金属材料学知识整理(经典版)

1、第一章 合金化原理碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途1.1 碳钢概论主要内容1.2 钢的合金化原理：Me在钢中的存在形式 Me与铁和碳的相互作用 Me对Fe-Fe3C相图的影响 Me对钢的热处理的影响 Me对钢的性能的影响1.3合金钢的分类主要内容：概念：合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。合金钢合金钢分类：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。 低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。 中合金钢：一般指合金元素总含

2、量在510%范围内的钢。 高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 1.1 碳钢概论 一、碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）Mn：WMn<0.8 固溶强化 形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性）；Si：WSi<0.5 固溶强化 形成SiO2脆性夹杂物；Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。2.硫（S）和磷（P）S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成

3、低熔点共晶。发生热脆 (裂)。 P：可固溶于-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。 3氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度，塑性韧性，使其力学性能改变）。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。 H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。 O：在钢中形成硅酸盐（2MnOSiO2、MnOSiO2）或复合氧化物（MgOAl2O3、MnOAl2O3）。N、H、O是有害杂质。二、碳钢的分类碳钢的分类1

4、.按钢中的碳含量按Fe-Fe3C相图分类：亚共析钢，共析钢（Wc =0.77% ）；过共析钢按钢中碳含量的多少分类碳钢按含碳量的分类：低碳钢：Wc 0.25% ；中碳钢：0.25%Wc0.6% ；高碳钢：Wc0.6%2.按钢的质量（品质），碳钢可分为 普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢特级优质碳素钢 3.按钢的用途分类，碳钢可分为碳钢的分类 碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。 优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。 一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂

5、且需一定强度、塑性和韧性零件。4.按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 沸腾钢（脱氧不彻底）代号为F。 镇静钢（脱氧彻底）代号为Z。 半镇静钢（脱氧程度介于F与Z之间），代号为b。 特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。 三、碳钢的用途碳钢用途分类1.普通碳素结构钢 （不经热处理）主要用于一般工程结构和普通零件热轧后空冷是这类钢通常的供货状态普通碳素结构钢的牌号表示方法：由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分组成例：Q235A、Q235B、Q255（三位数字）2.优质碳素结构钢（亚共析钢或共析钢，一般经热处理）用于较为

6、重要的机械零件供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，牌号一般用两位数字表示：20钢、45钢、08F、10F、15F、20q、16MnR、 优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。 高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。 专用优质碳素结构钢：20g 按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。如15Mn 、45Mn等。（Mn为加进去的合金元素，但含量处于杂质与低合金钢中的合金元素之间）注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。3.碳素工具钢（经热处理）主要用于制作

7、各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。牌号一般用标志性符号“T”例T12，T8含C量分别为1.2与0.8；读法：碳12，碳8； 含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。 T7，T8，T9T13（随C，硬度耐磨性，韧性）：T7，T8承受一定冲击韧性，如木工用斧、钳工用凿子等；而T12，T13硬度及耐磨性最高，但韧性最差不承受冲击韧性，如锉刀、铲刮刀等，4.一般工程用铸造碳素钢其碳含量一般小于0.65%。 牌号用符号“ZG” 如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。 1

8、.2 钢的合金化原理一、合金元素的存在形式合金元素的存在形式1形成铁基固溶体 形成铁基置换固溶体：Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以-Fe为基的无限固溶体。Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等。 Nb、Ti只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体； 形成铁基间隙固溶体：间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加：对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 2形成合金渗碳体或碳化物合金渗碳

9、体（碳化物）：(Fe,Mn)3C 、 TiN、TiC、 Ti（C、N）等；过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：强（氮化物、碳化物）：具有简单的点阵结构NbC、NbN、Nb（C、N）中（合金渗碳体、碳化物）：具有复杂的点阵结构Cr7C3、（Fe、Cr）3C弱（合金渗碳体）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。 3形成金属间化合物 金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。 例：(Cr46Fe54

10、)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MnS、FeS等。非金属夹杂物一般都是有害的。 AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。 在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对层错能的影响1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 相稳定化元素（奥氏体形成元素）：使A3（912）降低，A4（1393）升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了相区。开启相区(无限扩大相区)：这

11、类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。扩展相区(有限扩大相区)：由于合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，最终不能使相区完全开启。 这类合金元素主要有C、N、Cu、等。相稳定化元素（铁素体形成元素） 合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了相区。一般为强碳化物形成元素封闭相区(无限扩大相区)；缩小相区(不能使相区封闭)。例：加Cr得到铁素体不锈钢（不发生相变，区变大）加Mn、Ni、Co得奥氏体不锈钢。2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用 形成碳化物 碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元

12、素均位于Fe的左侧。 非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。碳化物的特性： 硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达1200）； 具有明显的金属特性； 可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。 Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响 活度：碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。 非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度 应用：在研究碳化物、氮

13、化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷却时它们从固溶体中的析出，以及热处理过程中元素在各相间的再分配这些问题时，具重要意义扩散激活能和扩散系数：碳化物形成元素：提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。（如Cr、Mo和W等） 非碳化物形成元素：降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。（如Ni、Co）需要指出的是Si是个例外（Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性）总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义: 它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。同时对钢的热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。 3.合金元素对

14、奥氏体层错能的影响 层错能：晶体中形成层错时增加的能量。 层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。层错能越高，位错的宽度越小，越易于发生交滑移与攀移。举例：高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。 高Ni钢易于变形加工， Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。 高Mn钢则难于变形加工， Mn、Cr则降低奥氏体的层错能。 三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1.合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 扩大相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。 缩小相区的合金元素(如C

15、r、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。2.合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响： Me对共析转变温度的影响扩大相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降； 缩小相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。Me对共析点（S）成分的影响 几乎所有合金元素都使S点（图1-9）碳含量降低，尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。共晶点E的碳含量也随合金元素增加而降低。合金元素使得S与E点左移四、合金元素对钢的热处理的影响1.Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响 原因：合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生

16、了变化； 由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。 奥氏体形成过程：奥氏体的形核奥氏体的长大渗碳体的溶解奥氏体成分均匀化Me对奥氏体形成速度的影响 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。 非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。 碳化物的溶解：稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。 奥氏体

17、的成分均匀化：由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。注意：由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响 原因：合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。Ti、Nb、V等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大； W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；N

18、i、Si、Co、Cu等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微； Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。 2.Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响NbTiVMoW主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。对高温转变（珠光体转变）的影响； 对中温转变（贝氏体转变）的影响； 对低温转变（马氏体转变）的影响。对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（A稳定性）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，由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转

19、变的核心，使淬透性下降。）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。 对贝氏体转变的影响 原因：合金元素对贝氏体转变的作用是通过对转变和碳原子的扩散的影响而起作用。 合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。 B、Mo、Mn对贝氏体转变的影响。对马氏体转变的影响 ：合金元素的作用表现在对马氏体点MsMf温度的影响，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Ms和Mf点的下降，使得室温下残留奥氏体量增多（温度差转

20、变少）3合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在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。Me对马氏体分解的影响 Me对残余奥氏体转变的影响 Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响 Me对铁素体回复再结晶的影响 Me对回火脆性的影响（Mo、W、Ti、Al和稀土元素减弱回火脆性） 五、合金元素对钢性能的影响 1.3 合金钢的分类1按化学成分分类按钢中所含合金元素的种类分，可分为：锰钢、铬钢、硅钢等按钢中合金元素总质量分数分，可分为：低合金钢、中合金钢和高合金钢，微合金钢。2按钢的用途分类合金结构钢： 工程构件用钢（低合

21、金高强度结构钢）和机械制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢）。合金工具钢： 刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。特殊性能钢：抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易削钢等。 3按金相组织分类按退火后的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。按正火后的组织分：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。4按冶金质量分类普通低合金钢 优质低合金钢高级优质合金钢 特高级优质合金钢第二章 工程结构钢2.1 工程结构钢的合金化基本要求:了解工程结构钢的服役特点及性能要求，熟悉常用低合金工程结构钢。重点与难点：各种工程结构钢的成

22、分特点，合金元素作用，显微组织与力学性能。一、用途：工程结构钢包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢。主要用于制造各种工程结构，如桥梁、船舶、建筑结构、锅炉、管道和高压容器等二、工程构件的服役特点不作相对运动，长期承受静载荷作用，有一定的使用温度和环境要求。三、力学性能要求弹性模量大，以保证构件有更好的刚度；有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即Rp0.2和Rm较高，而塑性较好；缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。四、工艺性能要求良好的冷变形性能和焊接性能。 以工艺性能为主，力学性能为辅。五、成分设计工程结构钢成分设计低碳(wC%0.25%)（原因）：降低冷脆性：CP，

23、提高韧脆转化温度。提高焊接性能：决定于淬透性和淬硬性：这两者取决于含碳量和合金元素含量；碳当量越大，焊接性能越差，加入适量的合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、Nb、V、Ti、Cu、P等。） 提高强度，但保证塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。 固溶强化：Mn、 Si、Cr、Ni、Cu、P等。（Mn 2.0% ；Si 0.8% ； Cr0.8%，Ni 0.7%，P 0.1%； Cu：0.25-0.5%。）细晶强化：图3-2，Ti最强， Nb、 Al次之， V较弱。（由图2-6，N化物比C化物稳定，细晶强化作用强）沉淀强化：图2-6，图3-3， Nb、V、Ti的碳化物和碳氮化物在奥氏体转变转变中产生相

24、间沉淀和从过饱和铁素体中析出。图2-6：V在A溶解多AF冷却时析出多，沉淀作用明显（0.01% Nb、Ti， Rp0.2提高30-50MPa；0.1% V Rp0.2提高150-200MPa。）提高抗大气腐蚀的能力： Cu、P 、 Cr、Ni和稀土元素等。六、供货状态大部分构件通常是在热轧空冷状态下使用，有时也在控轧控冷状态下使用。2.2 铁素体-珠光体钢一、碳素工程结构钢典型钢种：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。C：0.06-0.38%，Rp0.2：195-275MPa，A（伸缩率）：33-20%。大部分以热轧成品供货，少部分以冷轧成品供货（08F、08Al、06Ti）。二

25、、高强度低合金钢典型钢种：16Mn性能： Rp0.2：345MPa级，Mn：固溶强化；降低A3，增大奥氏体过冷能力，细化铁素体晶粒，降低冷脆性和FATT50。采用微量元素处理：15MnTi、16MnNb、15MnV （390MPa级）、 15MnVN （440MPa级）；正火或控轧控冷态供货。三、微合金化钢成分特点：加入微量的合金元素钛、铌、钒等。微合金元素在钢中的作用阻止奥氏体晶粒的长大：抑制奥氏体形变再结晶：应变诱导析出钛、铌、钒的碳化物或碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，其钉扎作用，抑制再结晶。铌最强，钛次之，钒较弱。如图3-4。（是否再结晶与T及变形量有关，A再结晶轧制，A细化；未

26、在A再结晶区轧制，A内部畸变大，相变可在晶界，内部亚晶界形核，组织得到细化）形成沉淀相促进沉淀强化生产工艺特点：运用控制轧制和控制冷却生产工艺，通过化学成分和生产工艺的最佳配合达到最好的强韧化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。典型钢种：V-Ti-N钢、Nb-V钢、Nb-Ti钢、Nb-Mo钢等。2.3 低碳贝氏体钢和马氏体钢一、概要：具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为440MPa。若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型及低碳马氏体型钢。适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加

27、入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达490-780MPa。一、低碳贝氏体钢1.贝氏体钢的成分主加合金元素是Mo和B，显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少。钼和硼对CCT图的影响如图2-7。在此基础上再加入Mn、Cr、Ni元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使Bs下降，以获得下贝氏体组织。通过微合金化，充分发挥Nb、V、Ti的细化晶粒和沉淀强化。2. 钢种及处理工艺14MnMoV、14MnMoVBRe：屈服强度为490 MPa级。主要

28、用于制造容器的板材和其他钢机构。板厚14mm，热轧；板厚14mm，正火+高温回火。14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需预热150以上。超低碳贝氏体钢：w(C)=0.02%，并加入w(Ti)=0.01%使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0以下温度条件下服役。二、针状铁素体钢1 显微组织低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其片呈板条状，具有高密度位错。2 成分及性能典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。屈服强度470MPa，伸长率20%，室温冲击值80J，并具有好的低温韧性。焊接性能良好。抗H2S腐蚀性好。3 合

29、金元素的作用针状铁素体合金元素的作用碳：低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀（Nb×C=-A/T+B,抑制再结晶，沉淀强化）；降低对韧性的损害。锰：Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低 BS点（组织细化），使针状的铁素体在450以下形成；也是固溶强化元素。钼：Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；铌：通过沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地产生沉淀强化，并且在奥氏体热轧时，沉淀相Nb(C,N)也可以细化晶粒。4 针状铁素体钢的用途应用于制造寒带输送石油和天然气的管线；又叫管线钢：X42，X50，X120。三、低碳马氏体钢1 显微组织、性能及处理工艺锻轧后空冷：贝氏体+马氏体+铁素体；其性能

30、为：0.2=828MPa；b=1049MPa；室温冲击功96J。用于制造汽车的轮臂托架。 锻轧后直接淬火并回火：低碳回火马氏体。0.2=935MPa；b=1197MPa；室温冲击功50J，-40冲击功32J。制造汽车操纵杆。具有高强度、高韧性和高的疲劳强度，适用于工程机械上运动的部件和低温下使用的部件。2 低碳马氏体钢的合金化（得到M方法）低C、加入Mo、Nb、V、B等与合理含量的Mn和Cr 配合。提高淬透性，Nb还细化晶粒。BHS系列： Mn-Mo-Nb；Mn-Si-Mo-V-Nb系列。四、铁素体-马氏体双相钢1 双相钢的特征显微组织：铁素体+岛状马氏体+少量的残余奥氏体。性能特点双相钢性能

31、：(易成形)低的屈服强度，一般不超过350MPa；（钢易成形）-曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更没有锯齿形屈服现象（产生滑移带）；高的均匀延伸率（抗拉强度前）和总延伸率，其总延伸率在24%以上；高的加工硬化指数，n值大于0.24；（=Kn）（小的应变则引起大的应力，便于材料均匀塑性变形）高的塑性应变比（r）。（r=w/b。w为宽度应变：宽度延伸，b为厚度应变）钢的应力-应变曲线光滑连续，没有屈服平台。2 双相组织的获得方法 热处理双相钢（冷轧） 钢在Ac1与Ac3双相区加热退火，然后空冷或快冷，得到铁素体+马氏体组织。两相区退火时，合金元素在奥氏体和铁素体间重新分配，奥氏体形成元素将富集于奥

32、氏体，提高了奥氏体在过冷条件下的稳定性，抑制了珠光体转变，在空冷条件下即能转变成马氏体。 热轧双相钢 钢在热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成7080的多边形铁素体。使未转变的奥氏体有足够的稳定性，避免发生珠光体和贝氏体相变，而在以后冷却时转变成马氏体。这个工艺要求合理设计合金成分和实现控轧与控冷。 3 双相钢的优异性能双相钢的性能及原因双相钢的力学性能取决于显微组织，与钢的化学成分和生产工艺密切相关。具有低屈服强度和高应变硬化率的原因：首先，大量铁素体的存在，使屈服强度低。其次，在马氏体区域存在残余应力，这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中

33、存在高密度的可动位错（强度）。再次，伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变（M变形体积的膨胀诱发残A转变）。 4 双相钢的典型成分和用途双相钢成分增高Si和降碳：提高A3，易于获得铁素体；Mn、 Mo、Cr：防止铁素体和珠光体转变，得到马氏体。用途：汽车冲压成型件，双相钢丝，热轧双相冷镦钢，双相无缝管等。 2.4 先进汽车用钢了解IF钢、DP钢、TRIP钢、BH钢、TWIP钢的成分特点、生产工艺、显微组织、力学性能、强韧化机理及主要应用。2.5 管线钢、船板、耐候钢、耐火钢了解各类钢的成分设计思想、生产工艺、显微组织、力学性能及应用。第三章 机械制造结构钢一、应用背景

34、机械制造结构钢也称机器零件用钢，用于制造各种机械零件所用的钢种，故此得名。 应用各种齿轮、轴（杆）类、弹簧、轴承及高强度结构件等，二、服役条件 主要是承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是它们中的多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50+100范围之间。 机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。三、对钢的性能要求 足够的强度、塑性和韧性：保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好；良好的疲劳性能与耐磨性等。 使用状态通常为淬火+回火态，即强化态。机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.1 调质钢预备热处理：正火或正

35、火+高温回火结构钢在淬火+高温回火后具有良好的综合机械性能，即有较高的强度，良好的塑性和韧性，这类钢称为调质钢，主要用于制造轴、齿轮类零件。一、化学成分特点 1.碳：中碳，碳含量一般在0.3%0.5%；钢中的碳保证有足够多的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。 2.合金元素：主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni；（固溶强化，塑韧性降低少）辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、 B等。重要的调质钢，一般都含有多种合金元素。 合金元素的作用：（淬火钢加合金元素：淬透性回火稳定性）提高淬透性；Cr、Mn、Si、Ni溶于相，起固溶强化作用。Cr、Mo、W、V

36、等阻碍相的再结晶，也可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，使钢保持高硬度。（提高回火稳定性）加入Mo、W来防止回火脆性。V、Ti、Al起细化晶粒的作用。二、对淬透性的要求调质零件上马氏体层的厚度应根据零件在工作时经受应力的类型及大小来确定，并据此来确定对淬透性的要求。 三、热处理特点（调质钢）机械零件的制造过程：锻造预备热处理（消除组织缺陷；满足切削加工的组织HB为200；为最终热处理做组织准备）切削最终热处理精加工1.预备热处理 目的：为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当而造成的粗晶组织和带状组织，需要进行预备热处理。 合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC

37、3线以上加热进行正火。（亚共析钢正火在AC3以上）合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织（淬透性好，即使室温冷却，也可产生M），对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火。2.最终热处理（目的：提供最终的机械性能要求）淬火：将钢件加热至AC3线以上进行淬火，淬火温度由钢的成分来决定，淬火介质根据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。 高温回火：根据所要求的性能来决定回火温度，高温回火时应考虑回火脆性问题。（高温回火温度：550650，也是第二类回火脆性的温度，高温回火的组织为回火索氏体）表面处理：某些零件除了要求较高的强、韧、塑性配合以外，往往还要求某些部位（如

38、轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，经调质处理后，在局部部位进行高频感应表面淬火。感应加热表面淬火工艺：成分：中碳钢；工艺特点：绕感应线圈通电感应电流热量）四、机械性能 1 硬度回火索氏体的硬度取决于铁素体的硬度和碳化物的弥散强化作用2 回火温度与综合机械性能的关系当调质钢淬火成马氏体，在450650温度范围内回火时，随着回火温度的升高，硬度、抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延伸率、断面收缩率及冲击韧性等不断上升。3 韧性合金元素对韧性的影响碳：降低冲击韧性。锰：加入量<2%，钢的冲击韧性有所改善，能稍降低韧脆转化温度；但含量2后，冲击韧性恶化，韧脆性转化温度升高。 镍：改善

39、钢的冲击韧性，使韧脆转化温度下降。硅：降低韧性，韧脆性转化温度升高。 磷：对冲击韧性危害甚大。提高韧脆转化温度，降低冲击值。高温回火脆性 回火脆性与冷却速度关系：冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧脆转化温度愈高。 回火脆性与回火保温时间的关系：等温回火保温时间愈长，室温冲击韧性愈恶化，韧脆转化温度愈高回火脆性与化学成分的关系：碳素钢对高温回火脆性是不敏感的；铬、锰、镍、硅强烈促进回火脆性倾向；钼、钨与稀土元素降低高温回火脆性；避免或减轻回火脆性的措施尽可能缩短回火保温时间；回火后采用快冷； 采用含钼、钨钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；注意：对已感受回火脆性的钢，用重新加热到650后快冷

40、的方法来恢复。（高温回火脆性可逆，而低温回火脆性不可逆）4 机械性能碳素调质钢与合金调质钢相比，经淬火、回火到相同抗拉强度和硬度时，屈服强度和延伸率相近，但断面收缩率稍低。不同成分的合金调质钢经淬火、回火到相同抗拉强度时，屈服强度、延伸率和断面收缩率相近。只要淬透性相当，可以互换。五、常用调质钢的成分、热处理、机械性能和用途 典型调质钢及其应用：低淬透性碳素调质钢：45钢、45B钢，用于截面尺寸较小或不要求完全淬透的零件。低淬透性合金调质钢：40Cr、45Mn2、40MnB、 35SiMn等，油淬临界直径最大为30mm40mm。通常用于制造一般尺寸的重要零件。中淬透性合金调质钢：35CrMo、

41、40CrMn、40CrNi、42CrMo、40CrMnMo等。油淬临界直径最大为40mm60mm。主要用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆、汽轮机转子、叶轮等。高淬透性合金调质钢：34CrNi3MoV、37CrNi3、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等，油淬临界直径最大为60mm100mm。主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。 3.2 轴承钢Cr作用1-6，Mo和可代替Cr，减少P与S含量预备热处理：球化退火一、滚动轴承的工作条件 滚动轴承的作用是支撑轴。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚轮、滚针）和保持架四部分组成。滚动轴承内外套圈与

42、滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力和交变载荷。滚动体与套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件条件下工作的轴承，常与大气、水蒸气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。 滚动轴承损坏的正常形式是：疲劳剥落，即接触疲劳破坏。二、对滚动轴承钢的性能要求1 高的淬硬性和必要的淬透性； 2 高的耐磨性；3 高的接触疲劳性能； 4 高的弹性极限和一定的冲击韧性；5 尺寸要精确而经久稳定（配合）； 6 一定的抗腐蚀能力（加Cr）；三、化学成分特点 1 高碳:保证有高的硬度和耐磨性，含碳量一般为0.95%1.15%，属于过共析钢。 一部分存在于马氏体

43、基体中以强化马氏体(C与M形成间隙固溶体，而合金与M形成置换固溶体，所以前者强度更大)； 另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性。 过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物而降低其性能。（过共析钢退火:碳化物+P；亚共析钢退火：F+P）2 主加合金元素铬提高钢的淬透性和耐腐蚀性能。 部分铬形成的合金渗碳体(Fe,Cr)3C在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经热处理后可以得到较细的组织；碳化物能以细小质点均匀分布于钢基体组织中，既可提高钢的回火稳定性，又可提高钢的硬度，进而提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。适宜的铬含量为0.40%1.65%。注意：当铬含量高于1.65

44、%以后，则会使残余奥氏体增加，使钢的硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。（CrMs过冷度残奥）3 加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。 大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性，通常加入Mn、Si提高淬透性，适量的Si还能明显地提高钢的强度和弹性极限；加入V一部分溶于奥氏体，提高淬透性，另一部分形成碳化钒VC（细晶强化），提高钢的耐磨性并防止过热。通常无铬钢中都含有钒。 4 降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提高冶金质量。 形成夹杂物则降低钢的塑韧性四、对滚动轴承钢的原始组织要求（了解）1 原始组织必须无缩孔，皮下气泡、白点和过烧；2 严格控

45、制非金属夹杂物；3 严格控制疏松级别；4 改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）。 五、热处理特点（轴承钢） 1 预先热处理（Wc0.5以下：正火。Wc0.5以上：退火：完全退火：亚共析钢球化退火：过共析钢，例如工具钢，轴承钢）通常采用球化退火：GCr15钢的球化退火加热温度范围为770810，790被认为是最适宜的加热温度。（球化退火：钢种：共析钢，过共析钢；工艺：AC1+(3050)得到球状P：在铁素体基体上分布着粒状Fe3C的组织，称球状珠光体。）球化退火原因：过共析钢缓慢冷却：P（片）+Fe3C（网状硬脆），不易切削，球化退火得到P球HB200）加热温度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，

46、奥氏体成分进一步均匀化，冷却后得到的是粗片层珠光体（C化物阻碍作用小），或有大块聚集碳化物，这是不合格的过热（加热温度高）组织；加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成分很不均匀，冷却过程中碳化物沿着原片层析出，或呈细小的链状特征。碳化物的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，弥散度越大，其硬度也越高。球化退火冷却方式有两种，一种是连续冷却，另一种是炉冷2 最终热处理 通常采用淬火+低温回火。原因：（低温回火：150200，得到回火马氏体，硬度高）对GCr15钢，淬火加热温度为820-840。温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的

47、铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。 马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%（由淬火温度定，过共析钢淬火温度在AC1以上）时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。轴承零件淬火后一般要满足以下要求：细小均匀的奥氏体晶粒(58级)；显微组织是隐晶马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物；淬火组织硬度为HRC6466；零件表面不应有氧化脱碳及软点。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；回火温度一般为（150160），保温时间为24h。淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体轴承在淬火及回火后的磨削加工（精加工）过程中，还

48、会产生磨削应力，通常还要进行一次附加回火（去应力退火）以稳定组织和尺寸。 对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变形，在淬火后要立即进行“冷处理冷处理”（降到Mf以下），以使钢中未转变的残余奥氏体进一步发生转变（残奥：硬度不够，室温不稳定）；再在磨削加工后进行附加回火六、滚动轴承钢的应用实例 1 常用轴承钢根据其合金元素的种类分为两类：铬轴承钢：典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。（轴承钢特殊：含Cr1.5 无含碳量；60Si2Mn:Si为2，Mn为<1.5）添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢。 在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高

49、淬透性，如GCr15SiMn钢等，主要用于制造大型轴承；为了节约Cr，可以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE钢等，其性能和用途与GCr15相近。高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。2 其它类型的轴承钢 渗碳轴承钢：受冲击负荷较大的机械使用的轴承，不仅要求其表面硬度高、耐磨性好，具有较高的接触疲劳强度，还要求心部有一定的韧性、足够的强度和硬度。高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢3.3 渗碳钢合金作用：增加及减小渗碳层的元素Mo与Ni的作用最终热处理的三种方式及预备热处理和氮化钢影响渗N层合金，Al的作用。热处理工艺一、渗碳钢的服役条件及对

50、性能要求有一些机器零件，在工作时整体受到周期性变化的扭转或弯曲力作用，并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。这些零件对材料的机械性能要求： 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性。心部具有高强度和韧性。二、渗碳钢的化学成分特点：（渗碳钢：外强里韧） 1.低碳：一般在0.12%0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。 2.合金化：常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B等。 提高钢材的淬透性；V、Ti可以细化奥氏体晶粒。 对渗碳的影响碳化物形成元素：a增大钢表面吸收碳原子的能力；b增大渗碳层表面碳浓度；c阻碍碳在奥氏体中的扩散。 总的效果：铬

51、、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。 非碳化物形成元素：与碳化物形成元素的作用相反。 总的效果：镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。 碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的含碳量。3.对于一般零件:(1)渗碳层的含碳量限制为0.81.1%；(2)渗碳层的深度控制在0.62.0mm。 三、渗碳钢的热处理特点 1 预先热处理合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。正火的目的：细化晶粒，便于机械加工。对珠光体型钢通常用在800左右的一次退火代替正火，可得到相同的

52、效果，即既细化晶粒又改善切削加工性能； 对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在Ac1以下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织，2 最终热处理渗碳渗碳温度：910930，在A区。钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在奥氏体中的极限溶解度，在表面层中就会出现碳化物。 渗碳扩散层的厚度决定于：a碳在奥氏体中的极限溶解度；b碳在奥氏体中的扩散速度； c扩散的时间。 淬火和低温回火。方法1：预冷直接淬火；用于对基体性能要求不高。 主要用于渗碳后不容易过热的钢种。方法2（一次淬火）：渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。用

53、于渗碳后容易过热的钢种，如20Cr、20Mn2等。方法3（二次淬火）：渗碳空冷后，进行两次淬火。主要用于合金含量高，如航空发动机齿轮的热处理。淬火和低温回火后的组织： 零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳化物，硬度高（6062HRC），耐磨性高。 零件的非渗碳表面和基体部分（心部）： 低碳回火马氏体淬透性高的钢种； 低碳回火马氏体加贝氏体（4048HRC）淬透性中等的钢种； 低碳回火屈氏体（经淬火F+P回火）淬透性小的钢种。 四、渗碳钢及其应用 碳素渗碳钢：15、20合金渗碳钢：低淬透性合金渗碳钢： 典型钢种：20Cr、20Mn2等：抗拉强度通常为8001000MPa；通常只用于制造受冲击

54、载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。中淬透性合金渗碳钢： 典型钢种:20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等：抗拉强度通常为10001200MPa；大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。高淬透性合金渗碳钢 ：典型钢种：12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等：抗拉强度通常高于1200MPa；这类钢含有较多的Ni，使钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素，渗碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设法减少残余奥氏体的数量。为了减少残余