金屬材料科學第一章鋼的合金化

金屬材料科學第一章鋼的合金化1.7鋼的分類和編號方法一、鋼的分類（一）按用途分類

1、結(jié)構(gòu)鋼：承力

1）工程用鋼或構(gòu)件用鋼—碳素結(jié)構(gòu)鋼（甲、乙、特類）普通低合金鋼；微合金鋼一般不加工，但需要焊接、鉚接，通常不進行熱處理。板材、型材

2）機器零件用鋼—滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼。用于各種機器零件，需要機械加工，一般要熱處理

第2頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法一、鋼的分類（一）按用途分類

2、工具鋼：刃具鋼、模具鋼、量具鋼。

3、特殊性能鋼：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼等。第3頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（二）按顯微組織分類（1）按平衡組織或退火組織分類—

亞共析、共析、過共析和萊氏體鋼（2）按正火組織分類—

珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體鋼。（通常以φ25的圓鋼，奧氏體化后，在靜止空氣中冷卻得到的組織為準。）（3）按加熱冷卻時有無相變和室溫時的組織—

鐵素體鋼、奧氏體鋼、復相鋼。第4頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（三）按化學成分分類（1）碳素鋼—低碳鋼（≤0.25%）中碳鋼（0.25-0.6%)

高碳鋼（＞0.6%)；（2）合金鋼—低合金鋼（≤5%）中合金鋼（5-10%）高合金鋼（＞10%）；（3）錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、硼鋼等。第5頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（四）按品質(zhì)分類（按鋼中的P、S等有害雜質(zhì)的含量）（1）普通鋼—

P含量≤0.045%，S含量≤0.050%（2）優(yōu)質(zhì)鋼—

P含量≤0.035%，S含量≤0.035%；（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼—

P含量0.030%，S含量≤0.020%；第6頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（五）按冶煉方法分類（1）冶煉方法和設(shè)備—

轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼、真空感應爐鋼、電渣爐鋼（2）脫氧程度—

沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼（3）工藝特點—

鑄鋼、滲碳鋼、滲氮鋼、調(diào)質(zhì)鋼、易切削鋼第7頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法二、鋼的編號原則—

國際化學元素符號和漢語拼音并用化學元素—如Si、Mn、Cr、W、Re等。產(chǎn)品名稱、用途、冶澆和鑄煉方法—拼音。（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-79）甲類鋼—按性能要求供貨，用甲YX或AYX表示，X為0、1、2……、7。數(shù)字越大含碳量越大，強度越高，塑、韌性降低。Y表示冶煉方法。如J、D。如為沸騰鋼最后加“F”，半鎮(zhèn)靜鋼加b，鎮(zhèn)靜鋼不加，如A3F，AJ3。乙類鋼—按成分要求供貨，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。特類鋼—按成分和性能要求供貨，特YX或CYX表示。第8頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法?

新國標（GB/T221）用碳素結(jié)構(gòu)鋼取代普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q195—成分同B1，性能同A1；

Q215A—同A2，Q215B—同C2；

Q235A—A3，Q235B—C3，Q235C—焊接；

Q255A—A4，Q255B—C4；

Q275不分等級—C5數(shù)字表示鋼的屈服強度（MPa）第9頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 兩位數(shù)字（含碳萬分之幾）+合金元素+專門用途標記。例如20g、50Mn等。（三）碳素工具鋼 （T）+數(shù)字（含碳量的千分之幾）+合金元素（Mn）+A（表示高級優(yōu)質(zhì)），例如：T8A、T10MnA等。（四）合金結(jié)構(gòu)鋼 數(shù)字（含碳量萬分之幾）+元素（化學元素符號）+數(shù)字（合金元素的百分之幾）。例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。第10頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法（五）合金工具鋼

含碳量+元素+數(shù)字，含碳量≥1.0%時不標，＜1.0%時用千分之幾表示,例如CrMn、9Mn2V等。含鉻量低時，用千分之幾表示，并在數(shù)字前加0，如Cr06。高速鋼中不標含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。（六）鉻滾動軸承鋼 滾或G+Cr+數(shù)字（Cr含量的千分之幾）,例如：GCr15第11頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法(七)不銹鋼與耐熱鋼 數(shù)字+元素+數(shù)字第一個數(shù)字表示含碳量的千分之幾，第二個數(shù)字表示合金元素的百分之幾。 起重要作用的微量元素也要標出。 例如：9Cr18，00Cr18Ni10（≤0.03%)，0Cr18(≤0.08%)等。第12頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.7鋼的分類和編號方法總結(jié)C%—結(jié)構(gòu)鋼，萬分之幾；工具鋼、不銹鋼，千分之幾；Me%—一般為百分之幾；含Cr低的合金工具鋼和軸承鋼，用千分之幾。第13頁,共37頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)一、根據(jù)命名規(guī)則寫出下列牌號的化學成分，并根據(jù)鐵碳相圖，推斷其主要組織。

1.23MnNiCrMo,2Cr13,0Cr18Ni9Ti 2.16Mn,Q235 3.ZG30MnSi，ZGMn13 4.45，40Cr,40CrNiMo 5.30CrMnSi,38CrMoAl 6.W18Cr4V，T8,5CrNiMo 7.GCr15，60Si2Mn第14頁,共37頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)二、下表是晉城金鼎煤機公司解剖分析美國某公司減速器零件的化學成分，試選擇相應的國產(chǎn)鋼替代。CMnSiPSCrNiMoTi軸承座0.221.000.240.0220.0120.110.110.270.004軸0.470.780.390.0210.0130.871.750.280.019端蓋0.351.150.310.0250.0140.150.070.010.010靜止盤0.047.872.030.0200.00516.47.94-0.007軸套0.440.820.310.0290.0210.870.180.160.001傳動盤0.041.770.360.0300.00417.47.95-0.001第15頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響一、合金元素對臨界點和C曲線的影響

1.對臨界點的影響： 奧氏體形成元素降低AC3，減少過冷度 鐵素體形成元素升高AC3，增加過冷度

2.對C曲線的影響：

過冷A體穩(wěn)定性實際上有兩個意義：孕育期和相變速度。

1）孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，

2）轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。第16頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素的影響：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。第17頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響“C”曲線五種形狀第18頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線的影響：(a)強碳化物形成元素(b)中等及弱碳化物形成元素(c)非碳化物形成元素

過冷A體的P、B轉(zhuǎn)變

P轉(zhuǎn)變：需要C和Me都擴散；綜合影響順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si

貝氏體轉(zhuǎn)變：C原子作短程擴散，Me幾乎沒有擴散。影響順序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影響很小。Me對Ms的影響：各種Me對Ms位置的影響程度是不同的。第19頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響二、對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響

除Co外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變）

C曲線右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。第20頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響

Me的加入對鋼還有固溶強化的作用；合金元素只有當淬火加熱溶入奧氏體中時，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加熱溫度不高，保溫時間較短，Cr、Mo、W、V等強碳化物未溶解時，非但不能提高淬透性，反而會由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。第21頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響1+1>2(對淬透性的影響):兩種或多種合金元素同時加入對淬透性的影響要比兩單個元素影響的總和強得多。

例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。

合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。

合金元素的加入推遲珠光體型轉(zhuǎn)變的同時還可在連續(xù)冷卻過程中得到貝氏體型組織的鋼。

第22頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響三、對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響影響γ→α轉(zhuǎn)變、碳原子的擴散1、影響貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度BS點

碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS點，使得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個轉(zhuǎn)變的C曲線。2、改變轉(zhuǎn)變動力學過程，

轉(zhuǎn)變孕育期，

長大速度。

碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。第23頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響Mn和Mo對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響（圖中曲線旁的數(shù)字，分別表示Mn或Mo的百分含量）第24頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響三、對低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響

影響馬氏體點Ms~Mf溫度的，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細結(jié)構(gòu)。

除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms和Mf下降

合金鋼中高的殘余奧氏體含量對鋼的性能產(chǎn)生很大影響—殘余奧氏體量過高（有時達30%-40%）時，鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。

對于奧氏體不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下（Ms點遠低于室溫或零下）獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。

第25頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對1.0%C碳鋼的影響

第26頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對1.0%C碳鋼1150℃淬火后殘余奧氏體含量的影響

Ms和Mf點的下降，使得室溫下將保留更多的殘留奧氏體量第27頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響

合金元素影響馬氏體的形態(tài)和馬氏體的亞結(jié)構(gòu)

當Ms點溫度較高時，由于滑移的臨界分切應力較低，在Ms點以下形成位錯結(jié)構(gòu)的馬氏體；

在Ms點溫度較低時，孿生分切應力低于滑移臨界分切應力，則馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。第28頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響

淬火鋼：M+γrM：α過飽和固溶體合金元素提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。（1）Me對馬氏體分解的影響（2）Me對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響（3）Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響（4）Me對鐵素體回復再結(jié)晶的影響（5）Me對回火脆性的影響

第29頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響一、Me對馬氏體分解的影響低溫回火：C和Me擴散較困難，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??；

2）K形成元素阻止M分解，其程度與其與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；第30頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響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3）Si比較特殊：<300℃時強烈延緩M分解第31頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.8合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響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。第32頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響4）合金鋼回火時M中含C量變化規(guī)律

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

第33頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響二、Me對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響

回火過程中奧氏體中碳化物析出：

（殘余）奧氏體中的合金含量

Ms、Mf點

隨后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（稱為二次淬火），從而使殘余奧氏體量減少。

殘余奧氏體反穩(wěn)定化，Ms點升高，冷卻轉(zhuǎn)變馬氏體第34頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.9合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響

各元素明顯開始擴散的溫度為：

MeSiMnCrMoW