性，而是應(yīng)根據(jù)TkTk的高的高 低，低，TkTk，韌性韌性 3.提高鋼韌性的途徑

30、提高鋼韌性的途徑 四種強化機制對韌性四種強化機制對韌性Tk的影響的影響 （1） 細化晶粒細化晶粒 ： Ti，V，Nb，Al 阻礙晶粒長大，使晶面積阻礙晶粒長大，使晶面積，裂，裂 紋阻力大紋阻力大； （2） 改善基本的韌性改善基本的韌性：置換使強置換使強，韌，韌，但，但Ni元素卻相反，元素卻相反，Ni置置 換改變位錯運動的特點，使其容易繞過某些障礙，避免產(chǎn)生應(yīng)換改變位錯運動的特點，使其容易繞過某些障礙，避免產(chǎn)生應(yīng) 力集中，使基體韌性力集中，使基體韌性，Ni13，消除消除Tk，低溫用鋼低溫用鋼高高Ni 鋼（鋼（Mn）；）； （3） 提高回火穩(wěn)定性：提高回火穩(wěn)定性： 間隙固溶，位間隙固溶，位 應(yīng)力，

31、脆性應(yīng)力，脆性，提高回，提高回 火穩(wěn)定性，（可提高火穩(wěn)定性，（可提高T回），可以在獲相同的強度條件下提回），可以在獲相同的強度條件下提T 回，回， 充分地降低固溶度，位錯，應(yīng)力充分地降低固溶度，位錯，應(yīng)力； （4） 細化碳化物細化碳化物： 碳化物自身斷裂；成為核心碳化物自身斷裂；成為核心;粗大的碳化物使裂粗大的碳化物使裂 紋易擴展。細化碳化物、均勻、彌散分布對強度韌性有利。紋易擴展。細化碳化物、均勻、彌散分布對強度韌性有利。 （5） 控制非金屬夾雜和雜質(zhì)元素：控制非金屬夾雜和雜質(zhì)元素： Mo，W 能抑制雜質(zhì)元素在晶能抑制雜質(zhì)元素在晶 界偏聚界偏聚 。符號符號 溫度溫度/ 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/

32、(C)% 含含 義義 A 1538 0 純鐵的熔點純鐵的熔點 B 1495 0.53 包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分 C 1148 4.30 共晶點共晶點Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔點的熔點 E 1148 2.11 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(A3) H 1495 0.09 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶點包晶點LB+ H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分的成分 N 1394

33、0 -Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(A4) P 727 0.0218 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S 727 0.77 共析點共析點(A1) AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 時碳在時碳在-Fe中的溶解度中的溶解度 (室溫室溫) (0.0008) Fe-Fe3C相圖中各點的溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義相圖中各點的溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義第四節(jié)第四節(jié) 合金元素對鋼相變的影響合金元素對鋼相變的影響鋼的相變，主要是從平衡鋼的相變，主要是從平衡Fe-C相圖中體現(xiàn)出來，合金元素的加相圖中體現(xiàn)出來，合金元素的加入會使平衡轉(zhuǎn)變點，線發(fā)生位置的變化。入會使平衡轉(zhuǎn)變點，線

34、發(fā)生位置的變化。 一一.合金元素對鐵碳相圖（平衡狀態(tài)）的影響合金元素對鐵碳相圖（平衡狀態(tài)）的影響 1. 對對， 存在范圍的影響存在范圍的影響 凡擴大相的元素，加入鋼中，均使凡擴大相的元素，加入鋼中，均使Fe-C相圖中的相圖中的范圍擴大，范圍擴大，Ni，Mn完全置換較大時，可使鋼在室溫下得到單相完全置換較大時，可使鋼在室溫下得到單相組織組織（1Cr18Ni9C 高高Ni的奧氏體不銹鋼）；縮小的奧氏體不銹鋼）；縮小相的元素，封閉相的元素，封閉相區(qū)相區(qū)Cr，Ti，Si等，等， 量量，可使鋼在包括室溫內(nèi)的廣大，可使鋼在包括室溫內(nèi)的廣大T范圍內(nèi)單相范圍內(nèi)單相 ，1Cr17Ti等高鉻鐵素體不銹鋼等高鉻鐵素

35、體不銹鋼 2. 對對Fe-C相圖臨界點的影響相圖臨界點的影響 A1（共析轉(zhuǎn)變溫度）共析轉(zhuǎn)變溫度） ：擴大：擴大A1；縮縮A1 S（共析點）共析點） ：MS左移，使共析點含左移，使共析點含C量降低，量降低， E（C飽和度）飽和度） ：ME左移左移 二二.合金元素對非平衡狀態(tài)下的影響合金元素對非平衡狀態(tài)下的影響 （一）（一）合金元素對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響合金元素對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響： 碳鋼碳鋼化過程：形成，殘余碳化物溶解，均勻化，晶化過程：形成，殘余碳化物溶解，均勻化，晶粒長大粒長大 1.Me對形成速度的影響對形成速度的影響： C的擴散難易的擴散難易 Cr，W，Mo，V碳化物形成元素碳化物形成元素 C擴

36、散擴散，形成形成，為加速，為加速T；Co，Ni 非碳化物形成元非碳化物形成元素素 增大增大C擴散，擴散，形成形成；Al，Si，Mn影響不大影響不大 2.Me對殘余碳化物的溶解對殘余碳化物的溶解： T加加 合金鋼的加熱溫度比碳鋼高，使合金鋼的加熱溫度比碳鋼高，使加加T增加增加 3.Me對均勻化的影響對均勻化的影響:使使均勻化的時間加長均勻化的時間加長 4.合金元素對奧氏體晶粒長大的影響合金元素對奧氏體晶粒長大的影響 ： Me均不同程度的影響均不同程度的影響晶粒長大傾向晶粒長大傾向 a. 強碳化物形成元素強碳化物形成元素Ti，Er，Nb，V；強烈強烈 阻止阻止長大元素長大元素Al，(Al2O3，A

37、lN)； b. 中等阻礙晶粒長大中等阻礙晶粒長大 Cr，Mo，W； c. 影響不大影響不大 Si，Ni，Cu； d. 促進晶粒長大促進晶粒長大 Mn，P，B Mn鋼過熱傾鋼過熱傾 向，溫度增加不向，溫度增加不易易提高提高 ；（二）二）M對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響1.對過冷穩(wěn)定性的影響對過冷穩(wěn)定性的影響 除除Co外，均使外，均使C曲線右移，增大穩(wěn)定性，使曲線右移，增大穩(wěn)定性，使孕育期增大，淬透性增加。常用提高淬透性元孕育期增大，淬透性增加。常用提高淬透性元素有：素有：Cr，Mn，Mo，Si，Ni等五種。等五種。2. 對對C曲線形狀的影響曲線形狀的影響a. 非碳化物，弱碳

38、化物非碳化物，弱碳化物 與與C鋼的鋼的C曲線相似，曲線相似，右移；右移；b. 碳化物形成元素碳化物形成元素 P區(qū)和區(qū)和B區(qū)兩區(qū)，中間一個區(qū)兩區(qū)，中間一個穩(wěn)定區(qū)域穩(wěn)定區(qū)域； c. Co 左移，左移，C 曲線與曲線與C鋼相似，只有一個曲線鋼相似，只有一個曲線。3. 對對P轉(zhuǎn)變的影響轉(zhuǎn)變的影響 除除Co，M均使均使P轉(zhuǎn)變推移，降低臨冷卻速度，增轉(zhuǎn)變推移，降低臨冷卻速度，增大淬透性，影響如下：大淬透性，影響如下： a.減緩（推遲）程度由強到弱：減緩（推遲）程度由強到弱：Mo，Ni，Cr， Mn，非碳化物形成元素；非碳化物形成元素；Co促進促進 b.強碳化物形成元素強碳化物形成元素 如全部溶入中，減緩如

39、全部溶入中，減緩 P，但若未全溶，核心，起加速相變的作用但若未全溶，核心，起加速相變的作用 c.多元多元少量合金元素對延緩少量合金元素對延緩P作用較強作用較強 d.少量少量B 推遲推遲P e.擴大擴大r，P向向T，縮小，縮小，PT4.對對B轉(zhuǎn)變的影響轉(zhuǎn)變的影響B(tài)是過飽和是過飽和 固溶體與碳化物組成的復(fù)相固溶體與碳化物組成的復(fù)相組織組織 B轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變： 相變的難易程度相變的難易程度取決于新取決于新舊兩相的自由能差舊兩相的自由能差 a.降低自由能差的元素降低自由能差的元素 ，使，使 相變動相變動 力力，B推遲，推遲，T向下，向下， Cr ，Mn，Ni b.Mo，W，V使使T向上，向上，C曲線分離曲

40、線分離 c.Si推推B d. Co，Zr，增自由能差增自由能差 ，增加，增加B 。5. Me對對馬氏體馬氏體相變的影響相變的影響除除Co，Al例外，大多數(shù)固溶于例外，大多數(shù)固溶于中的中的Me均等均等Ms，Mf下降，下降，其其強強 弱弱為為C，Mn，Cr，Ni，Mo，W，Si。Ms和和Mf點的下點的下降降, 使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。 殘余奧氏體量過多時殘余奧氏體量過多時,可進行冷處理可進行冷處理(冷至冷至Mf點以下點以下), 以以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體; 或進行多次回火或進行多次回火, 這時殘余奧氏體這時殘余奧氏體因析出合金碳化物會使因析出合金碳化物

41、會使Ms、Mf點上升點上升, 并在冷卻過程中并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(即發(fā)生即發(fā)生二次淬火二次淬火)。（三）三）Me對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響1. 提高回火穩(wěn)定性：淬火鋼在回火時抵抗軟化的能力提高回火穩(wěn)定性：淬火鋼在回火時抵抗軟化的能力。 由于由于Me與與C的作用，大多數(shù)的作用，大多數(shù)C擴散擴散，而相的回火，而相的回火轉(zhuǎn)變又與轉(zhuǎn)變又與C的擴散有關(guān)。因此，的擴散有關(guān)。因此，M在回火過程中：推在回火過程中：推M分解，分解，A轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度T，提高提高的再結(jié)晶溫度；使碳化物的再結(jié)晶溫度；使碳化物難以聚集長大，而保持較大的彌散程度。因此提高了難以聚集長

42、大，而保持較大的彌散程度。因此提高了鋼的回火軟化的抗力，鋼的回火軟化的抗力，即即提高提高了鋼的了鋼的回火穩(wěn)定性。使回火穩(wěn)定性。使得鋼在相同回火得鋼在相同回火T下，具有高硬度和強度；也可使回火下，具有高硬度和強度；也可使回火T升高，保證強度的同時使韌性提高（結(jié)構(gòu)鋼）。升高，保證強度的同時使韌性提高（結(jié)構(gòu)鋼）。 提高回火穩(wěn)定性較強的元素提高回火穩(wěn)定性較強的元素： V，Si，Mo，W，Ni，Mn，Co 2.產(chǎn)生二次硬化產(chǎn)生二次硬化 C鋼隨著回火溫度的增加，硬度降低；而鋼隨著回火溫度的增加，硬度降低；而一些一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時含量較高的高合金鋼回火時, 硬度不是隨回火溫度升高硬度不

43、是隨回火溫度升高而單調(diào)降低而單調(diào)降低, 而是到某一溫度而是到某一溫度(約約400)后反而開始增大后反而開始增大, 并在另一更高溫度并在另一更高溫度(一般為一般為550左右左右)達到峰值。達到峰值。這種現(xiàn)這種現(xiàn)象叫象叫二次硬化現(xiàn)象二次硬化現(xiàn)象。 （Mo，W，V）鋼中開始析出彌散，細小，均勻，鋼中開始析出彌散，細小，均勻，難溶的碳化物，難溶的碳化物，Mo2C，W2C，VC，使硬度使硬度，而在，而在550 時沉淀，過程完成，硬度達到峰值。時沉淀，過程完成，硬度達到峰值。如圖如圖 原因：原因：a 與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)（與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)（MoWV鋼）鋼）b 可由二次淬火引起可由二次淬火引起 A碳

44、化物碳化物C，MeMs回火冷卻轉(zhuǎn)回火冷卻轉(zhuǎn)變成變成M硬度硬度（高于淬火態(tài)硬度）（高于淬火態(tài)硬度）產(chǎn)生二次硬化的合金元素：產(chǎn)生二次硬化的合金元素：如表如表3.增大回火脆性：如圖（增大回火脆性：如圖（C鋼也有回火脆性），這是鋼也有回火脆性），這是Me的不良影響的不良影響第一類回火脆性：第一類回火脆性：250-300，片狀碳化物在，片狀碳化物在M邊界上析出，破壞了邊界上析出，破壞了M間的連接，使脆性間的連接，使脆性，是由相變機制本身決定的，不能消除，只，是由相變機制本身決定的，不能消除，只能避開。不可逆能避開。不可逆第二類回火脆性：第二類回火脆性：450-600，雜質(zhì)及本身在原晶界上嚴(yán)重偏聚（，雜質(zhì)

45、及本身在原晶界上嚴(yán)重偏聚（Mn，Cr，Ni鋼中），降低晶界結(jié)合力，使脆性鋼中），降低晶界結(jié)合力，使脆性a.Mo或或W（0.5%Mo，1%W）能阻止，推遲雜質(zhì)往晶界偏移，可消除能阻止，推遲雜質(zhì)往晶界偏移，可消除回火脆；回火脆；b.高溫回火，快冷（避開此高溫回火，快冷（避開此T區(qū)間，在此區(qū)間，在此T停留短）；停留短）；c. 盡量減少雜質(zhì)元素含量（盡量減少雜質(zhì)元素含量（S，P）；）；第五節(jié)第五節(jié) MeMe對鋼的工藝性能的影響對鋼的工藝性能的影響 對鑄造，塑性加工，焊接性，切削性，熱處理工藝對鑄造，塑性加工，焊接性，切削性，熱處理工藝 性性 能的影響。能的影響。 一、合金元素對鋼鑄造性能的影響一、合金

46、元素對鋼鑄造性能的影響 固、液相線的溫度愈低和結(jié)晶溫區(qū)越窄固、液相線的溫度愈低和結(jié)晶溫區(qū)越窄, 其鑄造性能越其鑄造性能越好。好。 合金元素對鑄造性能的影響合金元素對鑄造性能的影響, 主要取決于它們對主要取決于它們對Fe-Fe3C相圖的影響。另外相圖的影響。另外, 許多元素許多元素, 如如Cr、Mo、V、Ti、Al等在等在鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質(zhì)點鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質(zhì)點, 增大鋼的粘度增大鋼的粘度, 降降低流動性低流動性, 使鑄造性能惡化。使鑄造性能惡化。 *鋼的冶金質(zhì)量鋼的冶金質(zhì)量二、合金元素對鋼塑性加工性能的影響二、合金元素對鋼塑性加工性能的影響 塑性加工分熱加工和冷加工。合

47、金元塑性加工分熱加工和冷加工。合金元素溶入固溶體中素溶入固溶體中, 或形成碳化物或形成碳化物(如如Cr、Mo、W等等), 都使鋼的熱變形抗力提高和熱都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。 三、合金元素對鋼焊接性能的影響三、合金元素對鋼焊接性能的影響 合金元素都提高鋼的淬透性合金元素都提高鋼的淬透性, 促進脆性促進脆性組織組織(馬氏體馬氏體)的形成的形成, 使焊接性能變壞。使焊接性能變壞。但鋼中含有少量但鋼中含有少量Ti和和V, 可改善鋼的焊接性可改善鋼的焊接性能。能。 四、合金元素對鋼切削性能的影響四、合金元素對鋼切削性能的影響 切削性能與鋼的硬度密切相關(guān)切削性能與鋼的硬度密切相關(guān), 鋼適合于切鋼適合于切削加工的硬度范圍為削加工的硬度范圍為170 HB230 HB。 一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。 適當(dāng)加入適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切等元素可以大大改善鋼的切削性能。削性能。五、合金元素對鋼熱處理工藝性能的影響五、合金元素對鋼熱處理工藝性能的影