材料工程学.

第一章钢的合金化基础碳钢的强度、硬度总的说来还是比较低的，虽然可以通过调节碳含量及热处理的方法来提高其力学性能，但其淬透性及回火稳定性差，限制了其应用。淬透性：表征钢件淬火时形成Ｍ的能力。（用淬硬层深度来表示）淬硬性：以大于上临界冷速的冷却速度冷却时得到的Ｍ的硬度。回火稳定性：在高温下保持硬度和强度的能力。1.1概述为提高碳钢的力学性能、淬透性及回火稳定性，在钢中添加一定量的合金元素－合金钢。常用的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成就。在普通碳钢中只要加入极少量的（≤0.1%)的强碳化物形成元素如Ni、Ti、V或加少量的Al形成AlN再配合以控轧工艺，就可以制成屈服强度达350-550MPa，并具有良好韧性的低碳钢。合金元素的影响是永远的热点。一、合金元素的作用合金元素在钢中的存在形式多样，还会改变相图，影响相变。所以要理解合金钢，必须了解合金元素及其作用，虽然很难，但我们无法回避。成分—组织—性能是材料科学的主旋律。成分的复杂性对研究工作带来困难，但同时也蕴藏着更多的发展潜力。合金元素在钢中的存在形式固溶体化合物游离态固溶体碳化物金属间化合物非金属夹杂物合金渗碳体特殊碳化物例：形成合金F合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生固溶强化，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧性略有下降。P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。固溶体固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，所以可以提高耐磨性。合金渗碳体如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入Ａ中。特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、金属间化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金属夹杂物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游离态如Pb、Cu等（一）合金元素改善钢的热处理工艺性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻碍晶界迁移，细化晶粒。P21《王晓敏工程材料学》1.细化奥氏体晶粒除Co外，固溶于A中的合金元素总是不同程度的增加Ａ稳定性，延缓Ａ的转变，使C曲线右移，淬透性提高。合金钢可选择油淬，高合金钢甚至空冷即可获得M组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B2.提高淬透性非碳化物形成元素及Mn，使C曲线右移。Mn,Ni,Cu…碳化物形成元素使C曲线右移，还改变C曲线形状。使P转变和B转变明显分开成两个转变图。Cr使B转变图右移的作用大于使P转变右移的作用。碳化物形成元素Mo、W等使P转变图右移的作用大于使B转变右移的作用。空冷可获得B组织。工程材料基础主讲教师：潘希德除Co、Al外，所有合金元素降低Ms、Mf增加残余奥氏体含量，按作用由强到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2.提高淬透性3.提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高。在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，塑韧性好。一些含Cr、Ｗ、Mo、V等合金元素较多的合金钢，在500～600℃范围内回火时，由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分布，因而对材料起到沉淀强化的作用。淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的现象称为二次硬化。回火温度HRCwSi↑回火温度HRCwMo↑多次回火过程中AR发生合金碳化物析出回火过程中AR中的碳及合金元素“贫化”，使其Ms高于室温，在冷却过程中AR转变为M。二次淬火大部分合金元素均延缓α相的回复与再结晶过程几种元素的综合作用可更显著提高α相再结晶温度。淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性。在250~400℃出现韧性下降，称第一类回火脆性；在500~600℃回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第二类回火脆性。回火温度℃AK快冷300500650慢冷产生回火脆性的原因第一类回火脆性与M及残余A分解时沿M针条边界析出薄片状Fe3C有关。目前尚无有效方法消除，只能尽量避开在此温度范围内回火。第二类回火脆性，是因钢中的杂质S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。•对小型零件可采用回火后快冷的方法；•而对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等，这些元素可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。防止第二类回火脆性的措施•固溶强化•第二相强化•细晶强化（二）合金元素提高钢的使用性能1.提高钢的强度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。（1）固溶强化硬度提高韧性降低Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物－合金碳化物。根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W（２）第二相强化合金碳化物合金渗碳体特殊碳化物•合金渗碳体它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表弱及中强碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，加热时难溶入A中，也不易聚集长大，可阻碍位错运动，从而提高钢的强、硬度，提高耐磨性。一般低合金结构钢中主要的合金元素为：Mn、Cr、Mo等，故在此类钢中主要形成的是合金渗碳体。•特殊碳化物由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入Ａ中。具有简单晶体结构的间隙化合物WC、Mo2C、VC、TiC具有复杂晶体结构的碳化物Cr23C6、Cr7C3、Fe5W3C特殊碳化物的晶体结构与渗碳体不同，可分为V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是显著细化A、F晶粒及M，提高钢的强度、硬度，并能提高钢塑性和韧性。（３）细晶强化钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度，又能提高钢的塑性和韧性。合金元素固溶于铁素体及奥氏体中，会改变•同素异构转变温度A4、A3•共析温度A1•共析成分S•奥氏体中碳的最大溶解度点E２.使钢获得特殊性能合金元素加入钢中后会改变相图，使钢在室温下得到单相组织，并可形成致密的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性。（１）形成单相组织特点：A4↑、A3↓，相区扩大扩大相区并与-Fe形成无限固溶体的元素Ni、Mn等部分扩大相区与-Fe形成有限固溶体的元素C、N、Cu等。①扩大相区合金元素（Ａ稳定元素）ESN（A4）G（A3）TwMe%CNCuTδαγLwMe%NiMnCo扩大相区并与-Fe形成无限固溶体部分扩大相区并与-Fe形成有限固溶体特点：A3↑、A4↓，相区缩小缩小并完全封闭相区的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等仅使相区部分缩小而不闭的元素Ｂ、Ｎb、Ta、Zr等。②缩小相区的元素（Ｆ稳定元素）αγLFeMeMeTCrV缩小并完全封闭γ区并与α形成无限固溶体缩小并完全封闭γ区并与α形成有限固溶体γLFeMeMeTBNbTaZrδαβ部分缩小γ区而不封闭MeαγLFeMeTMoWTiAlSi当钢中wNi=9%，wMn=13%时，可使A3降低至室温，此时钢在室温下为单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。此类钢具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。当钢中wCr=17～28%时，可使奥氏体区消失，此时钢在室温下为单相铁素体组织，称为铁素体钢。此类钢也具有耐蚀、耐高温等特殊性能。合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等加入钢中后，会形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等金属间化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo等（２）形成致密氧化膜或金属间化合物•致密的氧化膜覆盖在钢的表面上，可提高钢的耐蚀性和高温抗氧化性；•金属间化合物可阻碍位错在高温下的运动，提高钢的蠕变抗力，及高温强度。合金元素在钢中作用细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti1.按用途分合金结构钢合金工具钢特殊性能钢（一）分类1.2合金钢的分类及牌号2.按化学成分分类1）按合金元素种类分为2）按合金元素含量分为：低合金钢ΣMe≤5%中合金钢5%ΣMe≤10%高合金钢ΣMe10%铬钢、锰钢、硅锰钢、铬锰硅钢、铬镍钢、铬镍钼钢等；3）按质量分普通钢wS≤0.050%，wP≤0.055%优质钢wS≤0.040%，wP≤0.040%高级优质钢wS≤0.030%，wP≤0.035%4）按金相组织分珠光体钢（包括S、T钢）贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢（二）编号数字＋化学元素＋数字合金元素平均含量主要合金元素符号平均含碳量1、含碳量的标记结构钢：wC×10,000工具钢：wC×1,000，为了避免与结构钢混淆，又规定wC≥1.0%时不予以标注，高速钢例外，其wC＜1.0%也不标注。特殊性能钢：wC×1,000wC=0.08~0.1%，标1wC=0.03~0.08%，标0wC0.03%，标002、合金元素含量的标记wMe%1.5≥1.5≥2.5≥3.5≥4.5……标记-2345……注：滚动轴承钢铬的标记除外(wCr×1,000)3、附加标记高级优质钢：编号后+“A”（高）特殊用途钢：编号前+“特殊用途符号”G—滚动轴承钢；C—磁钢；Y—易切削钢40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的CrNiMo合金结构钢wC0.3%,wNi2%的合金结构钢wC0.3%的高级优质合金结构钢wCr1.5%的滚动轴承钢wC0.03%,wCr13%的M不锈钢wC0.08%,wCr17%的F不锈钢wC0.03%,wCr18%,wNi9%的A不锈钢wW18%,wCr4%的高速钢要点总结熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用掌握第一第二类回火脆性了解合金结构钢的牌号及特点合金元素在钢中的存在形式固溶体化合物游离态固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物金属间化合物非金属夹杂物合金渗碳体特殊碳化物如Pb、Cu等合金元素在钢中作用细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性。在250~400℃出现韧性下降，称第一类回火脆性；在500~600℃回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第二类回火脆性。回火温度℃AK快冷300500650慢冷第一类回火脆性的防止一般认为，低温回火脆性是由于M分解时沿M板条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物，降低了晶界的断裂强度，使之成为裂纹扩展的途径，因而导致脆性断裂。避免在250℃～400℃回火第二类回火脆性第二类回火脆性，在回火过程中S