金属材料科学第一章钢的合金化

金属材料科学第一章钢的合金化1.7钢的分类和编号方法一、钢的分类（一）按用途分类

1、结构钢：承力

1）工程用钢或构件用钢—碳素结构钢（甲、乙、特类）普通低合金钢；微合金钢一般不加工，但需要焊接、铆接，通常不进行热处理。板材、型材

2）机器零件用钢—渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。用于各种机器零件，需要机械加工，一般要热处理

第2页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法一、钢的分类（一）按用途分类

2、工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。

3、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等。第3页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（二）按显微组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类—

亚共析、共析、过共析和莱氏体钢（2）按正火组织分类—

珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（通常以φ25的圆钢，奥氏体化后，在静止空气中冷却得到的组织为准。）（3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织—

铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。第4页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（三）按化学成分分类（1）碳素钢—低碳钢（≤0.25%）中碳钢（0.25-0.6%)

高碳钢（＞0.6%)；（2）合金钢—低合金钢（≤5%）中合金钢（5-10%）高合金钢（＞10%）；（3）锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。第5页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（四）按品质分类（按钢中的P、S等有害杂质的含量）（1）普通钢—

P含量≤0.045%，S含量≤0.050%（2）优质钢—

P含量≤0.035%，S含量≤0.035%；（3）高级优质钢—

P含量0.030%，S含量≤0.020%；第6页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（五）按冶炼方法分类（1）冶炼方法和设备—

转炉钢、电炉钢、真空感应炉钢、电渣炉钢（2）脱氧程度—

沸腾钢、半镇静、镇静钢、特殊镇静钢（3）工艺特点—

铸钢、渗碳钢、渗氮钢、调质钢、易切削钢第7页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法二、钢的编号原则—

国际化学元素符号和汉语拼音并用化学元素—如Si、Mn、Cr、W、Re等。产品名称、用途、冶浇和铸炼方法—拼音。（一）普通碳素结构钢（GB700-79）甲类钢—按性能要求供货，用甲YX或AYX表示，X为0、1、2……、7。数字越大含碳量越大，强度越高，塑、韧性降低。Y表示冶炼方法。如J、D。如为沸腾钢最后加“F”，半镇静钢加b，镇静钢不加，如A3F，AJ3。乙类钢—按成分要求供货，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。特类钢—按成分和性能要求供货，特YX或CYX表示。第8页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法�

新国标（GB/T221）用碳素结构钢取代普通碳素结构钢

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不分等级—C5数字表示钢的屈服强度（MPa）第9页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（二）优质碳素结构钢 两位数字（含碳万分之几）+合金元素+专门用途标记。例如20g、50Mn等。（三）碳素工具钢 （T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素（Mn）+A（表示高级优质），例如：T8A、T10MnA等。（四）合金结构钢 数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。第10页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法（五）合金工具钢

含碳量+元素+数字，含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。（六）铬滚动轴承钢 滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15第11页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法(七)不锈钢与耐热钢 数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几，第二个数字表示合金元素的百分之几。 起重要作用的微量元素也要标出。 例如：9Cr18，00Cr18Ni10（≤0.03%)，0Cr18(≤0.08%)等。第12页,共37页，2024年2月25日，星期天1.7钢的分类和编号方法总结C%—结构钢，万分之几；工具钢、不锈钢，千分之几；Me%—一般为百分之几；含Cr低的合金工具钢和轴承钢，用千分之几。第13页,共37页，2024年2月25日，星期天作业一、根据命名规则写出下列牌号的化学成分，并根据铁碳相图，推断其主要组织。

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页,共37页，2024年2月25日，星期天作业二、下表是晋城金鼎煤机公司解剖分析美国某公司减速器零件的化学成分，试选择相应的国产钢替代。CMnSiPSCrNiMoTi轴承座0.221.000.240.0220.0120.110.110.270.004轴0.470.780.390.0210.0130.871.750.280.019端盖0.351.150.310.0250.0140.150.070.010.010静止盘0.047.872.030.0200.00516.47.94-0.007轴套0.440.820.310.0290.0210.870.180.160.001传动盘0.041.770.360.0300.00417.47.95-0.001第15页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响一、合金元素对临界点和C曲线的影响

1.对临界点的影响： 奥氏体形成元素降低AC3，减少过冷度 铁素体形成元素升高AC3，增加过冷度

2.对C曲线的影响：

过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。

1）孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，

2）转变速度主要涉及新相晶粒的长大。第16页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素的影响：1）Ni、Si和Mn，大致保持C钢的“C”线形状，使“C”线向右作不同程度的移动；2）Co不改变“C”线，但使“C”线左移；3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。

Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。第17页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响“C”曲线五种形状第18页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对奥氏体恒温转变曲线的影响：(a)强碳化物形成元素(b)中等及弱碳化物形成元素(c)非碳化物形成元素

过冷A体的P、B转变

P转变：需要C和Me都扩散；综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si

贝氏体转变：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影响很小。Me对Ms的影响：各种Me对Ms位置的影响程度是不同的。第19页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响二、对高温转变（珠光体转变）的影响

除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）

C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。第20页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响

Me的加入对钢还有固溶强化的作用；合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加热温度不高，保温时间较短，Cr、Mo、W、V等强碳化物未溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。第21页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响1+1>2(对淬透性的影响):两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响要比两单个元素影响的总和强得多。

例如铬锰钢、铬镍钢等。

合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。

合金元素的加入推迟珠光体型转变的同时还可在连续冷却过程中得到贝氏体型组织的钢。

第22页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响三、对中温转变（贝氏体转变）的影响影响γ→α转变、碳原子的扩散1、影响贝氏体转变上限温度BS点

碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的C曲线。2、改变转变动力学过程，

转变孕育期，

长大速度。

碳、硅、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。第23页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响Mn和Mo对贝氏体转变的影响（图中曲线旁的数字，分别表示Mn或Mo的百分含量）第24页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响三、对低温转变（马氏体转变）的影响

影响马氏体点Ms~Mf温度的，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。

除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降

合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响—残余奥氏体量过高（有时达30%-40%）时，钢的硬度降低，疲劳抗力下降。

对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度下（Ms点远低于室温或零下）获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。

第25页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对1.0%C碳钢的影响

第26页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对1.0%C碳钢1150℃淬火后残余奥氏体含量的影响

Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量第27页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对过冷奥氏体转变的影响

合金元素影响马氏体的形态和马氏体的亚结构

当Ms点温度较高时，由于滑移的临界分切应力较低，在Ms点以下形成位错结构的马氏体；

在Ms点温度较低时，孪生分切应力低于滑移临界分切应力，则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。第28页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对淬火钢的回火转变的影响

淬火钢：M+γrM：α过饱和固溶体合金元素提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。（1）Me对马氏体分解的影响（2）Me对残余奥氏体转变的影响（3）Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响（4）Me对铁素体回复再结晶的影响（5）Me对回火脆性的影响

第29页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对淬火钢的回火转变的影响一、Me对马氏体分解的影响低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响:1）Ni、Mn的影响很小；

2）K形成元素阻止M分解，其程度与其与C的亲和力大小有关。这些Me↓ac，阻止了渗碳体的析出长大；第30页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对淬火钢的回火转变的影响Si和Fe的结合力>Fe和C的结合力,↑ac

↓ε-FeXC的形核、长大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要从ε中出去↓ε→Fe3C

效果:含2%Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上3）Si比较特殊：<300℃时强烈延缓M分解第31页,共37页，2024年2月25日，星期天1.8合金元素对淬火钢的回火转变的影响4）合金钢回火时M中含C量变化规律基本规律

①渗碳体形成开始温度与合金化无关；

②含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢（线2）和C钢（线1）规律相同；

③在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含

C量要比C钢的高，如图中的C3>C1，2

；

④不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是不同的。第32页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对过冷奥氏体转变的影响4）合金钢回火时M中含C量变化规律

回火时马氏体中C量的变化线1-C钢;线2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢;线3-含碳化物形成元素的合金钢

第33页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对淬火钢的回火转变的影响二、Me对残余奥氏体转变的影响

回火过程中奥氏体中碳化物析出：

（残余）奥氏体中的合金含量

Ms、Mf点

随后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。

残余奥氏体反稳定化，Ms点升高，冷却转变马氏体第34页,共37页，2024年2月25日，星期天1.9合金元素对淬火钢的回火转变的影响

各元素明显开始扩散的温度为：

MeSiMnCrMoW