金屬材料學(xué)（全套課件691P）

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金屬材料學(xué)

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教材1.《金屬材料學(xué)》

吳承建、陳國(guó)良、強(qiáng)文江編著2.《鋼鐵材料學(xué)》

章守華、吳承建主編3.《合金鋼》

章守華主編3

考核1.期末考試采用閉卷筆試。2.成績(jī)?cè)u(píng)定：期末考試占70％，平時(shí)成績(jī)占30％。3.平時(shí)成績(jī)由考勤、作業(yè)、筆記、回答問(wèn)題等部分組成。

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緒論一、本課程主要內(nèi)容1、鋼鐵材料(1)合金化原理①合金元素在鋼中與Fe，C的相互作用。②合金元素在相變中的作用。

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(2)各類(lèi)鋼鐵材料2、有色金屬材料介紹銅合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金的特點(diǎn)及應(yīng)用。6二、研究思路使用條件→性能要求→組織結(jié)構(gòu)→化學(xué)成分↑生產(chǎn)工藝1、化學(xué)成分：碳含量；合金元素種類(lèi)及含量。2、生產(chǎn)工藝：

(1)材料生產(chǎn)的全過(guò)程。7893、金屬材料的性能(1)使用性能：金屬材料在使用時(shí)抵抗外界作用的能力。①力學(xué)性能②化學(xué)性能③物理性能10(2)工藝性能：金屬材料適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)工藝要求的能力。主要包括：鑄造性；鍛造性；深沖性；冷彎性；切削性；淬透性；焊接性等。

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使用性能是保證能不能使用，而工藝性能是保證能不能生產(chǎn)和制造的問(wèn)題。兩者既有聯(lián)系又有不同，有時(shí)是一致的，有時(shí)互相矛盾。

12如建造九江長(zhǎng)江大橋15MnVN鋼的焊接性。

如含銅時(shí)效鋼06MnNiCuNb，淬透性好，強(qiáng)度高，可焊性好。

σb：690MPa，σ0.2：620MPa，

δ：23%，Ψ：80%，-40℃ak:255j。

13二.鋼鐵材料的分類(lèi)

非合金鋼低合金鋼合金鋼高溫合金鑄鋼鑄鐵141、鋼：以鐵為主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其它元素的金屬材料。注：在鉻鋼中含碳量可能大于2%，但2%通常是鋼和鑄鐵的分界線。2、高溫合金：不以碳作為主要在強(qiáng)化元素，通常也不以鐵作為基體。

153、鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金，其雜質(zhì)含量比鋼高。4、合金元素：為了提高鋼的某些性能，有目的地在鋼中加入的、含量在一定范圍內(nèi)的元素。

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5、雜質(zhì)元素：由于冶煉工藝、原料等原因，不可避免地存在于鋼中的元素，含量要求低于某一標(biāo)準(zhǔn)值。

(1)常存元素：

Si，Mn，S，P，N，H，O(2)殘余元素：

Cr，Ni，Mo，W，Cu，V，Ti

176、非合金鋼：內(nèi)涵比“碳素鋼”廣泛，不但包括“碳素鋼”，還包括電工用純鐵（C<0.02%稱(chēng)純鐵）、原料純鐵、及其他專(zhuān)用的具有特殊性能的非合金鋼。

187、低合金鋼

Mn，Cr，Cu，Mo，Ni，Si，Ti，V，W等元素含量在非合金鋼和合金鋼含量之間。1920我國(guó)低合金鋼從50年代開(kāi)始研制，生產(chǎn)。目前標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)約100個(gè)，以Mn為主，重點(diǎn)牌號(hào)為16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb，Cu，N，Re等。如按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)劃類(lèi)，16Mn等這類(lèi)鋼只能劃為“非合金鋼”，與我國(guó)歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前途不適應(yīng)。21三、合金鋼分類(lèi)1、按質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)(1)優(yōu)質(zhì)鋼：結(jié)構(gòu)鋼：S≤0.045%，P≤0.040%。工具鋼：S≤0.030%，P≤0.035%。(2)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S≤0.020%，P≤0.030%。注：非合金鋼，低合金鋼中還含普通質(zhì)量鋼。2223(3)按加熱和冷卻時(shí)有無(wú)相變及室溫組織分類(lèi)鐵素體鋼：加熱和冷卻時(shí)始終為鐵素體。奧氏體鋼：加熱和冷卻時(shí)始終為奧氏體。24半鐵素體鋼：加熱和冷卻時(shí)，只有部分發(fā)生α/γ相變，其它部分始終保持鐵素體。半奧氏體鋼：加熱和冷卻時(shí)，只有部分發(fā)生α/γ相變，其它部分始終保持奧氏體。25

3、按合金元素總量分類(lèi)低合金：總量<5%

中合金：總量5～10%

高合金：總量>10%

264、按用途分類(lèi)(1)結(jié)構(gòu)鋼工程結(jié)構(gòu)用合金鋼機(jī)械制造用合金鋼(2)工具鋼(3)不銹鋼、耐熱鋼

27四、合金鋼和低合金鋼編號(hào)方法編號(hào)方法：碳含量＋合金元素種類(lèi)和數(shù)量＋質(zhì)量碳含量：區(qū)分不同鋼種的主要標(biāo)志。

281、合金元素種類(lèi)和數(shù)量：種類(lèi)：用化學(xué)符號(hào)表示數(shù)量：<1.5%，不表示

1.5～2.5%，用2表示

2.5～3.5%，用3表示（以下類(lèi)推）2、質(zhì)量：高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼加A，其余不表示。293、碳含量：不同鋼種有不同表示方法（區(qū)分不同鋼種的主要標(biāo)志）(1)低合金鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼

如：40Cr，42CrMo，09CuPTi，15MnVN，15MnVB。①含C量以0.01%為單位，用兩位數(shù)字表示。30②有時(shí)兩個(gè)鋼種，其中一個(gè)主要合金元素含量不同，但都小于1.5%，其余成分相同，此時(shí)含量較高的在元素后面標(biāo)“1”來(lái)加以區(qū)別。

如:12CrMoV，Cr：0.4～0.6%12Cr1MoV，Cr：0.9～1.2%31

(2)軸承鋼①前面標(biāo)以G，表示滾動(dòng)軸承鋼。

如：GCr15，GCr15SiMn，GCr9。②含C量≥1%，故不表示。③含Cr量以0.1%為單位，其余合金元素方法不變。32(3)不銹、耐蝕和耐熱鋼①含碳量以0.1%為單位。如：1Cr13，2Cr13。0：≤0.08%；00：≤0.03%。如：0Cr18Ni9，00Cr18Ni10。

②含碳量很低時(shí)，用0，00表示。33(4)工具鋼①含碳量以0.1%為單位，用1位數(shù)字表示。當(dāng)≥1%時(shí)不表示。如：9CrSi，CrWMn。②含Cr量低于1%的鉻合金工具鋼，Cr含量以0.1%為單位，并在前面加一個(gè)“0”字表示。如：Cr06,Cr,Cr2。34③高速鋼含碳量小于1％時(shí)，通常也不標(biāo)注含碳量。

如：W18Cr4V：含碳量0.7-0.8%W6Mo5Cr4V2：含碳量0.8-0.9%

合金元素相同，含碳量不同的要標(biāo)注含碳量，如9W18Cr4V。35第一章鋼中的合金元素

36§1－1鐵基固溶體鐵基固溶體：鐵素體（F）；奧氏體（A）。一、合金元素對(duì)鐵基固溶體的影響1、奧氏體形成元素使A3溫度下降，A4溫度上升，擴(kuò)大γ相區(qū)。37(1)開(kāi)啟γ相區(qū)：

Mn，Co，Ni：與γ－Fe可以無(wú)限固溶。

Ni含量高時(shí)，可使γ穩(wěn)定到室溫。(2)擴(kuò)大γ相區(qū)：

C，N，Cu：與γ－Fe有限固溶。38

2、鐵素體形成元素使A3溫度上升，A4溫度下降，縮小γ相區(qū)。

(1)封閉γ相區(qū)

V，Cr，Ti，W，Mo，Al，PA3和A4在一定濃度時(shí)匯合形成γ圈。

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Cr，V：與α－Fe無(wú)限固溶；其余元素為有限固溶。(2)縮小γ相區(qū)

B，Zr，Nb，S：出現(xiàn)了金屬間化合物，破壞了γ圈。

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3.熱力學(xué)討論用Cα，Cγ分別表示在溫度T時(shí)某元素在α相和γ相的平衡濃度，在平衡狀態(tài)下得：41△H：熱焓的變化△H＝Hγ－HαHγ、Hα：?jiǎn)挝蝗苜|(zhì)元素溶于γ相、α相的溶解熱。鐵素體形成元素：

Hα<Hγ，△H>0，Cα>Cγ。奧氏體形成元素：

Hα>Hγ，△H<0，Cα<Cγ。42二、合金元素在鐵基固溶體中的溶解度1、間隙固溶體：

γ－Fe中間隙尺寸大，故溶解度較大。2、置換固溶體：鐵素體形成元素在γ－Fe中溶解度小；在α－Fe中大。奧氏體形成元素在α－Fe中溶解度?。辉讦茫璅e中大。43影響置換固溶體溶解度的因素：

(1)尺寸因素：△d：<8～10%，無(wú)限溶解

(2)晶體結(jié)構(gòu)因素：

(3)化學(xué)親和力因素：負(fù)電性差△x<0.4～0.5，有利于形成固溶體。

(4)電子軌道因素44說(shuō)明：1.Nb,Zr在α－Fe和γ－Fe中的溶解度都較小，并且后者比前者稍大。

Nb：1.8%(α)2.0%(γ)Zr：0.3%(α)0.7%(γ)2.B原子半徑為0.97A

，在α－Fe和γ－Fe中的溶解度都非常小。

0.008%(α)0.018%(γ)45§1－2合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用一、相互作用合金元素和雜質(zhì)元素在晶體缺陷處偏聚。

1、晶界內(nèi)吸附（晶界偏聚）：溶質(zhì)原子在晶界、相界、亞晶界等處的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在基體中的平均濃度。462.柯垂耳氣團(tuán)溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處的吸附。3.鈴木氣團(tuán)溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處的吸附。47二、產(chǎn)生相互作用的原因溶質(zhì)原子在完整晶體內(nèi)引起的畸變能很大。因此，溶質(zhì)原子在晶體缺陷處偏聚，可使點(diǎn)陣畸變松弛，從而降低系統(tǒng)的內(nèi)能。48三、影響相互作用的因素

Cg：溶質(zhì)原子在缺陷區(qū)的吸附濃度。

C0：溶質(zhì)原子在基體晶格內(nèi)的濃度。

Q：畸變能之差。單位溶質(zhì)原子在晶格未畸變區(qū)和晶體缺陷處引起的畸變能之差。491.畸變能差（Q）

Q↑→Cg/C0↑，偏聚嚴(yán)重。Nb：原子半徑和Fe相差大，在鐵素體和奧氏體中均在晶界和位錯(cuò)處強(qiáng)烈富集。如在層錯(cuò)富集析出NbC沉淀相。B：在550℃～950℃時(shí)在奧氏體晶界產(chǎn)生強(qiáng)烈的內(nèi)吸附。含0.001～0.005%時(shí)可顯著增加淬透性。502.溫度（T）

(1)溫度升高使偏聚濃度下降

T↑→Q/RT↓→Cg/C0↓（設(shè)Q不變）T↑→E↓→Q↓→Cg/C0↓51(2)低于臨界溫度時(shí)不發(fā)生顯著內(nèi)吸附不同原子都有一個(gè)發(fā)生顯著內(nèi)吸附的臨界溫度：H：0℃以下；C，N：室溫附近。P：350℃；Nb，Mo：500℃。

523.原始濃度（C0）

C0越低，產(chǎn)生顯著晶界偏聚的時(shí)間也越長(zhǎng)。4.多種溶質(zhì)原子之間的相互作用

(1)畸變能差大的元素優(yōu)先發(fā)生偏聚。

(2)影響晶界偏聚速度。

(3)影響在晶界的溶解度。

(4)發(fā)生共偏聚。5354§1－3鋼中碳化物形成規(guī)律一、合金元素與鋼中碳的相互作用1.非碳化物形成元素在鋼中不與碳結(jié)合形成碳化物。

Co，Ni，Cu，Al，Si，P，S，N等2.碳化物形成元素在鋼中可以與碳結(jié)合形成碳化物。55

3．碳化物的穩(wěn)定性碳化物穩(wěn)定性越高，其硬度、熔點(diǎn)也越高，晶體結(jié)構(gòu)也越簡(jiǎn)單。強(qiáng)碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V。中強(qiáng)碳化物形成元素：W，Mo，Cr。弱碳化物形成元素：Mn。56二、碳化物的結(jié)構(gòu)間隙相

(1)形成面心立方點(diǎn)陣的碳化物（Ti，Zr，Nb，V）

MC型：TiC，ZrC，NbC，VC。

(2)形成六方點(diǎn)陣的碳化物（W，Mo）

MC型：簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣。WC，MoC。

M2C型：密排六方點(diǎn)陣。W2C，Mo2C。572.間隙化合物

rC/rM>0.59，形成復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物

(1)復(fù)雜立方點(diǎn)陣：（Cr，Mn）

M23C6型：Cr23C6，Mn23C6。

(2)復(fù)雜六方點(diǎn)陣（Cr，Mn）

M7C3型：Cr7C3，Mn7C3。

(3)正交晶系點(diǎn)陣

M3C型：Mn3C，F(xiàn)e3C。583.三元碳化物

（W、Mo）－Fe－C，均為間隙化合物。

(1)復(fù)雜立方點(diǎn)陣(M6C型碳化物)

Fe3W3C，F(xiàn)e4W2C，F(xiàn)e3Mo3C，F(xiàn)e4Mo2C，(2)復(fù)雜立方點(diǎn)陣(M23C6型碳化物)Fe21W2C6，F(xiàn)e21Mo2C6。59三、碳化物的相互溶解1.完全互溶

只能發(fā)生在同類(lèi)碳化物形成元素的相同晶格類(lèi)型的碳化物之間。

除了ZrC和VC之間因原子尺寸相差大，不能完全互溶外，其余碳化物之間均可完全互溶。(1)Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物60

(2)W和Mo形成的碳化物相同結(jié)構(gòu)的碳化物之間可完全互溶。

(3)Fe和Mn形成的碳化物

Fe3C和Mn3C之間可完全互溶。612.有限互溶(1)Fe3C中：可溶解一定量的Cr，Mo，W，V等，形成合金滲碳體。超過(guò)溶解度后，將由合金滲碳體變?yōu)樘厥馓蓟铩?/p>

(2)Cr的碳化物中：可溶解一定量的Fe，Mn，Mo，W，V等。

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(3)W和Mo的碳化物中：可溶解較多的Cr。

(4)Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物中：可溶解較多的W和Mo，可溶解較少量的Cr，Mn。6364(2)較弱的碳化物形成元素溶入較強(qiáng)的碳化物中，可降低其穩(wěn)定性。如15MnV鋼，形成的（V，Mn）C穩(wěn)定性比VC低，溶入奧氏體中的溫度也隨之降低，當(dāng)Mn=1.47%時(shí)，由1100℃降至900℃。6566五、鋼中的碳化物1.強(qiáng)碳化物形成元素即使在鋼中含量很低（<0.1%）時(shí)，也要優(yōu)先形成MC型碳化物。2.中強(qiáng)碳化物形成元素在鋼中含量較高時(shí)，可形成特殊碳化物;含量較低時(shí)只能溶入Fe3C中，形成合金滲碳體。3.弱碳化物形成元素Mn在鋼中只形成合金滲碳體。67§1－4鋼中的氮化物一、鋼中氮的來(lái)源1.冶煉時(shí)來(lái)自大氣中的氮。2.作為合金元素加入鋼中的氮。3.表面滲氮。68二、鋼中氮化物的結(jié)構(gòu)1.過(guò)渡族金屬的氮化物

rC/rM<0.59,均為間隙相。

(1)面心立方點(diǎn)陣的氮化物

TiN，NbN，ZrN，VN，Mo2N，W2N，CrN，MnN，γ－Fe4N，ε－Mn2N。

(2)密排六方點(diǎn)陣的氮化物

WN，MoN，Nb2N，Cr2N，Mn2N。692、鋁的氮化物

AlN：正常價(jià)非金屬化合物，密排六方點(diǎn)陣。三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物如含Ti鋼中，可形成Ti(C，N)。TiN為金黃色，Ti（C，N）的顏色隨含碳量增加由桔紅變?yōu)樽仙?0四、氮化物的穩(wěn)定性1.強(qiáng)氮化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V

幾乎不溶于奧氏體。2.中強(qiáng)氮化物形成元素：W，Mo

穩(wěn)定性較高。3.弱氮化物形成元素：Cr，Mn，F(xiàn)e

高溫時(shí)溶于奧氏體，低溫時(shí)析出。4.AlN：穩(wěn)定性很高。71五、氮化物的作用1.細(xì)化晶粒2.提高表面耐磨性和疲勞強(qiáng)度3.提高表面耐蝕性72§1－5鋼中的硼化物一、鋼中硼的來(lái)源1.作為合金元素加入微硼鋼(0.001～0.005%B)：提高淬透性。高硼鋼(0.1～4.5%B)：吸收中子，用于核反應(yīng)堆。2.表面滲硼73二、鋼中硼化物的結(jié)構(gòu)1.Fe2B(1)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

(2)硬度較高，HV1200～1700。

(3)在高硼鋼中存在，表面滲硼時(shí)也可獲得。

742.FeB(1)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

(2)硬度高，HV1800～2000，脆性大。

(3)表面滲硼時(shí)在滲層表面得到。

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3.Fe23（C，B）6(1)碳硼化物，其結(jié)構(gòu)和Cr23C6相同。

(2)在微硼鋼中出現(xiàn)，一般位于晶界，使鋼脆性增大，形成硼脆。

(3)可溶入其他元素，形成復(fù)雜硼化物。76§1－6鋼中的金屬間化合物一、σ相1.σ相為正方晶系，a=b≠c。單位晶胞有30個(gè)原子。2.二元系中σ相的形成條件

(1)原子尺寸相差不大，△d<12%。

(2)平均族數(shù)在5.7～7.6范圍內(nèi)。773、第三種元素會(huì)影響σ相形成的濃度和溫度范圍如FeCr相，在820℃以下穩(wěn)定。加入Ni把穩(wěn)定溫度提高到850℃。加入Si把穩(wěn)定溫度提高到900～950℃。加入Mn，Mo把穩(wěn)定溫度提高到1000℃。78

4、在高Cr，高Cr、Ni的不銹鋼，耐熱鋼中出現(xiàn)σ相。因?yàn)棣蚁嘤捕群芨?，使鋼的塑性、韌性顯著下降，脆性增加。當(dāng)σ相沿晶界形成網(wǎng)狀時(shí)，更為嚴(yán)重。79二、AB2相（拉維斯相）1.合金鋼中出現(xiàn)的AB2相主要是復(fù)雜六方點(diǎn)陣的MgZn2型。如MoFe2，WFe2，NbFe2，TiFe2。2.多元合金鋼中出現(xiàn)復(fù)合的AB2相，尺寸較小的Cr，Mn，Ni可置換Fe，尺寸較大的W，Mo，Nb處于A的位置。3.耐熱鋼和馬氏體沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)化相。80三、AB3相（有序相）1.鋼和合金中使用著相當(dāng)數(shù)量的有序相一部分有序相接近無(wú)序固溶體。另一部分有序相的有序狀態(tài)可保持到熔點(diǎn)。2.Ni3Al是耐熱鋼和耐熱合金中重要的強(qiáng)化相81§1－7合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響一、合金元素對(duì)臨界點(diǎn)的影響

1、對(duì)S，E點(diǎn)成分的影響合金元素使S，E點(diǎn)向左移動(dòng)，使S，E點(diǎn)碳含量下降。亞共析鋼平衡組織中珠光體增多。82

當(dāng)合金元素含量高時(shí)，對(duì)鋼的組織影響很大：如：3Cr13：0.3%C、13%Cr，組織為共析鋼。

4Cr13：0.4%C、13%Cr，組織為過(guò)共析鋼。如：W18Cr4V：0.7-0.8%C，組織中有大量萊氏體存在。832.對(duì)A1，A3點(diǎn)的影響奧氏體形成元素：使A1，A3點(diǎn)下降。鐵素體形成元素：使A1，A3點(diǎn)上升。84二、對(duì)奧氏體相區(qū)的影響1、擴(kuò)大或縮小奧氏體相區(qū)2、奧氏體鋼鎳、錳含量高的鋼，可以使奧氏體穩(wěn)定到室溫，成為室溫組織。3、鐵素體鋼鉻含量高的鋼，奧氏體相區(qū)完全消失，使鐵素體成為高溫組織。85§1－8合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響一、合金元素對(duì)奧氏體形成的影響

γ相的形成依賴(lài)于碳化物的溶解和碳的擴(kuò)散。強(qiáng)和中強(qiáng)碳化物形成元素阻礙奧氏體形成(1)形成特殊碳化物或合金滲碳體，穩(wěn)定性比Fe3C高，難以溶解。(2)增加碳的擴(kuò)散激活能，阻礙碳擴(kuò)散。

862.弱碳化物形成元素錳，對(duì)奧氏體形成影響不大。3.非碳化物形成元素Ni，Co促進(jìn)奧氏體形成。降低碳的擴(kuò)散激活能，促進(jìn)碳的擴(kuò)散。87二、合金元素對(duì)奧氏體成分均勻化的影響1.奧氏體形成時(shí)，奧氏體中碳化物形成元素和碳的分布不均勻。2.碳化物形成元素均勻化是奧氏體成分均勻化的控制因素。碳化物形成元素?cái)U(kuò)散系數(shù)小。碳化物形成元素對(duì)碳有吸引力。88三、合金元素對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響1.V，Ti，Nb，Zr，Al強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。2.C，P，Mn（高碳）促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大

C，P在γ晶界內(nèi)吸附，改變了晶界原子擴(kuò)散激活能。錳促進(jìn)碳的擴(kuò)散89§1－9合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響V，Ti，Nb，Zr，W，Mo：強(qiáng)烈推遲P轉(zhuǎn)變，P轉(zhuǎn)變溫度上升。推遲B轉(zhuǎn)變較少，B轉(zhuǎn)變溫度下降。Cr，Mn：強(qiáng)烈推遲P轉(zhuǎn)變，推遲B轉(zhuǎn)變更顯著。

B轉(zhuǎn)變溫度下降。90

Si：推遲B轉(zhuǎn)變更顯著。Ni：推遲P轉(zhuǎn)變更顯著。

91一、合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的影響

γ→P（α＋K）

Fe：擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變重建晶格。

C，Me：擴(kuò)散重新分布。1.合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)碳化物形成的影響

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(1)碳化物中合金元素的含量碳化物形成元素在特殊碳化物和合金滲碳體中的含量遠(yuǎn)高于奧氏體中的平均含量。非碳化物形成元素Si，Al不存在于碳化物中，只存在于α相中。93(2)合金元素的影響合金元素在形成碳化物時(shí)要重新分配，而合金元素的擴(kuò)散系數(shù)比碳小5個(gè)數(shù)量級(jí)，因而大大推遲碳化物的形成，故推遲珠光體轉(zhuǎn)變。942.合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)γ→α轉(zhuǎn)變的影響

(1)γ→α轉(zhuǎn)變是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，受α相形核功和Fe自擴(kuò)散激活能的控制。

(2)合金元素的影響

Mn，Ni：增加α相形核功，在過(guò)冷度小時(shí)作用顯著。95Cr，Mo，W，Si：增加Fe自擴(kuò)散激活能，在過(guò)冷度大時(shí)作用顯著。以上兩類(lèi)元素同時(shí)加入時(shí)，作用顯著增加。如8.5%Cr：孕育期60s。＋2.5%Ni：孕育期20min。＋5%Co：孕育期7min。963.合金元素對(duì)先共析鐵素體析出的影響

(1)碳的擴(kuò)散是先共析鐵素體析出的控制因素

γ相中析出先共析α?xí)r，C原子要從相界面向γ相中擴(kuò)散，由于擴(kuò)散距離長(zhǎng)，所以碳的擴(kuò)散已成為先共析α析出的控制因素。97

(2)W，Mo，Cr等中強(qiáng)碳化物形成元素阻礙碳的擴(kuò)散，因而推遲先共析鐵素體的析出。4.相間沉淀(1)形態(tài)含V，Ti，Nb，W，Mo，Cr等亞共析鋼中，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時(shí)，特殊碳化物在鐵素體中呈平行列狀分布。98

(2)形成機(jī)理當(dāng)γ／α相界面前沿γ相中碳原子濃度達(dá)到臨界值后，特殊碳化物在相界面形核析出。因碳化物在γ／α相界面析出，故稱(chēng)為相間沉淀。5.合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的綜合作用99100B：產(chǎn)生內(nèi)吸附，降低奧氏體晶界能?！钔七t低碳鋼作用顯著?！钔七t先共析鐵素體開(kāi)始析出時(shí)間，對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變終了時(shí)間影響不大。

1011.多元合金化

采用多種合金元素，發(fā)揮各自不同的作用，大大提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。

35CrMe:1.75%F-P孕育期20S35CrMoMe:1.38%F-P孕育期35S40CrNiMoMe:3.25%F-P孕育期500S18Cr2Ni4MoMe:6.34%500-700℃不發(fā)生P轉(zhuǎn)變1022.SiMnMoV系列鋼采用中國(guó)富產(chǎn)的合金元素Mo、V，研制的系列鋼種,用于替代Cr，Ni鋼，得到廣泛使用。如:35SiMn2MoV55SiMnMoV103二、合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響γ→α＋K半擴(kuò)散轉(zhuǎn)變：

C：擴(kuò)散重新分布。

Me：不擴(kuò)散。

Fe：切變重組晶格。轉(zhuǎn)變的控制因素：

C的擴(kuò)散

γ→α轉(zhuǎn)變的形核功1041.Cr，Mn，Ni：降低γ相的自由能，因而增加了α相形核功，減慢γ→α轉(zhuǎn)變，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變。2.W，Mo，V，Ti：增加C在γ相中的擴(kuò)散激活能，降低擴(kuò)散系數(shù)，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變，但作用比Cr，Mn，Ni小。1053.以上兩類(lèi)元素均降低Bs點(diǎn)，含量高時(shí)會(huì)在貝氏體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變之間出現(xiàn)一個(gè)過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定區(qū)。4.W、Mo、V、Ti推遲B轉(zhuǎn)變的作用比推遲P轉(zhuǎn)變作用弱，在空冷時(shí)易獲得貝氏體組織。106三、合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響特點(diǎn)：非擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，合金元素對(duì)Ms，Mf及馬氏體精細(xì)結(jié)構(gòu)有影響。1.對(duì)Ms點(diǎn)的影響降低Ms：C最強(qiáng)烈，

Mn，Cr，Ni次之，

V，Mo，W，Si再次之。升高M(jìn)s：Co，Al。107

2.對(duì)殘余奧氏體的影響

Ms點(diǎn)越低，室溫中殘余奧氏體越多。3.對(duì)馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)的影響合金元素一般都增加形成孿晶馬氏體的傾向。108一、合金元素對(duì)馬氏體分解的影響馬氏體分解：M→C在晶體缺陷處偏聚→α（0.25%C）＋ε－FexC→α＋Fe3C1.碳化物形成元素阻礙馬氏體分解，提高馬氏體分解溫度。原因：和碳有強(qiáng)烈的相互吸引作用1092.非碳化物形成元素Si，Al，明顯阻礙馬氏體分解

Si：可由260℃提高到350℃。原因：ε－FexC中可以含Si，為鋼中平均含量，所以不需要發(fā)生擴(kuò)散。而Fe3C中不含Si，故必須發(fā)生Si的擴(kuò)散才能形成Fe3C。（即馬氏體分解）110111112原因：(1)殘留奧氏體在加熱時(shí)析出部分碳化物，使殘留奧氏體中碳和合金元素含量降低，Ms點(diǎn)升高，冷卻時(shí)發(fā)生馬氏體相變。

(2)殘留奧氏體并未析出碳化物，而是發(fā)生反穩(wěn)定現(xiàn)象，使Ms上升，冷卻時(shí)發(fā)生馬氏體相變。作用：用以消除高速鋼，高合金模具鋼等鋼種的殘留奧氏體。113三、合金元素對(duì)碳化物析出的影響1.碳化物形成元素提高了形成合金滲碳體的溫度。Me在α相中開(kāi)始顯著擴(kuò)散的溫度：

Mn：350℃，Cr：400－450℃，

Mo：500℃，W，V：500－550℃。

114

2.強(qiáng)和中強(qiáng)碳化物形成元素阻礙合金滲碳體的聚集和長(zhǎng)大

(1)增加合金滲碳體的穩(wěn)定性，減慢了溶解。

(2)增加C在α相的擴(kuò)散激活能，減慢碳的擴(kuò)散。1153.強(qiáng)和中強(qiáng)碳化物形成元素在鋼中M/C較高時(shí)，能析出特殊碳化物。

(1)原位析出（Cr）合金滲碳體中碳化物形成元素發(fā)生富集，當(dāng)濃度超過(guò)溶解度時(shí)，其點(diǎn)陣改組為特殊碳化物的點(diǎn)陣。原位析出時(shí)，通常碳化物顆粒較粗大，(由于原始合金滲碳體較粗大）彌散硬化作用較弱。116

(2)異位析出（W，Mo，V，Ti，Nb）合金滲碳體中碳化物形成元素濃度超過(guò)溶解度后，合金滲碳體向α相基體溶解，特殊碳化物直接從α相中析出。異位析出時(shí)，由于碳化物顆粒細(xì)小，且與基體共格，有彌散硬化作用，硬度反而上升。117118

119第二章工程結(jié)構(gòu)鋼120使用條件：用于制造橋梁、船體、建筑鋼結(jié)構(gòu)、管道、鍋爐、高壓容器、車(chē)輛、油井架或礦井架及海上勘采設(shè)備等工程結(jié)構(gòu)件。

121性能要求：1、高的強(qiáng)度。2、良好的塑性。3、沖擊韌性好。（一定的常溫沖擊韌性；盡可能低的脆性轉(zhuǎn)變溫度；低的時(shí)效敏感性）4、良好的可焊性。122§2－1工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化一、工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化1、固溶強(qiáng)化合金元素溶入鐵素體，提高鐵素體的強(qiáng)度和硬度。

Mn，Si：起主要作用。1%Mn：35MPa;1%Si：90Mpa。1232、細(xì)晶強(qiáng)化(1)強(qiáng)碳化物形成元素（V，Ti，Nb）和Al細(xì)化奧氏體晶粒。①未溶碳、氮化物顆粒釘扎奧氏體晶界。作用大?。篢i＞Nb＞Al＞V②固溶的Nb、Al偏聚在奧氏體晶界，阻止晶界運(yùn)動(dòng)。(2)Cr，Mn，Ni增加過(guò)冷奧氏體的過(guò)冷能力，降低相變溫度，細(xì)化鐵素體和珠光體。1243、沉淀強(qiáng)化固溶于奧氏體中的V，Ti，Nb，發(fā)生相間沉淀和在鐵素體中析出極細(xì)小的碳化物顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用。(1)產(chǎn)生原因

V，Ti，Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，有優(yōu)先形成碳化物的特性。

V，Ti，Nb在奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體時(shí)溶解度急劇下降。125(2)形態(tài)相間沉淀：在α／γ相界面析出。紊亂分布：在鐵素體內(nèi)位錯(cuò)線和基體上析出。1264、增加珠光體數(shù)量

(1)合金元素增加珠光體數(shù)量，使抗拉強(qiáng)度增加。

(2)含碳量小于0.1%時(shí)，珠光體數(shù)量對(duì)屈服強(qiáng)度無(wú)影響。

(3)珠光體對(duì)塑性、韌性產(chǎn)生不利影響。不采用增加碳含量來(lái)提高強(qiáng)度。

(4)發(fā)展無(wú)珠光體鋼，滿(mǎn)足焊接、深沖、耐低溫等要求。127二、鐵素體－珠光體組織的冷脆性

1、碳含量隨碳含量增加，珠光體數(shù)量增加，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

2、Mn、Ni、Cr

降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。

128Mn：常用元素。

>1.5%時(shí)，產(chǎn)生非鐵素體組織，明顯降低韌性。

Ni：對(duì)耐低溫鋼尤其重要。

Cr：含量較低時(shí)提高韌性。3、P、Si

明顯降低沖擊韌性，升高韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。129

4、N

固溶于鐵素體時(shí)可明顯降低沖擊韌性，升高韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，并產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效。加鋁、鈦，生成穩(wěn)定的氮化物，可固定氮，并細(xì)化晶粒，降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。1305、V，Ti，Nb

產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化可以補(bǔ)償彌散強(qiáng)化對(duì)韌性的損害。

6、非金屬夾雜物

MnS夾雜塑性好，沿形變方向呈條帶狀分布，降低橫向沖擊韌性。加稀土元素可形成球狀?yuàn)A雜物，使橫向與縱向沖擊韌性趨于一致。131三、工程結(jié)構(gòu)鋼的焊接性1、可焊性在簡(jiǎn)單可行的焊接工藝條件下，鋼材焊接后不產(chǎn)生裂紋，并獲得良好的焊縫區(qū)性能。2、熱影響區(qū)由于焊后冷卻速度快，易得到馬氏體組織，內(nèi)應(yīng)力大，產(chǎn)生裂紋。1323、碳當(dāng)量要求：CE不大于0.4-0.5%。碳及合金元素的作用，反映了鋼的淬透性和淬硬性。四、工程結(jié)構(gòu)鋼的耐大氣腐蝕性能鋼中加入少量的銅、磷，提高鋼的耐大氣腐蝕性能。如：09CuPTi耐候鋼。133§2－2鐵素體-珠光體鋼一、碳素結(jié)構(gòu)鋼

1.編號(hào)

Q＋屈服點(diǎn)＋質(zhì)量等級(jí)＋脫氧

Q：表示屈服強(qiáng)度屈服點(diǎn)：分為5個(gè)等級(jí)：195，215，235，255，275（MPa）134質(zhì)量等級(jí)：分A，B，C，D四個(gè)等級(jí)，表示對(duì)沖擊試驗(yàn)的要求不一樣。A：不要求，B：20℃時(shí)≥27J。C：0℃時(shí)≥27J，D：－20℃≥27J。脫氧：鎮(zhèn)靜鋼：不表示。沸騰鋼：F；半鎮(zhèn)靜鋼：b。1352.特點(diǎn)：

(1)碳含量較低。0.06-0.38%C(2)熱軋態(tài)供貨，不需熱處理，組織為F＋P。

(3)S，P含量隨質(zhì)量等級(jí)提高而減少。3.用途主要用于工程結(jié)構(gòu)鋼。產(chǎn)量大。136137典型鋼種：16Mn345MPaMn：起固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒作用。15MnV390MPa增加V的微合金化，起細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用。15MnVN440MPa增加V，N復(fù)合微合金化，起細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用。138三、微合金鋼微合金鋼：在高強(qiáng)度低合金鋼中加入0.1%左右的V、Ti、Nb等合金元素。關(guān)鍵：采用控制軋制和控制冷卻的生產(chǎn)工藝，充分發(fā)揮微合金元素的細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用。139

軋制：加熱溫度高于1200℃,釩的碳、氮化物完全溶入奧氏體，鈮和鈦的碳、氮化物一部分溶入奧氏體，一部分未溶解。溶入奧氏體的V、Ti、Nb在軋制過(guò)程中析出，抑制再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大；在軋后的冷卻時(shí)繼續(xù)析出，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用。未溶的碳、氮化物阻止加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大。1401、抑制奧氏體形變?cè)俳Y(jié)晶。鈮作用最強(qiáng)，鈦?zhàn)饔么沃?，釩較弱。

(1)應(yīng)變誘導(dǎo)析出鈮、鈦、釩的氮化物，沉淀在晶界、亞晶界和位錯(cuò)上，阻礙晶界和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，抑制再結(jié)晶。

(2)固溶的鈮原子偏聚在奧氏體晶界，阻礙晶界運(yùn)動(dòng)。1412、阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大每一道次軋制奧氏體再結(jié)晶完成后，就要發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。鈦、鈮、釩的氮化物顆粒能阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大。3、沉淀強(qiáng)化釩：析出VC的沉淀強(qiáng)化效果非常顯著。鈮：≥0.04%，沉淀強(qiáng)化顯著。142

4、細(xì)化鐵素體組織

(1)固溶在奧氏體中的鈮、釩提高了奧氏體的穩(wěn)定性，降低相變溫度。

(2)細(xì)小的奧氏體和未再結(jié)晶的形變奧氏體增加了鐵素體形核數(shù)量。鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼，屈服強(qiáng)度的極限為440Mpa,超過(guò)此強(qiáng)度需采用其他強(qiáng)化措施。1431443、合金化以0.5%Mo，或0.5%Mo+B為基礎(chǔ)，同時(shí)加入Mn，Cr，Ni及V，Ti，Nb。(1)Mo，B：保證空冷條件下獲得貝氏體組織。原因：強(qiáng)烈推遲先共析鐵素體析出和珠光體轉(zhuǎn)變。145(2)Cr，Ni，Mn：增加淬透性，使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，便于得到下貝氏體組織，具有更低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。(3)V，Ti，Nb：細(xì)化晶粒，彌散強(qiáng)化。146147二、針狀鐵素體鋼1、化學(xué)成分實(shí)質(zhì)上屬于低碳或超低碳貝氏體鋼。典型鋼種：C<0.1%，Mn（1.2-2.0%），Mo（0.2-0.6%），Nb（0.04-0.06%）。有時(shí)還加0.06%V，0.01%Ti。1482、顯微組織具有高位錯(cuò)密度亞結(jié)構(gòu)和彌散沉淀相的細(xì)晶粒的針狀鐵素體。

1493、強(qiáng)化機(jī)制(1)細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)小的鐵素體晶粒。(2)位錯(cuò)強(qiáng)化：鐵素體內(nèi)切變形成的高密度位錯(cuò)。(3)沉淀強(qiáng)化：Nb(C,N)，VC沉淀相。(4)固溶強(qiáng)化：鐵素體中固溶的碳和合金元素。150

4、典型鋼種

09MnMoVNb：σs≥470MPa，δ≥20%，-15℃沖擊韌性≥90J。采用控制軋制和控制冷卻。用于制造寒冷地區(qū)的輸油管線。

151三、低碳馬氏體鋼

1、性能強(qiáng)度高，σb可達(dá)1000Mpa；韌性好；焊接性好。

2、顯微組織以低碳馬氏體為主。1523、合金化

(1)碳含量：低碳。(2)合金元素：Mn、Cr、Mo、Nb、V、B。提高淬透性，防止鐵素體析出和珠光體轉(zhuǎn)變。153154四、雙相鋼1、特點(diǎn)金相組織是由70－80%的細(xì)晶多邊狀鐵素體和20－30%的馬氏體組成，后者以小島態(tài)或纖維狀均勻分布在鐵素體基體上。2.性能具有優(yōu)良的深沖性能，是F，F(xiàn)+P類(lèi)型低合金鋼不能滿(mǎn)足的。155

(1)σs下降，δ上升。（碳含量低，鐵素體占80%）

(2)σb上升（20%的馬氏體）（鐵素體的加工硬化）

(3)均勻延伸提高，塑性應(yīng)變比上升。（與島狀馬氏體的形態(tài)分布有關(guān)）1563.熱處理雙相鋼加熱：α＋γ雙相區(qū)。（740℃－800℃）冷卻：空冷時(shí)島狀γ因C和合金元素含量高，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

157

4.熱軋雙相鋼熱軋冷卻時(shí)先析出80%以上的鐵素體，未轉(zhuǎn)變的奧氏體因C和合金元素含量高，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。158§2－4工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點(diǎn)一、冶煉工藝

1、氧氣煉鋼可降低鋼中的含氮量。1592、鋁終脫氧(1)脫氧充分，含氧量低。(2)保證Ti、Nb、V的收得率。(3)形成AlN，固定鋼中的氮，減少應(yīng)變時(shí)效，細(xì)化晶粒。1603、控制MnS夾雜(1)采取脫硫措施，降低含硫量。(2)加入稀土元素，生成難以變形的復(fù)合硫化物。

161162二、控制軋制和控制冷卻

1、傳統(tǒng)控制軋制(1)特點(diǎn)：控制道次壓下量。(2)950℃以上，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。(3)950℃以下，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶或回復(fù)。(4)鐵素體在形變奧氏體的晶界和晶內(nèi)形變帶上形核，細(xì)化鐵素體。(5)缺點(diǎn)：終軋溫度低，軋機(jī)負(fù)荷大。1632、再結(jié)晶控制軋制(1)特點(diǎn)：以TiN阻止奧氏體晶粒粗化，以V(C,N)為沉淀強(qiáng)化相。(2)含鈦量控制在0.01-0.02%，保證鋼液凝固后從奧氏體中析出彌散分布的TiN，能抑制高溫形變后再結(jié)晶奧氏體的粗化，經(jīng)多道形變細(xì)化奧氏體。

164(3)終軋溫度高于950℃，V(C,N)在奧氏體中無(wú)應(yīng)變誘導(dǎo)析出，而在低溫下發(fā)生相間沉淀和從鐵素體中析出，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。(4)優(yōu)點(diǎn)：軋機(jī)負(fù)荷低。鋼材焊接性好。165

3、控制冷卻(1)增大冷卻速度，細(xì)化鐵素體和珠光體。(2)降低相變溫度，細(xì)化沉淀相尺寸。(3)采用強(qiáng)制風(fēng)冷、噴霧、噴水等措施。166第三章機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼167特點(diǎn)：制造各種機(jī)械零件，如汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)床、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、電站設(shè)備等機(jī)器上的軸、齒輪、連桿、彈簧、緊固件等。成分：

C：0.08－0.65% Me：通常合金元素含量不超過(guò)5%。168質(zhì)量：一般為優(yōu)質(zhì)鋼，少數(shù)為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。按用途分類(lèi)：調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、軸承鋼、滲碳鋼、氮化鋼、彈簧鋼、易切削鋼等。169§3-1結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與韌性一、結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化1、加工硬化τ＝τ0＋αGbρ1/2途徑：冷形變；相變過(guò)程中的切變。170171172173174175

高碳冷拉鋼絲：σb3000-4000MPa900－950℃奧氏體化，500℃鉛浴形成細(xì)珠光體，冷拔量達(dá)到90%。強(qiáng)度來(lái)源：加工硬化。彌散強(qiáng)化（碎化的滲碳體）。176二、結(jié)構(gòu)鋼韌性1、韌性指標(biāo)(1)沖擊韌性(2)韌-脆轉(zhuǎn)變溫度(3)斷裂韌性：高強(qiáng)度鋼中存在有微小的裂紋，當(dāng)裂紋尺寸增大到一定尺寸時(shí)，裂紋突然擴(kuò)展，零件發(fā)生脆斷。177二、結(jié)構(gòu)鋼的脆性斷裂1來(lái)自強(qiáng)化

σs↑，使塑性變形能力下降，脆斷傾向增加。2來(lái)自脆化生產(chǎn)、加工過(guò)程中產(chǎn)生了缺陷，σs不增加，而σf下降。178§3-2結(jié)構(gòu)鋼的淬透性一、淬透性對(duì)機(jī)械性能的影響1.組織和機(jī)械性能的關(guān)系對(duì)于碳鋼、Cr鋼、CrNi鋼、CrMnSi鋼當(dāng)HB<500時(shí)：σb≈1/3HB（kg/mm2），與組織無(wú)關(guān)。而σs/σb，σ－1，δ，Ak，脆轉(zhuǎn)溫度不僅與硬度有關(guān)，也與組織有關(guān)。179180181(4)對(duì)不同負(fù)荷的零件，有不同的淬透層要求。拉力、剪切力：全部馬氏體。彎曲、扭轉(zhuǎn)：表層有一定厚度的全馬氏體組織，心部馬氏體約占50%。

182183184185186187188

3、性能要求(1)良好的綜合機(jī)械性能

H＝HF+αS。H：調(diào)質(zhì)鋼硬度；HF：鐵素體硬度；α：系數(shù)；S：碳化物顆粒總面積。189

HF：取決于鐵素體晶粒大小和合金元素的固溶強(qiáng)化。

S：取決于碳化物總量和分散度。

S：太小，強(qiáng)度不夠。

S：太大，塑性、韌性不夠。190191192(1)增加淬透性；作用顯著：Mn，Mo，Cr，B。作用較小：Si，Ni，W，V。當(dāng)Cr＝1%，Ni=3%，淬透性顯著增加。

193194195三、合金元素對(duì)韌性的影響

1、錳含量為1%-1.5%時(shí)，提高韌性。

2、鎳提高韌性。

3、硅降低韌性。196四、常用調(diào)質(zhì)鋼1.低淬透性調(diào)質(zhì)鋼；油淬臨界直徑30-40mm。錳鋼：45Mn2，45Mn2V。硅錳鋼：42SiMn。硼鋼：50B，40MnB，40MnVB。鉻鋼：40Cr，38CrSi，40CrV。197

2.中淬透性調(diào)質(zhì)鋼；油淬臨界直徑40-60mm。鉻鉬鋼：42CrMo。鉻鎳鋼：40CrNi。錳鉬硼鋼：40MnMoB。鉻錳鋼：40CrMn，30CrMnSi。1983.高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。油淬臨界直徑大于60-100mm。

高鉻鎳鋼：37CrNi3，油淬200mm可淬透。鉻鎳鉬鋼：40CrNiMo。鉻錳鉬鋼：40CrMnMo。硅錳鉬釩鋼：35SiMn2MoV。1992002、強(qiáng)度強(qiáng)度來(lái)源：碳的固溶強(qiáng)化，沉淀強(qiáng)化，馬氏體相變的冷作硬化。強(qiáng)度與含碳量的關(guān)系如下所示：σb=2880×C+800（1700-2300MPa）

C>0.5%時(shí)，脆性急劇增加，工藝性能變壞，未見(jiàn)用于生產(chǎn)。2013、韌性(1)碳含量0.25%以下：為板條馬氏體，韌性好。0.25%以上：片狀馬氏體數(shù)量增加，韌性降低。(2)合金元素：Mn：1%；Cr：1.5%；Mo：0.5%；Ni：1-4%可提高韌性。(3)細(xì)化晶粒。V：0.05-0.20%202203二、低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼1、特點(diǎn)(1)高強(qiáng)度、塑性和韌性好，可替代調(diào)質(zhì)鋼。(2)和調(diào)質(zhì)鋼比，冷成型和焊接性好，熱處理脫碳傾向小，缺口敏感性低。2、合金化(1)含C量：0.15－0.25%C。204205206207208三、低合金超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼是自20世紀(jì)四十年代逐漸發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新型鋼種，主要用于航空航天，也可用于常規(guī)武器和高壓容器。超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，通常要求σb>1370MPa或σs>1245MPa。因?yàn)锳l合金的σb可達(dá)600MPa，而比重約為鋼的1/3。低合金超高強(qiáng)度鋼由調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展而來(lái)，利用馬氏體強(qiáng)化提高強(qiáng)度。209210211(3)細(xì)化奧氏體晶粒,改善塑性、韌性。

加入V，Nb。3、常用鋼種40CrNiMo

國(guó)外廣泛使用2122132144、缺點(diǎn)(1)使用溫度低；(2)耐蝕性差。

215§3-5高合金超高強(qiáng)度鋼一、特點(diǎn)航空和宇航工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋼的強(qiáng)度提出更高的要求。但是，如果繼續(xù)走以碳強(qiáng)化的道路，將無(wú)法克服碳帶來(lái)的嚴(yán)重脆性。馬氏體時(shí)效鋼放棄了以碳強(qiáng)化的途徑，采用超低碳，以時(shí)效析出的金屬間化合物產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度，是一個(gè)突破性的進(jìn)展。2161、不僅有高強(qiáng)度，而且有良好的塑性、韌性和缺口強(qiáng)度值。2、熱處理工藝簡(jiǎn)單。(1)不存在脫C問(wèn)題。(2)不需急冷，變形和開(kāi)裂傾向小。3、便于冷成形和切削加工，焊接。217二、強(qiáng)化機(jī)理馬氏體時(shí)效鋼是通過(guò)奧氏體－馬氏體－時(shí)效馬氏體的轉(zhuǎn)變獲得所需組織和性能。1、固溶強(qiáng)化合金元素溶入α-Fe產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化效果達(dá)150－250MPa，貢獻(xiàn)不大。

218(1)強(qiáng)化效率不高。(2)時(shí)效后固溶度下降。2、相變冷作硬化相變后馬氏體中有高密度位錯(cuò)。強(qiáng)化效果達(dá)500－600MPa。2193、時(shí)效強(qiáng)化彌散分布的時(shí)效相引起強(qiáng)化。強(qiáng)化效果達(dá)1100MPa，起主要作用。三、馬氏體時(shí)效鋼的化學(xué)成分1、超低碳：C≤0.03%。2、Ni作為主要合金元素220含量分為三個(gè)類(lèi)型，18%Ni，20%Ni，25%Ni。(1)保證高溫時(shí)得到單相奧氏體。因?yàn)闀r(shí)效強(qiáng)化元素均為鐵素體形成元素，所以要加入大量鎳。(2)保證足夠的淬透性，空冷時(shí)得到馬氏體。(3)析出金屬間化合物，產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用。2213、Ti，Al，Nb，Mo作為時(shí)效強(qiáng)化作用元素，析出Ni3Ti，Ni3Mo等，產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用。4、Co(1)保證高溫時(shí)得到單相奧氏體。(2)升高M(jìn)s點(diǎn)，減少殘余奧氏體。(3)增加時(shí)效強(qiáng)化效果，析出（Fe,Ni,Co）2Mo。222223224消除AR有兩種方法：①冷處理前時(shí)效在705℃保溫幾個(gè)小時(shí)，奧氏體中析出一部分金屬間化合物，奧氏體合金含量降低，Ms升高，隨后冷卻并進(jìn)行冷處理，奧氏體基本上可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。②冷加工變形進(jìn)行ε＝25%的冷變形，使Ms升高，再進(jìn)行冷處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。225§3－6軸承鋼的合金化一、滾動(dòng)軸承的工作條件1.受力狀況

(1)高的接觸應(yīng)力；

(2)交變負(fù)荷；

(3)摩擦；

(4)腐蝕作用。2262.破壞形式正常破壞形式是接觸疲勞破壞，其次是磨損使精度喪失。(1)在接觸表面下0.786b處產(chǎn)生疲勞裂紋。

b：滾動(dòng)體與套圈接觸帶的寬度。

227228

(2)疲勞裂紋的擴(kuò)展裂紋沿切應(yīng)力方向發(fā)展，擴(kuò)展方向與表面呈45°夾角，沿內(nèi)部組織、成分、應(yīng)力不均勻區(qū)延伸至表面。229230231(3)少量殘余奧氏體。少量殘余奧氏體可阻礙裂紋形成和擴(kuò)展。①吸收應(yīng)變能，減少應(yīng)力集中。②產(chǎn)生加工硬化和相變強(qiáng)化。殘余奧氏體過(guò)多會(huì)降低硬度和耐磨性，并影響尺寸穩(wěn)定性。2322334、高碳高鉻軸承鋼的化學(xué)成分GCr15在1901年面世，在國(guó)內(nèi)外廣泛使用，占總量90%以上。(1)1%C保證馬氏體的碳含量和未溶碳化物的數(shù)量。

234(2)1.5%Cr①提高淬透性。②形成細(xì)小顆粒、均勻分布的未溶碳化物。形成比較穩(wěn)定的（Fe，Cr）3C，加熱時(shí)溶解慢。3.Mo，Mn，Si，V：進(jìn)一步增加淬透性(大型軸承)235二、軸承鋼的冶金質(zhì)量軸承鋼由于冶金質(zhì)量缺陷造成的失效占65%，其疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展均與冶金質(zhì)量有關(guān)。對(duì)軸承鋼冶金質(zhì)量的要求是：純凈和組織均勻。純凈：雜質(zhì)元素和夾雜物含量要低。組織均勻：非金屬夾雜物和碳化物應(yīng)當(dāng)細(xì)小和均勻分布。2361、非金屬夾雜物(1)危害:破壞了金屬的連續(xù)性，在交變應(yīng)力作用下，易于引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，顯著降低疲勞壽命。(2)影響與數(shù)量、類(lèi)型、大小、形態(tài)和分布有關(guān)，需綜合考慮。237①雜物尺寸越大，危害也越大。<6-8μm，不影響疲勞壽命。>20-30μm，急劇降低疲勞壽命。②夾雜物的塑性及熱膨脹系數(shù)小，危害大。在相同尺寸大小情況下，危害大小程度順序?yàn)椋簞傆?、點(diǎn)狀?yuàn)A雜物、半塑性?shī)A雜物、塑性硅酸鹽。238239

☆熱膨脹系數(shù)：

夾雜物熱膨脹系數(shù)比基體小，冷卻時(shí)使基體產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。

③夾雜物的數(shù)量越多，壽命越低。Lgl=1.718-0.035×m-0.079×nl：壽命，百萬(wàn)轉(zhuǎn)數(shù)。240m：寬度>20μm的硅酸鹽夾雜物。n：寬度>20μm的剛玉夾雜物個(gè)數(shù)。④夾雜物的形態(tài)及分布形態(tài)：細(xì)條狀塑性?shī)A雜物危害較小，棱角鋒銳的脆性?shī)A雜物危害最大。分布：分布均勻危害小。241(3)消除①鋼液徹底脫氧，減少夾雜物。②使產(chǎn)生的夾雜物上浮。用Al脫氧，生成Al2O3界面張力大，上浮比Mn，Si脫氧快。③保留合適的殘余Al量。殘余0.02%Al時(shí)，夾雜物最少。

242243244245246247三、高碳鉻軸承鋼的熱處理248249②保溫時(shí)間

2-6h，依具體情況而定。③冷卻速度連續(xù)冷卻：20-30℃／h；等溫冷卻：700℃等溫2-4h；冷卻速度是控制碳化物彌散度的關(guān)鍵。冷速快：大量細(xì)密的碳化物。冷速慢：碳化物顆粒粗大。合適硬度：HB205-215。250251252253254255256§3-7滲碳鋼和氮化鋼一、滲碳鋼1、用途采用表面滲碳工藝，制作工作時(shí)受到周期性變化的扭轉(zhuǎn)或彎曲，并有相對(duì)摩擦和高的接觸應(yīng)力的工件。

2572583、合金化含量范圍：Si<1.2%；Mn<3.3%；Cr<2%；Ni<4%；Mo<0.6%；

W<1.2%；V<0.3%；Ti<0.12%；B<0.001-0.005%。(1)根據(jù)心部性能要求①含C量：0.10－0.25%C；低碳馬氏體保證高的強(qiáng)韌性259260(2)根據(jù)滲碳層性能要求①滲碳層表面有適宜的含碳量（0.8－1.05%C）Cr、Mo、W：增大鋼表面吸收碳原子的能力，增加滲層的碳濃度。但不能含量過(guò)高，避免鋼表面碳濃度過(guò)高。

Ni、Si、Mn：降低鋼表面吸收碳原子的能力，降低滲層的碳濃度。261②滲碳速度快Mn、Cr、Mo、W：促進(jìn)滲層厚度增加。（吸收C原子，表面C濃度增加，促進(jìn)C的擴(kuò)散）。Si、Ni：阻礙滲層厚度增加。（Si阻礙碳擴(kuò)散，Ni加速碳擴(kuò)散）③滲層中殘余奧氏體不能多Mn、Cr、Ni含量不能過(guò)高。2622632.中淬透性滲碳鋼

20CrMnTi：表層：奧氏體晶粒不易粗大，過(guò)渡層均勻，表面碳濃度適中。心部：淬透性較好。20Mn2TiB，20MnVB，25MnTiBRe20SiMnVB：用于替代20CrMnTi。2643.高淬透性滲碳鋼22CrMnMo：淬透性較高，制作重載大型齒輪、軸等。18Cr2Ni4W：淬透性高，制作大型齒輪、軸等。265二、氮化鋼的特點(diǎn)1、用途：適用于采用氮化處理，以提高工件疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕能力的結(jié)構(gòu)鋼。2、性能要求(1)氮化工藝性能在盡可能短時(shí)間里獲得所需的表面硬度，氮化層厚度和金相組織。266267268(2)氮化工藝性①氮化物形成元素能在α相中形成超顯微的氮化物顆粒，起彌散強(qiáng)化作用。非氮化物形成元素阻礙N原子吸收，降低表面氮濃度，減少氮化層深度。②Al、V、Ti、Nb彌散強(qiáng)化作用大，但減少氮化層深度。Cr、W、Mo彌散強(qiáng)化作用較弱，但氮化層較厚。269270§3-8其它機(jī)械制造鋼一、彈簧鋼1、工作條件在動(dòng)載荷（沖擊、振動(dòng)、交變應(yīng)力、彎曲、扭轉(zhuǎn)）作用下起到緩和沖擊力，或控制零件某一工作過(guò)程的作用。2、性能要求(1)高的屈服強(qiáng)度和彈性極限，高的屈強(qiáng)比，避免發(fā)生永久變形。271272273274275③鉻彈簧鋼50CrV，50CrMn，60Si2Cr：淬透性提高，油中淬透50－80mm。沒(méi)有晶粒長(zhǎng)大傾向，沒(méi)有石墨化傾向，不易脫碳。工作溫度較高，300℃，制作大型高負(fù)荷彈簧。276277278二、易切削鋼1、特點(diǎn)使正常鋼中某些成分變化或附加某些成分，有意識(shí)地獲得高的被切削性能。被切削性能：刀具壽命，切削速度，表面光潔度，切削阻力和斷屑形狀。易切削鋼存在于各類(lèi)鋼中，如碳素鋼，低、中合金鋼、不銹鋼、高速鋼、模具鋼、耐熱鋼等。2792、用途(1)適應(yīng)自動(dòng)車(chē)床的高速切削。生產(chǎn)率提高1.3－4倍，成本降低1／4－1／2。(2)一些精密儀表零件需要極高的加工表面光潔度。(3)提高某些鋼材的切削性，如不銹鋼。

28053CaS：照相機(jī)行業(yè)；Y0Cr18Ni9Mn：表殼；0Cr18Mo2Ca，1Cr18Ni10S。3、合金化作用：破壞金屬的連續(xù)性，切屑易折斷，減少切削量；降低刀具磨損。(1)加Ca、S生成非金屬夾雜物(2)加Pb以單質(zhì)存在。2814、常用易切削鋼(1)硫系易切削鋼①S含量生成MnS，硬度較低，起斷屑，減少摩擦作用。根據(jù)對(duì)機(jī)械性能和切削性能的不同要求，S含量在0.04-0.33%。282②Mn含量Mn／S：在2.5－4.5之間。Mn／S太低：不利于S以MnS形式存在。Mn／S太高：加大MnS夾雜的長(zhǎng)寬比。MnS在鋼錠中以球形，紡錘形存在，熱軋后沿軋制方向延伸形成條狀或拉長(zhǎng)的紡錘狀。（寬2－3μm，長(zhǎng)寬比為6）283③P含量低碳鋼可含0.05-0.15%P，進(jìn)一步增加切削性。原因：P提高鐵素體硬度，使切屑易折斷。④缺點(diǎn)MnS沿壓延方向伸長(zhǎng)，使縱向，橫向機(jī)械性能差異大。鍛造性降低，易開(kāi)裂。284(2)鉛系易切削鋼①含0.1-0.25%Pb。②切削性可提高20-50%，機(jī)械性能基本不變。原因：Pb以球狀單質(zhì)存在。③熱塑性變形使Pb顆粒尺寸更細(xì)小。（2μm以下）④有比重偏析，有Pb蒸汽污染。285(3)鈣系易切削鋼①含0.002%Ca，生成復(fù)雜夾雜物：2CaO·Al2O3·SiO2。②對(duì)橫向機(jī)械性能影響較小，也不影響接觸疲勞強(qiáng)度。③單獨(dú)用鈣處理，只能在用硬質(zhì)合金刀具時(shí)才具有易切削性。用鈣硫鉛、鈣硫處理，在用高速鋼刀具時(shí)也具有易切削性。286三、高錳鋼1、特點(diǎn)在高沖擊載荷作用下發(fā)生冷作硬化，具有高抗沖擊磨損性能的高合金鑄鋼。適于制造承受較大沖擊負(fù)荷的抗磨零部件，如球磨機(jī)的襯板，破碎機(jī)的顎板，挖掘機(jī)的斗齒，坦克的履帶板。2872、性能(1)固溶處理后為單相奧氏體。軟、沖擊韌性高。HB180－220；ak>150J/cm2。(2)表面應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化，形成馬氏體。硬度提高到HB450－500，耐磨性提高，內(nèi)部仍保持原來(lái)軟而韌的狀態(tài)。(3)如表面不受強(qiáng)烈沖擊，不易產(chǎn)生加工硬化而不耐磨。2883、合金化

(1)碳0.9-1.4%C。過(guò)低：加工硬化后達(dá)不到要求的硬度。過(guò)高：固溶時(shí)碳化物難完全溶解，降低沖擊韌性和耐磨性。

289(2)錳：11－14%。過(guò)低：不能形成單相奧氏體。過(guò)高：產(chǎn)生粗大柱狀晶，易形成裂紋。(3)Cr，Mo，V形成細(xì)小的碳化物，提高強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性。290(4)稀土①改善鑄造性,降低熱裂傾向。高錳鋼收縮率大，導(dǎo)熱性差，因而熱裂傾向大。（收縮率：2.4-3%；導(dǎo)熱性：400℃以下為ZG25的50%）②延緩碳化物析出，增加冷作硬化效果。2914、熱處理(1)水韌處理目的：得到硬度低，韌性好的單相奧氏體組織。工藝：加熱：1050－1100℃。使碳化物充分溶入奧氏體，同時(shí)晶粒不過(guò)分粗大。冷卻：水冷。入水溫度>950℃，不析出碳化物。292(2)細(xì)化晶粒處理高錳鋼的鑄態(tài)組織為粗大奧氏體和碳化物，水韌處理時(shí)只發(fā)生碳化物溶解，基本未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，因而奧氏體晶粒度未改變。工藝：先在500－600℃加熱10－30h，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，再進(jìn)行水韌處理，能得到細(xì)小的奧氏體晶粒。2935、常用高錳鋼

(1)ZGMn13(2)ZGMn13Re(3)ZGMn6Cr2Re

奧氏體穩(wěn)定性較低，冷作硬化能力強(qiáng)，可在受沖擊力條件下使用。294

按用途分為：刃具鋼、模具鋼、量具鋼三大類(lèi)。刃具鋼具有高的硬度、耐磨性、熱硬性和一定的塑性、韌性，用于制造車(chē)刀、刨刀、銑刀、鉆頭、絲錐、鋸條等。

第四章工具鋼295

模具鋼按工作溫度可分為冷作模具鋼和熱作模具鋼。冷作模具鋼具有高的硬度、耐磨性和一定的韌性，用于制作沖切模、冷鐓模、搓絲模、拉伸模等。熱作模具鋼具有高的高溫強(qiáng)度、高溫硬度、抗熱疲勞性和足夠的塑性與韌性，用于制作熱鍛模、擠壓模等。296

量具鋼具有高的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和一定的耐蝕性。在使用上，同一鋼種往往可兼作不同用途，可根據(jù)使用條件，鋼的性能，經(jīng)濟(jì)效益等合理使用。按成分分為：碳素及低合金工具鋼（刃、冷模、量具）合金工具鋼（冷、熱模具）高速鋼（刃具）297§4－1碳素及低合金工具鋼298T：表示工具鋼。含碳量：以0.1%為單位表示。含碳量：0.65～1.35%。質(zhì)量：優(yōu)質(zhì)鋼，不表示。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：用A表示。錳量較高時(shí)，用Mn表示，如T8Mn（0.4-0.8%Mn）299300T7-T8：韌性較好，耐磨性較差。用途：承受沖擊負(fù)荷的工具如沖頭，鑿子。切削軟材料的工具如木工工具。301T9-T10：韌性，耐磨性較適中。用途：承受少許振動(dòng)的工具如板牙，絲錐，手鋸條。T11-T13：韌性差，耐磨性高。用途：不受振動(dòng)的工具如銼刀，刮刀。3023.優(yōu)點(diǎn)成本低，冷熱加工性好。4.缺點(diǎn)只宜作尺寸較小，形狀簡(jiǎn)單，受熱溫度不高的工件。原因：(1)淬透性差。（油冷5mm)(2)組織穩(wěn)定性差。（200℃）303二、低合金工具鋼1.合金化常用合金元素：Cr、Si、Mn、V、W。(1)提高淬透性

Cr、Mn、Si、V、W(加熱時(shí)溶入奧氏體的部分）

304305306307

(3)CrWMn

在Cr鋼的基礎(chǔ)上加入Mn、W。①淬透性，耐磨性較好。②變形較?。∕n降低Ms，AR增多，抵消馬氏體的體積膨脹）。308309三、碳素和低合金工具鋼的熱處理工藝特點(diǎn)1.熱加工特點(diǎn)：導(dǎo)熱慢，碳化物不均勻，組織脆性大。

(1)入爐溫度不宜太高（A1以下），加熱速度不宜太快。

(2)變形量足夠大，終軋溫度較低，冷速較快，控制碳化物形態(tài)。

(3)軋后緩冷，避免開(kāi)裂。310311312§4－2高速工具鋼1910年開(kāi)始應(yīng)用W18Cr4V。1932年到1937年，應(yīng)用鉬系，W2Mo9Cr4V和鎢－鉬系，W6Mo5Cr4V2。1939年出