《金屬材料學(xué)》全冊配套完整教學(xué)課件

1、金屬材料學(xué)全冊配套完整金屬材料學(xué)全冊配套完整教學(xué)課件教學(xué)課件金屬材料黑色金屬(Fe/Mn/Cr)結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼、鍛鋼鑄鐵 有色金屬比重大、熔點(diǎn)高的金屬Cu、Ni及其合金比重大、熔點(diǎn)低的金屬Zn、Sn及其合金比重小、熔點(diǎn)中等的金屬Al、Mg及合金特殊合金金屬材料金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)第一部分：鋼鐵材料第一部分：鋼鐵材料- -黑色金屬黑色金屬第二部分：有色金屬第二部分：有色金屬第三部分：復(fù)合材料第三部分：復(fù)合材料- -金屬基體金屬基體 本課程的目的: 金屬材料的物理冶金問題，掌握金屬及合金的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對金屬材料各種性能的影響的基本規(guī)律； 分析各種金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處

2、理和使用中的問題； 闡明材料合金化的原理、總結(jié)規(guī)律、加強(qiáng)系統(tǒng)性和實(shí)用性； 在內(nèi)容上力求少而精，并盡可能反映金屬材料研究和發(fā)展的新成果；系統(tǒng)闡述通過加入合金元素來改變金屬材料的相組成、顯微組織和熱處理工藝，以得到各種優(yōu)異的性能； 學(xué)以致用。鋼鋼 鐵鐵 材材 料料第第 1 章章 鋼的合金化原理鋼的合金化原理1.1 鋼中合金元素1.1.1 緒論合金元素：為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能而特別添加到鋼中的化學(xué)元素。合金鋼：所獲得的鋼稱為合金鋼 目的：（1）材料的使用性能：物理、化學(xué)、機(jī)械性能等；（2）材料的工藝性能：焊接，鑄造、熱處理、修復(fù)性能（3）經(jīng)濟(jì)性能：鋼中常用合金元素

3、 ： 第二周期中B,N; 第三周期中A1,Si; 第四周期中Ti, V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu； 第五周期中Nb,Mo,Zr； 第六周期中W以及稀土元素等。低合金鋼：合金元素總含量M5；中合金鋼：合金元素總含量M =510%高合金鋼：合金元素總含量M 10。煉鐵原理雜質(zhì)： 在冶煉時(shí)由于所用原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的化學(xué)元素 Si、Mn由脫氧劑帶入； S、P由原料帶入而被保留下來； S：熱脆現(xiàn)象，P：冷脆現(xiàn)象，H：白點(diǎn)，氫脆。（N：藍(lán)脆） 同一化學(xué)元素既可能作為雜質(zhì)又可能作為合金元素， S：鋼中形成硫化物夾雜，特別是橫向韌性以及抗層狀撕裂性；易切削鋼中硫含量高達(dá)0.3%，以

4、形成MnS夾雜而提高鋼的切削性； P：惡化鋼的冷脆性，但在易切削鋼中（P：0.12%）可提高鋼的切削性，在汽車鋼板及奧氏體沉淀硬化不銹鋼中，磷用來提高鋼的強(qiáng)度；1. 1. 2 鋼的分類和編號鋼的分類和編號一、按用途分：一、按用途分： 工程構(gòu)件用鋼: 用作橋梁、車輛、船舶 、鋼架等工程構(gòu)件。這類鋼在建筑、石油、化工、國防等國民經(jīng)濟(jì)各部門用途廣泛。 機(jī)器零件用鋼： 用作各種機(jī)器零件軸類零件、齒輪、彈簧、軸承等。 工模具用鋼： 用作各種工具、模具等，又可分為量具鋼、刃具鋼、冷變形模具鋼、熱變形模具鋼等。 特殊性能鋼：可分為不銹鋼、耐熱鋼、無磁鋼、耐磨鋼等。二、按金相組織分： 按平衡狀態(tài)或退火組織：

5、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼和萊氏體鋼。 按正火組織： 珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。 按加熱冷卻時(shí)有無相變和室溫時(shí)的金相組織： 鐵素體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼等。三、按質(zhì)量等級分三、按質(zhì)量等級分： 普通質(zhì)量鋼：Ws 0.040% , WP 0.050%。 質(zhì)量鋼： Ws 0. 035% , WP 0.035%。 優(yōu)質(zhì)鋼： Ws 0.025% , WP 0.025%。 45鋼、T12 高級優(yōu)質(zhì)鋼：Ws 0. 015%， WP 0.025%。45A 、T12A鋼材的分類與編號鋼材的分類與編號鋼材分類按成分碳素鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼合金鋼甲類鋼乙類鋼特類鋼按組織平衡組織亞共析鋼共析鋼過共析鋼萊

6、氏體鋼正火組織珠光體馬氏體奧氏體貝氏體有無相變鐵素體奧氏體復(fù)相鋼按用途結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊鋼其它冶煉脫氧1碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q+數(shù)字+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號組成。 “Q”：代表鋼材的屈服點(diǎn)，后面的數(shù)字：屈服點(diǎn)數(shù)值，單位：MPa Q235：屈服點(diǎn)（s）為235 MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。 Q195、Q215 Q690 必要時(shí)鋼號后面可標(biāo)出：表示質(zhì)量等級、脫氧方法的符號 。 質(zhì)量等級符號：A、B、C、D。 脫氧方法符號15：F沸騰鋼；b半鎮(zhèn)靜鋼：Z鎮(zhèn)靜鋼；TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼， Q235-AF：A級沸騰鋼。 專門用途的碳素鋼，例如橋梁鋼、船用鋼等，基本上采用碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法，但在鋼號最后附加表示用途的字母。二、

7、我國鋼號表示方法的分類說明2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：45、10、25、10F，35Mn鋼號開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示， 45：平均碳含量為0.45%的鋼，鋼號為“45”； 錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出，例如50Mn。 沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在鋼號最后特別標(biāo)出， 例如平均碳含量為0.1%的半鎮(zhèn)靜鋼，其鋼號為10b。3碳素工具鋼：T7、T8T13、T7A、T8AT13A鋼號冠以“T”，以免與其他鋼類相混。 鋼號中的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。 “T8”：平均碳含量為0.8%。 “T8Mn”：錳含量較高者，在鋼號最后標(biāo)出 高級

8、優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼：P、S含量低，鋼號最后加注字母“A” “T8MnA”。二、我國鋼號表示方法的分類說明我國合金鋼編號方法的原則是：我國合金鋼編號方法的原則是：數(shù)字?jǐn)?shù)字+合金元素合金元素+數(shù)字?jǐn)?shù)字+. 35 Si2 Mn Mo V（1）平均含碳量，）平均含碳量，含碳量以萬分之一為單位表示（2）合金元素：）合金元素：鋼中所含的合金元素（3）合金元素后數(shù)字：）合金元素后數(shù)字：鋼中所含的合金元素的百分含量 鋼中的釩V、鈦Ti、鋁Al、硼B(yǎng)、稀土RE等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應(yīng)在鋼號中標(biāo)出。 20MnVB鋼中：釩為0.07-0.12%，硼為0.001-0.005%。 鋼中碳含量鋼中碳含量

9、合金元素的種類合金元素的種類元素的含量元素的含量數(shù)字?jǐn)?shù)字合金元素合金元素?cái)?shù)字?jǐn)?shù)字+*5、不銹鋼： 4Cr13、 9Cr18、 1Cr18Ni9：含碳量以千分之一表示 （40Cr13、95Cr18、 12Cr18Ni9：含碳量以萬分之一表示/GB/T20787-2007）6、鉻軸承鋼： 鉻含量以千分?jǐn)?shù)表示，并冠以用途名稱。 GCr15：平均鉻含量為1.50%的軸承鋼；7、合金工具鋼： 含碳量以千分之一表示；9SiCr、5CrNiMo； C1.0%時(shí)，不標(biāo)出；CrWMn，Cr2、W18Cr4V 1.2 合金鋼中相組成合金鋼中相組成合金元素加入鋼中，一般都在鋼中形成各種相： 固溶體、 中間相（如碳化

10、物、氮化物、金屬間化合物等 非金屬夾雜物鋼的使用性能和工藝性能：1.2.1 固溶體一、置換固溶體一、置換固溶體 鐵基置換固溶體的形成，遵循Hume-Rothery規(guī)律；決定組元在置換固溶體中溶解度的因素是：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子尺寸因素、電子結(jié)構(gòu)。 鐵有兩種同素異構(gòu)體：bcc的-Fe、fcc的-Fe； 合金元素在 -Fe和， -Fe中溶解情況不同 。二、間隙固溶體二、間隙固溶體鐵基間隙固溶體是Fe與尺寸較小的C、H、O、N、B原子組成，一般滿足Hagg定則：Rx / rme 0. 59 間隙固溶體總是有限固溶體，其溶解度取決于溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)和間隙元素的原子尺寸。間隙原子的溶解度隨其原子尺寸的減小而

11、增加，即按B、C、N、O、H的順序增加，r碳=0. 077nm、r氮=0. 071 nm，N在-Fe中最大溶解度分別為2. 8%。 碳C在-Fe中的最大溶解度為0.021%，在-Fe中?三、鐵基二元相圖三、鐵基二元相圖 鐵在加熱和冷卻時(shí)產(chǎn)生如下同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：鋼中合金元素的影響： -Fe、-Fe、-Fe的相對穩(wěn)定性 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度A3、A4。Fe-C合金的幾種基本組織合金的幾種基本組織Fe-C合金的幾種基本組織介紹如下：合金的幾種基本組織介紹如下： 鐵素體鐵素體 F、奧氏體奧氏體 A、滲碳體滲碳體F e3C 、珠光體珠光體 P、萊氏體萊氏體 Ld 合金元素：溶入-Fe中形成 -Fe為基的固溶體

12、 溶入-Fe中形成 -Fe為基的固溶體。奧氏體形成元素： -Fe有較大的溶解度，并穩(wěn)定-Fe固溶體的合金元素鐵素體形成元素： 在 - Fe中有較大的溶解度，使 -Fe不穩(wěn)定的合金元素；合金元素對鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的影響，主要可以分為: 擴(kuò)大 相區(qū) 縮小 相區(qū)（1） 穩(wěn)定化元素：穩(wěn)定化元素：使A3點(diǎn)，A4點(diǎn) ，在較寬的成分范圍內(nèi)，促進(jìn)奧氏體形成，即擴(kuò)大了相區(qū)。 開啟相區(qū)：Mn 、Co、Ni 等，與-Fe無限固溶，使相區(qū)存在的溫度范圍變寬，和相區(qū)縮小，當(dāng)合金元素含量超過某一限量時(shí)，可以在室溫得到穩(wěn)定相。 Ni,Co,Mn的原子半徑與-Fe相差很小，同時(shí)化學(xué)性質(zhì)很接近（在周期表上位置靠近 ），并且晶體

13、點(diǎn)陣相同，因此它們與 一Fe可以形成無限固溶體，具有擴(kuò)大 區(qū)的作用。 擴(kuò)大擴(kuò)大 相區(qū)：相區(qū)：雖然 相區(qū)也隨C、N、Cu等元素的溶入而擴(kuò)大，但這些元素與一Fe有限固溶，不能使之完全開啟。類元素有：B、Zr、Nb、S、Ta等 (2) 相穩(wěn)定元素：相穩(wěn)定元素：使A3點(diǎn)，A4點(diǎn) ，在較寬的成分范圍內(nèi)，促進(jìn)鐵素體形成，即縮小相區(qū)，它也包括兩種情況： 封閉封閉 相區(qū)：相區(qū)：使A3升高，A4下降，在一定濃度處匯合相區(qū)為相區(qū)所封閉，在相圖上形成圈。這意味著當(dāng)合金元素含量超過一定限量后，無 相變。 這類元素有：V,Cr,Ti,W,Mo,AI,P等。 鉻 、釩不但與-Fe點(diǎn)陣相同，而且原子半徑也很接近，故與 -F

14、e形成無限固溶體。 0Cr13 、00Cr30Mo3 縮小縮小 相區(qū)：相區(qū)：這類元素與封閉相區(qū)類似，但由于固溶度小，不能使之完全封閉，這類元素有：B、Zr、Nb 、S、Ta等。 1.2.2 鋼中化合物一、鋼中碳化物碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、大小、形狀及分布對鋼的性能有極其重要的影響。碳化物具有高硬度和高熔點(diǎn)，脆性大。合金元素：Si、Mn、Ni、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb，（Co、Cu） 溶解度W ： 3410 C -Fe：1534 CCu： 1083 CAl： 666 CPb： 327.5 C Sn ： 232 C鋼中各種碳化物的相對穩(wěn)定性，對于其形成、轉(zhuǎn)變、溶解、析出和聚集長大有著極大的影響。

15、 碳化物在鋼中的相對穩(wěn)定性合金元素與碳的親合力大小，即取決于金屬d層電子數(shù)，金屬元素d層電子數(shù)越少，它與碳的親合力就越大，所形成的碳化物在鋼中越穩(wěn)定。 在每一周期中，從左到右，金屬元素d層電子數(shù)增大，因而金屬元素與碳的結(jié)合力將逐漸下降。由于Co、Ni的d層電子數(shù)比鐵大，與碳的結(jié)合力比鐵弱，故在鋼中不形成碳化物。 鋼中的碳化物主要有以下幾種：（1）rx/rme0. 59，間隙尺寸較大，可以容納碳原子，形成簡單點(diǎn)陣碳化物。這類碳化物主要有兩類： NaCl型：簡單立方點(diǎn)陣碳化物。主要由釩族（V,Nb,Ta）和鈦?zhàn)逶兀═i , Zr, Hf）與碳形碳化物中金屬原子以面心立方結(jié)構(gòu)的方式排列，較小的碳原

16、子占據(jù)八面體間隙，形成和NaCl相同的結(jié)構(gòu)，金屬原子與碳原子的比例是1:1。成碳化物，如TiC、ZrC、VC、NbC等。 一般形式是MeCx，其中X 0. 59，簡單密排點(diǎn)陣如不發(fā)生變化，其間隙已不能容納碳原子，因此形成復(fù)雜點(diǎn)陣碳化物。 M23 C6型：如Cr23 C6等。復(fù)雜立方點(diǎn)陣，含Cr較高（大于5-8%）的高合金鋼中。易于形成復(fù)合碳化物，如(Fe,Cr,W)23C6。 Cr13 （2Cr13、3Cr13、4Cr13、Cr12MoV） M7C3型：如Cr7C3等。復(fù)雜六方點(diǎn)陣，含Cr量（3-4%）的結(jié)構(gòu)鋼中，常形成復(fù)合碳化物，如（Cr, Fe )7C3等。 M3C型：如Fe3 C等。正交

17、晶系點(diǎn)陣，形成合金滲碳體， （Fe,Mn) 3C、（Fe,Mn,Cr) 3C等。二、鋼中氮化物r氮原子17%Cr-Fe， 00Cr30Mo2（008Cr30Mo2）V-Ni， Mo-Co系等。（2）AB2相：拉維斯相尺寸因素起主導(dǎo)作用的化合物。含鎢、鉬、鈦的復(fù)雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，均存在AB2相。AB2相是耐熱鋼和合金中的一種強(qiáng)化相，由于具有較高的穩(wěn)定性，可使持久強(qiáng)度保持在較高水平。AB2相的晶體結(jié)構(gòu)有三種類型： MgCu2型復(fù)雜立方點(diǎn)陣， MgZn2型復(fù)雜六方點(diǎn)陣 MgNi2型復(fù)雜六方點(diǎn)陣1.2.3 合金元素在鋼中的分布狀態(tài) 一、合金元素在鋼中分布鋼一般是由幾種不同晶體結(jié)構(gòu)的組織構(gòu)成：

18、鐵素體、奧氏體、碳化物、珠光體、萊氏體 合金鋼：氮化物、金屬間化合物等，根據(jù)Me-C的相互作用：不形成碳化物元素：固溶于于鐵素體、奧氏體，如Si,A1,Cu,Ni,Co等；強(qiáng)碳化物形成元素：優(yōu)先形成碳化物，如V、Zr、Nb、Ti、Ta等；弱碳化物形成元素：介于兩者之間，固溶體+合金滲碳體，如（Fe, Cr)3C。但當(dāng)含量超過一定限度時(shí)，又將形成各自特殊碳化物，如Cr7 C3 ,Cr23 C6等。它們在碳化物中濃度一般都比在鐵素體、奧氏體中的高。 二、溶質(zhì)原子在晶界的偏聚 溶質(zhì)原子溶于多晶體鐵中形成固溶體后，將與晶界產(chǎn)生交互作用，在晶界區(qū)有很高的富集濃度。這種溶質(zhì)原子與晶界的結(jié)合與富集，稱為晶界

19、偏聚或晶界內(nèi)吸附。 在鐵中產(chǎn)生強(qiáng)烈晶界偏聚的元素有N、P、S、As,Sb,Bi,Se,Te,Sn等。 溶質(zhì)原子的晶界偏聚將對鋼的組織和晶間有關(guān)的性能產(chǎn)生巨大的影響，（1）相變時(shí)晶界優(yōu)先成核；（2）晶粒長大、晶界遷移；（3）晶界強(qiáng)化、晶界弱化、晶界脆性；（4）晶間腐蝕等。1.3 合金鋼中的相變1.3.1 合金元素對Fe-C相圖的影響Fe-C合金相圖是研究碳素鋼組織變化和確定其熱處理工藝的依據(jù)，鋼中加入合金元素以后，F(xiàn)e-C相圖的變化：（1）對奧氏體相區(qū)的影響。Ni，Co，Mn等奧氏體形成元素使奧氏體相區(qū)擴(kuò)大，Cr，Mo，W，V，Ti等鐵素體形成元素使奧氏體相區(qū)縮小。 E-P （2）對臨界點(diǎn)的影響

20、。 擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素（如Ni， Mn， Cu等 ）一般使A1，A3點(diǎn)溫度下降； 縮小奧氏體相區(qū)元素（如W，Mo，V，Ti等）將使A1，A3點(diǎn)溫度升高，這使合金鋼的熱處理工藝發(fā)生變化。 在過共析合金鋼中Acm點(diǎn)取決于相應(yīng)碳化物完全分解溫度。過共析鋼一般進(jìn)行不完全淬火或球化退火，故Acm點(diǎn)實(shí)際意義不大，只是在需要正火時(shí)（為消除網(wǎng)狀碳化物），Acm位置才有實(shí)際意義。（3）應(yīng)用舉例 S點(diǎn)左移 2Cr13 中碳鋼， 4Cr13 過共析鋼， E點(diǎn)左移 9Cr18 萊氏體鋼，熱處理工藝： E點(diǎn)上移 Ac1 、 Acm上移，加熱溫度T。 Cr13 Cr23C6增加，保溫時(shí)間t 空冷馬氏體 回火： 2Cr13

21、 中碳鋼， 4Cr13 過共析鋼：回火溫度T鋼的熱處理可根據(jù)加熱溫度、冷卻速度大致可分為以下幾種普通熱處理普通熱處理熱處理熱處理表面熱處理表面熱處理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火火焰加熱火焰加熱化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱滲碳滲碳氮化氮化碳、氮共滲碳、氮共滲（局部熱處理）（局部熱處理）1.3.2 對加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 ：奧氏體的形成（形核、長大）碳化物溶解奧氏體成分均勻化奧氏體晶粒長大；影響：過冷奧氏體的穩(wěn)定性和得到的組織和性能。（1）合金元素對奧氏體形成的影響：在通常加熱速度下，當(dāng)TAc1時(shí)，相通過擴(kuò)散型多型性轉(zhuǎn)變、碳化物的溶解而形成的，相的生長依賴于

22、碳化物溶解和碳的擴(kuò)散。合金元素對碳化物穩(wěn)定性的影響以及對碳在奧氏體中擴(kuò)散的影響，直接控制著奧氏體的形成速度。TiC，VC，NbC，ZrC等的溶解溫度，T溶解1100-1150；M23C6，M6C，M7C3等的T溶解TTiC，NbC，VC，ZrC。例如，MC型碳化物的1.3.2 對加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響（1）對奧氏體形成的影響： 相轉(zhuǎn)變：擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，碳化物溶解和碳的擴(kuò)散。 合金元素對碳化物穩(wěn)定性的影響以及對碳在奧氏體中擴(kuò)散的影響，直接控制著奧氏體的形成速度。 強(qiáng)碳化物元素：C的擴(kuò)散，對奧氏體形成 一定減緩作用。 TiC，VC，NbC，ZrC等，溶解溫度一般要大于1100-1150；熱軋-滲碳 M23C6

23、，M6C，M7C3等，溶解溫度一般大于950；4Cr13 非碳化物形成元素：C的擴(kuò)散，對奧氏體形成有一定促進(jìn)作用。 Ni， Co（2）對奧氏體成分均勻化的影響： 合金元素?cái)U(kuò)散較慢，這種均勻化過程緩慢，而且由于碳化物元素對奧氏體中碳的親合力較強(qiáng)，在碳化物元素富集區(qū)，碳的濃度也偏高；一般用升高淬火溫度或延長保溫時(shí)間的方法來使奧氏體成分均勻化。鋼中奧氏體晶界還會發(fā)生溶質(zhì)原子在晶界的偏聚，隨著加熱溫度的升高，晶界偏聚現(xiàn)象將逐漸減弱，如要利用晶界偏聚來提高鋼的淬透性，則淬火溫度不易過高。（3）對奧氏體晶粒長大的影響 ： 鋼中奧氏體晶粒長大通過晶界移動進(jìn)行的。 晶粒長大的驅(qū)動力系統(tǒng)界面能的降低，長大過程依

24、靠晶界原子的擴(kuò)散，兩者可以改變奧氏體晶粒的長大進(jìn)程 碳、氮、磷：當(dāng)其溶于奧氏體時(shí)，促進(jìn)奧氏體晶粒長大。 TiC，VC，ZrC，NbC： TiN，VN，ZrN，NbN： 顯著阻止奧氏體晶粒長大本質(zhì)細(xì)晶鋼 Ti(C,N)，V (C,N) ，Zr (C,N) ，Nb (C,N) W，Mo作用稍小。 Al、Si：含量極少時(shí)，僅以非金屬夾雜物形式存在，對奧氏體晶界起釘扎作用，阻止長大。當(dāng)含量足夠高，作為合金元素溶入固溶體時(shí)，促進(jìn)奧氏體長大。 非碳化物元素Ni，Co，Cu作用不明顯。 Mn：低碳鋼中有細(xì)化晶粒作用，而在中碳以上的鋼中可促進(jìn)晶粒長大，這是因?yàn)樵谥懈咛间撝?，Mn加強(qiáng)了碳促進(jìn)奧氏體晶粒長大的作用

25、本質(zhì)粗晶鋼。應(yīng)用： 通常采用加Ti，Nb，V，Al等元素在鋼中形成穩(wěn)定的碳化物、氮化物等彌散第二相控制奧氏體晶粒長大， 氮化物比碳化物有更低的溶解度和更高的穩(wěn)定性，因此在細(xì)化奧氏體晶粒能力上，彌散的氮化物比碳化物更有效，其中TiN彌散質(zhì)點(diǎn)到1400都不易固溶和聚集長大，其次是NbN，AIN，VN，NbC，TiC。研究合金元素對奧氏體晶粒長大的影響，有很重要的實(shí)際意義，因?yàn)閵W氏體晶粒的大小決定著冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變生成產(chǎn)物的晶粒尺寸元素形成碳化物的能力由強(qiáng)到弱如下： TiNbZrVMoWCrMnFe 鋼材軋制： 熱處理：滲碳20CrMnTi 焊接：15MnVN 1.3.3 合金元素過冷奧氏體分解的影響一、

26、合金元素過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響合金元素對過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線有著復(fù)雜的影響，不同類型合金元素對珠光體P轉(zhuǎn)變、貝氏體B轉(zhuǎn)變、馬氏體M轉(zhuǎn)變有著不同作用。 Fe-C合金：由于珠光體和貝氏體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度極為接近，故在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線上只有一個(gè)C曲線； 合金元素由于對P、B轉(zhuǎn)變影響不同，因此出現(xiàn)不同的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線。鋼中加入碳化物形成元素，不僅使C曲線位置移動，而且也使C曲線形狀改變，甚至使珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域完全分開，出現(xiàn)兩個(gè)鼻尖。 （1）Ti，Nb，V，W，Mo等強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少，同時(shí)升高珠光體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度，降低貝氏體最大轉(zhuǎn)變速度的

27、溫度，使相變C曲線明顯分開（2）中、弱碳化物形成元素Cr，Mn 推遲貝氏體轉(zhuǎn)變的作用更加顯著，使最大轉(zhuǎn)變速度出現(xiàn)在高溫轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域。（3）鋼中加如非碳化物元素（Ni，Al，Si，Cu，Co等），C曲線仍然保持與碳鋼相同形狀，只是位置有所改變。AI，Si：增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變更強(qiáng)烈；Ni強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變；Co則使C曲線左移，轉(zhuǎn)變孕育期縮短。鋼中晶界偏聚的B，P、稀土等微量元素使先共析鐵素體轉(zhuǎn)變的推遲極為明顯，對珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較弱。 20MnVB鋼中：Mn：0.8-1.3%V：0.07-0.12%，B：0.001-0.005%二、合金元素珠光體轉(zhuǎn)變的影響珠光體轉(zhuǎn)變是典型的

28、形核和長大過程，包括孕育期、碳化物形核和長大。相形核、長大幾個(gè)步驟。合金元素對珠光體轉(zhuǎn)變形核率N和長大速度G都有重要影響，一般合金元素都降低N或G 中一個(gè)或使兩者同時(shí)降低。 A（0.77C）P A（0.77C） Fe3C （6.67C）+ F（0.02C）A（0.77C） + P A（0.77C） + Fe3C （6.67C）+ F（0.02C）Fe-C碳鋼：奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變形成Fe3C，只需要碳的擴(kuò)散和重新分布。合金鋼：+M1C+M2C+. M+CMC（1）碳化物形成元素： 直接形成特殊碳化物或合金滲碳體 奧氏體中的碳擴(kuò)散和重新分布， 奧氏體中的合金元素?cái)U(kuò)散和重新分布擴(kuò)散系數(shù)：K合金元素

29、10-5.K碳（560）， 導(dǎo)致P珠光體轉(zhuǎn)變推遲。 增加相的形核功和轉(zhuǎn)變激活能， 導(dǎo)致P珠光體轉(zhuǎn)變推遲（2）對非碳化物形成元素Al，Si： 奧氏體分解時(shí)完全不含Al，Si，在(Fe,M)3C形核和長大地區(qū)，Al，Si原子必須先擴(kuò)散開，才有利于滲碳體形核和長大，從而推遲珠光體轉(zhuǎn)變。 Si的加入也增加了相原子間結(jié)合力，降低了鐵的自擴(kuò)散系數(shù)，增加 相的穩(wěn)定性。 合金元素除Co外 （3）元素B，P、稀土RE：提高過冷奧氏體穩(wěn)定性 富集在奧氏體晶界上，降低了晶界表面能，阻止相和碳化物在奧氏體晶界的形核。三、合金元素貝氏體轉(zhuǎn)變的影響半擴(kuò)散型相變：碳的擴(kuò)散和重新分布，合金元素的擴(kuò)散幾乎不進(jìn)行合金元素C擴(kuò)散速

30、度、Cr，Mn，Ni：轉(zhuǎn)變溫度，奧氏體與鐵素體的自由能差 ，從而貝氏體轉(zhuǎn)變速度 。Cr，Mn由于能阻止碳原子擴(kuò)散，其作用尤為明顯。強(qiáng)碳化物元素Mo，W，V：一方面升高轉(zhuǎn)變溫度，增大了奧氏體與鐵素體的自由能差，從而加速貝氏體轉(zhuǎn)變；另一方面由于Mo，W，V降低了碳原子擴(kuò)散速度，阻止了貝氏體轉(zhuǎn)變。因此Mo，W，V推遲貝氏體轉(zhuǎn)變的作用比Cr，Mn，Ni小得多。Si是非碳化物形成元素，但對貝氏體轉(zhuǎn)變有強(qiáng)烈的滯緩作用，這與Si強(qiáng)烈阻止過飽和鐵素體脫溶有關(guān)。Co由于升高A3點(diǎn)，降低相相變臨界形核功，因而促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。晶界偏聚元素B強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變而對貝氏體轉(zhuǎn)變影響較小。因此含強(qiáng)碳化物元素W，Mo，V，N

31、b，Ti或晶界偏聚元素B的鋼，由于珠光體轉(zhuǎn)變孕育期長、貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期短而易于得到貝氏體組織，成為貝氏體鋼的主要合金元素。四、合金元素馬氏體轉(zhuǎn)變的影響無擴(kuò)散性相變： 對馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)影響較?。籛,Mo,Nb,V,Ti,B 改變了Ms，Mf點(diǎn)溫度范圍，從而影響殘留奧氏體量； 對馬氏體亞結(jié)構(gòu)也有很大影響。除Co，Al以外，大多數(shù)合金元素均使Ms點(diǎn)降低，殘留奧氏體量增加。合金元素降低Ms點(diǎn)，主要是由于合金元素降低奧氏體化學(xué)自由能，或升高馬氏體的化學(xué)自由能，即減少了兩者之差，故必須在更大的過冷度下才能供給馬氏體轉(zhuǎn)變所需要的化學(xué)自由能差。合金元素對低合金鋼Ms點(diǎn)影響的經(jīng)驗(yàn)公式為馬氏體亞結(jié)構(gòu)的影響：一般

32、在Fe-C合金中，當(dāng)含碳量小于0.4%，以板條馬氏體為主；含碳量大于0.6%，以孿晶馬氏體為主，含碳量在0.4%0.6范圍內(nèi)為混合結(jié)構(gòu)。合金元素的加入，由于降低了Ms點(diǎn)，一般都增加了形成孿晶馬氏體傾向；如在Fe-19Ni-C合金中，碳含量大于0.31就形成孿晶馬氏體 。低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼1.3.4 合金元素淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響淬火： M+ 殘，亞穩(wěn)定相； 淬火鋼在回火 馬氏體的分解； 20200 C 殘留奧氏體轉(zhuǎn)變： 200300 碳化物的形成和聚集長大： 300-450C 相的回復(fù)： 300-450C 相的再結(jié)晶： 450- 700 合金元素對這些過程均產(chǎn)生影響。一、合金元素馬氏體分解的

33、影響碳化物元素（Cr，W，V，Nb等）： 強(qiáng)烈阻止馬氏體分解。這是因?yàn)槿芙庥隈R氏體的合金元素MC相互吸引的作用，阻礙了馬氏體的分解過程； 非碳化物形成元素（Ni，Cu )和弱碳化物形成元素Mn： 不推遲碳從馬氏體中析出， Si推遲了馬氏體的分解?；鼗饻囟鹊蜁r(shí)，Si不發(fā)生擴(kuò)散，形成的-FexC中的硅含量等于馬氏體中平均硅含量，隨回火溫度升高，滲碳體形成，由于Si完全不溶于Fe3C，硅必須擴(kuò)散離去后，滲碳體才能在那兒形核、長大，而硅在+-Fe中擴(kuò)散激活能遠(yuǎn)大于碳在-Fe中擴(kuò)散激活能，故阻止馬氏體分解。二、合金元素 殘 轉(zhuǎn)變的影響降低Ms點(diǎn)的合金元素增加淬火鋼中殘留奧氏體量。 低碳馬氏體的板條間也可

34、存在：2-3的殘留奧氏體薄膜； 中碳結(jié)構(gòu)鋼中，殘留奧氏體量一般為：35%； 合金元素含量較高的鋼中殘留奧氏體量：10%15%； 高速鋼中殘留奧氏體量高達(dá)：20%40%。 低合金鋼： 殘殘一般發(fā)生在高于200的溫度，在300左右轉(zhuǎn)變完成。 高合金鋼： 殘殘非常穩(wěn)定，加熱到500600時(shí)， 殘殘中析出碳化物 殘殘中碳和合金元素含量，Ms點(diǎn)，在隨后冷卻時(shí)， 殘殘馬氏體，稱“二次淬火”。三、合金元素碳化物形成的影響T 回火溫度，合金元素?cái)U(kuò)散，并在相碳化物之間重新分配。碳化物形成元素向滲碳體中富集，形成合金滲碳體 (M)(Fe,M)3C 非碳化物元素將離開滲碳體。 滲碳體或合金滲碳體將長大，碳化物的聚集

35、長大 小顆粒溶解，碳和合金元素?cái)U(kuò)散 大顆粒上而使其長大。 強(qiáng)碳化物元素（Mo，V，W等）：和碳的親合力較強(qiáng)，阻礙合金滲碳體長大 合金滲碳體穩(wěn)定性 ，合金滲碳體溶解速度 ； 增加碳在相中的擴(kuò)散激活能 ，碳的擴(kuò)散速度 ；與碳鋼相比，含碳化物形成元素的鋼能在更高回火溫度下保持細(xì)小質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)鋼中含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素Mo，V，W，Nb時(shí)，在回火時(shí)將析出特殊碳化物。特殊碳化物的形成機(jī)制有兩種：（1）原位形核。）原位形核。（2）直接形核。）直接形核。（1）原位形核。碳化物形成元素在回火時(shí)向滲碳體富集，當(dāng)其濃度超過在合金滲碳體中的溶解度時(shí)，合金滲碳體就原位轉(zhuǎn)變成特殊碳化物。 鉻鋼中常出現(xiàn)特殊碳化物的原位形

36、核。 滲碳體可以溶解25% Cr，在回火初期，隨時(shí)間延長，Cr在滲碳體中富集，550回火6h后，合金滲碳體Cr中富集到22.5濃度，但仍為滲碳體，進(jìn)一步延長回火時(shí)間，當(dāng)滲碳體中Cr超過其溶解度時(shí)，合金滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)镃r的特殊碳化物(Cr,Fe)7C3，回火50h后，全部(Fe,Cr)3C都轉(zhuǎn)，變?yōu)?Cr,Fe)7 C3。高鉻鋼在回火時(shí)形成的（Cr,Fe) 23C6也可由（Cr,Fe)7C3原位轉(zhuǎn)變而來。由于原來合金滲碳體顆粒較粗大，原位形成的特殊碳回火時(shí)化物也具有較粗尺寸。（2）直接形核。特殊碳化物形成的另一種機(jī)碳化物成分和結(jié)構(gòu)的變化機(jī)制是直接從過飽和相中析出特殊碳化物；MC型碳化物（VC ，N

37、bC，TiC，ZrC）Mo和W的碳化物（MoC，WC，Mo2C，W2C）鉻的碳化物（Fe,Cr)7C3和(Cr,Fe)23C6均可采用直接形核方式形成。直接形核時(shí)，碳將在固溶體和碳化物之間發(fā)生復(fù)雜的再分配，在低溫回火下已經(jīng)形成的滲碳體在提高回火溫度時(shí)將重新溶如固溶體，從而保證形成特殊碳化物所需的含碳量。這種直接形核的特殊碳化物一般在450600回火溫度范圍內(nèi)形成。300-450C450600 直接從相中析出的特殊碳化物能產(chǎn)生“二次硬化”效應(yīng)，二次硬化效果取決于合金元素種類和含量。V鋼中析出的VC和Mo鋼中析出的Mo2C與基體保持共格，且聚集長大速度小，因此產(chǎn)生明顯的“二次硬化”效應(yīng)。鉻鋼碳化物

38、（Cr,Fe)7C3，1.4 合金元素對鋼性能的影響1. 4.1 合金元素對鋼力學(xué)性能的影響力學(xué)性能： 拉伸（Rm、Rp0.2、A、Z）、彎曲、疲勞、沖擊、硬度、斷裂韌性等 低溫、高溫一、合金元素對鋼常溫力學(xué)性能的影響 固溶體、碳（氮）化物固溶體的強(qiáng)度、硬度和冷變形加工硬化率提高，韌性和延展性都降低。鋼淬火的馬氏體的硬度，主要決定于碳的含量。鋼中碳化物、氮化物對鋼力學(xué)性能的影響主要取決于碳化物、氮化物的 性質(zhì)、數(shù)量、大小和分布。鋼中碳化物、氮化物對鋼力學(xué)性能的影響主要取決于碳化物、氮化物的性質(zhì)、數(shù)量、大小和分布。等溫轉(zhuǎn)變： 珠光體P、屈氏體T、索氏體S、上貝氏體、下貝氏體、馬氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變 ：

39、回火珠光體P、回火屈氏體T、回火索氏體S碳含量： 低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼二、合金元素對鋼高溫力學(xué)性能的影響晶粒和晶界的強(qiáng)度都要下降，但是由于晶界的缺陷多，原子擴(kuò)散較晶內(nèi)快，故晶界強(qiáng)度下降比晶內(nèi)的快。到一定溫度，晶界的強(qiáng)度便低于晶粒本身的強(qiáng)度。因此為了改善鋼的力學(xué)性能，特別是蠕變極限，需要適當(dāng)?shù)販p少晶粒邊界，即要求使用粗晶粒的鋼。在鋼中加入Xt（RE）、B等化學(xué)性質(zhì)活潑的元素，可以凈化晶界，使易熔雜質(zhì)元素從晶界轉(zhuǎn)移到晶內(nèi)，強(qiáng)化晶界。提高鋼高溫力學(xué)性能的另一個(gè)有效途徑是強(qiáng)化基體，提高合金基體原子間的結(jié)合力，增大原子自擴(kuò)散激活能。Mo的影響最為顯著 ，而Co和Ni的影響很小。在鋼中加入能形成具有高溫

40、強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性的第二相顆粒的強(qiáng)碳化物形成元素，對位錯(cuò)運(yùn)動起阻礙作用，可提高合金的高溫性能 。三、合金元素對鋼低溫力學(xué)性能的影響（1）碳、氮。重要的脆化元素、脆性相，是裂紋源。（2）氧、硫、磷。 （3）錫、砷。 （4）鎳 ： （5）細(xì)化晶粒的元素。可以提高鋼的韌性，包括低溫韌性。低溫鋼： 1Ni9、 0Cr18Ni9、 15Mn26Al4、5%Ni1.4.2 對工藝性能的影響一、對焊接性能的影響鋼在一定焊接條件下，形成符合使用要求的完整焊接接頭的能力稱為鋼的焊接性。影響焊接性的主要因素是鋼的化學(xué)成分和組織，也與焊接工藝因素和使用條件相關(guān)。鋼的化學(xué)成分是決定其冶金焊接性的主要因素，鋼中碳含量越高

41、，焊接性越差，鋼中其它化學(xué)元素可以通過碳當(dāng)量（Ceq）來對其影響進(jìn)行比較和估計(jì)。國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量的計(jì)算公式為Ceq0.6： 焊接困難一般而言，凡能提高淬透性的合金元素對鋼的焊接性都不利，因?yàn)樵诤缚p熱影響區(qū)靠近熔合線一側(cè)冷卻時(shí)易形成馬氏體等硬脆組織，有導(dǎo)致開裂的危險(xiǎn)。焊接材料對焊縫金屬化學(xué)成分變化的影響。尤其是不銹鋼熔焊，不同化學(xué)成分的不銹鋼（奧氏體、鐵素體、馬氏體和雙相不銹鋼）必須選擇成分適宜的專用填充金屬，以改善不銹鋼的焊接性。此外，熱影響區(qū)靠近熔合線處的晶粒因?yàn)槭軣崛菀状只?，因此適當(dāng)加入具有細(xì)化晶粒作用的元素有益。Si含量高，焊接時(shí)會發(fā)生嚴(yán)重噴濺；S含量高容易發(fā)生熱裂；P含量高容易

42、導(dǎo)致冷裂。金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)鋼鐵材料鋼鐵材料黑色金屬黑色金屬第二章第二章 工工 程程 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 鋼鋼工程結(jié)構(gòu)鋼 專門用來制造各種工程結(jié)構(gòu)件的一大類鋼種，如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。對材料的要求：（1）力學(xué)性能： 承受各種載荷，要求有較高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性和韌性，以保證工程結(jié)構(gòu)的可靠性?？赡芤蟮蜏仨g性，并要求耐大氣腐蝕。（2）工藝性能：鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、修復(fù)、冷熱變形 冷彎、沖壓、剪切等，成形后常用焊接的方法連接起來，因此構(gòu)件用鋼還必須具有良好的焊接性和成形工藝性。構(gòu)件用鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)和選擇，首先必須滿足這方面的要求。在鋼總產(chǎn)量中，工程

43、結(jié)構(gòu)鋼占90左右。（3）經(jīng)濟(jì)性能 2.1.2 合金元素對鋼組織、性能的影響合金元素對鋼組織、性能的影響碳素工程結(jié)構(gòu)鋼中的基本元素是Fe，C，Si，Mn，P，S， （1）碳元素：C 0.38%，為亞共析鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼中重要元素，材料性能基本上由碳含量決定。 對于亞共析鋼，鋼的硬度和強(qiáng)度幾乎是隨碳含量呈直線變化。塑性和韌性。 鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低鋼的抗大氣腐蝕能力。 碳的增加導(dǎo)致鋼的焊接性能顯著下降 。 （2）硅Si：脫氧能力比Mn還要強(qiáng)，在常用的脫氧元素中僅次于Al，煉鋼過程中硅鐵是常用的脫氧劑。 Mn-Fe脫氧-F Si-Fe脫氧-Z Al脫氧-TZ 固溶： 硅幾乎全部溶于鐵素體從而提

44、高鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性，降低塑性、韌性，硅可以顯著提高抗拉強(qiáng)度，小幅提高屈服強(qiáng)度，碳素工程結(jié)構(gòu)鋼Wsi0.35%。 夾雜：少部分硅元素存在于硅酸鹽夾雜中，當(dāng)硅僅作為雜質(zhì)存在時(shí)對碳鋼的性能影響不顯著。 硅：提高鋼的時(shí)效敏感性，提高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，硅還能提高抗氧化能力和抗腐蝕能力。（3）錳Mn：煉鋼時(shí)用Mn（Fe）脫氧和脫硫而殘存在鋼中的元素。一般認(rèn)為錳是有益元素。 固溶 ：錳大部分溶于鐵素體，形成置換固溶體使鐵素體強(qiáng)化；一部分錳溶于Fe3 C (Fe,Mn)3 C 增加珠光體的相對量，使珠光體變細(xì)，這都會使鋼的強(qiáng)度增加。 脫硫、夾雜： Mn+S MnS，能減輕硫的有害作用，在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中WMn

45、=0.250.80% 提高鋼的淬透性。（4）磷 ：有害元素，是煉鋼中帶進(jìn)來的雜質(zhì) 固溶：磷在鋼中可以全部溶于鐵素體提高鐵素體強(qiáng)度；磷使屈服點(diǎn)和屈強(qiáng)比顯著提高，使塑性和韌性惡化，對焊接有不利影響。 偏聚：碳的存在使磷的溶解度急劇下降，磷在鋼中的擴(kuò)散速度很慢，有可能在鐵素體晶界上出現(xiàn)Fe3P薄膜，造成鋼的脆性劇增，這種現(xiàn)象稱為“冷脆”，一般需要嚴(yán)格控制磷含量。 磷在易切削鋼中含量提高到0.080.15可以顯著改善鋼的易切削性能，當(dāng)磷含量在0.1時(shí)就能改善建筑鋼的抵抗大氣腐蝕能力。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中磷的含量國標(biāo)規(guī)定不大于0.045，對鋼的性能沒有顯著影響。Y30（5）硫：有害雜質(zhì)。 硫不溶于鐵，而以F

46、eS形式存在， FeS +Fe共晶點(diǎn)為989 ，分布于奧氏體晶界上， Fe+FeS+FeO940C ;10001200熱加工時(shí)發(fā)生熔化，使鋼材變脆，稱為“熱脆”，需要嚴(yán)格控制硫含量。 當(dāng)S含量在0.080.20時(shí)可以大幅改善鋼的切削性能易切削鋼普碳鋼國標(biāo)規(guī)定S0.75，經(jīng)時(shí)效處理可產(chǎn)生沉淀硬化。 銅 ：可以提高鋼的抗大氣腐蝕性能，銅還可以改善鋼水的流動性，不利的方面是含銅鋼在熱軋時(shí)會出現(xiàn)表面魚鱗狀開裂。2.2 低合金高強(qiáng)度鋼2.2.1 低合金高強(qiáng)度鋼的分類、成分和性能 低合金高強(qiáng)度鋼：在碳素工程結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加人少量合金元素（主要是Mn， Si和微合金元素Nb，V，Ti，Al等）而形成的。

47、“低合金”鋼中合金元素總量不超過3%， “高強(qiáng)度”相對于碳素工程結(jié)構(gòu)鋼而言：Q195Q275低合金高強(qiáng)度鋼合金化的基本原則： 盡量少的合金元素獲得盡可能高的綜合力學(xué)性能，以達(dá)到成本低廉的目的。低合金高強(qiáng)度鋼： 固溶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化 沉淀強(qiáng)化。 利用細(xì)晶強(qiáng)化使鋼的韌一脆轉(zhuǎn)化溫度的降低，來抵消由于碳氮化物析出強(qiáng)化使鋼的韌一脆轉(zhuǎn)化溫度的升高。 把鐵素體的晶粒尺寸細(xì)化 m級，F(xiàn)一P低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度也可達(dá)到800MPa。 軋制或正火態(tài)供應(yīng)，一般不再進(jìn)行熱處理，也不再進(jìn)行機(jī)械加工就直接使用。它廣泛使用在橋梁、船舶、車輛以及石油化工容器等方面 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591-94，有Q295，Q345，Q39

48、0，Q420，Q460五個(gè)牌號。根據(jù)質(zhì)量要求分為： 五個(gè)等級 A：不做沖擊試驗(yàn)。 B： 20 沖擊試驗(yàn) C： 0 沖擊試驗(yàn) D： -20 沖擊試驗(yàn)：Q420D E： -40沖擊試驗(yàn)： Q345E、 （Q690）一、合金元素的作用一、合金元素的作用低合金高強(qiáng)度鋼，其力學(xué)性能好，其最顯著的特征就是高強(qiáng)度。以滿足結(jié)構(gòu)件在承受各種載荷時(shí)能保持穩(wěn)定的形狀，而不致由于產(chǎn)生明顯的變形或斷裂而導(dǎo)致失效。 低合金高強(qiáng)度鋼一般比相應(yīng)的碳素工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度高30一50%，因而能夠承受較大的載荷。而結(jié)構(gòu)材料自身的重量往往也是結(jié)構(gòu)件需要承受的載荷的組成部分，因而結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的提高同時(shí)還可明顯降低結(jié)構(gòu)件的自重而使其承受其

49、它載荷的能力更進(jìn)一步提高。 在低合金高強(qiáng)度鋼中，主要是通過加人少量合金元素（成本考慮），通過（1）固溶強(qiáng)化；（2）增加珠光體含量強(qiáng)化；（3）細(xì)化晶粒強(qiáng)化；（4）析出彌散強(qiáng)化；強(qiáng)化機(jī)理：強(qiáng)化機(jī)理：固溶強(qiáng)化：利用點(diǎn)陣缺陷對晶體進(jìn)行的強(qiáng)化，根據(jù)固溶強(qiáng)化的規(guī)律，間隙原子的強(qiáng)化作用比置換原子大得多，因此間隙原子碳是提高鋼強(qiáng)度最重要的元素。（1）間隙固溶：提高碳含量：當(dāng)時(shí)的碳含量高達(dá)0.3%，屈服強(qiáng)度可達(dá)300MPa 500MPa，P含量，T韌一脆轉(zhuǎn)化溫度顯著提高 ，焊接性，因此從強(qiáng)化和塑韌性及工藝性考慮，其含碳量，一般均應(yīng)限制在0.25以下。（2）置換固溶：利用Si，Mn，Cu，P等元素溶人鐵素體來提高

50、強(qiáng)度。 P0.1%。 Mn和Si為常用的固溶強(qiáng)化元素，Mn2% ， Si0.8%，否則對塑性、韌性、冷彎性能和焊接性不利。 Cu作為鋼中的殘余元素加以利用，一般含0.25%0.5%。（3） 細(xì)化晶粒： 可以提高鋼的強(qiáng)度，而且可提高鋼的塑性和韌性; 重要的是用鋁脫氧和合金化。 用鋁脫氧生成的細(xì)小彌散的AIN質(zhì)點(diǎn)，用Ti 、Nb、V的微合金化生成彌散的氮化物 、碳化物和碳氮化物，這些彌散相都能釘扎晶界，阻礙奧氏體晶粒長大，細(xì)化鐵素體晶粒和珠光體領(lǐng)域。 （4）沉淀強(qiáng)化微合金碳氮化物的沉淀強(qiáng)化：低合金高強(qiáng)度鋼中采用的重要的強(qiáng)化方式。 應(yīng)用V、Nb、Ti的微合金化，使過冷奧氏體發(fā)生相間沉淀和鐵素體中彌散

51、析出的碳化物和碳氮化合物，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動從而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。氮化物最穩(wěn)定，一般在奧氏體中沉淀，碳化物和碳氮化合物穩(wěn)定性稍差， 在奧氏體轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生相間沉淀和從過飽和鐵素體中析出，從而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。微合金鋼中主要的沉淀強(qiáng)化相是VC，NbC和TiC。 鋼中每加人質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01的Nb和Ti，屈服強(qiáng)度增高30MPa50MPa；每增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.10的釩，屈服強(qiáng)度增高150MPa200MPa。 沉淀強(qiáng)化效應(yīng)的大小，不僅與析出碳氮化合物的數(shù)量有關(guān)，而且與析出顆粒的尺寸有關(guān)，析出顆粒的尺寸越小，則沉淀強(qiáng)化效果越好； 二、合金元素對低合金高強(qiáng)度鋼冷脆性的影響鋼鐵結(jié)構(gòu)件需經(jīng)加工變形，如彎曲、拉拔、卷邊、沖壓等 要

52、求鋼鐵結(jié)構(gòu)材料具有良好的塑性。 要求所使用的鋼鐵材料必須具有足夠的韌性。 材料的強(qiáng)度塑性、韌性 選擇在提高強(qiáng)度的同時(shí)仍可保持良好的塑性和韌性的強(qiáng)化方式，以保證在提高強(qiáng)度后材料仍具有足夠的塑性和韌性是十分重要的。 工程結(jié)構(gòu)鋼一般在-50100范圍使用，要求有較低的韌一脆轉(zhuǎn)化溫度FATT50（）。而在嚴(yán)寒地區(qū)使用的結(jié)構(gòu)件（如北海采油平臺、西伯利亞輸油管線、青藏鐵路鋼軌），對低溫韌性的要求也往往超過對提高強(qiáng)度的要求。FATT：Fracture Appearance Transition Temperature： FATT50：沖擊斷口端面結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50%時(shí)的溫度C： CP Fe3C，

53、FATT50() ，工程結(jié)構(gòu)鋼的C 0.25%。形成細(xì)小的碳氮化物TiC，Nb(C,N)，VC等，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，使鋼的強(qiáng)度 ，隨之鋼的FATT50()） ；可細(xì)化晶粒，鋼的FATT50() ，因此其沉淀強(qiáng)化對韌性的不良影響可以部分為細(xì)化晶粒的作用所抵消。Ti、Nb、V：磷、硅：固溶后均升高FATT50()，限制鐵素體在形變時(shí)發(fā)生交滑移，從而降低沖擊韌性，升高FATT50()Mn，Ni和Cr：固溶于鐵素體中可降低FATT50()，促進(jìn)鐵素體在形變時(shí)發(fā)生交滑移，間隙固溶，強(qiáng)烈升高鋼的FATT50()，并產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效。少量鋁可固定氮和脫氧，并細(xì)化晶粒，使鋼的FATT50()下降。C、N三、合金元素對

54、低合金高強(qiáng)度鋼焊接性和耐大氣腐蝕性能的影響三、合金元素對低合金高強(qiáng)度鋼焊接性和耐大氣腐蝕性能的影響 工程結(jié)構(gòu)鋼要求具有優(yōu)良的焊接性。 鋼焊接性：取決于鋼的含碳量和合金元素含量，Ceq； 工程結(jié)構(gòu)多是在大氣或海洋環(huán)境中服役，在潮濕空氣作用下，會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因而要求有抗大氣腐蝕的能力。 鋼中加入少量Cu， P，Ni、Cr等元素，都能提高鋼抗大氣腐蝕的能力。少量銅非常有效地提高鋼抗大氣腐蝕的能力，因?yàn)殇撝械你~不易發(fā)生腐蝕，而以Cu元素沉積在鋼的表面，它具有正電位，成了鋼表面的附加陰極，促使鋼在很小的陽極電流下達(dá)到鈍化狀態(tài)。為提高鋼的抗大氣腐蝕能力，-般在鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25-0.50的銅。

55、磷也有提高鋼抗大氣腐蝕的能力，為此鋼中可加人質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06-0.15的磷。少量鎳和鉻都能促進(jìn)鋼的鈍化，減少電化學(xué)腐蝕。加人微量的稀土金屬也有良好效果。若同時(shí)加入幾種耐蝕的少量或微量元素，則提高耐蝕性的效果更佳，其中銅和磷共同作用最為有效。2.2.3常用低合金高強(qiáng)度鋼（1） Q295：有良好的塑性、冷彎性能、焊接性能及耐蝕性能； 鋼中常用的是12Mn，很多鍋爐廠采用此鋼。（2）Q345，Q390：綜合力學(xué)性能較好，冷熱加工性能、焊接性能和耐蝕性能均好，該鋼號的C，D，E等級鋼材具有良好的低溫性能。 16Mn：是發(fā)展最早、使用最多、最有代表性的鋼種， 16Mnq、16MnC、16Mng 、16

56、MnR； Q345E（3）Q420：強(qiáng)度高、焊接性能好，正火或正火回火；具有較高的綜合力學(xué)性能。用于大型橋梁、船舶、電站設(shè)備、鍋爐、礦山機(jī)械、起重機(jī)械及其它大型工程和焊接結(jié)構(gòu)件。 14MnVTiRe；（4）Q460。此類鋼強(qiáng)度最高，正火、正火十回火、淬火回火；很高的綜合力學(xué)性能，該鋼號的C，D，E等級鋼材可保證良好的韌性。此類鋼屬于備用鋼種，主要用于各種大型工程結(jié)構(gòu)及要求強(qiáng)度高、載荷大的輕型結(jié)構(gòu)。 18MnMoNb 2.3 微合金鋼微合金鋼 在碳素工程結(jié)構(gòu)鋼或低合金高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上，添加微量合金元素而得到的使用狀態(tài)組織為F+P的工程結(jié)構(gòu)用鋼-微合金鋼。 （1） 低碳：（0.05%0.1%

57、）鋼 （2）元素：Nb，V，Ti，B，Al、稀土等強(qiáng)碳C（N）化物形成元素 （3）含量：一般均小于0.1%， 一般合金鋼中合金元素的添加量以1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單位，大多在1以上甚至可高達(dá)30以上；鋼含有少量的強(qiáng)碳化物形成元素+控制軋制工藝，低成本； 屈服強(qiáng)度RP0.2=250-550MPa，并且具有良好韌性的。焊接性、工藝性能2.3.1 微合金鋼的成分控制工程構(gòu)件：良好的焊接性，C 20 m（2）在未發(fā)生再結(jié)晶區(qū)軋制。軋制溫度在950-Ar3區(qū)間時(shí)，奧氏體晶粒沿軋制方向拉長，晶粒中存在形變帶，增加了形核位置，晶界與晶內(nèi)核，使室溫相當(dāng)細(xì)小。 （3）在+兩相區(qū)軋制：未相變的奧氏體晶粒形變程度較大，-部分

58、奧氏體由于形變誘發(fā)發(fā)生相變，形成等軸狀顆粒組織；顆粒狀中有一部分受形變作用產(chǎn)生回復(fù)，形成亞結(jié)構(gòu)，進(jìn)-步細(xì)化。 TMCP常規(guī)熱軋和控制軋制之間的基本差別在于：一般熱軋：只在晶界上形核，這就限制了晶粒細(xì)化；控制軋制：形核發(fā)生在晶內(nèi)（變形帶）、晶界上，形成非常細(xì)小的晶粒組織。2.4 其它工程結(jié)構(gòu)鋼 2.4.1 超低碳貝氏體鋼 低合金鋼結(jié)構(gòu)鋼：組織是F+P；碳素工程結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、微合金鋼， b600MPa，同時(shí)具有良好的塑性和韌性、焊接性、成形工藝性、-定的耐蝕性的結(jié)構(gòu)鋼；碳含量已大幅度降低，因而徹底消除了碳對貝氏體組織韌性的不利影響， 控軋控冷：可得到細(xì)小的含有高位錯(cuò)密度的貝氏體基體組織。

59、 主要通過:細(xì)晶強(qiáng)化，位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，Nb，Ti，V(CN)析出強(qiáng)化，以及-Cu在回火過程中析出保證鋼的強(qiáng)韌性匹配極佳，尤其是優(yōu)良的野外焊接性能和抗氫致開裂能力。2.4 其它工程結(jié)構(gòu)鋼超低碳貝氏體鋼當(dāng)采用控軋控冷工藝時(shí)，超低碳貝氏體鋼的b=415MPa -690MPa， FATT50%-60C， 非常高的沖擊功、優(yōu)異的焊接性和良好的抗裂紋擴(kuò)展性;該類鋼廣泛用于寒冷地帶的輸送管線，典型的鋼號為低C-Mn-Mo-Nb系的X70。一、超低碳貝氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、超低碳貝氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)制碳對鐵素體的強(qiáng)化。在超低碳貝氏鋼中，C 900 熱處理：淬火中溫回火 ，才能達(dá)到所要求的性能。 在400550回火

60、后，彈簧鋼的彈性極限、抗疲勞性能最佳 中溫回火后，彈簧鋼的顯微組織多為T+S的混合組織，4050HRC。屈強(qiáng)比Rp0.2/Rm高，彈簧的工作性能好。中溫回火的溫度恰好在容易出現(xiàn)回火脆區(qū)的溫度區(qū)間，為此回火時(shí)間不宜過長，回火后快冷（水冷或油冷）以防止出現(xiàn)回火脆性。彈簧鋼淬火處理：采用水冷或油冷，應(yīng)根據(jù)鋼的化學(xué)成分、淬透性、彈簧的尺寸和形狀等選擇，保證既能淬透又不產(chǎn)生過大內(nèi)應(yīng)力及裂紋。一般碳含量較低的彈簧可用水淬，碳含量超過0.50的非合金彈簧和碳含量超過0.40的合金彈簧應(yīng)該油淬。3.2.3常用彈簧鋼常用彈簧鋼（1）Si-Mn系 ：具有很高的強(qiáng)韌性、良好的彈性極限、屈服極限、屈強(qiáng)比和疲勞極限，是