鋼的合金化基礎(chǔ)

關(guān)于鋼的合金化基礎(chǔ)0前言合金化：加入適當(dāng)元素改變金屬性能的方法。合金元素、合金鋼（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V

常存元素：Mn、Si……）注意：合金元素不一定直接影響鋼性能，大部分是由于影響相變過(guò)程。低合金鋼合金元素總量

5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量

10%第2頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）雜質(zhì)元素（impurity-element）常存雜質(zhì)

冶煉殘余，由脫氧劑帶入。Mn、Si、Al；S、P難清除。隱存雜質(zhì)偶存雜質(zhì)

生產(chǎn)過(guò)程中形成，微量元素O、H、N等。

與煉鋼時(shí)的礦石、廢鋼有關(guān)，如Cu、Sn、Pb、Cr等。1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)第3頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

熱脆性——S——FeS(低熔點(diǎn)989℃)；？

冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氫脆——H——白點(diǎn)。（2）合金元素（alloying-element）為合金化目的加入，其加入量有一定范圍的元素稱為合金元素。鋼中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。第4頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)一、合金元素在鋼中的分布第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：W第七周期：稀土元素、TaS、P一般為雜質(zhì)元素第5頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)一、合金元素在鋼中的分布合金元素的存在形式（溶于鋼中或形成新相），主要包括：溶于鐵素體、奧氏體或馬氏體中，形成固溶體；—溶入基體形成強(qiáng)化相；(形成碳化物或金屬間化合物)-強(qiáng)化相形成非金屬夾雜物；（氧化物、氮化物或硫化物等）—第二相以游離狀態(tài)存在?！獑钨|(zhì)取決于種類特點(diǎn)、含量、冶煉方法及熱處理工藝等第6頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天合金元素在鋼中的存在形式固溶體化合物游離態(tài)固溶體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合金元素在鋼中的存在形式

第7頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：形成合金F

合金元素溶入F后，由于原子半徑和晶格類形的差異，必然引起Ｆ晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使Ｆ的強(qiáng)度、硬度↑，而塑、韌性略有下降。

P、Si、Mn、Ni是顯著的強(qiáng)化Ｆ元素。固溶體固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W第8頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天它是合金元素溶入滲碳體中并置換部分鐵原子而形成的碳化物。

(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，硬度高，所以可以提高耐磨性。合金滲碳體如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等第9頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天由中強(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶入Ａ中。特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、第10頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天金屬間化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金屬夾雜物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游離態(tài)如Pb、Cu等第11頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天*合金元素改善鋼的熱處理工藝性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻礙鋼在加熱時(shí)A晶粒的長(zhǎng)大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻礙晶界遷移，細(xì)化晶粒。P21《王曉敏工程材料學(xué)》1.細(xì)化奧氏體晶粒第12頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天除Co外，固溶于A中的合金元素總是不同程度的增加Ａ穩(wěn)定性，延緩Ａ的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，淬透性提高。合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚至空冷即可獲得M組織。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B2.提高淬透性第13頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天除Co、Al外，所有合金元素降低Ms

、Mf增加殘余奧氏體含量，按作用由強(qiáng)到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2.提高淬透性第14頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.提高回火抗力，產(chǎn)生二次硬化，防止第二類回火脆性回火抗力是指淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性。合金元素固溶于淬火M中可減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過(guò)飽和固溶體中析出，推遲M的分解，延緩硬度下降，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，塑韌性好。第15頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類1、與鐵的相互作用（1）奧氏體（austenite）形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，(優(yōu)先分布于奧氏體中)奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%

（2）鐵素體（ferrite）形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，(優(yōu)先分布于鐵素體中)第16頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類2、與碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，(易溶于奧氏體或鐵素體中或形成夾雜)（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、Zr、Nb等，(形成碳化物或溶于固溶體中)第17頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類3、對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類（1）提高奧氏體層錯(cuò)能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奧氏體層錯(cuò)能的元素：Mn、Cr、Ru(釕)、Ir(銥)等。層錯(cuò)是一種晶體缺陷，它破壞了晶體排列的周期性，引起能量升高。產(chǎn)生單位面積的層錯(cuò)所需能量為“層錯(cuò)能”。（層錯(cuò)能愈小，出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率愈大）第18頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、Me和Fe的作用

純Fe→

Fe-C相圖的變化特點(diǎn)。Me和Fe的作用：1、γ穩(wěn)定化元素使A3↓，A4↑，γ區(qū)擴(kuò)大a)與γ區(qū)無(wú)限固溶——

Ni、Mn、Co開啟γ區(qū)——量大時(shí)，室溫為γ相；b)與γ區(qū)有限固溶

——

C、N、Cu

——擴(kuò)大γ區(qū)。2.合金元素與鐵碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響第19頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、α穩(wěn)定化元素使A3↑，A4↓，γ區(qū)縮小a)完全封閉γ區(qū)—Cr、V、W、Mo、TiCr、V與α-Fe完全互溶，量大時(shí)→α相W、Mo、Ti等部分溶解b)縮小γ區(qū)——Nb等。穩(wěn)定γ相——A形成元素，穩(wěn)定α相——F形成元素。第20頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天(a)Ni，Mn，Co

(b)C，N，Cu

(c)Cr，V

(d)Nb,B等

圖1

合金元素和Fe的作用狀態(tài)

第21頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2鐵基固溶體一、置換固溶體

合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固溶情況

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)無(wú)限無(wú)限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*無(wú)限無(wú)限無(wú)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?簡(jiǎn)單地說(shuō)：這與合金元素在元素周期表中的位置有關(guān)。第22頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

第23頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無(wú)限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無(wú)限固溶；（3）Cu和γ-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(duì)溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無(wú)限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。結(jié)論第24頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天合金元素的固溶規(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(wú)限固溶必須使這些因素相同或相似.第25頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

①有限固溶C、N、B、O等

②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γ-Fe與α-Fe。溶質(zhì)原子大?。簉↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。

③間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置——畸變?yōu)樽钚　ｉg隙位置總是沒有被填滿——最小自由能原理。

二、間隙固溶體第26頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、Me和碳（氮）的作用

（一）鋼中常見的碳化物

K類型、大小、形狀和分布對(duì)鋼的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等K形成元素：Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由強(qiáng)到弱排列）第27頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋼中常見的K類型有：

M3C：滲碳體，正交點(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(jiǎn)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

第28頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天復(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(jiǎn)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(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。第29頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、K類型

K類型與Me的原子半徑有關(guān)。各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

（二）K形成的一般規(guī)律第30頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(jiǎn)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。第31頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天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,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，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入強(qiáng)者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓第32頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、強(qiáng)者先，依次成

K形成元素中，強(qiáng)者優(yōu)先與C結(jié)合，隨C↑，依次形成K。如：在含Cr、W鋼中，隨C↑，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果鋼中C量有限，則弱的K形成元素溶入固溶體。如：在低碳含Cr、V的鋼中，大部分Cr都在基體固溶體中。第33頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、NM/NC比值決定了K類型

形成什么K主要決定于當(dāng)時(shí)的NM/NC比值。

退火態(tài):在Cr鋼中，隨NM/NC↑，先后形成順序?yàn)椋篗3C→M7C3→M23C6?；鼗饝B(tài):基體中的NM/NC↑，則析出的K中NM/NC也↑。如W鋼回火時(shí)，析出順序?yàn)椋篎e21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC是不斷↑。第34頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、強(qiáng)者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長(zhǎng)大也是難

MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時(shí)，在500~700℃才析出，并且不易長(zhǎng)大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強(qiáng)化方法。第35頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（三）金屬間化合物

合金鋼中由于M之間以及M與Fe之間產(chǎn)生相互作用，可能形成各種金屬間化合物。保持金屬的特點(diǎn)。

合金鋼中比較重要的金屬間化合物有：

σ相（AB）拉夫斯相（AB2）有序相（AB3）

第36頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

σ相

在高鉻不銹鋼、鉻鎳（錳）奧氏體不銹鋼、耐熱鋼及耐熱合金中，都會(huì)出現(xiàn)σ相（如Cr46Fe52），伴隨著σ相的析出，鋼和合金的塑性和韌性顯著下降，脆性增加。如Cr-Mn、Cr-Co、Mo-Mn等。

AB2

含鎢，鉬，鈮和鈦的復(fù)雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，均存在AB2相，強(qiáng)化相。如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2

其組元A的原子直徑和第二組元B的原子直徑之比為1.2/1。第37頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天AB3

各組元之間尚不能形成穩(wěn)定的化合物，處于固溶體到化合物的過(guò)渡狀態(tài)。有序無(wú)序轉(zhuǎn)變溫度較低，超過(guò)了就形成無(wú)序固溶體，如Ni3Fe,Ni3Mn等；有序狀態(tài)可保持高熔點(diǎn)，更接近金屬間化合物，如Ni3Al,Ni3Ti,Ni3Nb。Ni3Al是典型的復(fù)雜成分的耐熱鋼和耐熱合金中的強(qiáng)化相。第38頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（四）Me對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響（1）提高奧氏體層錯(cuò)能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奧氏體層錯(cuò)能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。層錯(cuò)能越低，有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成層錯(cuò)，使滑移困難，使鋼的加工硬化趨勢(shì)增大。如：高鎳鋼和高錳鋼。（錳：加工硬化特點(diǎn)）第39頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)鋼相變行為的影響：奧氏體層錯(cuò)能對(duì)Fe-Ni-C合金中馬氏體形態(tài)的影響高低馬氏體層錯(cuò)能低高奧氏體層錯(cuò)能片狀M透鏡M蝴蝶狀M板條M馬氏體類型舉例鋼18-8奧氏體鋼Fe-Ni合金（四）Me對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響第40頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、Me對(duì)鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理

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3.Me對(duì)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制

第41頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天表達(dá)式對(duì)于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對(duì)于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0。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(chǎng)，與位錯(cuò)交互作用→↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力1、固溶強(qiáng)化第42頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

合金元素對(duì)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。

第43頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、位錯(cuò)強(qiáng)化

表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑↑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(duì)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(zhǎng)率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK第44頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天途徑：細(xì)化晶粒：晶界數(shù)量增加，位錯(cuò)數(shù)量增加；宜加入細(xì)化晶粒的合金元素Al、Nb、V、Ti等（晶界強(qiáng)化）形成第二相粒子：位錯(cuò)遇到第二相粒子會(huì)繞過(guò)時(shí)，位錯(cuò)數(shù)量增多；宜加入強(qiáng)碳化物形成元素V、Ti、W、Mo、Nb等促進(jìn)淬火效應(yīng)：淬火后獲得板條M，位錯(cuò)形亞結(jié)構(gòu)；宜加入提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等降低層錯(cuò)能：使位錯(cuò)易于擴(kuò)展和形成層錯(cuò)，位錯(cuò)交互作用增加，滑移困難，加入降低層錯(cuò)能的元素Mn、Cr、Ru、Ir等第45頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、晶界強(qiáng)化表達(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，↑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)第46頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、第二相強(qiáng)化表達(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(guò)機(jī)制。在鋼中主要是繞過(guò)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。鋼強(qiáng)度表達(dá)式第47頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天小結(jié)：工程上屈服強(qiáng)度是四種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果。σ0——派納力；Δσi——某種強(qiáng)化機(jī)制引起的屈服強(qiáng)度增加量第48頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)結(jié)構(gòu)鋼，晶界強(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(duì)鋼相變過(guò)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。需要充分理解第49頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天塑性和韌性是對(duì)變形和斷裂的綜合描述。與應(yīng)力集中、應(yīng)力緩和、能量吸收及消散、加工硬化及裂紋的形成和擴(kuò)散有關(guān)。塑性plastic：靜拉伸時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示；韌性toughness

：斷裂前吸收能量和進(jìn)行塑性變形的能力。包括：變形和斷裂吸收功、沖擊韌度αK、斷裂韌性KIC、韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk通常以沖擊強(qiáng)度的大小來(lái)衡量。4.Me對(duì)鋼塑韌性的影響第50頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、改善鋼塑性的基本途徑塑性指標(biāo)：均勻真應(yīng)變（εu）：表征均勻塑性變形能力的大小；主要取決于塑性失穩(wěn)是否易于出現(xiàn)?？傉鎽?yīng)變（εT=εu+εp

）：表征鋼的極限塑性變形的能力。εp：頸縮后的變形，取決于微孔坑或微裂紋形成的能力。途徑：提高均勻塑性的同時(shí)，盡量避免或推遲微孔坑的形成，防止裂紋擴(kuò)展。第51頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素包括：強(qiáng)化機(jī)制溶質(zhì)原子的影響固溶強(qiáng)化晶粒大小的影響晶界強(qiáng)化第二相的影響第二相強(qiáng)化位錯(cuò)的影響位錯(cuò)強(qiáng)化第52頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素1）溶質(zhì)原子的影響：在α-Fe中，加入合金元素，塑性降低。強(qiáng)化元素量增加，塑性降低。（間隙式溶質(zhì)原子C、N使塑性下降成都遠(yuǎn)高于置換式溶質(zhì)原子，其中Mn、Si使塑性損失最大，且加入量越多，均勻應(yīng)變?cè)降?。）在?Fe中，一般塑性在一定溶質(zhì)含量處出現(xiàn)最大值。（見圖1.5）第53頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素2）晶粒大小的影響：細(xì)化晶粒的元素可改變鋼的極限塑性。因?yàn)椋壕Я３叽鐪p小，應(yīng)力集中減弱，推遲微孔坑的形成。工具鋼合金化的主要的出發(fā)點(diǎn)第54頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素3）第二相的影響:(第二相強(qiáng)化)極限塑性(εT)第二相粒子通過(guò)本身斷裂、或與基體的界面開裂，成為誘發(fā)微孔坑的部位。第二相數(shù)量越多，易形成微孔坑；第二相尺寸越大，越低；粒子呈針狀或片狀對(duì)εT危害較大，球狀時(shí)危害較?。坏诙嗔Ｗ泳鶆蚍植紩r(shí)對(duì)εT危害較小，沿晶界分布危害較大。因此，第二相粒子應(yīng)為球狀、細(xì)小、均勻、彌散的分布。（發(fā)揮彌散強(qiáng)化的作用）第55頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素3）第二相的影響:第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；碳化物能在微孔坑形成之前經(jīng)受較大變形，對(duì)極限塑性危害較小。因此，改善鋼塑性可以對(duì)第二相粒子控制第56頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素3）第二相的影響:第二相粒子強(qiáng)化時(shí)，改善塑性的方法：控制碳化物數(shù)量、尺寸、形狀和分布；（可以通過(guò)合金化與回火、球化處理等方式，使碳化物呈球狀、細(xì)小、均勻、彌散分布）減少鋼中夾雜物數(shù)量，控制夾雜物形態(tài)。(減少鋼中硫和氧含量，并使其氧化物呈球狀；加入Ca、Zr或稀土元素，與鋼形成難溶硫化物，鑄錠時(shí)以小顆粒析出。)第57頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、影響鋼塑性的主要因素4）位錯(cuò)的影響：位錯(cuò)密度增加，塑性降低。如：在鋼強(qiáng)化時(shí)，如有間隙原子C、N會(huì)釘扎位錯(cuò)（碳氮等小原子偏聚在位錯(cuò)下，使位錯(cuò)穩(wěn)定化），阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低塑性。此時(shí)，加入少量Ti、V、Nb等微量元素固定間隙原子，使之不向位錯(cuò)處偏聚，可一定程度改善塑性。第58頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）影響韌性的因素

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)不同程度地↓韌性。危害最大是間隙固溶；沉淀強(qiáng)化較小,但對(duì)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4.Me對(duì)鋼塑韌性的影響第59頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶粒度

細(xì)晶既↑σS，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)第60頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

合金元素對(duì)鐵素體沖擊韌度的影響

晶粒大小對(duì)強(qiáng)度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的影響第61頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）提高鋼韌性的合金化途徑

1）細(xì)化晶粒、組織——Ti、Nb、V、W、Mo；2）↑回火穩(wěn)定性——強(qiáng)K形成元素；3）改善基體韌性——Ni；4）細(xì)化K——適量Cr、V，使K細(xì)小均布；5）↓回脆——W、Mo；

6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)↓含C量.↑冶金質(zhì)量。

思考題：

有些零件為什么要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)?第62頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.1Me對(duì)Fe-C相圖的影響一、對(duì)S、E點(diǎn)的影響

A形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，F(xiàn)形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。S點(diǎn)左移—意味著共析C量減?。籈點(diǎn)左移—意味著出現(xiàn)萊氏體的C量降低。合金元素對(duì)共析溫度的影響

合金元素對(duì)共析碳量的影響

5.Me對(duì)鋼相變的影響第63頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、對(duì)臨界點(diǎn)的影響

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）線向下移動(dòng)。三、對(duì)γ-Fe區(qū)的影響

A形成元素Ni、Mn等使γ-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γ-Fe區(qū)縮小→鋼在高溫下仍為F體—鐵素體鋼。第64頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

鉻對(duì)鋼γ區(qū)的影響

錳對(duì)鋼γ區(qū)的影響

第65頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.2合金鋼的加熱A化

一、K在A中的溶解規(guī)律

基本規(guī)律

1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越小；

2）溫度↓，溶解度↓，→沉淀析出；

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℃。第66頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系

第67頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、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?三、A體晶粒長(zhǎng)大

1）Ti、Nb、V↓↓，W、Mo↓晶粒長(zhǎng)大；2）C、N、B↑晶粒長(zhǎng)大；3）Ni、Co、Cu作用不大。第68頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.3過(guò)冷A體的分解

一、過(guò)冷A體的穩(wěn)定性

過(guò)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(zhǎng)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。第69頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天“C”曲線五種形狀第70頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

常用合金元素對(duì)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形成元素第71頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖例1--綜合合金化提高過(guò)冷γ的穩(wěn)定性第72頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖例2---綜合合金化提高過(guò)冷γ的穩(wěn)定性第73頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、過(guò)冷A體的P、B轉(zhuǎn)變

P轉(zhuǎn)變：需要C和Me都擴(kuò)散；綜合影響順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si貝氏體轉(zhuǎn)變：C原子作短程擴(kuò)散，Me幾乎沒有擴(kuò)散。影響順序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影響很小。三、Me對(duì)Ms的影響

各種Me對(duì)Ms位置的影響程度是不同的。

第74頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天第75頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.4

合金鋼的回火轉(zhuǎn)變

一、M分解

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(duì)M分解產(chǎn)生不同程度影響:

1）Ni、Mn的影響很??；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Me↓ac，阻止了滲碳體的析出長(zhǎng)大；第76頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和Fe的結(jié)合力>Fe和C的結(jié)合力

,↑ac

↓ε-FeXC的形核、長(zhǎng)大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要從ε中出去↓ε→Fe3C。

效果:含2%Si能使M分解溫度從260℃提高到350℃以上第77頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天4）合金鋼回火時(shí)M中含C量變化規(guī)律基本規(guī)律

①滲碳體形成開始溫度與合金化無(wú)關(guān)；

②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；

③在相同回火溫度Tt下，合金鋼馬氏體中含C量要比C鋼的高，如圖中的C3>C1，2；

④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。第78頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

回火時(shí)馬氏體中C量的變化

第79頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、回火時(shí)K的形成

各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：MeSiMnCrMoW\VT,℃>300>350>400~500>500>500~5501）K長(zhǎng)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?chǔ)?FeXC→Fe3C→M3C→亞穩(wěn)特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500

能否形成特殊K，取決于:①M(fèi)e性質(zhì)、NM/NC比值；②T和t。第80頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天

釩鋼（0.3C,2.1V）在1250℃淬火不同溫度回火2h，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化

第81頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）特殊K的形成原位析出：αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)異位析出：αM→αP+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出→二次硬化，直接析出→貢獻(xiàn)最大第82頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、回火脆性

1、第1類回火脆性

脆性特征

①不可逆；②與回火后冷速無(wú)關(guān)；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界強(qiáng)度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si↑脆性溫度區(qū).第83頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、第2類回火脆性

脆性特征

①可逆；②回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；③晶界脆斷.產(chǎn)生原因

①雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②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，清除劑第84頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、鋼的分類1、按化學(xué)成分分

中碳鋼

0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼合金元素總量

5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量

10%碳素鋼合金鋼**鋼的分類與牌號(hào)

第85頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋼類碳素鋼合金鋼P(yáng)SPS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來(lái)劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼.根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，各質(zhì)量等級(jí)鋼的磷、硫含量如下：第86頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、按冶煉方法分轉(zhuǎn)爐煉鋼平爐煉鋼平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼

按爐別分沸騰鋼：脫氧不充分，澆注時(shí)C與O反應(yīng)發(fā)鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，組織致密，成材率低。半鎮(zhèn)靜鋼：介于前兩者之間。生沸騰。這種鋼成材率高，但不致密。按脫氧程度分特殊鎮(zhèn)靜鋼第87頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、按金相組織分珠光體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼

按正火組織分亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼

按退火組織分電弧爐煉鋼第88頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、按用途分

工程用鋼

建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼耐磨鋼機(jī)器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具第89頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天齒輪刀具二、鋼的編號(hào)我國(guó)鋼材的編號(hào)是采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。采用漢語(yǔ)拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時(shí)，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語(yǔ)拼音中選取第一個(gè)字母.第90頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號(hào)（GB/T221—2000）名稱符號(hào)位置名稱符號(hào)位置碳素結(jié)構(gòu)鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強(qiáng)度鋼Q頭鍋爐用鋼g尾易切削鋼Y頭焊接氣瓶用鋼HP尾碳素工具鋼T頭車輛車軸用鋼LZ頭(滾珠)軸承鋼G頭機(jī)車車軸用鋼JZ頭焊接用鋼H頭沸騰鋼F尾鉚螺鋼ML頭半鎮(zhèn)靜鋼b尾船用鋼國(guó)際符號(hào)鎮(zhèn)靜鋼Z尾汽車大梁用鋼L尾特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ尾壓力容器用鋼R尾質(zhì)量等級(jí)A.B.C.D.E尾第91頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)Q表示“屈服強(qiáng)度”；屈服強(qiáng)度值單位是MPa；質(zhì)量等級(jí)符號(hào)為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號(hào):沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。鋼板第92頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，其牌號(hào)中沒有表示脫氧方法的符號(hào)。如Q345C。根據(jù)需要，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾）和化學(xué)元素符號(hào)，按順序表示，如16Mn。*說(shuō)明：通常情況下，屈服強(qiáng)度值小300MPa時(shí)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，大于300MPa時(shí)為低合金高強(qiáng)度鋼。熱連軋鋼板第93頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天齒輪加工方鋼2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分之幾。如45鋼—平均含碳量為萬(wàn)分之四十五（即0.45%）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。第94頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋼帶*說(shuō)明：①含Mn量為0.7~1.0%時(shí)，在兩位數(shù)字后加元素符號(hào)“Mn”，如40Mn。②對(duì)于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼,在鋼號(hào)后分別加字母F和b，如08F、10b。③高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A。第95頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天鋼管3、合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾）+合金元素符號(hào)+該元素百分含量數(shù)字+……當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量；第96頁(yè),共106頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)合金元素的平均含量為1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……時(shí)，在相應(yīng)的合金元素符號(hào)后標(biāo)2、3、4、