金属材料学知识

第一章合金化原理

主要内容:

概念：

⑴合金元素：特殊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。

⑵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。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入肯定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5〜10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④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，碳钢中的常存杂质批注[AI]:碟钢中的两存杂侦

1.镒（Mn）和硅（Si）

（DMn:用仇外力方外①固溶强化②形成高熔点卜胚夹杂物（塑性夹杂物），削减

钢的热脆（高温晶界熔化，脆性I）;

（2）Si:NSi%<0.5%①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物：

⑶Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS,Si02将使钢的疲惫强度和整，韧性下

降。

2.硫（S）和磷（P）

（DS:在固态铁中的溶解度微小，S和Fe能形成FeS,并易于形成低熔点共晶。

发生热脆（裂）。

⑵P：可固溶于a-铁，但猛烈地降低钢的韧性，特殊是低温韧性，称为冷脆。磷

可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

（3）S和P是有害杂质,但可以改善钢的切削加T件能°

3.氮（N）,氢（H）,氧（0）

⑴N：在a-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物一机械时效或应变时效（经

变形，沉淀强化，强度匕塑性韧性I,使其力学性能改变）。N可以及钢，钛,

铜等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H:在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶0:在钢中形成硅酸盐（2MnO-SiO2,MnO*SiO2）或复合氧化物（Mg0-A1203,

Mn0-A1203）.»

⑷N,H,0是有害杂质。

二，碳钢的分类批注[A21：碳钢的分类

1.按钢中的碳含量

⑴按Fe-Fe3c相图分类：亚共析钢,共析钢（Wc=0.77%）：过共析纲

⑵※按钢中碳含量的多少分类：低碳钢：WcW0.25%；中碳钢：0.25%VWcW

0.6%：高碳钢：Wc>0.6%

2.按钢的质量（品质），碳钢可分为

①一般碳素钢②优质碳素钢③高级优质碳素钢④特级优质碳素钢

3.按钢的用途分类，碳钢可分为※

⑴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。

⑵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。

⑶碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具，模具，量具等。

⑷一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形态困难且需肯定强度，塑性和韧

性零件。

4.按钢M炼时的脱氧程度分类，可分为

⑴沸腾钢（脱氧不彻底）代号为%⑵冷静钢（脱氧彻底）代号为7。

⑶半冷静钢（脱氧程度介于F及Z之间），代号为b。

⑷特殊冷静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。

三，碳钢的用途批注IA3]:碳钢用途分类

1.一般碳素结构钢（※不经热处理）

⑴主要用于一般工程结构和一般零件

⑵热轧后空冷是这类钢通常的供货状态

⑶一般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：※。235人，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）

⑴用于较为重要的机械零件

⑵供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火，正火等状态，

⑶牌号一般用两位数字表示：冰20钢，45钢，08F,10F,15F,20q,

16MnR,①优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F,10F,15F。

半冷静钢标“b”，冷静钢一般不标符号。②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”。③专用优质碳素结构钢：派20g

⑷按含锌量的不同，分为一般含镒量和较高含锌量两组。※如15Mn,45Mn等。

（Mn为加进夫的合金元素.但含量处于杂质及低合金钢中的合金元素之间）

留意：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）

⑴主要用于制作各种小型工具。可进行淬火，低温回火处理获得高的硬度和高

耐磨性。

⑵牌号一般用标记性符号“T”※例T12,T8含C量分别为1.2%及0.8%；读

法:碳12,碳8；

⑶含钵碳素工具钢中锌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,

（4）T7,T8,T9……T13（※随Ct,硬度t耐磨性t,韧性I）:T7,T8承受肯

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，如神刀，铲刮刀等，

4.一般工程用铸造碳素钢

⑴其碳含量一般小于0.65%o

⑵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。

1.2钢的合金化原理

一，合金元素的存在形式※批注（A4J:合金元泰的存在形式

1.形成铁基固溶体

⑴形成铁基置换固溶体：①Ni,Co,Mn,Cr,V等元素可及Fe形成无限固

溶体。其中Ni,Co和Mn形成以丫-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以a-Fe

为基的无限固溶体。

②M。和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如a-Fc（M。）和a-Fc（W）等。

③Nb,Ti只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；

⑵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：0,H的

依次而增加：对a-Fe,间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对丫-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

⑴合金渗碳体（碳化物）：（Fe,Mn）3c,TiN,TiC,Ti（C,N）等：

⑵过渡族佥属及碳，氮的亲和力，碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按卜列规律递减：

①强（氮化物，碳化物）：具有简单的点阵结构NbC,NbN,Nb（C,N）

②中（合金渗碳体，碳化物）：具有困难的点阵结构Cr7c3,（Fe,Cr）3C

③弱（合金渗碳体）在钢中，铁的碳化物及合金碳化物相比，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f化合物及间隙化合物三类。金

局间化合物通常仅指电子化合物。例：。（Cr46Fe54）,q（1iFe2）,x

（Cr21Mol7Fc62）,

4.形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相

⑴钢中的非金属相有：FcO,MnO,Ti02,Si02,A1203,Cr2O3,MnS,

FeS等.非金属夹杂物一般都是有害的-

⑵※A1N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。

⑶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，合金元素及铁和碳的相互作用及其对Y层错能的影响

1.合金元素及铁的相互作用

⑴Y相稳定化元素（奥氏体形成元素）：使A3（912-C）降低，A4（1393-0上

升，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了Y相区。

①开启丫相区（无限扩大丫相区）：这类合金元素主要有Mn,Ni,C。等。

②扩展Y相区（有限扩大Y相区）：由于合金元素及a-Fe和y-Fe均形成有限固

溶体，最终不能使Y和区完全开启。这类合金元素主要有C,N,Cu,等。

与¥-F田艮互溶的FeN4目图㈤及FeW那图ew与V-F痢限互溶的Fe-MM日图⑶及Fe（相图（b>'

⑵a相稳定化元素（铁素体形成元素）

合金元素使A4降低，A3上升，在较宽的

成分范围内，促使铁素体形成，即缩小

了Y和区。一般为强碳化物形成元素

①封闭/相区（无限扩大。相区）：

②缩小y相区（不能使7相区封闭）0

※例：加Cr得到铁素体不锈钢（不发生

相变，a区变大）加Mn,Ni,8得奥

氏体不锈钢。

2.合金元素及碳的相互作用

⑴形成碳化物

①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。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。

②非碳化物形成元素：Ni,Si,Co,Al,Cu,N,P,S等，及碳不能形

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。

③碳化物的特性：

i硬度大，熔点高（可高达3000C）,分解温度高（可达120040；

ii具有明显的金属特性；

iii可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，如：Fe3W3C,l'e4W2C,

Fe3Mo3c等。

⑵Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响

①活度：i碳化物形成元素增加固溶体中碳及合金元素之间的结合力，降低其

活度。五非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，提高其活动性，即增加

碳的活度也应用：在探讨碳化物，赛化物和碳，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安排这

些问题时，具重要意义

②扩散激活能和扩散系数：

i碳化物形成元素：提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能上升扩散系数

下降。（如Cr,Mo和W等）ii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，扩散系数上升。（如Ni,Co）

iii须要指出的是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）

iv总之，合金元素及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.合金元素对奥氏体层错能的影响

⑴层错能：晶体中形成层错时增加的能量。

⑵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，越易于发生交滑移及承移。

⑶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。

①※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。

②※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相图的影响批注[A5]:合金元第对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

⑴扩大Y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。

⑵缩小Y相区的合金元素（如Cr,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：

⑴Me对共析转变温度的影响

①扩大了相区的元素使铁碳合金

相图的共析转变温度下降：②缩小

y相区的元素使铁碳合金相图的2

共析转变温度上升。*

⑵Me对共析点（S）成分的影响

①几乎全部合金元素都使S点（图

L9）碳含量降低，尤其以强碳化物图1-8合金元武对#析温度的影响图19合金元堂对共析含破量的彩电

形成元素的作用最为猛烈。

②共晶点E的碳含量也随合金元素增加而降低。

③合金元素使得S及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

缘由：

①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了变化：

②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R

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：①奥氏体的形核②奥氏体的长大③渗碳体的溶解④奥氏体成

分匀称化

⑴Me对奥氏体形成速度的影响

①奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都及碳的扩散有关。

i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。订强碳化物形成元素Cr,Mo,W,V等及碳的亲和力较大，显著阻碍

碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。

②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，必需提高

加热温度,甚至超过其平衡临界点几十或几百度。

③奥氏体的成分匀称化：由于碳化物的不断溶入，不匀称程度更加严峻。要使

奥氏体成分匀称化，碳和合金元素均需扩散。

④留意：由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应实行较高的加热温度和

较长的保温时间，以得到比较匀称的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。

但对须要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采纳过高的加热温度和过

长的保温时间。

（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响

缘由：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。

①Ti,Nb,V等猛烈阻挡奥氏体晶粒长大，Al在钠中易形成高熔点AIN,AI2O3细质点,

也能猛烈阻挡晶粒长大：

②W,Mo,Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等：

③\i,Si,Co,Cu等阻碍奥氏体晶粒长大的作用稍微：

@Mn.HB则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较猛烈的过热帧向，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

主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。派※

①对•高温NbTiVMoW体转变）的影响：②对中温转变（贝氏体转变）的影响；

③对低温乜义\T匹体转变）的影响。

⑴对珠光体转变的影响

①除Co外，几乎全部的合金元素使C曲线右移（tA稳定性）

②Me的加入对钢还有固溶强化的作用：

③合金元素只有当淬火加热溶入臭氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。

（假如淬火加热温度不高，保温时间较短，由于未溶碳化物粒子能成为珠光体

转变的核心，使淬透性下降。）

④两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，合金钢采纳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。

⑵对贝氏体转变的影响

缘由：合金元素对贝氏体转变的作用是通过对Yfa转变和碳原子的扩散的影

|向彳乍©

①合金元素器改变贝氏体转变动刀学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。

②B,Mo,Mn对贝氏体转变的影响。

⑶对马氏体转变的影响：

合金元素的作用表现在对马氏体点Ms'Mf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。

①除Co,Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降

②Ms和Mf点的下降，使得室温下残留奥氏体量增多（温度差I转变少）

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反抗实力，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。

⑴Me对马氏体分解的影响⑵Me对残余奥氏体转变的影响

⑶Me对碳化物的形成，聚集和长大的影响⑷Me对铁素体回复再结晶的影响

⑸Me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）一使川性储

炜

他

按

耐

性

ZE性

腐

能

能

蚀

性

13合金钢的分类

1.按化学成分分类

⑴按钢中所含合金元素的种类分，可分为：钻钢，辂钢，硅钢等

⑵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

⑴合金结构钢：工程构件用钢（低合金高强度结构钢）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）.

⑵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）。

⑶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

⑴按退火后的组织分：亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢。

⑵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

⑴一般低合金钢⑵优质低合金钢

⑶高级优质合金钢⑷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，熟识常用低合金工程结构

钢。重点及难点：各种工程结构钢的成分特点，合金元素作用，显微组织及力学

性能。

一，用途：

T程结构钢包括碳素T程结构钢和高强度低合金钢.三要用于制造各种T理结构,

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，有肯定的运用温度和环境要求。

三力学性能要求

而单性模量大，以保证构件有更好的刚度：

⑵有足够的抗塑性变形及抗破断的实力，即RpO.2和Rm较高，而塑性较好；

⑶缺口敏感性及冷脆倾向性较小等：

⑷具有肯定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。

四，工艺性能要求

⑴良好的冷变形性能和焊接性能。(2)以工艺性能为主，力学性能为辅。

五，成分设计※批注［A6］：，程结构惘成分设计

⑴低碳(w€%WO25%)(缘由)：

①降低冷脆性：Ct-Pt,提高韧脆转化温度。

②提高焊接性能：确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，

⑵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。

i固溶强化：Mn,Si,Cr,Ni,Cu,P等。

(MnW2.0%:SiWO.8%；Cr>0.8%,Ni>0.7%,PWO.1%；Cu:

0.25-0.5%0)

ii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)

道沉淀强化：图2-6,图3-3,Nb,V,Ti的碳化物和碳氮化物在奥氏体转变

转变中产生相间沉淀和从过饱和铁素体中析出。图2-6：V在A溶解多A-F冷

却时析出多，沉淀作用明显(0.01%Nb,Ti,RpO.2提高30-50MPa；0.1%V

RpO.2提高150-200MPa(,)

②提高抗大气腐蚀的实力：Cu,P,Cr,Ni和稀土元素等。

六，供货状态

⑴大部分构件通常是在热轧空冷状态下运用，有时也在控轧控冷状态下运用。

2.2铁素体-珠光体钢

一，碳素工程结构钢

⑴典型钢种：Q195,Q215,Q235,Q255,Q275。

(2K：0.06-0.38%,

(3)RpO.2：195-275MPa,A(伸缩率)：33-20机

⑷大部分以热轧成品供货，少部分以冷轧成品供货(08F,08AI,06Ti),

二，高强度低合金钢

⑴典型钢种:16Mn

⑵性能：RpO.2:345MPa级，

⑶Mn：①固溶强化：②降低A3,增大奥氏体过冷实力，细化铁素体晶粒，降低

冷脆性和FATT50.

⑷采纳微量元素处理：15VnTi,16MnNb,15MnV(390MPa级)，15MnVN

(440MPa级)；

⑸iF火或捽轧控冷态供货八

三，微合金化钢

⑴最分特点：加入微量的合金元素钛，银,钿等。

⑵微合金元素在钢中的作用

①阻挡奥氏体晶粒的长大：

②抑制奥氏体形变再结晶：应变诱导析出钛，银，钢

用3*微合金元素“C-MnWOV结M

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。锯最强，钛次之，钢较弱。如图3-4。(是否再结晶及T及变形量有关，i

A再结晶轧制，A细化；ii未在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)

③形成沉淀相促进沉淀强化

⑶生产工艺特点：运用限制轧制和限制冷却生产工艺，通过化学成分和生产工

艺的最佳协作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。

200

0.040.08~~on

u-（Nt>y%w（Tiy%

<•）

m3-5微合金元案对洌翘服强度的影响

“一必粒细化的贡献，g—沉淀整化的贾依

⑷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：

⑴’※具有铁素体-珠光体组织的诋合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为

440MPa

⑵若要求更高强度和韧性的协作，就须要考虑选择其它类型组织的低合金钢，

如采纳相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型及低碳马氏体型纲。

⑶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入合金元素通

过限制轧制和限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。

协作加入微合金化元素，如铜以细化晶粒并进一步提高韧性。

⑷※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

⑴主加合金元素是M。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。钳和硼对CCT图的影响如图2-7o

⑵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。

⑶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

(D14MnMoV,14MnMoVBRe:

①屈服强度为490MPa级。主要用于制造容器的板材和其他钢机构。

②板厚VI4n叫热轧：

③板厚＞14nun,正火+高温回火。

14MnM(WBRc焊接性能不好，焊接前需预热150℃以卜.

⑵超低碳贝氏体钢：

w(C)=0.02%,并加入w(Ti)=0.0l%使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体钢。通

过限制轧制和限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()℃

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＞47（）MPa.伸长率N20%,室温冲击值N80L并具有好的低温韧性。焊

接性能良好。抗H2s腐蚀性好。

3合金元素的作用批注IA7）:针状铁素体合金元素的作用

⑴碳：低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀（[Nb]X[C]=-A/T+B,抑制再结晶，沉

淀强化）；降低对韧性的损害。

⑵镭：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450C以下形成；也是固溶强化元素。

⑶铜:Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；

⑷银：通过沉淀和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自然气的管线：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

⑴锻轧后空冷：贝氏体+马氏体+铁素体：

其性能为：o0.2=828MPa；ob=IO49MPa；室温冲击功96J。用于制造汽车的

轮臂托架。

⑵锻轧后口接淬火并回火：低碳回火马氏体。o0.2=935MPa；ob=1197MPa;室

温冲击功50J,-40℃冲击功32J。制造汽车操纵杆。

⑶具有高强度，高韧性和高的疲惫强度，适用于工程机械上运动的部件和低温

下运用的部件。

2低碳马氏体钢的合金化（得到M方法）

①低C.加入Mo,Nb.V.B等及合理含量的Mn和Cr协作。提高淬透性.Nb

还细化晶粒。

②BHS系列：Mn-Mo-Nb；

（3）Mn-Si-Mo-V-Nb系列。

四，铁素体-马氏体双相钢

]双相钢的特征

⑴显微组织：铁素体+岛状马氏体+少量的残余奥氏体。

⑵性能特点：（易成形）

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）：

②高的匀称延长率（抗拉强度前）和总延长率，其总延长率在24%以上：

③高的加工硬化指数.n值大于0.24；（。=K£n）（小的应变则引起大的应力，便

于材料匀称塑性变形）

④高的塑性应变比（r）o（r=£w/£bo£w为宽度应变：宽度延长，£b为厚度

应变）

⑤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

⑴热处理双相钢（冷轧）

①钢在Acl及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。

②两相区退火时，合金元素在奥氏体和铁素体间重新安排，奥氏体形成元素将

富集于奥氏体，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。

⑵热轧双相钢

①向在热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成70〜80%的多边形铁素体。使未

转变的奥氏体有足够的稳定性，避开发生珠光体和贝氏体相变，而在以后冷却

时转变成马氏体。

②这个工艺要求合理设计合金成分和实现控轧及控冷。

3双相钢的优异性能批注（A8）:双相纲的性能及缘由

⑴双相钢的力学性能取决于显微组织，及钢的化学成分和生产工艺亲密相关。

⑵具有低屈服强度和高应变硬化率的缘由：

①首先，大量铁素体的存在，使屈服强度低。

②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

的体积和形态变化，使四周铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的

可动位错（强度t）。

③再次，伴随看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批注IA9）:双相钢成分

⑴增高Si和降碳：提高A3,易于获得铁素体；Mn,Mo,Cr:防止铁索体和

珠光体转变，得到马氏体。

⑵用途：汽车冲压成型件，双相钢丝，热轧双相冷儆钢，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

1.机械制造结构钢也称机器零件而钢，用于制造各种机械零件所用的钢种，故

此得名。

2.应用各种齿轮，轴（杆）类，弹黄，轴承及高强度结构件等，

二，服役条件

1.主要是承受拉伸，压缩，扭转，剪切，弯曲，冲击，疲惫，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-50C~+100C范围之间。

2.机器零件要求结构紧凑，运转快速精确以及零件间有合适的公差协作等。

三，对钢的性能要求

⑴足够的强度，塑性和韧性：保证机器零件体积小，结构紧凑及平安性好：

⑵良好的疲惫性能及耐磨性等。

⑶运用状态通常为淬火十回火态，即强化态。

⑷机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。

3.1调质钢批注［A10I：预备热处理：正火或正火+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・

⑴主加合金元素：Cr,Mn,Si,Ni：（固溶强化，塑韧性降低少）

⑵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。

⑶合金元素的作用：（※淬火钢加合金元素：①f淬透性②t回火稳定性）

①提高淬透性；

@Cr,Mn,Si,Ni溶于a相，起固溶强化作用。

③Cr,Mo,W,V等阻碍a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）

④加入Mo,W来防止回火脆性，

⑤V,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依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：锻造一预备热处理（①消退组织缺陷；②满足切削加工

的组织HB为200：③为最终热处埋做组织打算）一切削一最终热处理一精加工

1.预备热处理

⑴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，须要进行预备热处理。

⑵①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

纳在AC3线以上加热进行正火。（※亚共析钢正火在AC3以上）

②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）,对此类钢一般采纳在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：供应最终的机械性能要求）

⑴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确定，淬

火介质依据钢件尺寸大小和钢的淬透性加以选择。

⑵高温回火：依据所要求的性能来确定回火温度，高温回火时应考虑回火脆性问

题。（高温回火温度：550C〜650C,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）

⑶表面处理：某些零件除了要求较高的强，韧，塑性协作以外，往往还要求某

些部位（如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：①成分：中碳钢；②工艺特点：绕感应线圈一通电一感应电流一

热量）

四，机械性能

1硬度

【可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回火温度及综合机械性能的关系

当调质钢淬火成马氏体，在450〜650℃温度范围内回火时，随着回火温度的上

升，硬度，抗拉强度，屈服强度等不断降低，而延长率，断面收缩率及冲击

韧性等不断上升。

3韧性

⑴合金元素对韧性的影响

①碳：降低冲击韧性。

②锌：加入量＜2乳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，韧脆性转亿温度上升。

③银：改善钢的冲击韧性，使韧脆转化温度下降。

④硅：降低韧性，韧脆性转化温度上升。

⑤磷：对冲击韧性危害甚大。提高韧脆转化温度，降低冲击值。

⑵高温回火脆性

①回火脆性及冷却速度关系：冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧脆转化温

度愈高。

②回火脆性及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

③回火脆性及化学成分的关系：

i碳素钢对高温回火脆性是不敏感的；ii格，镭，限，徒猛烈促进回火脆性

倾向；iiiffl,鸨及稀土元素降低高温回火脆性；

④避开或减轻回火脆性的措施

i尽可能缩短回火保温时间；ii回火后采纳快冷；道采纳含铝，铛钢种，并

尽可能降低钢中的磷，锡，镁含量；

留意：对已感受回火脆性的钢，月重新加热到650c后快冷的方法来复原。（高

温回火脆性可逆，而低温回火脆性不可逆）

4机械性能

⑴碳素调质钢及合金调质钢相比，经淬火，回火到相同抗拉强度和硬度时，

屈服强度和延长率相近，但断面收缩率稍低。

⑵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，延长

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：

（1XD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。

②低淬透性合金调质钢：40Cr,45Mn2,40MnB,35SiVn等，油淬.临界直径最

大为30mnT40mm。通常用于制造一般尺寸的重要零件。

⑵中淬透性合金调质钢：35CrMo,40CrMn,40CrNi,42CrMo,40CrMnMo等。

油淬临界育仔最大为dOmnf60mm、主•耍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。

⑶高淬透性合金调质钢：34CrNi3MoV,37CrNi3,40CrNiMoA,25Cr2Ni4WA等，

油淬临界直径最大为60mnT100inin。主要用于制造大截面，重教荷的重要零件，

如航空发动机轴，汽轮机主轴，叶轮等。-------------------------------------

32轴承钢批注|A”|:U）Cr作用16Mo和V可代替Cr,削减P

“与S含艮⑵愦备热处理：球化退火

一，滚动轴承的工作条件

⑴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。

⑵滚动轴承内外套圈及滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力和交变我

荷。

⑶滚动体及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F,轴承也可能产生破裂；对在特殊条件条件卜工作的轴承.常及大气,

水蒸气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。

⑷滚动轴承损坏的正常形式是：疲惫剥落，即接触疲惫破坏。

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高的接触疲惫性能：4高的弹性极限和肯定的冲击韧性；

5尺寸要精确而经久稳定（协作）：6肯定的抗腐蚀实力（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。

⑴二部分存在于马氏体基体中以强化马氏体（C及M形成间隙固溶体，而合金及

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。

⑵过高的碳含量会增加碳化物分布的不匀称性，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主加合金元素倍

⑴提高钢的淬透性和耐腐蚀性能。

⑵部分珞形成的合金渗碳体（Fe,Cr）3c在淬火加热时溶解较慢，可削减过热倾

向，经热处理后可以得到较细的组织；

⑶碳化物能以细小质点匀称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惫强度。※相宜的铭含量为

0.40%~1.65%。

留意：当铭含量高于1.65%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匀称性，降低钢的韧性。（XCrt-Msl-

过冷度I-残奥t）

3加入硅，锌，钢等以进一步提高淬透性。

⑴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①钢的强度和②※弹性极限；

⑵加入V—部分溶于奥氏体，提高淬透性，另一部分形成碳化锐VC：细晶强化）,

提高钢的耐磨性并防止过热。通常无铝钢中都含有帆。

4降低S,P含量，削减氧化物，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）

I原始组织必需无缩孔，皮下气泡，白点和过烧：2严格限制非金属夹杂物：

3严格限制疏松级别；4改善碳化物不匀称性（网状，带状和液析）。

五，热处理特点（轴承钢）

1预先热处理（冬肥0.5%以下：正火。Wc0.5%以上：退火：①完全退火：亚

共析钢②球化退火：过共析钢，例如工具钢，轴承钢）

⑴通常采纳球化退火：GCrl5钢的球化退火加热温度范围为770〜810'C,790℃

被认为是最相宜的加热温度。（※球化退火：①钢种：共析钢，过共析钢；②工

艺：AC1+（3O〜50C）③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。）

球化退火缘由：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）

①加热温度过高，奥氏体中未溶碳化物量过少，奥氏体成分进一步匀称化，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：

②加热温度不足，片状珠光体溶解得不充分，奥氏体成分很不匀称，冷却过程

中碳化物沿着原片层析出，或呈细小的链状特征。

日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

（HJo

⑶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

通常采纳淬火M氐温回火。缘由：（※低温回火：150〜200・C,得到回火马氏体,

硬度高）

⑴对GCrl5钢，淬火加热温度为820*C-840*Co

①温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲惫强度下降，且易淬裂和

变形；②温度过低，则奥氏体中溶解的格和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。

⑵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惫寿

命。

⑶轴承零件淬火后一般要满足以下要求：

①细小匀称的奥氏体晶粒（5〜8级）：②显微组织是隐晶马氏体基体上分布着匀

称细小的碳化物：③淬火组织硬度为HRC64〜66：④零件表面不应有氧化脱碳及

软点。

⑷淬火后应马上回火，以消退内应力，提高韧性，稳定组织和尺寸；

①回火温度一般为（150、160）℃,保温时间为2~4h。

②淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体，匀称分布的细粒状碳化物以及少

量的残余奥氏体

⑸轴承在淬火及回火后的磨削加工（精加工）过程中，还会产生磨削应力，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。

⑹对于精密轴承，为了保证能长期存放和运用中不变形，在淬火后要马上进行

“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常用轴承钢依据其合金元素的种类分为两类：

⑴铭轴承钢：

典型代表是GCrl5,运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Crl.5%无含碳量：60Si2Mn:Si为2%,

Mn为＜1.5%）

⑵添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢。

①在铭轴承钢中加入Mn,Si可提高淬透性，如GCrl5SiMn钢等，主要用于制造

大型轴承；

②为了节约Cr,可以加入Mo,V,得到不含锚的轴承钢，如GSiMnMoV,

GSiMnMoVRE钢等，其性能和用途及GCrl5相近。

高碳格轴承钢也可用于制造精密量具，冷冲模，机床丝杠等耐磨冲。

2其它类型的轴承钢

⑴港碳轴承钢：受冲击负荷较大的机械运用的轴承，不仅要求其表面硬度高,

耐磨性好，具有较高的接触疲惫强度，还要求心部有肯定的韧性，足够的强

度和硬度。

⑵高碳珞不锈轴承钢和高温轴承钢

3.3渗碳钢和氮化钢批注IA12]:⑴合金作用：增加及减小港碳层的元素⑵

一，渗碳钢的服役条件及对性能要求Mo与Ni的作用⑶蚊终热处理的三种方式及预需热处

⑴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，并且理

零件及零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触应力。

批注[A13J:⑴影响港N层合金，AI的作用.⑵热处理

⑵这些零件对材料的机械性能要求：

工艺

①表面具有高的弯曲，接触疲惫强度和高的耐磨性。②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。

⑴提高钢材的淬透性；V,Ti可以细化奥氏体晶粒。

⑵对渗碳的影响※

①碳化物形成元素：

a增大钢表面汲取碳原子的实力：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：铭，钛，铝等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。

②非碳化物形成元素：及碳化物形成元素的作用相反。

总的效果：银，硅，铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加摩。

③碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生很多块状碳化物，造成表面脆

性。

④铺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吊:。

3.对于一般零件：（1）渗碳层的含碳量限制为0.8〜1.1%；（2）渗碳层的深度限制

在0.6〜2.0mm＜）

三，渗碳钢的热处理特点

1预先热处理

⑴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。

⑵正火的目的：细化晶粒，便于机械加工。

①对珠光体型钢通常用在800C左右的一次退火代替正火，可得到相同的效果，

即既细化晶粒又改善切削加工性能；

②对马氏体型钢.则必需在正火之后,再在Acl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

⑴渗碳

①渗碳温度：910〜930C,在A区。

②钠表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时时碳的饱和溶解度确定的。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。

③渗碳扩散层的厚度确定于：

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。

⑵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。主要用于渗碳后不简单过

热的钢种。

力法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。用于渗碳后简单过热的钢种，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。

⑶淬火和低温回火后的组织：

①零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳化物，硬度高（60~62HRC）,耐

磨性氤

②零件的非渗碳表面和基体部分（心部）：

i低碳回火马氏体一淬透性高的钢种：

ii低碳回火马氏体加贝氏体（40Y8HRC）一淬透性中等的钢种：

iii低碳回火屈氏体（经淬火一F+P一回火）一淬透性小的钢种。

四，渗碳钢及其应用

碳素渗碳钢：15,20

合金送碳钢•

⑴低淬透性合金渗碳钢：

典型钢种：20Cr,20Mn2等：抗拉强度通常为800~1000MPa；通常只用于制造

受冲击载荷较小的，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。

⑵中淬透性合金渗碳钢：

典型钢种:20CrMnTi,20Mn2TiB,20MnVB等：抗拉强度通常为1000~1200MPa：

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，特殊是汽车，

拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等。

⑶高淬透性合金渗碳钢：①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，特殊是低温冲击韧性，因此主要用于制造大截面，

高教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。

②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，因此必需设法削减残余奥氏体的数量。

※③为了削减残余奥氏体的数量，通常可以采纳下面的三种方法：

i第一种方法：淬火后进行冷处理，使残余奥氏体接着转变为马氏;本。

ii第二种方法：渗碳及正火后进行一次高温回火（600'620℃），使碳化物从马

氏体和残余奥氏体中进一步析出（合金元素少：残奥相变）（高淬透件钢在TF火

时就可形成马氏体）：

iii第三种方法：在渗碳后进行喷丸强化（※除去氧化铁皮；生成残余压应力，提

高疲惫强度；残奥受力一M