金屬材料學(xué)課件

第一章鋼合金化概論1.1碳鋼概論

Chapter1鋼鐵中的合金元素

Steelmakingflowlines1.1碳鋼概論

SteelFinishingflowlines1.1碳鋼概論

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（1）

1.錳（

Mn）和硅（

Si）

煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進(jìn)入鋼中的。

Mn：在碳鋼中的含量一般小于0.8%?？晒倘?，也可形成高熔點MnS（1600℃）夾雜物。

MnS在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，加工后硫化錳呈條狀沿軋向分布。

Si：在鋼中的含量通常小于0.5%?？晒倘?，也可形成SiO2夾雜物。

Mn和Si是有益雜質(zhì)，但夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強度和塑、韌性下降。

1.1碳鋼概論

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（2）

2．硫（S）和磷（P）

S：在固態(tài)鐵中的溶解度極小，

S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔點共晶。發(fā)生熱脆

(裂)。

P：可固溶于α-鐵，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。

S和P是有害雜質(zhì)，但可以改善鋼的切削加工性能。

1.1碳鋼概論

一、碳鋼中的常存雜質(zhì)（3）

3．氮（N）、氫（H）、氧（O）N：在α-鐵中可溶解，含過飽和N的鋼經(jīng)受冷變形后析出氮化物—機械時效或應(yīng)變時效。N可以與釩、鈦、鈮等形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強化。

H：在鋼中和應(yīng)力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。

O：在鋼中形成硅酸鹽2MnO?SiO2、MnO?SiO2或復(fù)合氧化物MgO?Al2O3、MnO?Al2O3。

N、H、O是有害雜質(zhì)。

1.1碳鋼概論

二、碳鋼的分類（1）

400C1400C

1200C

1000C

800C

600C

1600C

Fe

1%C

2%C

3%C

4%C

5%C

6%C

6.70%C

L

g

a

d

Steel

CastIron

1．按鋼中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相圖分類

亞共析鋼：

0.0218%≤wc≤0.77%共

析

鋼：

wc

=0.77%過共析鋼：

0.77%＜wc≤2.11%

1.1碳鋼概論

（2）按鋼中碳含量的多少分類

低碳鋼：

wc

≤0.25%中碳鋼：0.25%＜wc≤0.6%高碳鋼：

wc＞0.6%

2．按鋼的質(zhì)量（品質(zhì)），碳鋼可分為

（1）普通碳素鋼：wS≤0.05%，wP≤0.045%。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.035%，

wP≤0.035%。

（3）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.02%，

wP≤0.03%。

（4）特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS≤0.015%，

wP≤0.025%。

1.1碳鋼概論

二、碳鋼的分類（2）

3．按鋼的用途分類，碳鋼可分為

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于各種工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、建筑構(gòu)件等。也可用于不太重要的機件。

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種機器零件，如軸、齒輪、彈簧、連桿等。

（3）碳素工具鋼：主要用于制造各種工具，如刃具、模具、量具等。

（4）一般工程用鑄造碳素鋼：主要用于制造形狀復(fù)雜且需一定強度、塑性和韌性零件。

1.1碳鋼概論

二、碳鋼的分類（3）

4．按鋼冶煉時的脫氧程度分類，可分為

（1）沸騰鋼：指脫氧不徹底的鋼，代號為F。

（2）鎮(zhèn)靜鋼：指脫氧徹底的鋼，代號為Z。

（3）半鎮(zhèn)靜鋼：指脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。

（4）特殊鎮(zhèn)靜鋼：指進(jìn)行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。

1.1碳鋼概論

二、碳鋼的分類（4）

1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）主要用于一般工程結(jié)構(gòu)和普通零件，它通常軋制成鋼板、鋼帶、鋼管、盤條、型鋼、棒鋼或各種型材（圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等），可供焊接、鉚接、栓接等結(jié)構(gòu)件使用。應(yīng)用量很大（鋼總產(chǎn)量的70%以上）。

（2）熱軋后空冷是這類鋼通常的供貨狀態(tài)。用戶一般不需要再進(jìn)行熱處理而是直接使用。wC=0.06%~0.38%，當(dāng)質(zhì)量等級為“A”、“B”時，在保證力學(xué)性能的要求下，化學(xué)成分可根據(jù)需方要求作適當(dāng)調(diào)整。

三、碳鋼的用途（1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

）

1.1碳鋼概論

（3）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法

由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四個部分按順序組成。

屈服點數(shù)值共分195、215、235、255、275五個強度等級；

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

）

等級符號是指這類鋼所獨用的質(zhì)量等級符號，也按S、P雜質(zhì)多少來分，以A、B、C、D四個符號代表四個等級，其中：

A級wS≤0.05%,wP≤0.045%，

B級wS≤0.045%,wP≤0.045%，

C級wS≤0.04%,wP≤0.04%，

D級wS≤0.035%,wP≤0.035%。

其中質(zhì)量等級最高的是D級，達(dá)到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級，A、B、C三個等級均屬于普通級范圍。

脫氧方法符號在鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的牌號中可省略。

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

）

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

）

（4）典型牌號、性能與用途（表1-1）

Q195、Q215：含碳量很低，強度不高，但具有良好的塑性、韌性和焊接性能，常用作鐵釘、鐵絲、鋼窗及各種薄板等強度要求不高的工件。

Q235A、Q255A：用于農(nóng)機具中的拉桿、小軸、鏈等。也用于建筑鋼筋、鋼板、型鋼等；Q235B、Q255B：用作建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件，機械中一般的轉(zhuǎn)動軸、吊鉤、自行車架等；Q235C、Q235D：質(zhì)量較好，可作一些重要的焊接結(jié)構(gòu)件及機件。

Q255、Q275：強度較高，其中Q275屬于中碳鋼，可用作制造摩擦離合器、剎車鋼帶等。

2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）用于較為重要的機械零件，可以通過各種熱處理調(diào)整零件的力學(xué)性能。（2）供貨狀態(tài)可以是熱軋后空冷，也可以是退火、正火等狀態(tài)，一般隨用戶需要而定。（3）牌號一般用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍，如20鋼、45鋼。

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，它們是08F、10F、15F。半鎮(zhèn)靜鋼標(biāo)“b”，鎮(zhèn)靜鋼一般不標(biāo)符號。

高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加符號“A”，特級碳素結(jié)構(gòu)鋼加符號“E”。

專用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼還要在牌號的頭部（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號，例如平均碳含量為0.2%的鍋爐用鋼，其牌號表示為“20g”等。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按含錳量的不同，分為普通含錳量和較高含錳量兩組。含錳量較高的一組在其數(shù)字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。

注意：這類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，不要和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼混淆。

三、碳鋼的用途（2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

1.1碳鋼概論

1.1碳鋼概論

（4）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼共有31個鋼號（表1-2）。

08F鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、塑性好，強度較低?？捎糜诟鞣N冷變形加工成型件。

10~25等鋼：焊接和冷沖壓性很好，可用來制造標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可以經(jīng)熱處理制造表面硬度高、心部有較高的強度和韌性的耐磨損、耐沖擊的零件。如齒輪、凸輪、銷軸、摩擦片、水泥釘?shù)取?/p>

三、碳鋼的用途（2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）

45等中碳鋼：通過適當(dāng)熱處理可獲得良好的綜合力學(xué)性能?？捎糜谌鐐鲃虞S、發(fā)動機連桿、機床齒輪等機械零件。

高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼：經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高的彈性極限和屈強比以及足夠的韌性和耐磨性?？芍圃煨【€徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。3-碳素工具鋼

（1）主要用于制作各種小型工具?？蛇M(jìn)行淬火、低溫回火處理獲得高的硬度和高耐磨性?？煞譃閮?yōu)質(zhì)碳素工具鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。

（2）牌號一般用標(biāo)志性符號“T”（碳字的漢語拼音字頭）加上碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍表示。如T10，T12等。一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼不加質(zhì)量等級符號，而高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在其數(shù)字后面再加上“A”字，如T8A，T12等。

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（3-碳素工具鋼）

Chapter1鋼鐵中的合金元素

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（3-碳素工具鋼）

（3）含錳碳素工具鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可擴(kuò)大到0.6%，這時，在牌號的尾部標(biāo)以Mn，如T8Mn，T8MnA。

（4）典型的碳素工具鋼（表1-3）

T7、T8：適合于制造承受一定沖擊而要求韌性較高的刃具，如木工用斧、鉗工用鑿子等，淬火、低溫回火后的硬度為48~54HRC（工作部分）；

T9、T10、T11鋼：用于制造沖擊較小而要求高硬度與耐磨的刃具，如小鉆頭、絲錐、手鋸條等，淬火、低溫回火后的硬度為60~62HRC，T10A鋼還可用于制造一些形狀簡單、工作負(fù)荷不大的冷作模具、量具；

T12、T13鋼：硬度及耐磨性最高，但韌性最差，用于制造不承受沖擊的刃具，如銼刀、鏟刮刀等，淬火、低溫回火后的硬度為62~65HRC。

T12A也可用于制造量具。

T7~T12、T7A~T12A還可用于形狀簡單的塑料模具。

三、碳鋼的用途（3-碳素工具鋼）

1.1碳鋼概論

4-一般工程用鑄造碳素鋼

（1）主要用于鑄鐵保證不了其塑性，且形狀復(fù)雜，不便于用鍛壓制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。

（2）牌號用符號“ZG”（鑄鋼這兩個字的漢語拼音字頭）加上最低屈服點值-最低抗拉強度值表示。如ZG340-640表示其屈服強度不小于340MPa，抗拉強度不低于640MPa的鑄鋼。

（3）典型的碳素鑄鋼（表1-4）

1.1碳鋼概論

三、碳鋼的用途（4-一般工程用鑄造碳素鋼）

（4）其他類型的鑄鋼件還有：

焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件

（GB/T7659-1987），如ZG230-450H；

低合金鑄鋼件

（GB/T14408-1993），如ZGD535-720；

耐熱鑄鋼件

（GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20；

不銹耐酸鋼鑄件

（GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；

中、高強度不銹鋼鑄件

（GB6967-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。

三、碳鋼的用途（4-一般工程用鑄造碳素鋼）

1.1碳鋼概論

1.2鋼的合金化原理1.1

Me和Fe基二元相圖一、鋼中的Me

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)過程中形成，微量元素O、H、N等。

與煉鋼時的礦石、廢鋼有關(guān)，如Cu、Sn、Pb、Cr等。

熱脆性——S——FeS(低熔點989℃)；？

冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氫脆——H——白點。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。二、Me和Fe的作用

純Fe-Fe-C相圖的變化特點。1、γ穩(wěn)定化元素使A3↓，A4↑，γ區(qū)擴(kuò)大a)與γ區(qū)無限固溶——

Ni、Mn、Co開啟γ區(qū)——

量大時，室溫為γ相；b)與γ區(qū)有限固溶

——

C、N、Cu

——

擴(kuò)大γ區(qū)。Me和Fe的作用：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→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——A形成元素。(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)

1.2Me對Fe-C相圖的影響一、對S、E點的影響

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

合金元素對共析碳量的影響

二、對臨界點的影響

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動三、對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。

鉻對鋼γ區(qū)的影響錳對鋼γ區(qū)的影響

1.3鐵基固溶體一、置換固溶體

合金元素在鐵點陣中的固溶情況

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)無限無限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*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?簡單地說：這與合金元素在元素周期表中的位置有關(guān)。

常用合金元素點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點陣結(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

（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（3）Cu和γ-Fe點陣結(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：ΔR≤±8%，可以形成無限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。結(jié)論合金元素的固溶規(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.

①有限固溶C、N、B、O等

②溶解度溶劑金屬點陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不同點陣結(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1.4碳（氮）化物

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。

非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等K形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由強到弱排列）鋼中常見的K類型有：

M3C：滲碳體，正交點陣；

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，簡單面心立方點陣；

M6C：不是一種金屬K。復(fù)雜六方點陣。K也有空位存在；可形成復(fù)合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)：M23C6、M7C3、M3C。特點：硬度、熔點較低，穩(wěn)定性較差；簡單點陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。

M6C型不屬于金屬型的碳化物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)，性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。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rc/rMe>0.59—復(fù)雜點陣結(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，形成復(fù)合K，如（Cr,M）23C6型。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。

溶入強者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓3、強者先，依次成

K形成元素中，強者優(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。4、NM/NC比值決定了K類型

形成什么K主要決定于當(dāng)時的NM/NC比值。

退火態(tài):在Cr鋼中，隨NM/NC↑，先后形成順序為：M3C→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，析出順序為：Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC是不斷↑。5、強者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長大也是難

MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時，在500~700℃才析出，并且不易長大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強化方法。1.5Me在鋼中的存在形式

一、Me在不同狀態(tài)下的分布

1、退火、正火態(tài)非K形成元素基本上固溶于基體中，而K形成元素視C和本身量多少而定。優(yōu)先形成K，余量溶入基體。

2、淬火態(tài)Me分布與淬火工藝有關(guān)。溶入A體的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。

3、回火態(tài)低回:Me不重新分布；>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間。二、Me的偏聚（segregation）

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)原子在刃型位錯處吸附，形成柯氏氣團(tuán)；Me+≡：溶質(zhì)原子在層錯處吸附形成鈴木氣團(tuán)；Me+◎：溶質(zhì)原子在螺位錯吸附形成Snoek氣團(tuán).偏聚機理

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。（在沒有強制外力作用下，事物總是朝著↓能量的方向發(fā)生。即使暫時不發(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)動力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。影響因素

缺陷處溶質(zhì)濃度溫度T：T↓，內(nèi)吸附強烈；時間t：偏聚需要原子擴(kuò)散→需要一定時間；缺陷本身：缺陷越混亂，E↑，吸附也越強烈;其它元素：①間接作用:優(yōu)先吸附問題,B與C②直接作用:影響吸附元素D

,Mn↑DP，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。點陣類型：bcc點陣內(nèi)吸附較fcc強烈1.6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?。?/p>

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↓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℃。

碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系

二、A體均勻化

A體剛形成時，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。1.7過冷A體的分解

一、過冷A體的穩(wěn)定性

過冷A體穩(wěn)定性實際上有兩個意義：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；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?！癈”曲線五種形狀

常用合金元素對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響(上左)強K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素二、過冷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Ms的影響

各種Me對Ms位置的影響程度是不同的。

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)計時，要考慮其MS點不能太低，為什么?1.8

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活動能力增強，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Me↓ac，阻止了滲碳體的析出長大；3）Si比較特殊：<300℃時強烈延緩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4）合金鋼回火時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。

回火時馬氏體中C量的變化

線1-C鋼;線2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金鋼;線3-含碳化物形成元素的合金鋼

二、回火時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ε-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:①Me性質(zhì)、NM/NC比值；②T和t。

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，↓晶界強度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si↑脆性溫度區(qū).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)元素擴(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Me對相圖的影響Me與C的作用Me在材料處理各過程中的行為表現(xiàn)加熱冷卻回火溫度時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→要了解鋼的基本強化機理.1.9

Me對鋼強韌化的作用

一、Me對鋼強化的形式及其機理

強化本質(zhì)：各種強化途徑↑塑變抗力↑位錯運動阻力

↑鋼強度表達(dá)式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0機理效果提高強度，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，與位錯交互作用→↑位錯運動阻力1、固溶強化

合金元素對低碳鐵素體強度和塑性的影響Si、Mn的固溶強化效應(yīng)大，但Si>1.1%，Mn>1.8%時，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強化效應(yīng)最大。

合金元素對Cr18Ni9型不銹鋼的強化效應(yīng)Ⅰ-間隙元素，Ⅱ-F形成元素，Ⅲ-A形成元素2、位錯強化

表達(dá)式機理位錯密度ρ↑→↑↑位錯交割、纏結(jié)，→有效地阻止了位錯運動→↑鋼強度。對bcc晶體，位錯強化效果較好?效果

在強化的同時，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK3、細(xì)晶強化表達(dá)式機理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→

有效阻止位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積強化。效果

↑鋼的強度，又↑塑性和韌度這是最理想的強化途徑.

著名的Hall-petch公式式中，d為晶粒直徑，Kg為系數(shù)

晶界處位錯塞積現(xiàn)象4、第二相強化表達(dá)式機理

微粒第二相釘扎位錯運動→強化效果主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主要是繞過機制。兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，淬火時殘留第二相強化。效果有效提高強度，但稍降低塑韌性。鋼強度表達(dá)式位錯被質(zhì)點障礙物所擋住在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強化效果示意圖二、合金鋼強化的有效性

最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結(jié)果。1、強化的有效性

強化:彌散析出ΔσP>|-ΔσS|硬度峰值弱化:M分解ΔσP<|-ΔσS|弱化緩慢

圖強化和弱化的演變1-M分解；2-彌散析出；3-綜合效應(yīng)

2、Me對強化有效性的影響

強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0.1~0.15%C鋼，需0.1~0.2%V；0.08~0.12%Nb；2.5~3.0%Cr強化≥弱化Me最小濃度臨界值K類型含C量

圖

V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?對結(jié)構(gòu)鋼，細(xì)晶強化和沉淀強化貢獻(xiàn)最大。合金鋼與C鋼的強韌性差異，主要不在于Me本身的強化作用，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)行合適的熱處理條件下才能充分得到發(fā)揮。需要充分理解三、Me對鋼韌性的影響

1、影響韌性的因素

強化因素

一般情況，鋼強度↑→塑韌↓,稱為強韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細(xì)化組織強化外，其它強化因素都會程度不同地↓韌性。危害最大是間隙固溶；沉淀強化較小,但對強化貢獻(xiàn)較大。合金元素

Ni↑韌性；Mn在少量時也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韌性晶粒度

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)

合金元素對鐵素體沖擊韌度的影響

晶粒大小對強度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的影響20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能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)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)?1.10Me對鋼工藝性的影響

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。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。C和Me量較多時，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.三、切削加工性

不同情況側(cè)重點不同，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170~230HB，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,宜退火；>0.8%C,宜球化退火思考題：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鋼號合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量

/%P轉(zhuǎn)變孕育期

/秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.383540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25500淬透性

一般是指淬火時獲得M的能力.合金元素復(fù)合作用大,不是簡單加和.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）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。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，可選用較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向+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%C析出5%F（600℃）

0.14%Mo0.35%Mo0.60%Mo

1∶2∶4P開始轉(zhuǎn)變時間

1∶3∶36貝氏體淬透性合金化基本元素是0.5%Mo+微量B。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)。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。

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。脫碳會降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度，脫碳對于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的.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,時間也可長些,應(yīng)力消除也大些;同樣塑韌性,合金鋼的強度比碳鋼高.回火脆性(前面已介紹)

鋼的編號方法自學(xué)1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計

目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種?！牧系膹U棄物再生循環(huán)很困難

可再生循環(huán)設(shè)計已成為鋼鐵材料設(shè)計的一個重要原則。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。1.8.1

通用合金與簡單合金

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鋼,耐熱鋼

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)計上有幾個特點：合金組元簡單，再生循環(huán)過程中容易分選；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。兩個基本原則

（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，以控制顯微組織作為加入合金元素的替代方法。

這種設(shè)計合金的思路叫省合金化設(shè)計或最小合金化法。簡單合金的主要用途是代替大量消費的金屬結(jié)構(gòu)件材料。

Si-Mn合金鋼就是目前重點開發(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，在地球上儲量相當(dāng)大，并容易提取。是一個有前途的環(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1.8.2環(huán)境協(xié)調(diào)性合金設(shè)計環(huán)境協(xié)調(diào)性合金的成分設(shè)計

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)就是典型的例子金屬空氣中水中土壤中As47001.40.043Cd5802.97.0Cr6+470004100130Co242.00.065Cu0.240.0200.0052Fe0.0420.0036Pb1600.790.025Mn120Zn0.0330.00290.0070Hg1204.70.15Mo3.30.290.70Ni4700.0570.014表

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

環(huán)境負(fù)荷是一個資源、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，從弱到強排列.金屬材料FeAlTiZnCrNiCuMn環(huán)境負(fù)荷（ELV）1.33

9.04

15.518.216.719.424.05.0

比強度（σb/ρ）4.194.089.981.694.175.612.466.78彈性比功（σ2/E）6.681.250.250.390.472.910.181.29（σb/ρ）/ELV3.150.450.640.090.250.290.101.34（σ2/E）/ELV5.020.140.020.020.030.150.010.26表

常見金屬材料的環(huán)境負(fù)荷及其性能環(huán)境負(fù)荷比

小結(jié)材料學(xué)核心是合金化基本原理，這是材料強韌化矛盾的主要因素。要真正理解“合金元素的作用，主要在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理條件下才能得到體現(xiàn)?！闭莆樟撕辖鹪刈饔眉捌湓诩庸み^程中的演化規(guī)律，才能更好地理解各類鋼設(shè)計與發(fā)展，才能更好地開發(fā)新工藝、新材料。高強度耐侯厚壁冷彎高頻焊管用于東方明珠塔客車及農(nóng)業(yè)機械鍍鋅C型鋼用于上海大劇院屋架桁架浦東國際機場侯機樓及道路護(hù)欄現(xiàn)代化蔬菜棚耐候Z型鋼用于體育館2.1工程結(jié)構(gòu)鋼的基本要求

工程結(jié)構(gòu)件長期受靜載；互相無相對運動受大氣（海水）的侵蝕；有些構(gòu)件受疲勞沖擊；一般在-50~100℃范圍內(nèi)使用；如：橋梁、船舶等受到像風(fēng)力或海浪沖擊.服役條件生產(chǎn)工藝

焊接是構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)的常用方法；一般都要經(jīng)過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝技術(shù)要求

1、足夠的強度與韌度（特別是低溫韌度）；

2、良好的焊接性和成型工藝性；

3、良好的耐腐蝕性；

4、低的成本。2.2

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

1、Me對低合金高強度鋼力學(xué)性能的影響C↑固溶強化效果和珠光體含量，低成本?！麮，↓塑、韌性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK為-50℃，0.3%C，TK為50℃一般均應(yīng)限制在0.2%以下Si

最常用且較經(jīng)濟(jì)的元素。強化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%Mn

固溶強化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細(xì)晶作用，↓TK。同樣量多時可大為降低塑韌性.

所以Mn控制在<1.8%。Nb\VTi\Al

形成穩(wěn)定細(xì)小的K等，粒子2~10nm，既細(xì)晶又沉淀強化，↑σs，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。作用順序:Ti>Nb>Al>V。Re

脫氧去硫吸氫作用，改善塑韌性，↓TK

所以，低合金高強度鋼的基本成分應(yīng)考慮低碳，稍高的錳含量，并適當(dāng)用硅強化。

合金元素對低合金高強度鋼的固溶強化

鋼的韌－脆轉(zhuǎn)折溫度與碳含量的關(guān)系

（a）強化機制的影響（b）成分的影響圖鐵素體-珠光體鋼的各種強化機制和成份對屈服強度和韌-脆轉(zhuǎn)折溫度的影響

2、Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響

優(yōu)良的焊接性是指：焊接工藝簡單；焊縫與母材結(jié)合牢固，強度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強度與韌性，沒有裂紋及各種缺陷。控制CC↑→焊縫處硬化與脆化傾向↑，焊接裂紋↑。提高淬透性的Me種類及其數(shù)量也應(yīng)適當(dāng)控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

?！黀，冷脆和時效傾向增加?！肁l脫氧→細(xì)晶粒鋼。復(fù)合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B時效現(xiàn)象

低碳工程構(gòu)件經(jīng)加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火時效和機械時效）產(chǎn)生原因C、N等間隙原子偏聚或內(nèi)吸附于位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個月后由92J降為33J。當(dāng)然橋梁、船舶等突然斷裂的原因很多。共振、應(yīng)力波等思考題：

退火后的低C鋼板一般在深沖前，先進(jìn)行一次少量變形的平整加工，然后長進(jìn)行深沖，為什么?2.3鐵素體-珠光體鋼

最新研究成果：如F晶粒尺寸細(xì)化到μ級，則F-P類低合金高強度鋼的強度也可達(dá)到800MPaF-P類型是工程結(jié)構(gòu)鋼中最主要的一類鋼。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號。根據(jù)質(zhì)量要求分為A、B、C、D四個等級。A、B級為普通質(zhì)量級；C級為優(yōu)質(zhì)級；D級和E級為特殊質(zhì)量級，有低溫沖擊韌性要求。

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。低碳鐵素體/珠光體鋼超細(xì)晶強韌化與控制技術(shù)

——2004年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎主要特點

超細(xì)晶粒、高潔凈度、高均勻性。生產(chǎn)節(jié)約能源和資源，不用或少用Me，改善環(huán)境，↓成本，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。如何形成微米級的超細(xì)晶是該項目的核心技術(shù)和難點。具體指標(biāo)

采用形變誘導(dǎo)F相變，可把F晶粒細(xì)化到2-5μm（碳鋼）和1～2μm（微合金鋼）。碳鋼的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金鋼由350～400MPa提高到600～700MPa。

低碳鐵素體/珠光體鋼超細(xì)晶鋼材生產(chǎn)工藝控制和不同的制品2.4微珠光體低合金高強度鋼

石油、天然氣開發(fā)，需要大量輸送管線。油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強度等綜合性能。輸送油氣距離越長，壓力越大，質(zhì)量要求也越高。油氣管線用鋼發(fā)展為微P低合金高強度鋼。強化機理

對F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證σ，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強化措施?！龀鰪娀途Я＜?xì)化↑鋼性能?！鶱b、V、Ti微合金化和控軋?zhí)幚砉に?。控制軋制和控制冷卻技術(shù)高溫形變熱處理→F大幅度晶粒細(xì)化→↑強度和韌度?？刂栖堉坪涂刂评鋮s的組織變化模式圖

圖中軋制溫度向右邊降低，上層表示奧氏體組織變化，下層表示奧氏體開始相變后組織及F核的形成

圖

各種軋制程序模式圖

CR：控制軋制；AcC:控制冷卻

3、微合金元素的作用

Nb、V、Ti單元或復(fù)合是常用的，其作用主要有細(xì)化晶粒組織和析出強化。微合金元素細(xì)化鋼晶粒主要通過以下兩種方式：（1）阻止加熱時奧氏體晶粒長大（2）抑制奧氏體形變再結(jié)晶在熱加工過程中，奧氏體會發(fā)生形變再結(jié)晶使晶?；貜?fù)粗大。但應(yīng)變動態(tài)析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亞晶界和位錯上起釘軋作用，有效地阻止奧氏體再結(jié)晶時晶界和位錯的運動，從而抑制奧氏體形變再結(jié)晶。

沉淀析出強化相主要是低溫下析出的Nb(C，N)和VC。

Nb≤0.04%時，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%時，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不變。V引起析出強化增量Δσph最顯著，而Ti的作用處于Nb和V之間。

微合金元素對鋼的屈服強度的影響（σG：晶粒細(xì)化的貢獻(xiàn)σPh：析出強化的貢獻(xiàn)）

2.5針狀鐵素體鋼

對于一些強度、焊接性、低溫沖擊韌性等要求更高的場合，還必須采用針狀鐵素體低合金高強度鋼。基本特點

針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼實際上屬于超低碳貝氏體鋼?！?.06％C+適量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位錯（1010cm－2）亞結(jié)構(gòu)的“針狀F”組織（超低碳B）。σs達(dá)700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好.

用于現(xiàn)場焊接條件及其寒冷地帶管線。被稱為21世紀(jì)的控軋鋼。2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態(tài)組織為B的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得B組織。由于B的相變強化，低碳貝氏體鋼與相同含碳量的鐵素體-珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達(dá)450~980MPa.主要特點

合金元素是保證在較寬的冷速范圍內(nèi)獲得以貝氏體為主的組織成分特點:

?0.5%左右Mo+微量B（0.005%）

+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V

主要用于制造容器的板材和其他鋼結(jié)構(gòu)。

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發(fā)展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級低碳馬氏體鋼

工程機械上相對運動部件和低溫下使用部件，要求有更高的強度和良好的韌性。≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr與之配合→淬火回火處理組織為低碳回火馬氏體。BHS-1鋼的成分為0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。達(dá)到合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后的性能水平。

制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉(zhuǎn)向聯(lián)動節(jié)和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。2.7雙相鋼成分主要成分為：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組織F+M組織，F(xiàn)基體上分布不連續(xù)島狀混合型M（<20%）→雙相鋼。

F中非常干凈，C、N等間隙原子很少；C和Me大部分在M中.

強度MPa雙相鋼

600400

普通鋼

20010203040應(yīng)變/%

雙相鋼和普通鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較性能

低σs，且是連續(xù)屈服，無屈服平臺和上、下屈服；均勻塑變能力強，總延伸率較大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可達(dá)500~700MPa。應(yīng)用

沖壓型雙相鋼主要是板材，廣泛用于各種容器和汽車沖壓件。非沖壓雙相鋼有棒材、線材、鋼筋薄壁無縫鋼管等產(chǎn)品。鋼材經(jīng)熱軋后控制冷卻，得到F加M雙相鋼組織，然后經(jīng)冷撥、冷墩等工藝制成成品?？捎糜谄嚨拇罅汉蜐L型車輪，汽車的前后保險杠、發(fā)動機懸置梁等，使用雙相鋼可使汽車重量降低10~30%低合金高強度鋼發(fā)展趨勢

低碳超低碳<0.06%甚至<0.02%高純凈化微合金化技術(shù)控軋和控冷工藝超細(xì)晶?；詣踊诰€控制在線生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)合微合金化凈化鋼中的有害雜質(zhì)組織微細(xì)化計算機控制和性能預(yù)報

采用超級鋼概念及技術(shù)構(gòu)造的超級結(jié)構(gòu)示意圖基本要求：

了解各類鋼的服役條件、對鋼的基本性能要求、化學(xué)成分特點和熱處理特點；

掌握常用調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、滾動軸承鋼等的典型牌號。

重點與難點：各類鋼的化學(xué)成分特點、合金元素的作用、強韌化機制及熱處理特點。

教學(xué)要求

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

一、應(yīng)用背景機械制造結(jié)構(gòu)鋼也稱機器零件用鋼，是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于制造各種機械零件所用的鋼種，故此得名。

如各種齒輪零件、軸（桿）類零件、彈簧、軸承及高強度結(jié)構(gòu)件等。廣泛應(yīng)用在汽車、拖拉機、機床、工程機械、電站設(shè)備、飛機及火箭等裝置上。

3.1引言Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

撥叉

變速齒輪

變速箱

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

齒輪

曲軸

汽車萬向節(jié)

連桿

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

齒輪

曲軸

汽車萬向節(jié)

連桿

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

滾珠

滾珠軸承

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

履帶

鐵軌分道叉

破碎機顎板

挖掘機斗齒

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

3.0引言

Chapter3機器零件用合金結(jié)構(gòu)鋼

二、機械制造結(jié)構(gòu)鋼的服役條件主要是承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等力的作用，或者是它們中的多種載荷的交互作用。服役環(huán)境是大氣、水和潤滑油，溫度在-50℃~+100℃范圍之間。

機器零件要求結(jié)構(gòu)緊湊、運轉(zhuǎn)快速準(zhǔn)確以及零件間有合適的公差配合等。由此便決定機器零件用鋼在性能上要求與工程構(gòu)件用鋼有所不同。

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

三、機器零件用鋼對力學(xué)性能要求要求強度和韌性以保證機器零件體積小、結(jié)構(gòu)緊湊及安全性好；

要求有良好的疲勞性能與耐磨性等。

因此對機器零件用鋼必須進(jìn)行熱處理強化以充分發(fā)揮鋼材的性能潛力，所以機器零件用鋼的使用狀態(tài)通常為淬火加回火態(tài)，即強化態(tài)。

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

對鋼材的其它工藝性能（如冶煉性能、澆注性能、可鍛性能等）也有要求，但一般問題不大。

五、性能要求：機器零件用鋼通常以力學(xué)性能為主，工藝性能為輔。

3.0引言

Chapter3機械制造結(jié)構(gòu)鋼

1、具有良好的冷熱加工工藝性如鍛造、沖壓、熱處理、車、銑、刨、磨等。2、具有良好的力學(xué)性能不同零件，對鋼強、塑、韌、疲勞、耐磨性等有不同要求。一般為亞共析鋼，低合金或中合金，優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。

六、機器零件用鋼合金化特點主加元素

Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力學(xué)性能。輔加元素

Mo、W、V等↓過熱敏感性，↓回脆，↑淬透性。最佳范圍

獲得最佳性能→稱為極限合金化理論結(jié)構(gòu)鋼常用范圍為：<1.2%Si,<2%Mn，1~2%Cr,1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V,<0.1%Ti，0.4~0.8%W。或是單獨加入，或是復(fù)合加入。

七、零件材料和工藝選擇途徑①低碳馬氏體型結(jié)構(gòu)鋼，采用淬火+低溫回火。為↑耐磨性，可進(jìn)行滲碳處理；汽車拖拉機齒輪類為代表.②回火索氏體型，選擇中碳鋼，采用淬火+高溫回火。為↑耐磨性，可進(jìn)行滲氮處理或高頻感應(yīng)加熱淬火等表面硬化工藝方法。軸類零件為典型。1、對于要求良好綜合力學(xué)性能，零件選材料的途徑為：2、如要求更高的強度，則適當(dāng)犧牲塑韌性?？蛇x擇中碳鋼，采用低溫回火工藝。如低合金中碳馬氏體鋼。農(nóng)業(yè)機械較多.3、如要求高的彈性極限和屈服強度，又要有較高的塑性和韌度，則選擇中高碳鋼，進(jìn)行中溫回火。如彈簧鋼。4、零件要求高強度、高硬度，高接觸疲勞性和一定的塑性和韌度，可用高碳鋼，淬火+低溫回火。如軸承鋼。

辨證思維

由于不同機器零件的服役條件和失效方式不同，主要的設(shè)計依據(jù)和失效判據(jù)也不同，所以應(yīng)合理選擇鋼的含碳量和熱處理工藝。

應(yīng)該明確:

一般情況下，某零件制造的材料并不是唯一的；某一種鋼采用不同的熱處理工藝可以制造不同類型的零件；某一零件用某一材料制造，其熱處理工藝方法也可能是多種的。

3.2整體強化態(tài)鋼基本情況

整體強化態(tài)鋼均承受拉、壓、扭等交變應(yīng)力，大部分是整體受力。其主要失效形式是疲勞破壞，主要性能指標(biāo)σ-1、Rm、AK、KIC等?？傮w上要求良好的綜合力學(xué)性能。主要應(yīng)用

主要制造軸、桿、軸承類等機器零件，如連桿、螺栓、主軸、半軸等。這類鋼主要有調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、低碳馬氏體鋼、超高強度鋼等。

汽車半軸

a)一端法蘭式;

b)二端花鍵式;

c)變截面臺階式

M7150A砂輪主軸汽\拖用連桿下圖T615K鏜床鏜桿