材料工程學(xué)匯總

1、第一章第一章 鋼的合金化基礎(chǔ)鋼的合金化基礎(chǔ)碳鋼的強度、硬度總的說來還是比較低的，雖然可以通過調(diào)節(jié)碳含量及熱處理的方法來提高其力學(xué)性能，但其淬透性淬透性及回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用。淬透性：淬透性：表征鋼件淬火時形成的能力。（用淬硬層深度來表示）淬硬性：淬硬性：以大于上臨界冷速的冷卻速度冷卻時得到的的硬度。回火穩(wěn)定性：回火穩(wěn)定性：在高溫下保持硬度和強度的能力。1.1 概述概述為提高碳鋼的力學(xué)性能、淬透性及回火穩(wěn)定性，在鋼中添加一定量的合金元素合金鋼合金鋼。常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化

2、鋼微合金化鋼是近二、三十年來鋼鐵是近二、三十年來鋼鐵生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只要加入要加入極少量的（極少量的（0.1%)的強碳化物形的強碳化物形成元素如成元素如Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以再配合以控軋工藝控軋工藝，就可以制成屈，就可以制成屈服強度達服強度達350-550MPa，并具有良好韌性，并具有良好韌性的低碳鋼。的低碳鋼。合金元素合金元素的影響是永遠的熱點。的影響是永遠的熱點。一、合金元素的作用一、合金元素的作用合金元素在鋼中的存在形式多合金元素在鋼中的存在形式多樣，還會改變相圖，影響相變。樣，還會改變相圖，影響相變

3、。所以要理解合金鋼，必須了解所以要理解合金鋼，必須了解合金元素及其作用，雖然很難，但合金元素及其作用，雖然很難，但我們無法回避。我們無法回避。成分成分組織組織性能性能是材料科學(xué)的主旋律。成分的是材料科學(xué)的主旋律。成分的復(fù)雜性對研究工作帶來困難，但同復(fù)雜性對研究工作帶來困難，但同時也蘊藏著更多的發(fā)展?jié)摿Αr也蘊藏著更多的發(fā)展?jié)摿?。合金元素在鋼中的存在形合金元素在鋼中的存在形式式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶體固溶體碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物例：形成合金例：形成合金F 合金元素溶入合金元素溶入F后，由于后，由于原子

4、半徑原子半徑和和晶晶格類形格類形的差異，必然引起晶格畸變，產(chǎn)生的差異，必然引起晶格畸變，產(chǎn)生固溶強化，使的強度、硬度固溶強化，使的強度、硬度，而塑、韌，而塑、韌性略有下降。性略有下降。P、Si、Mn、Ni是是顯著顯著的的強化元素強化元素。固溶體固溶體固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素它是合金元素溶入滲碳體溶入滲碳體中中并并置換部分鐵置換部分鐵原子原子而形成的碳化物。而形成的碳化物。(Fe , Me)3CMe代表代表Mn、Cr等合金元素。等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，硬度高硬度高，所以可以所以可以提高耐磨性提高耐磨性。

5、合金滲碳體合金滲碳體如（如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等、等由中強或強由中強或強碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特點素形成的碳化物。其共同特點是：是：熔點高熔點高、硬度高硬度高、穩(wěn)定性穩(wěn)定性高高、很難溶入中很難溶入中。特殊碳化物特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC 、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、金屬間化合物金屬間化合物FeS、FeCr、Ni3Al、 Ni3Ti、 Fe2W非金屬夾雜物非金屬夾雜物Al2O3、AlN、 SiO2、 TiO2 、MnS游離

6、態(tài)游離態(tài)如如Pb、Cu等等（一）合金元素改善鋼的熱處理工藝性能（一）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A晶粒的長大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻礙晶界遷移，細化晶粒。P21王曉敏 工程材料學(xué)1. 細化奧氏體晶粒細化奧氏體晶粒除除Co外，外，固溶于固溶于A中中的合金元素的合金元素總是不同程度的增加穩(wěn)定性，延緩總是不同程度的增加穩(wěn)定性，延緩的轉(zhuǎn)變，使的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，淬透性提曲線右移，淬透性提高。高。合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚至至空冷空冷即可獲得即可獲得M組織。組織。Cr、Mn、Mo、Si、Ni

7、、B2. 提高淬透性提高淬透性非碳化物形成元素及Mn，使C曲線右移。Mn, Ni, Cu碳化物形成元素使C曲線右移，還改變C曲線形狀。使P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變明顯分開成兩個轉(zhuǎn)變圖。Cr使B轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使P轉(zhuǎn)變右移的作用。碳化物形成元素Mo、W等使P轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使B轉(zhuǎn)變右移的作用?？绽淇色@得B組織。工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)主講教師：潘希德 除除Co、Al外，外，所有合金元素所有合金元素降降低低Ms 、Mf增加殘余奧氏體含量，按作用由增加殘余奧氏體含量，按作用由強到弱：強到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2. 提高淬透性提高淬透性3. 提高回火抗力，產(chǎn)生二次硬化，提高回火抗力，產(chǎn)生二次

8、硬化，防止第二類回火脆性防止第二類回火脆性回火抗力是指淬火鋼在回火過程中抵抗回火抗力是指淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力，又稱硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性。合金元素合金元素固溶于淬火固溶于淬火M中中可減慢碳的擴可減慢碳的擴散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，推推遲遲M的分解的分解，延緩硬度下降延緩硬度下降，因此，合金鋼，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。碳鋼高。在要求相同硬度條件下，在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，合金鋼

9、的回火溫度高，塑韌性好。塑韌性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素較多的合金鋼，等合金元素較多的合金鋼，在在500600范圍內(nèi)范圍內(nèi)回火回火時，時，由于由于沉淀析出沉淀析出這些合金元素這些合金元素的碳化物并呈的碳化物并呈彌散狀彌散狀分布，分布，因而對材料起到沉淀強化的因而對材料起到沉淀強化的作用。作用。淬火鋼在較高溫度回火淬火鋼在較高溫度回火時，硬度不降低反而升高的時，硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為二次硬化二次硬化?；鼗饻囟然鼗饻囟菻RCwSi 回火溫度回火溫度HRCwMo 多次多次回火過程中回火過程中AR發(fā)生發(fā)生合金合金碳化物碳化物析出析出回火過程中回火過程中AR中的碳及合金中的碳

10、及合金元素元素“貧化貧化”，使其，使其Ms高于室溫高于室溫，在在冷卻冷卻過程中過程中AR轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镸。二次淬火二次淬火大部分合金元素大部分合金元素均均延緩延緩相相的回復(fù)與再結(jié)晶過程的回復(fù)與再結(jié)晶過程幾種元素的綜合作用可更顯幾種元素的綜合作用可更顯著著提高提高相再結(jié)晶溫度。相再結(jié)晶溫度。淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400出現(xiàn)韌性下降，稱第第一類回火脆性一類回火脆性；在500 600 回火后緩慢冷卻時韌性亦會下降，稱第二類第二類回火脆性回火脆性?；鼗饻囟然鼗饻囟?AK快冷300500650慢冷產(chǎn)生回火脆性的原因產(chǎn)生回火脆性的原因第一類回火脆性與M及殘余A分解時沿M針條邊界析出

11、薄片狀Fe3C有關(guān)。目前尚無有效方法消除，只能盡量避開在此溫度范圍內(nèi)回火。第二類回火脆性，是因鋼中的雜質(zhì)S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。 對小型零件可采用回火后快冷的方法； 而對于大型零件則可在材料中加入Mo、W等，這些元素可阻止或延緩有害元素在晶界上的析出。防止第二類回火脆性的措施防止第二類回火脆性的措施 固溶強化 第二相強化 細晶強化（二）合金元素提高鋼的使用性能（二）合金元素提高鋼的使用性能1. 提高鋼的強度提高鋼的強度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等等合金元素固溶于合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸變，增加位中引起晶格畸變，增加位錯運動的阻力，產(chǎn)生強化。錯運

12、動的阻力，產(chǎn)生強化。（1）固溶強化）固溶強化硬度硬度提高提高韌性韌性降低降低Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb、Zr等合金元素在鋼中能夠形成各種碳化物合金碳化物。根據(jù)元素與碳親和力的強弱，合金元素分為根據(jù)元素與碳親和力的強弱，合金元素分為強強碳化物形成元素碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱弱碳化物形成元素碳化物形成元素：Mn中中強碳化物形成元素強碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相強化（）第二相強化合金碳化物合金碳化物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物合金滲碳體合金滲碳體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代表弱及中強碳化物形成

13、元素Mn、Cr、Mo、W等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，加熱時難溶入A中，也不易聚集長大，可阻礙位錯運動，從而提高鋼的強、硬度，提高耐磨性。一般低合金結(jié)構(gòu)鋼中主要的合金元素為：Mn、Cr、Mo等，故在此類鋼中主要形成的是合金滲碳體。特殊碳化物特殊碳化物由中強或強由中強或強碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。素形成的碳化物。其共同特點是：熔點高、其共同特點是：熔點高、硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶入中。入中。具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物物 WC、Mo2C、VC、TiC具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的碳化物具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的碳化物 Cr23C6、Cr7C3

14、、Fe5W3CV、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是顯著細化A、F晶粒及M，提高鋼的強度、硬度，并能提高鋼塑性和韌性。（）細晶強化（）細晶強化鋼的其它強化手段，提高強度、硬度是鋼的其它強化手段，提高強度、硬度是以降低塑、韌性為代價的。以降低塑、韌性為代價的。只有細晶強化既可以提高鋼的強度和硬只有細晶強化既可以提高鋼的強度和硬度，又能提高鋼的塑性和韌性。度，又能提高鋼的塑性和韌性。合金元素固溶于鐵素體及奧氏體中，會改變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度A4、A3共析溫度A1共析成分S奧氏體中碳的最大溶解度點E. 使鋼獲得特殊性能使鋼獲得特殊性能合金元素加入鋼中后會改變相圖，使鋼在室溫下得到單相組織，并可形成致密

15、的氧化膜和金屬間化合物，使鋼獲得耐蝕性及耐熱性。（）形成單相組織（）形成單相組織u特點：特點： A4、A3， 相區(qū)相區(qū)擴大擴大u擴大擴大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形形成無限固溶體的元素成無限固溶體的元素Ni、Mn等等u部分部分擴大擴大 相區(qū)與相區(qū)與 -Fe形成有限固溶體的元形成有限固溶體的元素素C、N、Cu等。等。 擴大擴大 相區(qū)合金元素（穩(wěn)定元素）相區(qū)合金元素（穩(wěn)定元素）ES N（A4） G（A3） Tw Me % CNCuTLwMe %NiMnCo擴大擴大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形成無限固溶體形成無限固溶體部分部分擴大擴大 相區(qū)并與相區(qū)并與 -Fe形成有限固溶體形成有限固溶體u特點：特點

16、：A3、A4， 相區(qū)相區(qū)縮小縮小u縮小并完全封閉縮小并完全封閉 相區(qū)相區(qū)的元素的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等等u僅使僅使 相區(qū)部分縮相區(qū)部分縮小而不閉的元素小而不閉的元素、b、Ta、Zr等。等。 縮小縮小 相區(qū)的元素（穩(wěn)定元素）相區(qū)的元素（穩(wěn)定元素）LFeMeMeTCrV縮小并完全封閉縮小并完全封閉區(qū)并與區(qū)并與形成形成無限固溶體無限固溶體縮小并完全封閉縮小并完全封閉區(qū)并區(qū)并與與形成有限固溶體形成有限固溶體LFeMeMeTBNbTaZr部分縮小部分縮小區(qū)而不封閉區(qū)而不封閉MeLFeMeTMoWTiAlSi當(dāng)鋼中當(dāng)鋼中wNi=9%，wMn=13%時，可時，可使使A3降低至室溫，此時鋼

17、在室溫下為單降低至室溫，此時鋼在室溫下為單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。當(dāng)鋼中當(dāng)鋼中wCr=1728%時，可使奧氏時，可使奧氏體區(qū)消失，此時鋼在室溫下為單相鐵素體區(qū)消失，此時鋼在室溫下為單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有耐蝕、耐高溫等特殊性能。耐蝕、耐高溫等特殊性能。合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等加入鋼中后，會形成u 致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等u 金屬間化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2

18、W、Fe2Mo等（）形成致密氧化膜或金屬間化合物（）形成致密氧化膜或金屬間化合物致密的氧化膜覆蓋在鋼的表面上，可提高鋼的耐蝕性和高溫抗氧化性；金屬間化合物可阻礙位錯在高溫下的運動，提高鋼的蠕變抗力，及高溫強度。合金元素在鋼中作用合金元素在鋼中作用細化細化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強化固溶強化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強化第二相強化Mn、Cr、Mo、W擴大擴大A相相Ni、Mn、Cu、N擴大擴大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化

19、膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti1. 按用途分按用途分合金結(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（一）分類（一）分類1.2 合金鋼的分類及牌號合金鋼的分類及牌號2. 按化學(xué)成分分類 1）按合金元素種類分為 2）按合金元素含量分為：低合金鋼 Me5%中合金鋼 5% 10%鉻鋼、錳鋼、硅錳鋼、鉻錳硅鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等； 3）按質(zhì)量分普通鋼 wS 0.050%，wP 0.055%優(yōu)質(zhì)鋼 wS 0.040%，wP 0.040%高級優(yōu)質(zhì)鋼 wS 0.030%，wP 0.035% 4）按金相組織分珠光體鋼（包括S、T鋼）貝氏體鋼馬氏體鋼奧氏體鋼（二）編號（二

20、）編號數(shù)字化學(xué)元素數(shù)字數(shù)字化學(xué)元素數(shù)字合金元素平均含量主要合金元素符號平均含碳量1、含碳量的標記結(jié)構(gòu)鋼：wC10,000工具鋼：wC1,000，為了避免與結(jié)構(gòu)鋼混淆，又規(guī)定wC1.0%時不予以標注，高速鋼例外，其wC 1.0%也不標注。特殊性能鋼： wC1,000 wC=0.080.1%，標 1 wC=0.030.08%，標 0 wC 0.03%，標 002、合金元素含量的標記wMe %1.51.52.53.54.5標記-2345注：滾動軸承鋼鉻的標記除外(wCr1,000)3、附加標記高級優(yōu)質(zhì)鋼：編號后+“A”（高）特殊用途鋼：編號前+“特殊用途符號” G滾動軸承鋼；C磁鋼； Y易切削鋼40

21、CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%,wNi2%的合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%的高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼wCr1.5%的滾動軸承鋼wC0.03%,wCr13%的M不銹鋼wC0.08%,wCr17%的F不銹鋼wC0.03%,wCr18%, wNi9%的A不銹鋼wW18%,wCr4%的高速鋼要點總結(jié)要點總結(jié)熟悉熟悉合金元素在鋼中存在的形合金元素在鋼中存在的形式和作用式和作用掌握掌握第一第二類回火脆性第一第二類回火脆性了解了解合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號及特點合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號及特點合金元素在鋼中的存在

22、形式合金元素在鋼中的存在形式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等合金元素在鋼中作用合金元素在鋼中作用細化細化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強化固溶強化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強化第二相強化Mn、Cr、Mo、W擴大擴大A相相Ni、Mn、Cu、N擴大擴大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400出現(xiàn)韌性下降，稱第第一類回火脆性一類回火脆性；在500 600 回火后