《工程材料》第1章鋼的合金化概論

1、第1篇 鋼鐵材料2022年9月22日第1章 鋼的合金化概念foundamental of alloy steel2022年9月22日重點(diǎn)及基本要求2 第1章是本課程基礎(chǔ)和重點(diǎn)，要求全面掌握了解鋼中的常見合金元素對鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握合金元素的加入對鋼的基本強(qiáng)化機(jī)制的影響。 難點(diǎn)是合金元素對鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響 概 述合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力學(xué)性能要求的鐵基合金2022年9月22日合金元素：是指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(jī)械性能的化學(xué)元素。（主動(dòng)加入）雜質(zhì)：由冶煉時(shí)原材料以及冶煉方法、工藝操作

2、而帶入的化學(xué)元素。第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日1.1 合金元素和鐵的作用1.1.1鋼中的元素一、鋼中的雜質(zhì)P、S、Mn、Si、Al、H、O、N、Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。P（礦石）、S（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含S，焦炭水洗可降硫）。2022年9月22日 熱脆性 S FeS(Fe-FeS熔點(diǎn)989)；？ 冷脆性 P Fe3P（Fe-Fe3P硬脆1050

3、 ）？ Mn、Si、Al是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)生了鎮(zhèn)靜鋼，用Mn、Si脫氧的為沸騰鋼。Mn、Si脫氧劑 : FeOMnFeMnO FeOSiFeSiO2 FeSMnMnSFe（防止熱脆）2022年9月22日復(fù)雜氧化物 MgO.Al2O3，MnO.Al2O32022年9月22日鋼中氧化物夾雜*特點(diǎn)：性脆，易斷裂，一般無塑性。因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布二、 雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）（1）氧化物簡單氧化物 FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等2022年9月22日鋼中的MnS夾雜（2） 硫化物常見：MnS，F(xiàn)eS 特點(diǎn)： MnS有較高的塑性，熱加

4、工時(shí)沿加工方向呈帶狀、纖維狀或線狀分布三、我國的資源情況及合金系統(tǒng)2022年9月22日儲(chǔ)量豐富，可大量開采： Si，V，Ti，Nb，B，稀土等Mn的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約W，Mo的資源豐富，用途廣泛Ni，Cr，Co資源很少（一） 按與Fe相互作用分類*一般情況下，奧氏體形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。2022年9月22日1.奧氏體形成元素 C, N, Cu, Mn, Ni, Co2.鐵素體形成元素 Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Si, Al（二） 按與C相互作用（親和力大?。┓诸?.碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti

5、，Ta，Nb，V， W，Mo， Cr，Mn， Fe 2022年9月22日1.非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等中強(qiáng)最強(qiáng)弱（三）按對奧氏體層錯(cuò)能的影響分類（1）層錯(cuò)能的概念：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的能量。 （2）奧氏體層錯(cuò)能對鋼的組織和性能的影響。一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成位錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢增大。2022年9月22日1.提高奧氏體層錯(cuò)能元素 Ni，Cu，C等2.降低奧氏體層錯(cuò)能元素 Mn，Cr，Ru（釕），Ir（銥）等1.1.2鐵基二元相圖1.擴(kuò)大奧氏體()區(qū)元素 2022年9月22日圖1-1合金元素和Fe的作用形態(tài)（a)Ni,Mn,Co使A3，A4

6、，區(qū)擴(kuò)大a) 與區(qū)無限固溶 Ni、Mn、Co 開啟區(qū) 量大時(shí)， 室溫為相；2022年9月22日圖1-2合金元素和Fe的作用形態(tài)（b)C,N Cub) 與區(qū)有限固溶 C、N、Cu 擴(kuò)大區(qū)。2022年9月22日2. 縮小奧氏體()區(qū)元素圖1-3合金元素和Fe的作用形態(tài)（c)Cr,V使A3，A4，區(qū)縮小完全封閉區(qū) Cr、VCr、V與-Fe完全互溶，量大時(shí)相 ? Ti，W，Mo，Al，Si，Be, B，Nb，Ta，Zr等與-Fe形成有限固溶體。2022年9月22日圖1-4合金元素和Fe的作用形態(tài)Mo,W,Tib) 縮小區(qū) W、Mo、TiNb等部分溶解。穩(wěn)定相 A形成元素，穩(wěn)定相 形成元素。3.合金元素

7、擴(kuò)大、縮小相區(qū)的影響因素元素?cái)U(kuò)大或縮小相區(qū)，一般認(rèn)為是以下幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果(1) 合金元素的點(diǎn)陣類型（與-Fe相同還是-Fe相同）(2) 原子尺寸因素（與Fe原子半徑之比）2022年9月22日第四周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 3d層電子數(shù) 2 3 5 5 6 7 8 10第五周期 Zr Nb Mo 4d層電子數(shù) 2 4 5第六周期 Hf Ta W （Re）5d層電子數(shù) 2 3 4 5次電子層，電子數(shù)5，縮小區(qū)，次電子層，電子數(shù)5 (Mn=5) ，擴(kuò)大區(qū)。 2022年9月22日(3)電子層結(jié)構(gòu)因素Ni，Mn，Co能在Fe中形成無限固溶體，Cr，V在-Fe中形成無限固溶

8、體。 通過控制鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整鋼的組織：為了得到室溫奧氏體組織，可加Ni，Mn，N等為了得到室溫鐵素體組織，可加Cr，Si，Al，Ti等 如：1Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼 1Cr17 鐵素體不銹鋼2022年9月22日4.合金元素與Fe相互作用理論在工程實(shí)際中的意義思考題1.擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素有哪些？縮小奧氏體區(qū)元素有哪些？碳化物形成元素有哪些？非碳化物形成元素有哪些？增加奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？降低奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？2022年9月22日 FeC相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對鋼相變的影響，首先要了解合金

9、元素對FeC相圖的影響。合金元素對鋼相變的影響 加熱(奧氏體化) 冷卻(奧氏體分解) 淬火鋼回火轉(zhuǎn)變影響2022年9月22日1.1.3合金元素對FeC相圖的影響32022年9月22日附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖2022年9月22日1.1.3.1對S、E點(diǎn)成分的影響圖1-5Cr元素對區(qū)的影響圖1-6Mn元素對區(qū)的影響A形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)， F形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。 2022年9月22日圖1-7常見合金元素對共析碳含量的影響S點(diǎn)左移，意味著共析C量減小 ；意味著鋼中含碳量小于0.77時(shí)，就會(huì)變?yōu)檫^共析鋼而析出二次滲碳體。 E點(diǎn)左移意味著出現(xiàn)萊氏體組織的含碳量降低，這

10、樣鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2時(shí)就可以出現(xiàn)共晶萊氏體。保持到室溫時(shí)高速鋼W18Cr4V鋼（含碳0.70.9）中會(huì)出現(xiàn)萊氏體。4Cr13不銹鋼，由于含Cr13，致使共析點(diǎn)移至0.4C附近，從而使4Cr13變?yōu)檫^共析鋼。2022年9月22日1.1.3.2合金元素對臨界溫度點(diǎn)的影響2022年9月22日 A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動(dòng)； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動(dòng)對-Fe區(qū)的影響 A形成元素Ni、Mn等使-Fe區(qū)擴(kuò)大鋼在室溫下也為A體 奧氏體鋼； F形成元素Cr、Si等使-Fe區(qū)縮小鋼在室溫下仍為F體 鐵素體鋼。1.1.3.3合金元素對奧氏體轉(zhuǎn)變速度的影響碳化物形成元素使

11、奧氏體過程大大減緩，除Co（Al）外（不易分解擴(kuò)散，T、t升高），Mo、W、Cr、V等阻礙奧氏體長大，細(xì)化晶粒。2022年9月22日圖1-8常見合金元素對共析溫度的影響1.1.3.4對C曲線和淬透性的影響除Co外，C曲線全部右移，臨界冷卻速度減小，淬透性提高。淬透性由強(qiáng)到弱 Mo、W、 Mn、 Cr、Ni、Si、V多元少量有利于提高淬透性，使Ms、Mf不至降低太多。碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)致C曲線出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域。2022年9月22日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)

12、韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日1.2合金鋼中的相組成合金元素在鋼中的分布2022年9月22日合金元素在鋼中的存在形式固溶體化合物游離態(tài)固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物金屬間化合物非金屬夾雜物合金滲碳體特殊碳化物如Pb、Cu等1.2.1 形成鐵基置換固溶體 金屬元素易溶入F，A，M中，以固溶體形式存在。 r/r鐵 8% 可形成無限固溶體（Cr，V，Mn，Ni，Co等） 8%r/r鐵 15% 很小的固溶度，Zr，Hf2022年9月22日2022年9月22日合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固

13、溶情況 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度Fe7(1340)無限無限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*無限無限無限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與C量有關(guān) 不同元素的固溶情況是不同的。為什么? 常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑2022年9月22日第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R/R%14.27.10.83.10.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)

14、；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值 2022年9月22日 合金元素的固溶規(guī)律， 即Hume-Rothery規(guī)律： 決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.2022年9月22日（1）Ni、Mn、Co與-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子 半徑和電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；（2）Cr、V與-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和 電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；（3）Cu和-Fe點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近， 但電子結(jié)構(gòu)差別大有限固溶；（4）原子半徑對溶解度影響：R8%， 可以形成無限固溶；15%，形成有限 固溶； 15%，溶解度極小。結(jié)論2022年9月22日 有限固溶 C、N、B、O等

15、 溶解度溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不 同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的 如-Fe與-Fe 。溶質(zhì)原子大?。簉，溶解度。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 間隙位置 優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置 畸變?yōu)樽钚　?間隙位置總是沒有被填滿 最小自由能原理。 1.2.2間隙固溶體1.2.3. 形成強(qiáng)化相（化合物相）一、鋼中常見的碳化物 K類型、大小、形狀和分布對鋼的性能有很重要的作用。 2022年9月22日 非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等 K形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由強(qiáng)到弱排列）2022年9月22日鋼中常見的K類型有： M3C：滲碳體，正

16、交點(diǎn)陣； M7C3：例Cr7C3，復(fù)雜六方 ； M23C6：例Cr23C6，復(fù)雜立方 ； M2C：例Mo2C、W2C，密排六方 ； MC：例VC、TiC，簡單面心立方點(diǎn)陣 ； M6C：不是一種金屬K。復(fù)雜六方點(diǎn)陣 。 K也有空位存在 ；可形成復(fù)合K , 如(Cr,Fe,Mo，)7C3 2022年9月22日 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6 、M7C3 、M3C。 特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差； 簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。 特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。 M6C型不屬于金屬型的碳化物, 復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 性能特點(diǎn)接近簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。2022年9月22日1、K類型 K類型與Me的原子半徑有關(guān)。

17、 各元素的rc/rMe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、K形成的一般規(guī)律2022年9月22日 rc/rMe 0.59 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe ，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K； rc/rMe 0.59 簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。 Me量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（Cr, M）23C6型 。2022年9月22日2、相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。 如Fe3C，Mn3C (Fe

18、,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值為 20%Cr， 2%W， 400，Me開始重新分布。非K形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進(jìn)入析出的K中，其程度決定于回火溫度和時(shí)間。思考題1.合金元素對相變臨界成分點(diǎn)如何影響？合金對相變臨界溫度點(diǎn)有何影響？2.合金元素在鋼中有哪5種存在方式？3.碳化物有哪3種形式？2022年9月22日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影

19、響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日2022年9月22日偏聚現(xiàn)象 Me偏聚 缺陷處C 基體平均C 這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。 偏聚現(xiàn)象對鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，如晶界擴(kuò)散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等都與此有關(guān). Me+：溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處吸附，形成柯氏氣團(tuán)； Me+ ：溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處吸附形成鈴木氣團(tuán)； Me+ ：溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)吸附形成Snoek氣團(tuán).1.3 合金元素在鋼中的偏聚42022年9月22日 B的偏聚有利于改善晶界強(qiáng)度，抑制其他元素偏聚；微量B在晶界吸附時(shí)，抑制F形核，使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移。從而增加奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼淬透性。

20、但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。Mo使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移，0.5%Mo+微量B鋼正火時(shí)則可以得到貝氏體組織。2022年9月22日偏聚機(jī)理 溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能，符合自然界最小自由能原理。結(jié)構(gòu)學(xué)：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原 子容易存在；能量學(xué)：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能， 符合自然界最小自由能原理。（在沒有強(qiáng)制外 力作用下，事物總是朝著能量的方向發(fā)生。 即使暫時(shí)不發(fā)生，也存在潛在的趨勢。熱力學(xué)：該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì) 原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。2022年9月22日影響因素 缺陷處溶質(zhì)濃度 溫度T ：T，內(nèi)吸附強(qiáng)烈； 時(shí)間t：偏聚需要原子擴(kuò)散需要一定時(shí)間；

21、缺陷本身：缺陷越混亂，E，吸附也越強(qiáng)烈; 其它元素：間接作用 : 優(yōu)先吸附問題，BC 直接作用: 影響吸附元素Dp； MnDP，使P擴(kuò)散加快，促進(jìn)了鋼的回火脆性； Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。 點(diǎn)陣類型：bcc點(diǎn)陣內(nèi)吸附較fcc強(qiáng)烈第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日1.4合金元素對鋼相變的影響1.4.1、合金鋼的加熱A化1.4.2、合金鋼過冷A

22、體的分解1.4.3、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變2022年9月22日1、K在A中的溶解規(guī)律 2022年9月22日基本規(guī)律 1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越??； 2）溫度，溶解度， 彌散強(qiáng)化； 3）K穩(wěn)定差的先溶解 ; 4）A中有弱K形成元素，則會(huì)C 活度ac ， K的溶解；非K形成元素（如Ni）則相 反,ac，K的溶解。如：較多Mn的存在 使VC的溶解溫度從1100降至900。1.4.1合金鋼的加熱奧氏體化2022年9月22日 圖1-9碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系 2022年9月22日2、A體均勻化 A體剛形成時(shí)，C和Me的分布是不均勻的. 合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別 ?3、A體晶

23、粒長大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒長大； 2）C、N、B晶粒長大； 3）Ni、Co、Cu作用不大 。1.4.2合金元素對過冷分解的影響2022年9月22日 過冷A體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。1）Ni、Si和Mn，大致保持 C鋼的“C”線形狀，使 “C”線向右作不同程度的移動(dòng)；2） Co不改變“C”線，但使“C”線左移；3）K形成元素，使“C”線右移，且改變形狀。 Me不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)不同形狀，大致 有五種。2022年9月22日圖1-10“C”曲線五種形狀2022年9月22日 圖1-11常用合金

24、元素對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響 (上左) 強(qiáng)K形成元素 (上右) 中、弱K形成元素 (下左) 非K形成元素 主要是對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響，即Ms和Mf點(diǎn)的影響Ms=538-474C-33Mn-17Cr-17Ni-11Si-21Mo-11W。每1%合金含量引起馬氏體溫度下降值除Co，Al外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，均使Ms點(diǎn)下降，增加殘余奧氏體的含量，其中C的影響最強(qiáng)烈。 順序：C，Mn， Mo， Cr，Ni，Si，W2022年9月22日2022年9月22日含 碳 量 對 馬 氏體轉(zhuǎn) 變 溫 度 的 影響含碳 量對殘余奧氏體 量的影響圖1-12含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響圖1-13含碳量對

25、殘余奧氏體量的影響2022年9月22日圖1-14合金元素對1.0%C碳鋼Ms點(diǎn)的影響圖1-15合金元素對1.0%C碳鋼1150 淬火后殘余奧氏體含量的影響 2022年9月22日思考題： W、Mo等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解? 對一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其MS點(diǎn)不能太低，為什么?1.4.3.合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響回火穩(wěn)定性：淬火鋼對回火過程中發(fā)生的各種軟化傾向（如馬氏體的分解，殘余奧氏體分解、碳化物的析出與鐵素體的再結(jié)晶）的抵抗能力。 合金鋼回火穩(wěn)定性優(yōu)于碳素鋼，因此回火溫度可高，時(shí)間可長。2022年9月22日回火過程馬氏體的分解殘余奧氏體的分解

26、碳化物的形成、聚集和長大Fe的回復(fù)和再結(jié)晶 鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會(huì)發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：1、M分解2022年9月22日低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大 中溫以上：Me活動(dòng)能力增強(qiáng)，對M分解產(chǎn)生不同程度影響: 1）Ni、Mn的影響很小； 2）K形成元素阻止M分解，其程度與它們與C的親和力大小有關(guān)。這些Meac，阻止了滲碳體的析出長大；2022年9月22日 3）Si比較特殊： Fe和C的結(jié)合力 ,ac -FeXC的形核、長大Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要從中出去 Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解溫度從260提高到350以上2022年9月

27、22日基本規(guī)律 滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)； 含非碳化物形成元素（Si除外）的合金 鋼（線2）和C鋼（線1）規(guī)律相同； 在相同回火溫度T1下，合金鋼馬氏體中含 C量要比C鋼的高，如圖中的C3 C1，2 ； 不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物 的溫度TK是不同的，線3的下降幅度也是 不同的。4）合金鋼回火時(shí)M中含C量變化規(guī)律5低溫Tc 以下（150200）回火時(shí)，由于溫度低，不僅合金元素?cái)U(kuò)散困難，連C擴(kuò)散也困難，只能發(fā)生偏聚和短距離擴(kuò)散，沉淀析出與相保持共格的碳化物。合金元素仍均勻分布在相和碳化物中不作重新分配。所以合金元素對馬氏體分解影響不大。2022年9月22日圖1-16回火馬氏體中

28、碳含量的變化溫度升高到TCTk，碳元素活動(dòng)能力增加，碳鋼含碳量顯著降低，而由于合金元素對M分解的阻礙作用較大，結(jié)果合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線3） 。溫度高于Tk后合金鋼的合金元素?cái)U(kuò)散能力顯著增加，二者差距縮小。碳化物形成元素強(qiáng)烈阻礙馬氏體分解和碳化物析出長大，推遲C從M中析出，使得：含碳化物形成元素的鋼中C從M中析出的溫度從一般碳鋼250300提高到400500，有時(shí)即使到550或更高溫度也難以使C完全從相中析出，表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。2022年9月22日圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化 中、高碳鋼（C0.5）及合金鋼淬火后，組織都有殘余，特別是合金元素量大時(shí)，更是如此。殘余在高于200

29、開始分解，于300完成。合金元素一般使殘的分解溫度升高。其中Cr，Mn，Si作用最大。高合金鋼合金元素比較多，殘余穩(wěn)定性更大，所以回火溫度一般在500600，盡管回火溫度比較高，殘余也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時(shí)高合金鋼為了消除殘，往往需要二次或更多次的高溫回火或深冷處理消除 。2022年9月22日2.對殘余奧氏體分解的影響 高合金鋼在500600回火過程中，從殘中析出碳化物，使得殘中C和合金元素含量下降，使得Ms點(diǎn)升高，并達(dá)到室溫以上，因而在冷卻過程中，殘余會(huì)轉(zhuǎn)變成M，而使鋼回火后的硬度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為 “二次淬火”（如高速鋼的回火）。硬度升高原因，一方面殘余在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體，

30、另一方面在回火時(shí)將產(chǎn)生合金碳化物的沉淀硬化，所以有時(shí)將后者稱為“二次硬化”。2022年9月22日2022年9月22日3.對回火過程中碳化物析出的影響 各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K長大 聚集溫度：M3C型，350 400；其它K ，450 600； 2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變 -FeXC Fe3C M3C 亞穩(wěn)特殊K特殊K T, 500 能否形成特殊K，取決于: Me性質(zhì)、NM/NC比值； T和t 。2022年9月22日 圖1-17釩鋼（0.3C,2.1V）在1250淬火不同溫度回火2h，

31、碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化 2022年9月22日3）特殊K的形成 原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 異位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊K析出 二次硬化，異位直接析出 貢獻(xiàn)最大 2022年9月22日4、回火脆性 1) 第1類回火脆性 脆性特征 不可逆； 與回火后冷速無關(guān)； 晶界脆斷。 產(chǎn)生原因Me作用 Fe3C薄膜在晶界形成； 雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界； 晶界強(qiáng)度。 Mn、Cr脆性； Si 脆性溫度區(qū)； V、Al、Mo等改善脆性。2022年9月22日 2) 第2類回火脆性 脆性特征 可逆； 回火后慢冷產(chǎn)生

32、，快冷抑制； 晶界脆斷。產(chǎn)生原因 雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界； 形成網(wǎng)狀或片狀化合物,晶界強(qiáng)度。 高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。Me作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑； Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑； Cr促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑2022年9月22日圖1-19 回火后冷速對30CrMnSi 鋼沖擊韌度的影響圖1-18 37CrNi3鋼回火時(shí)硬度與沖擊韌度的變化偏聚元素（產(chǎn)生脆性的元素）： H，N，O，P，Si， S， As， Sn， Bi等；對偏聚起促進(jìn)作用（本身也偏聚）： Mn，Ni本身不

33、偏聚，但促進(jìn)別的元素偏聚：Cr抑制偏聚：Mo、Ti2022年9月22日表1-1周期表中各種元素對第二類回火脆性的作用族周期ABBBBAAA1H2CNO3SiPS4TiCrMnNiGeAsSe5MoSnSbTe6Bi備注：Fe Co Ni 同為B元素2022年9月22日避免高溫回火脆性，回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過大時(shí)，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生； 加入合金元素Mo、W以抑制第二類回火脆性； 提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。采用高純凈鋼、細(xì)晶粒鋼或經(jīng)細(xì)化晶粒的預(yù)備熱處理3)防止合金鋼中第二類回火脆性的方法2022年9月22日Me對相圖的影響 Me與C的作用 M

34、e在材料處理各過程中的行為表現(xiàn) 加熱 冷卻 回火溫度 時(shí)間 一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律;另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響.為理解Me的作用 要了解鋼的基本強(qiáng)化機(jī)理.第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日2022年9月22日1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響強(qiáng)化本質(zhì)： 各種強(qiáng)化途徑塑變抗力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力 鋼強(qiáng)度 畸變應(yīng)力場； 位錯(cuò)密度； 位錯(cuò)塞積； 釘

35、扎位錯(cuò)。 固溶強(qiáng)化； 位錯(cuò)強(qiáng)化； 細(xì)晶強(qiáng)化； 彌散強(qiáng)化。1.5.1 鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理1.5.1.1合金元素的固溶強(qiáng)化2022年9月22日表達(dá)式 對于C、N等間隙原子， n = 0.332.0； 對于Mo、Si、Mn等置換式原子：n = 0.51.0 機(jī)理效果提高強(qiáng)度，降低塑韌性 原子固溶 晶格發(fā)生畸變 產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，與位錯(cuò)交互作用位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力2022年9月22日 圖1-20 合金元素對低碳鐵素體強(qiáng)度和塑性的影響 Si、Mn的固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，但Si 1.1%，Mn 1.8%時(shí)，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強(qiáng)化效應(yīng)最大。 2022年9月22日 圖1-21合金元素對Cr18Ni9型不銹

36、鋼的強(qiáng)化效應(yīng)(R.P. Reed. JOM.(1989):16)1.5.1.2位錯(cuò)強(qiáng)化2022年9月22日表達(dá)式 機(jī)理 位錯(cuò)密度 位錯(cuò)交割、纏結(jié)， 有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 鋼強(qiáng)度。 對bcc晶體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果較好 ? 效果 在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK1.5.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化2022年9月22日表達(dá)式機(jī)理 晶粒越細(xì) 晶界、亞晶界越多 有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化。效果 鋼的強(qiáng)度，又塑性和韌度這是最理想的強(qiáng)化途徑. 著名的Hall-petch公式 式中，d為晶粒直徑，KG為系數(shù)2022年9月22日 圖1-22 晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象1.5.1.4第二相強(qiáng)化2022年9

37、月22日表達(dá)式機(jī)理 微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化效果 主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主要是繞過機(jī)制。 兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化， 淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。效果有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑韌性。2022年9月22日沉淀強(qiáng)化（位錯(cuò)切過第二相粒子） 第二相粒子的特點(diǎn)是可變形，并與母相具有共格關(guān)系，這種強(qiáng)化方式與淬火時(shí)效密切相關(guān)，故有沉淀強(qiáng)化之稱。 沉淀強(qiáng)化的基本途徑是合金化加淬火時(shí)效。合金化的目的是為造成理想的沉淀相提供成分條件。例如在馬氏體時(shí)效鋼中加入Ti和Mo，形成NiTi、Ni3Mo理想的強(qiáng)化相，以獲得良好的沉淀強(qiáng)化效果。2022年9月22日（b）Al-Li合金中位錯(cuò)切割A(yù)l3Li相的電鏡照

38、片（a）位錯(cuò)切割第二相粒子的機(jī)制可變形微粒的強(qiáng)化作用（位錯(cuò)切過機(jī)制）圖1-23位錯(cuò)切過強(qiáng)化顆粒示意2022年9月22日 第二相粒子不參與變形，與基體有非共格關(guān)系。當(dāng)位錯(cuò)遇到第二相粒子時(shí)，只能繞過并留下位錯(cuò)環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不溶于基體，故有彌散強(qiáng)化之稱。 位錯(cuò)繞過第二相粒子這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成強(qiáng)化。 2.彌散強(qiáng)化（位錯(cuò)繞過第二相粒子） 彌散強(qiáng)化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到通過時(shí)效方式得到2022年9月22日不可變形微粒的強(qiáng)化作用奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制）（a）位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制（b）Ni合金中位錯(cuò)繞過Ni3Ai相的電鏡照片圖1-24位錯(cuò)繞過強(qiáng)化顆粒

39、示意2022年9月22日 第二相粒子的大小，數(shù)量，分布，性能都影響強(qiáng)化效果（1）第二相的間距越小強(qiáng)化效果越好；（2）第二相彌散度越大強(qiáng)化效果越好；（3）第二相粒子體積分?jǐn)?shù)越大強(qiáng)化效果越好 沉淀強(qiáng)化效果大于彌散強(qiáng)化 3. 第二相強(qiáng)化的影響因素 鋼強(qiáng)度表達(dá)式2022年9月22日圖1-25在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖1.5.2合金鋼強(qiáng)化的有效性最終強(qiáng)化有效性取決于強(qiáng)化和弱化的綜合結(jié)果。1、強(qiáng)化的有效性 2022年9月22日圖1-26強(qiáng)化和弱化的演變1-M分解2-彌散析出3-綜合效應(yīng)強(qiáng)化:彌散析出RPH|-RS|弱化: M分解RPH |-RS|RsRPH2022年9月22日2、Me對強(qiáng)化有效性的影

40、響 強(qiáng)化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。 Me量 彌散相量(有足夠的C) 二次硬化 例：含0.10.15%C鋼， 需0.10.2%V；0.080.12%Nb； 2.53.0%Cr強(qiáng)化 弱化Me最小濃度臨界值K類型含C量2022年9月22日圖1-27V含量對40鋼回火硬度的作用不同含C量的V鋼，如產(chǎn)生二次硬化，V的臨界濃度是不同的，為什么?2022年9月22日 對結(jié)構(gòu)鋼，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)最大。合金鋼與C鋼的強(qiáng)韌性差異，主要不在于Me本身的強(qiáng)化作用，而在于Me對鋼相變過程的影響，并且Me的良好作用，只有在進(jìn)行合適的熱處理?xiàng)l件下才能充分得到發(fā)揮。需要充分理解 1.5.3合金元素對鋼韌性的影

41、響1、影響韌性的因素2022年9月22日強(qiáng)化因素 一般情況，鋼強(qiáng)度塑韌, 稱為強(qiáng)韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細(xì)化組織強(qiáng)化外，其它強(qiáng)化因素都會(huì)程度不同地韌性。 危害最大是間隙固溶； 沉淀強(qiáng)化較小,但對強(qiáng)化貢獻(xiàn)較大。合金元素 Ni韌性；Mn在少量時(shí)也有效果；其它常用元素都在不同程度上韌性2022年9月22日晶粒度 細(xì)晶既S，又TK, 即 韌性 最佳組織因素。第二相 K韌性。K 小、勻、圓、適量 工藝努力方向。 雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心， 提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)2022年9月22日圖1-28合金元素對鐵素體沖擊韌度的影響圖1-29回火溫度和鋼強(qiáng)化機(jī)制的關(guān)系2022年9月22日圖1-31晶粒大小對

42、強(qiáng)度韌度的影響圖1-30組織因素對Tk的影響2022年9月22日圖1-32 20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能2022年9月22日2、提高鋼韌度的合金化途徑 1）細(xì)化晶粒、組織 如Ti、V、Mo； 2）回火穩(wěn)定性 如強(qiáng)K形成元素 ； 3）改善基體韌度 Ni ； 4）細(xì)化K 適量Cr、V，使K小而勻 ； 5）回脆 W、Mo ； 6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)含C量. 7） 冶金質(zhì)量。 2022年9月22日思考題： 鋼中可能的性能主要矛盾是什么? 有些零件為什么要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)?第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏

43、聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日1.6 Me對鋼工藝性的影響 2022年9月22日一、冷成型性 冷成型性包括：深沖、拉延、彎曲等。 冷作硬化率是在冷變形過程中，材料變硬變脆程度的表征參量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。P、Si、C等元素冷作硬化率。需要冷成型的材料應(yīng)嚴(yán)格控制P、N量，盡可能Si、C等量。2022年9月22日二、熱壓力加工性 熱壓力加工有鍛造、軋制、拉拔等。 Me溶入基體 產(chǎn)生畸變,熱變形抗力 熱壓力加工性能。如Mo、W、Cr、V等元素影響較大

44、。C和Me量較多時(shí)，形成共晶K，熱壓力加工性更差。 合金鋼的熱壓力加工性能比碳鋼差。高速鋼等高合金鋼的熱壓力加工難度是較大的.2022年9月22日三、切削加工性 不同情況側(cè)重點(diǎn)不同，如粗加工，主要考慮速度；精加工主要考慮表面粗糙度。 C鋼 硬度在170230HB，切削性能最好.對組織來說，P:F=1:1較佳。不同含C量的鋼要得到較好的切削性，其預(yù)處理是不同的： 對C鋼: 0.1%C,宜淬火； 0.5%C,宜正火； 0.8%C,宜球化退火2022年9月22日思考題： 為什么鋼的切屑是連續(xù)的，而鑄鐵的切屑是碎片狀斷開的?四、材料的熱處理工藝性62022年9月22日鋼號(hào)合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量 / %P

45、轉(zhuǎn)變孕育期 / 秒35CrCr + Ni = 1.341235CrMoCr+Mo= 1.38 3540CrNiMoCr+Mo+Ni= 3.25 500淬透性 一般是指淬火時(shí)獲得M的能力。 合金元素復(fù)合作用大，不是簡單加和。2022年9月22日圖1-33合金元素對鋼淬透強(qiáng)度因子的影響 在結(jié)構(gòu)鋼中，M淬透性作用顯著的元素從大到小排列：（B）、 Mo、 Mn、Cr、Ni 、 Si 。淬透性與化學(xué)成分、奧氏體化條件等因素有關(guān)。40Mn2/40Cr/40CrNiMo臨界淬透直徑3060/2560/100 2022年9月22日淬透性好的作用 可以使工件得到均勻而良好的力學(xué)性能，滿足技術(shù)要求； 在淬火時(shí)，可

46、選用較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。采用提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Mo等）與強(qiáng)化鐵素體的元素（如Ni、Mn、Si等）的配合，可以在很大程度上提高馬氏體的淬透性。2022年9月22日 +Mo 能有效P轉(zhuǎn)變，但不能完全先共析F的析出B淬透性 +B 偏聚晶界 有效抑制先共析F的析出0.40%CMo 0.14%Mo 0.35%Mo 0.60%Mo析出5%F（600） 1 2 4P開始轉(zhuǎn)變時(shí)間(min) 1 3 36貝氏體淬透性 合金化基本元素是0.5%Mo + 微量B。2022年9月22日淬硬性 理想淬火條件下,形成M能達(dá)到的最高硬度。淬硬性主要與鋼的含碳量有關(guān)。亞

47、共析鋼HRC=30+50C。圖1-34合金元素對馬氏體硬度的影響（單獨(dú)加入Mn、Ni、Mo、Cr）2022年9月22日變形開裂傾向 熱應(yīng)力變形;組織應(yīng)力 開裂；附加應(yīng)力較復(fù)雜。影響因素比較復(fù)雜，要綜合分析。 采用分級(jí)淬火、等溫淬火或雙液淬火可降低應(yīng)力，減小變形開裂傾向。采用調(diào)質(zhì)、球化退火等預(yù)先熱處理也可減小零件的變形。 2022年9月22日過熱敏感性和氧化脫碳傾向 奧氏體晶粒急劇長大的敏感性， Mn。如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。 氧化和脫碳往往伴隨產(chǎn)生。 Si。含硅鋼氧化脫碳傾向較大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。 脫碳會(huì)降低鋼的硬度、

48、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，脫碳對于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的。2022年9月22日回火穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性) 合金鋼回火穩(wěn)定性要比碳鋼好。同樣回火硬度,合金鋼的回火溫度高,時(shí)間也可長些,應(yīng)力消除也大些；同樣塑韌性,合金鋼的強(qiáng)度比碳鋼高。第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.9 合金鋼的分類與編號(hào)2022年9月22日1.7微量元素在鋼中的作用1.7.1微量元素的作用常用微合金元素：B、

49、N、V、Ti、Zr、Nb、RE。一般達(dá)到0.1%時(shí)就顯著影響鋼的組織性能。改善切削性能元素：S、Se、Bi、Pb、Ca等。凈化變質(zhì)控制夾雜物形態(tài)：Ti、Zr、RE、Ca1.凈化作用：B、RE 脫氧、去氮、降氫。微量B，RE等元素使鋼凈化(1)B，RE與O或N，形成比重?。ㄒ咨细。┭趸锘虻?。(2)B，RE等能與As，Sb，Sn，Pb，Bi形成高熔點(diǎn)金屬間化合物。消除鋼的熱脆性，提高高溫強(qiáng)度。2.變質(zhì)作用：B、RE改變凝固過程和鑄態(tài)組織。形成非自發(fā)形核核心，降低晶體長大速率，細(xì)化晶粒。減少偏析。RE還可增大鋼的流動(dòng)性。3.改變性質(zhì)或形態(tài)。球形好于枝晶間共晶形態(tài)和不規(guī)則角狀。MnS-MnO，球

50、形，F(xiàn)eS為網(wǎng)狀化合物1.7.2 微合金鋼中的合金元素通過添加微量元素來提高鋼性能的技術(shù)叫微合金化在低碳鋼中加入微量Nb、Ti、V，通過控軋和控冷，生產(chǎn)量大面廣的微合金高強(qiáng)度鋼。 在高速鋼、耐熱鋼中加入微量Nb、Zr、B，可改善鋼的高溫強(qiáng)度等。圖1-35釩、鈮、鈦對非調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度的影響非調(diào)質(zhì)鋼中V、Ti、Nb等通過碳化物沉淀析出，細(xì)化晶粒，細(xì)化珠光體組織及數(shù)量，提高強(qiáng)度。45V較45，s提高190MPa；N從0.005%升高到0.03%，s升高100150MPa VC TiCNbCVNTiNNbNAlN719114011371088152712721104表1-2各種碳化物析出溫度 V、Ti

51、、Nb是微合金化主要元素，形成碳化物或氮化物，對雙相鋼（F+M）中鐵素體形態(tài)、精細(xì)結(jié)構(gòu)和沉淀相的形態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。VC是相變過程中析出， VN 、TiC、TiN、 NbC從奧氏體中析出，細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。阻止高溫形變再結(jié)晶。第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年9月22日 目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種

52、。 材料的廢棄物再生循環(huán)很困難 可再生循環(huán)設(shè)計(jì)已成為鋼鐵材料設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。傳統(tǒng)的思路和方法應(yīng)該更新。應(yīng)該發(fā)展少品種、泛用途、多目的的標(biāo)準(zhǔn)合金系列。所以就出現(xiàn)了通用合金和簡單合金的概念。2022年9月22日通用合金 又稱為泛用性合金。這種通用合金能滿足通用性能，合金在具體用途中的性能要求則可以通過不同的熱處理等方法來實(shí)現(xiàn)。 Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn鋼。通過改變Fe、Cr、Ni（Mn）的相對含量，其組織結(jié)構(gòu)和性能也可以在很大范圍內(nèi)變化。 Cr-Mo耐熱鋼 2022年9月22日簡單合金 組元組成簡單的合金系就叫做簡單合金。簡單合金在成分設(shè)計(jì)上有幾個(gè)特點(diǎn)： 合金組元簡單，再生循環(huán)過程中

53、容易分選； 原則上不加入目前還不能用精煉方法除去的元素； 盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元素。2022年9月22日兩個(gè)基本原則 （1）在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)； （2）獲得合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為加入合金元素的替代方法。 這種設(shè)計(jì)合金的思路叫省合金化設(shè)計(jì)或最小合金化法。簡單合金的主要用途是代替大量消費(fèi)的金屬結(jié)構(gòu)件材料。2022年9月22日 Si-Mn合金鋼就是目前重點(diǎn)開發(fā)的一種普通的簡單合金。可以通過各種熱處理獲得不同的組織結(jié)構(gòu)，如F+P、F+B、B+M、B、M等，得到不同強(qiáng)度、塑性配比的性能，以滿足各種用途。 Si和Mn作為主要合金元素，在地球上儲(chǔ)量相當(dāng)大，并容易

54、提取。是一個(gè)有前途的環(huán)境材料系列。在汽車薄板和沖壓件上得到了廣泛的應(yīng)用典型例子環(huán)境協(xié)調(diào)性合金的成分設(shè)計(jì)2022年9月22日 盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的元素。即將枯竭性元素和對生態(tài)環(huán)境人體有較大毒害作用的元素。 對人體毒害作用比較大的元素有Cr、As、Pb、Ni、Hg等。含有這些元素的材料廢棄后，會(huì)造成空氣、土壤的污染，直接危害人體或通過生物鏈對人體造成毒害。因此，在材料設(shè)計(jì)過程中就要考慮到材料對生態(tài)環(huán)境的影響，其中無鉛釬焊合金的研究開發(fā)就是典型的例子2022年9月22日金屬空氣中水中土壤中As47001.40.043Cd5802.97.0Cr6+470004100130Co242.00.065

55、Cu0.240.0200.0052Fe0.0420.0036Pb1600.790.025Mn120Zn0.0330.00290.0070Hg1204.70.15Mo3.30.290.70Ni4700.0570.014 表 1-3 某些金屬元素對人體的毒害作用系數(shù)性能環(huán)境負(fù)荷比 2022年9月22日 環(huán)境負(fù)荷是一個(gè)資源、能源、三廢的綜合數(shù)據(jù)。金屬材料各種表面技術(shù)的環(huán)境影響差別也是較大的。表面技術(shù)處理涉及到表面處理過程中的能源消耗、資源消耗和廢棄物排放。 從總體趨勢上說，對環(huán)境影響的強(qiáng)弱而言，按電子束表面處理電火花表面處理激光表面處理加熱處理氣體表面滲碳處理火焰表面處理離子化學(xué)熱處理，從弱到強(qiáng)排列

56、。2022年9月22日金屬材料 Fe Al Ti Zn Cr Ni Cu Mn環(huán)境負(fù)荷（ELV） 1.33 9.04 15.518.216.7 19.4 24.0 5.0 比強(qiáng)度（b/） 4.19 4.08 9.98 1.69 4.17 5.61 2.46 6.78彈性比功（2/E） 6.68 1.25 0.25 0.39 0.47 2.91 0.18 1.29（b/） / ELV 3.15 0.45 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1-4 常見金屬材料的環(huán)境負(fù)荷

57、及其性能環(huán)境負(fù)荷比第三節(jié) 合金鋼的分類和編號(hào)一、鋼的分類1. 按冶金方法分類 平爐鋼 冶煉設(shè)備 轉(zhuǎn)爐鋼 電爐鋼（電弧爐，感應(yīng)爐，電渣爐 ） 沸騰鋼 按脫氧程度和 鎮(zhèn)靜鋼 澆注制度分 半鎮(zhèn)靜鋼 2022年9月22日酸性，堿性2022年9月22日鋼鐵是怎樣煉成的？2022年9月22日煉鐵過程實(shí)質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)-礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)CO、H2、C；適宜溫度等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。高爐冶煉用的原料主要由鐵礦石、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）三

58、部分組成。2.按化學(xué)成分分類72022年9月22日3.按質(zhì)量分類GB/T699-19992022年9月22日PS普通質(zhì)量鋼0.0450.045優(yōu)質(zhì)鋼0.0350.035高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0.0300.030特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0.0250.020 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 a.鐵素體鋼 b.馬氏體鋼 c.奧氏體鋼 d.雙相鋼 a.珠光體鋼 b.貝氏體鋼 c.馬氏體鋼 d.奧氏體鋼 a.亞共析鋼（鐵素體+珠光體） b.共析鋼 （珠光體） c.過共析鋼（珠光體+滲碳體）4.按金相分類 退火狀態(tài)正火狀態(tài)按加熱冷卻時(shí)有無相變和室溫組織分 2022年9月22日2022年9月22日二、鋼的編號(hào)合金鋼的編號(hào)原則 簡單醒目，便于書寫、識(shí)

59、別，最好能表達(dá)出主要成分、用途及主要性能和相應(yīng)狀態(tài)。世界各國的編號(hào)方法 （1）數(shù)字字母 （2）單獨(dú)采用數(shù)字我國編號(hào)方法（1）GB標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)表示方法(漢語拼音)阿拉伯?dāng)?shù)字化學(xué)符號(hào)(或字母)；（2）GB標(biāo)準(zhǔn)ISC表示方法2022年9月22日1 結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)原則普通碳素結(jié)構(gòu)鋼由四部分組成：（1）代表屈服點(diǎn)的字母：Q（2）屈服點(diǎn)的數(shù)值，數(shù)字表示最低屈服強(qiáng)度。 （3）質(zhì)量等級(jí)符號(hào)：A，B，C，D（4）脫氧方法符號(hào) F沸騰鋼 b半鎮(zhèn)靜鋼 Z鎮(zhèn)靜鋼 TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼舉例 Q235A.F 表示碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度235MPa， 質(zhì)量等級(jí)為A的沸騰鋼 2022年9月22日類似的還有：Q195、 Q215、 Q235、

60、 Q275四個(gè)等級(jí)。2022年9月22日低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由四部分組成：（1）代表屈服點(diǎn)的字母：Q （2）屈服點(diǎn)的數(shù)值，數(shù)字表示最低屈服強(qiáng)度。 （3）質(zhì)量等級(jí)符號(hào)：A，B，C，D （4）專業(yè)符號(hào)Q345、 Q390、 Q420、 Q460、 Q500、Q550、Q620、Q690八個(gè)等級(jí)。后四個(gè)是2008年新增。 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼(Q345)16MnR,16MnL 、汽車大梁L, 壓力容器R, 船舶C, 橋梁q，鍋爐g用途Q195、 Q215、 Q235塑性好，可軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等。Q275可軋制成型鋼、鋼板等。2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)原則鋼號(hào)以碳的平均質(zhì)量萬分?jǐn)?shù)表示。 如20、45等。