第1章鋼的合金化概論2

金屬材料學

主講人：馬凡適用班級：11級材料成型聯(lián)系電話：15266982***

郵箱：mafan****@163.com考核1、期末考試采用閉卷筆試。2、成績評定：期末考試占70%；平時成績占30%。3、平時成績由考勤、作業(yè)及實驗成績等部分組成。金屬學

從金屬材料的應(yīng)用角度出發(fā)，闡述金屬材料的基本理論，介紹金屬材料的合金化原理、設(shè)計準則及化學成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系；介紹常用金屬材料及其工程應(yīng)用等基本知識；同時介紹新型金屬材料的發(fā)展及應(yīng)用。課程任務(wù)課程目的

使學生了解材料的物理冶金知識，掌握金屬基合金中的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝和應(yīng)用環(huán)境對金屬材料性能影響的基本規(guī)律，冰用來分析各種金屬材料的化學成分設(shè)計、生產(chǎn)、熱處理和應(yīng)用中的問題。課程內(nèi)容（1）合金化基礎(chǔ)方面：合金化基礎(chǔ)是金屬材料學的核心。（2）合金鋼方面：了解工程構(gòu)件用鋼、機械零件用鋼、工具鋼及特殊性能用鋼的服役條件、失效方法及性能要求，還應(yīng)了解材料的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系，學會正確地選擇材料和合理地制定熱處理工藝。（3）鑄鐵方面：應(yīng)了解鑄鐵及其種類，各種鑄鐵的形成過程，各種鑄鐵的成分、熱處理工藝、組織結(jié)構(gòu)與力學性能之間的關(guān)系，學會正確地選擇鑄鐵材料。（4）非鐵金屬及其合金方面（5）金屬功能材料和新型材料方面圖材料學主線示意圖緒論

——金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來01金屬材料的發(fā)展簡史1、第一階段——原始鋼鐵生產(chǎn)

公元前4300年：自然地金、銅及鍛打等工藝公元前2800年：鐵的熔煉公元前2000年：青銅器興盛，編鐘與武器（商、周、春秋戰(zhàn)國）東漢時：反復鍛打鋼→最原始形變熱處理工藝。淬火技術(shù)：“沐以五牲之溺，淬以五牲之脂”——現(xiàn)在的水淬和油淬。上圖：吳王夫差矛和越往勾踐劍右上：上周時期的青銅敦和尊盤—國家一級文物右下：商代青銅縱目人面像西周青銅編鐘戰(zhàn)國曾侯乙青銅編鐘2、第二階段——金屬材料學科的基礎(chǔ)奠定金屬材料學科基礎(chǔ)：金屬學、金相學、相變和合金等。1803年：道爾頓提出原子學說，阿伏伽德羅提出分子論。1827年：Karsten從鋼中分離出Fe3C，1888年Abel證明了這是Fe3C。1830年：Hessel提出32種晶體類型，普及晶體指數(shù)。1861年：俄契爾諾夫提出了鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度的概念。1864年：Sorby制備了第一張金像照片，9倍，但意義重大。1891年：俄、德、英等國科學家分別獨立地創(chuàng)造了點陣結(jié)構(gòu)理論。19世紀末：馬氏體研究已成為時髦，Gibbs得到了相率，Robert-Austen發(fā)現(xiàn)了奧氏體固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡相圖。鋼組織的命名Austenite→英金屬學家Austen；Bainite→美科學家Bain；Sorbite→英科學家Sorby；Martensite→德科學家Marten；Troostite→法科學家Troost；Ledburite→德科學家Ledebur新合金鋼的發(fā)明：1820年，鐵-鉻合金；1857年，鎢鋼；1898年，含鎢高速鋼雛形；1871年，錳鋼和硅鋼。開始了合金鋼的新紀元。3、第三階段：微觀組織理論大發(fā)展合金相圖，X射線發(fā)明及應(yīng)用，位錯理論的建立。1912年：發(fā)現(xiàn)X射線，證實α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是Fcc；固溶體規(guī)律。1931年：發(fā)現(xiàn)合金元素的擴大和縮小γ相區(qū)作用。1934年：俄國的Polanyi、匈牙利Orowan和英國Taylor各自獨立地提出來為錯理論，解釋鋼的塑性變形；馬氏體轉(zhuǎn)變的晶體學。1983年：發(fā)明了電子顯微鏡。1910年：發(fā)明A不銹鋼，1912年發(fā)明了F不銹鋼等。1990年：發(fā)明了布氏硬度計，Griffith提出了應(yīng)力集中會導致產(chǎn)生微裂紋。4、第四階段——微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究：原子擴散及其本質(zhì)的研究；鋼TTT曲線測定；貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變理論形成了比較完整的理論。位錯理論建立：電子顯微鏡的發(fā)明→看到鋼中第二相成定析出，位錯滑移，發(fā)現(xiàn)了不全位錯、層錯、位錯墻、亞結(jié)構(gòu)、Coorell氣團等現(xiàn)象→位錯理論。新科學儀器不斷發(fā)明：電子探針，場離子發(fā)射顯微鏡和場電子發(fā)射顯微鏡、掃描透射電鏡（STEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等。0.2現(xiàn)代金屬材料先進結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)是永恒的主題。開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料：高比強度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損→降低機械重量、提高性能、延長使用壽命的關(guān)鍵。復合材料→結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用，如鋁基復合材料。開發(fā)各種系列用途的低溫奧氏體鋼和高溫合金。改造傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料：重要途徑是組織更細更均勻，材料更純潔→關(guān)鍵是工藝。“新一代鋼鐵材料”強度相當于現(xiàn)有鋼鐵材料兩倍。美“9.11”時間，暴露建筑用鋼結(jié)構(gòu)抗高溫軟化能力差→開發(fā)a高強熱軋耐火耐候鋼。開發(fā)其它高性能鋼：利用各種新工藝新方法制造出韌性和耐磨性都很好的新型工具鋼。經(jīng)濟合金化是高速鋼的一個發(fā)展新方向，工具材料的各種表面處理技術(shù)開發(fā)，在新型工具材料的開發(fā)上具有重要意義。先進制備工藝：如金屬半固態(tài)加工技術(shù)，鋁鎂合金技術(shù)成熟，已應(yīng)用。現(xiàn)有鋼的技術(shù)界限和鋼強韌化努力的方向材料的發(fā)展使汽車和飛機等性能發(fā)生了突變水陸兩用汽車輕型吊軌磁懸浮列車MX-400空中汽車美國莫勒潛心研究，被譽為“汽車演變的里程碑”。飛機的外形像一輛新穎別致的小汽車。空中飛行依仗的是它有可轉(zhuǎn)動的發(fā)動機及專門提供升力的風扇。自從1903年12月17日美國萊特兄弟把第一雙人類的翅膀送上天空后，各種飛機不斷地在快速發(fā)展，對制造飛機各類部件的材料要求也越來越高。主要是比強度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐疲勞等性能。美國月球?qū)椢淦靼l(fā)射彈頭示意圖蘇聯(lián)在80年代研制的太空武器美國的太空反衛(wèi)星武器示意圖美國ABL機載激光式武器世界貿(mào)易大廈基本上是用鋁合金貼面的。在”9.11“實踐中，該雙子大樓遭到襲擊，會與一旦。但它作為一個大量使用鋁合金貼面的雄偉建筑將永遠載入史冊。泰坦尼克號撞上冰山后快速沉沒，經(jīng)查明是因為含有9%礦渣的48根鉚釘使泰坦尼和好鋼板很快地散架。0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2004年提出來“循環(huán)型社會的材料產(chǎn)業(yè)——材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展”。微生物冶金：無廢物的生產(chǎn)，已經(jīng)在許多國家進行了工業(yè)性生產(chǎn)。美國利用微生物冶金方法生產(chǎn)的銅占總產(chǎn)量的10%，日本人工培植海藻輎以提取釩。海水是一種液態(tài)礦，海水中含有的合金元素量超過100億噸?，F(xiàn)在已可以從海水中提取鎂、鈾等元素，全世界生產(chǎn)的鎂大約有20%來自海水，美國靠這種鎂以滿足著需求量的80%。我國資源短缺；資源浪費嚴重；污染嚴重。循環(huán)材料產(chǎn)業(yè)：適應(yīng)時代需要，把生態(tài)環(huán)境意識貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)和生產(chǎn)工藝的設(shè)計之中，提高材料利用率、降低生產(chǎn)和使用過程中環(huán)境的負擔。發(fā)展形成資源——材料——環(huán)境良性的產(chǎn)業(yè)。合金發(fā)展的主流方向是少合金化與通用合金，形成綠色/生態(tài)體系，有利于材料的回收與再利用。要研究來發(fā)與人民生活密切相關(guān)的綠色材料以及環(huán)境友好材料。鈦合金被稱為“空間金屬”、“未來鋼鐵”。鈦合金比強度是最高的，在高溫和低溫下都能保持高強度，耐蝕性也是無可匹敵的。鈦在地球中含量不少（0.6%）。但是提煉工藝復雜，成本高，廣泛應(yīng)用受到限制。鈦合金是將二十一世紀為人類作重要貢獻的金屬材料之一。有色金屬：資源面臨著不可持續(xù)發(fā)展的嚴重問題，主要是資源破壞嚴重和利用率低，浪費驚人。精深加工技術(shù)落后，高檔產(chǎn)品缺乏；創(chuàng)新成果少，高新科技成果產(chǎn)業(yè)成度不高。開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料及其先進工藝方法是主流，如：鋁、鋰合金、快速凝固鋁合金等。有色金屬功能材料也是發(fā)展方向。未來對材料和技術(shù)的要求第一章鋼的合金化原理主要內(nèi)容鋼中的合金元素(理解）合金元素對鐵碳相圖及鋼熱處理的影響（重點）合金元素對鋼性能的影響（重點）微量元素及鋼的微合金化鋼合金化發(fā)展新方向

鋼的分類和編號(重點）合金元素的定義1.雜質(zhì)元素（impurity-element）常存雜質(zhì)

冶煉殘余，由脫氧劑帶入。Mn、Si、Al；S、P難清除。隱存雜質(zhì)偶存雜質(zhì)

生產(chǎn)過程中形成，微量元素O、H、N等。

與煉鋼時的礦石、廢鋼有關(guān)，如Cu、Sn、Pb、Cr等?！?.1鋼中的合金元素

熱脆性——S——FeS(低熔點989℃)；冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；氫脆——H——白點。為合金化目的加入，其加入量有一定范圍的元素稱為合金元素。鋼中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。2、合金元素（alloying-element）注意:

同一元素既可能作為合金元素又可能雜質(zhì)，若屬于前者，則決定鋼的組織與性能；若屬于后者，則影響鋼的質(zhì)量。如：當H，S，P等元素在鋼中一般都為雜質(zhì)元素，但當其作為合金元素時：H—儲氫合金；S—易切削鋼；P—耐磨鋼。合金鋼：在化學成分上特別添加合金元素用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求的組織與性能的鐵基合金。M<5％時，稱為低合金鋼；

M5~10％，稱為中合金鋼；

M>10％,稱為高合金鋼；不過這種劃分并沒有嚴格的規(guī)定。3.宏合金化與微合金化宏合金化

一般鋼中合金元素的質(zhì)量分數(shù)大于或者等于1%時，這種合金可稱為宏合金化。微合金元素有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，當其含量只在0.1%左右（如B0.001%，V0.2%）時，會顯著地影響鋼的組織與性能，將這種化學元素稱為微合金元素。微合金鋼加入了微合金元素,使鋼的組織或性能有明顯改變的這類鋼則稱為微合金鋼。二、Me的存在形式及其劃分1、γ穩(wěn)定化元素使A3↓，A4↑，γ區(qū)擴大a)與γ區(qū)無限固溶——

Ni、Mn、Co開啟γ區(qū)——量大時，室溫為γ相；b)與γ區(qū)有限固溶

——

C、N、Cu

——擴大γ區(qū)。1.Me和Fe的作用：2、α穩(wěn)定化元素使A3↑，A4↓，γ區(qū)縮小a)完全封閉γ區(qū)—Cr、V、W、Mo、TiCr、V與α-Fe完全互溶，量大時→α相W、Mo、Ti等部分溶解b)縮小γ區(qū)——Nb等。穩(wěn)定γ相——A形成元素，穩(wěn)定α相——A形成元素。(a)Ni，Mn，Co

(b)C，N，Cu

(c)Cr，V

(d)Nb,B等

圖1合金元素和Fe的作用狀態(tài)

A1線A4線A3線三、鐵基固溶體1、置換固溶體

合金元素在鐵點陣中的固溶情況

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)無限無限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*無限無限無限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與C量有關(guān)

不同元素的固溶情況是不同的。為什么?簡單地說：這與合金元素在元素周期表中的位置有關(guān)。

常用合金元素點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%3.1—注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（3）Cu和γ-Fe點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大——有限固溶；（4）原子半徑對溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。結(jié)論合金元素的固溶規(guī)律，即Hume-Rothery規(guī)律

決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.

①有限固溶C、N、B、O等

②溶解度溶劑金屬點陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不同點陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的——

如γ-Fe與α-Fe。溶質(zhì)原子大?。簉↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。

③間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置——畸變?yōu)樽钚　ｉg隙位置總是沒有被填滿——最小自由能原理。

2、間隙固溶體鋼中常見的碳化物

K類型、大小、形狀和分布對鋼的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、P、S等

K形成元素：

Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由強到弱排列）四、合金元素與碳的相互作用鋼中常見的K類型有：

M3C：滲碳體，正交點陣；

M7C3：例Cr7C3，復雜六方；

M23C6：例Cr23C6，復雜立方；

M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；

MC：例VC、TiC，簡單面心立方點陣；

M6C：不是一種金屬K。復雜六方點陣。K也有空位存在；可形成復合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

鋼中碳化物復雜點陣結(jié)構(gòu)：M23C6、M7C3、M3C。特點：硬度、熔點較低，穩(wěn)定性較差；簡單點陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。

M6C型不屬于金屬型的碳化物,復雜結(jié)構(gòu)，性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。見不同類型的K按結(jié)構(gòu)分類簡單點陣結(jié)構(gòu)復雜點陣結(jié)構(gòu)Me的原子半徑與K類型的關(guān)系各元素的rc/rMe的值如下：MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

rc/rMe>0.59—復雜點陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe<0.59—簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。Me量少時，形成復合K，如（Cr,M）23C6型。2、K溶解度

完全互溶：原子尺寸、合金元素的尺寸因素和電化學因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C；TiC~VC。

有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值為<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入強者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓3、K形成規(guī)律：強者先，依次成

K形成元素中，強者優(yōu)先與C結(jié)合，隨C↑，依次形成K。如：在含Cr、W鋼中，隨C↑，依次形成W6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果鋼中C量有限，則弱的K形成元素溶入固溶體。如：在低碳含Cr、V的鋼中，大部分Cr都在基體固溶體中。4、K的穩(wěn)定性：強者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長大也難

MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時，在500~700℃才析出，并且不易長大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強化方法。自學合金元素之間的相互作用合金元素與非金屬元素的相互作用合金元素與晶界的相互作用Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe§

1.2合金元素對鐵碳合金相圖的影響一、合金元素對奧氏體相區(qū)的影響（1）改變A相區(qū)的位置

奧氏體形成元素使奧氏體存在的區(qū)域擴大，其中開啟A相區(qū)的元素如Mn、Ni、Co含量較多時，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織。如：在室溫下1Cr18Ni9為單相A體不銹鋼高錳鋼Mn13水韌處理后獲得單一的A體Mn對奧氏體范圍的影響鐵素體形成元素使奧氏體存在的區(qū)域縮小，其中封閉A相區(qū)的元素如Cr、Ti、Si等元素超過一定的量時，可使鋼在是溫室時得到單相的鐵素體組織。如：10Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼Cr對鐵素體范圍的影響（2）改變了共晶溫度

擴大γ相區(qū)的元素使共晶轉(zhuǎn)變溫度降低；縮小γ相區(qū)的元素使共晶轉(zhuǎn)變溫度升高。合金元素對共析成分和共析溫度的影響（3）對S、E點的影響

A形成元素均使S、E點向左下方移動(??)，F(xiàn)形成元素使S、E點向左上方移動。S點左移—意味著共析C量減小；E點左移—意味著出現(xiàn)萊氏體的C量降低。合金元素對共析溫度的影響

合金元素對共析碳量的影響

合金元素對退火鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響合金元素對過冷γ轉(zhuǎn)變的影響合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響二、合金元素對鋼熱處理的影響1、合金元素對退火鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響

⑴對奧氏體形成速度的影響Ti、Nb、Zr、W、Mo、Cr等強K或中強K由于與C的親和力大，形成難溶于A的合金K，不易分解，顯著減慢A的形成速度。Co、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的擴散系數(shù)，使奧氏體形成速度加快。Al、Si、Mn等合金元素對C在奧氏體中擴散影響不大，故對A形成速度無顯著影響。合金元素除Mn之外組織奧氏體晶粒長大所帶來的好處就是合金鋼在加熱時不易過熱。同時對鋼的細晶強韌化也有良好貢獻。V、Ti、Nb、Zr等強碳化物形成元素和適量的Al強烈阻礙晶粒長大，它們碳化物或氮化物熔點高，高溫下穩(wěn)定，不易聚集長大，能強烈阻礙奧氏體晶粒長大；W、Mo、Cr等中強碳化物形成元素也阻礙晶粒長大，其影響程度中等。Si、Cu、Ni等部分非碳化物形成元素對奧氏體晶粒長大影響不大。P、Mn、C、N、O、B等合金元素含量在一定限度以下促進奧氏體晶粒長大。⑵對奧氏體晶粒大小的影響Me對奧氏體晶粒大小的機制除Co外，絕大多數(shù)合金元素，特別是強碳化物形成元素由于形成合金滲碳體和特殊碳化物，更難溶入奧氏體中，并且阻礙奧氏體晶界的移動和奧氏體晶粒的長大，起到細化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr強烈阻礙A體晶粒長大（細晶強化）W、Cr、Mo中等阻礙A體晶粒長大（稍落后）2、合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響1）非K形成元素Ni、Si和弱K形成元素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。鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖通常稱呈“C”型，故稱為“C”曲線。不同合金成分的C曲線形狀是不同的。按照合金元素不同的影響，可分為如下三類：“C”曲線五種形狀

過冷A體穩(wěn)定性實際上有兩個意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。常用合金元素對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響(上左)強K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素注意：加入的K必須完全溶于A才能提高淬透性；如果未完全溶解或者以K的形式存在的就會成為形成P的核心，反而降低鋼的淬透性。多種合金元素的加入要比一種合金元素的加入對鋼的淬透性的影響大得多，因此合金化的原則為“多元少量”。若鋼的淬透性好的情況下，則可用較為緩和的淬火冷卻介質(zhì)，可以采用分級淬火、等溫淬火工藝減少工件變形開裂傾向；增大淬透層的深度，從而獲得較高的，均勻的力學性能。3、C曲線右移意味著鋼的淬透性提高。常用提高淬透性的元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。(1)過冷A體的P、B轉(zhuǎn)變

P轉(zhuǎn)變：擴散性轉(zhuǎn)變，需要C和Me都擴散；

擴大A相區(qū)的Me是P轉(zhuǎn)變移向較低溫度；縮小A相區(qū)的

Me是P轉(zhuǎn)變移向較高的溫度。

4、過冷A體可能發(fā)生三種轉(zhuǎn)變，合金元素對這幾種轉(zhuǎn)變的影響主要有：B轉(zhuǎn)變：半擴散形轉(zhuǎn)變，C作短程擴散，Me幾乎沒有擴散。

Me的作用是影響了合金的相變驅(qū)動力和碳原子的擴散能力，從而影響B(tài)的轉(zhuǎn)變。影響順序為：

除Co和Al加速B的轉(zhuǎn)變以外，其它Me都減緩B的轉(zhuǎn)變；

Mn、Cr、Ni、Si的影響最為顯著；

W、Mo、V的影響很小。67

(3)對殘余奧氏體的影響Ms點越低，室溫中殘余奧氏體越多，對馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)有影響。合金元素一般都增加形成孿晶馬氏體的傾向。

(2)合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響

M轉(zhuǎn)變:非擴散轉(zhuǎn)變，合金元素對Ms，Mf及馬氏體精細結(jié)構(gòu)有影響。

1、一般會降低Ms和Mf點：C最強烈，Mn，Cr，Ni次之，V，Mo，W，Si再次之。

2、升高Ms和Mf點：Co，Al。

鋼淬火后，獲得M和殘余A兩種亞穩(wěn)定相。Me對淬火鋼回火的影響主要有以下是三個方面：

(1)提高耐回火性

Me在回火過程中推遲M的分解和殘留A的轉(zhuǎn)變；提高F的再結(jié)晶溫度，使K難以聚集長大。因此Me能提高鋼對回火軟化的抗力。

提高耐回火性強的元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。相同C含量的合金鋼與碳鋼比較：

相同硬度的條件下，合金鋼的回火溫度比碳鋼高，回火時間也相應(yīng)增長，有利于殘余應(yīng)力的消除，因而合金鋼的塑性、韌性較碳鋼好；相同溫度回火時，合金鋼的強度、硬度較碳鋼高。3.合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響（2）產(chǎn)生二次硬化和二次淬火定義：Mo、W、V等較強K形成元素含量較高的合金鋼在回火時，硬度不是隨著回火溫度的升高而單調(diào)降低，而是達到某一溫度時（約400℃）后反而開始提高，并在另一高度（一般約為550℃左右）達到峰值，這就是回火過程中的二次硬化。1)二次硬化原因：當回火溫度低于450℃時，鋼中析出合金滲碳體；在450℃以上滲碳體溶解，鋼中開始析出彌散的難容碳化物Mo2C、W2C、VC等，產(chǎn)生彌散強化，而且這些難容碳化物與α相保持共格關(guān)系；若繼續(xù)升高溫度，由于碳化物的長大，彌散度減小，共格性被破壞，共格畸變消失，從而使硬度迅速下降。定義:

在強K形成元素含量較高的合金鋼中淬火后γ’十分穩(wěn)定，甚至在加熱到500-600℃時仍不分解，而是在冷卻時部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，使鋼的硬度提高。原因:

可能是γ’中析出部分K，使C%，Me%下降，Ms升高，冷卻時γ’→M。應(yīng)用:

高合金鋼可以利用鋼的二次淬火現(xiàn)象來消除γ’

。2)二次淬火(3)對回火脆性的影響回火目的：降低脆性、提高韌性、穩(wěn)定組織?；鼗鸫嘈裕涸阡摰幕鼗疬^程中，其韌性并不是單調(diào)地上升，而是在250℃~350℃之間和450℃~650℃之間出現(xiàn)了兩個低估。也就是說這兩個溫度范圍內(nèi)回火，韌性非但沒有提高，反而顯著降低。回火脆性分類：第一類回火脆性第二類回火脆性1、第1類回火脆性脆性特征

①不可逆；②與回火后冷速無關(guān)；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界強度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si可以有效的推遲脆性溫度區(qū).第一類回火脆性出現(xiàn)在250℃~350℃

℃回火的M中，并伴隨著韌性與延展性的降低。低溫回火脆性2、第2類回火脆性脆性特征

出現(xiàn)在450℃~

650℃溫度區(qū)間；可逆；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；晶界脆斷.產(chǎn)生原因

①雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成網(wǎng)狀或片狀化合物,↓晶界強度。高于回脆溫度，雜質(zhì)擴散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素擴散。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑；Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進劑；Cr促進其它元素偏聚，助偏劑；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑1.3

Me對鋼性能的影響

一、鋼的強化機制與Me的作用原理

1、強化機制與Me的作用原理：各種強化途徑↑塑變抗力↑位錯運動阻力

↑鋼強度金屬的強度指材料對塑性變形的抗力。固溶強化細晶強化變形強化第二相強化表達式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0機理效果提高強度，降低塑韌性

原子固溶→晶格發(fā)生畸變

→產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，與位錯交互作用→↑位錯運動阻力（1）固溶強化

Si、Mn的固溶強化效應(yīng)大，但Si>1.1%，Mn>1.8%時，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強化效應(yīng)最大。

合金元素對低碳F強度和塑性的影響

合金元素對Cr18Ni9型不銹鋼的強化效應(yīng)Ⅰ-間隙元素，Ⅱ-F形成元素，Ⅲ-A形成元素（2）細晶強化表達式機理晶粒越細→晶界、亞晶界越多→

有效阻止位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積強化。效果

↑鋼的強度，又↑塑性和韌度這是最理想的強化途徑.

著名的Hall-petch公式式中，d為晶粒直徑，Kg為系數(shù)（3）變形強化表達式機理位錯增殖→位錯密度增加→

位錯滑移困難，也稱位錯強化。效果鋼的強度提高，塑性和韌度下降，效果顯著，但由于受材料塑性的限制，到一定程度后會斷裂；變形強化可以通過在結(jié)晶退火來消除，基本上能恢復到變形前的狀態(tài)。（4）第二相強化表達式機理

微粒第二相釘扎位錯運動→強化效果主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主要是繞過機制。兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，淬火時殘留第二相強化。效果有效提高強度，但稍降低塑韌性。鋼強度表達式位錯被質(zhì)點障礙物所擋住在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強化效果示意圖（5）Me對強化有效性的影響最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結(jié)果。1)、強化的有效性

強化:彌散析出ΔσP>|-ΔσS|硬度峰值弱化:M分解ΔσP

<|-ΔσS|弱化緩慢

圖強化和弱化的演變1-M分解；2-彌散析出；3-綜合效應(yīng)

2)、Me對強化有效性的影響

強化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。Me量↑→彌散相量↑(有足夠的C)→二次硬化↑

例：含0.1~0.15%C鋼，需0.1~0.2%V；0.08~0.12%Nb；2.5~3.0%Cr強化≥弱化Me最小濃度臨界值K類型含C量

圖

V對40鋼回火硬度的作用2、鋼的韌化途徑與Me的作用原理

（1）影響韌性的因素

強化因素一般情況，鋼強度↑→塑韌↓,稱為強韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細化組織強化外，其它強化因素都會不同程度地↓韌性。危害最大是間隙固溶；沉淀強化較小,但對強化貢獻較大。合金元素Ni↑韌性；Mn在少量時也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韌性晶粒度

細晶既↑σS，又↓↓TK,即↑韌性

→

最佳組織因素。第二相K小、勻、圓、適量

→

工藝努力方向。雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，→提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)

合金元素對鐵素體沖擊韌度的影響

晶粒大小對強度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的影響20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能（2）提高鋼韌度的合金化途徑

1）細化晶粒、組織——如Ti、V、Mo；2）↑回火穩(wěn)定性——如強K形成元素；3）改善基體韌度——Ni；4）細化K——適量Cr、V，使K小而勻；5）↓回脆——W、Mo；

6）在保證強度水平下，適當↓含C量.↑冶金質(zhì)量。

Me對退火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響Me對正火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響Me對鋼在淬火回火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響Me對鋼低溫力學性能的影響Me對鋼高溫力學性能的影響二、Me對鋼不同熱處理狀態(tài)下力學性能的影響合金元素按照強化程度（由強到弱）：P、Si、Ti、Mn、Al、Cu、Ni等。退火處理通常不能作為合金鋼的最終熱處理。1、合金元素對退火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響合金元素對鐵素體抗拉強度的影響合金元素對鐵素體屈服強度的影響合金元素對鐵素體固溶強化的影響合金元素對鐵素體伸長率的影響合金元素對鐵素體沖擊韌性的影響2、合金元素對正火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響合金元素對正火狀態(tài)下力學性能的影響較其退火狀態(tài)下要顯著增大原因：合金元素（除Co外）提高了鋼過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而使得合金鋼在空冷后可能得到的組織為索氏體、托氏體、貝氏體和馬氏體。只有對淬透性小的低合金鋼，調(diào)質(zhì)處理在技術(shù)上有困難或經(jīng)濟上不合適時，才用正火作為合金鋼的最終熱處理。3、Me對鋼在淬火回火狀態(tài)下力學性能的影響1)、Me改變了淬火狀態(tài)下鋼的組織和性能(1)除Co外，所有合金均能提高合金的淬透性(2)大多數(shù)合金元素均能阻礙奧氏體晶粒長大（除Mn外）(3)除Co、Al外，Me較多時，Ms點降低(4)淬透性取決于碳含量，Me可以起到補充強化的作用.2)、Me對淬火回火狀態(tài)下鋼的力學性能的影響（與碳鋼相比較）(1)硬度相同的情況下，中高溫回火時，硬度下降緩慢(2)強度指標皆高于碳鋼(3)塑性指標時，低溫回火合金鋼高，高溫回火時，相差不多。(4)沖擊韌性低溫時：合金鋼高于碳鋼中溫時：不相上下高溫時：合金鋼在逐漸升高3)、Me對不同階段回火鋼的力學性能的影響

(1)

Me對低溫回火鋼力學性能的影響a、絕大多數(shù)Me對鋼的組織轉(zhuǎn)變影響很小b、Me提高鋼的塑性和韌性c、凡是能同時提高鋼的強度和塑性的Me均能使沖擊韌性↑。(2)合金元素對中/高溫回火鋼力學性能的影響

a、中溫產(chǎn)生脆性（前面說過）

b、高溫主要為調(diào)質(zhì)處理，組織為力學性能良好的索氏體。4、合金元素對鋼低溫力學性能的影響理解各種元素的主要作用CNOSPSnNi細化晶粒的元素5、合金元素對鋼高溫力學性能的影響高溫下晶粒、晶界的強度會降低，原子擴散速度加強。

1、特別防止產(chǎn)生蠕變，因此要求使用粗晶粒鋼。

2、另一種途徑是加入的合金元素能夠強化材料的基體。

3、加入高溫強度和高溫穩(wěn)定性的第二相粒子阻礙位錯運動。三、合金元素對鋼工藝性能的影響鋼號合金元素質(zhì)量分數(shù)含量

/%P轉(zhuǎn)變孕育期

/秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.383540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25500淬透性

一般是指淬火時獲得M的能力.合金元素復合作用大,不是簡單加和.1、Me對鋼熱處理性能的影響在結(jié)構(gòu)鋼中，↑M淬透性作用顯著的元素從大到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。淬透性好的作用可以使工件得到均勻而良好的力學性能，滿足技術(shù)要求；在淬火時，可選用較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向淬硬性

理想淬火條件下,形成M能達到的最高硬度。淬硬性主要與鋼的含碳量有關(guān)。變形開裂傾向

熱應(yīng)力→變形;組織應(yīng)力→開裂;附加應(yīng)力較復雜.影響因素比較復雜,要綜合分析.采用分級淬火、等溫淬火或雙液淬火可降低應(yīng)力，減小變形開裂傾向。采用調(diào)質(zhì)、球化退火等預(yù)先熱處理也可減小零件的變形。

過熱敏感性和氧化脫碳傾向奧氏體晶粒急劇長大的敏感性,→Mn.如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。

氧化和脫碳往往伴隨產(chǎn)生.→Si.含硅鋼氧化脫碳傾向較大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。脫碳會降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度，脫碳對于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的.回火穩(wěn)定性(耐回火性)合金鋼回火穩(wěn)定性要比碳鋼好.同樣回火硬度,合金鋼的回火溫度高,時間也可長些,應(yīng)力消除也大些;同樣塑韌性,合金鋼的強度比碳鋼高.回火脆性(前面已介紹)2、對焊接性能的影響焊接性參量：開裂敏感性、焊縫金屬的凝固裂紋、熱影響區(qū)和焊縫金屬的韌性等。1)氫誘發(fā)裂紋碳當量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5小于0.35%wt時，焊接性能好。2)焊縫金屬的凝固裂紋與焊條中的C、S含量有關(guān)（C小于0.07%wt）。3)熱影響區(qū)和焊縫金屬的韌性與焊條中提高淬透性元素含量有關(guān)。3、對鋼的切削加工性能的影響切削性能的衡量標準：刀具壽命、切削速度、表面粗糙度、切削阻力，斷屑形狀等。1）與硬度及組織有關(guān)；2）從化學成分的角度說，非金屬夾雜是決定鋼的切削性能的主要因素。非金屬夾雜的類型、大小、形態(tài)、分布和體積分數(shù)不同，對切削性能的影響也不同。夾雜物滿足以下四條件時，有利于切削：①夾雜物是應(yīng)力集中源，起到裂紋源和脆化切屑作用②具有一定塑性，不切斷金屬的塑性流變；③在刃具和切屑之間形成熱量傳播的障礙；④具有光滑的表面。3)提高鋼切削性能的方法加入易切削元素，如：S（形成硫化物），P，Pb，Bi,Se(硒）（形成硒化物）,Te(碲）（形成碲化物）等；以Ca脫氧：改變氧化物的形態(tài)；4)對切削性能有害的夾雜物Al2O3、SiO2和復雜氧化物－硅酸鹽夾雜物、氮化物或碳氮化物等4、Me對鋼鑄造性的影響5、Me對鋼塑形加工性能的影響1.4微量元素在鋼中的作用一、微量元素與分類常用微合金化元素

B，N，Ti，V，Zr，Nb，Re偶用微合金化元素

Hf，Ta，Sc（鈧）凈化，變質(zhì)和控制夾雜物形態(tài)的元素

B，Ti，Ca，Zr，Re改善切削性能的元素

S，Ca，Se，Pb，Bi痕量有害元素

P，As，Sn，Sb，Pb，Bi二、微量元素的有益效應(yīng)

凈化作用

硼、稀土元素與鋼中的O、N結(jié)合形成比重小（易上?。┑幕衔铮山档弯撝械臍怏w含量，減少非金屬夾雜物。變質(zhì)作用

硼、稀土元素與鋼液反應(yīng)，形成微細質(zhì)點，增大形核率，抑制柱狀晶的成長，細化鑄鐵組織，改善鑄錠冶金質(zhì)量。控制夾雜物形態(tài)

在添加Mn,Si的基礎(chǔ)上，添加少量Zr,Re和Ca來控制和改善夾雜物的形態(tài)，使鋼材的力學性能得到提高。微合金化鋼例如：在低碳鋼中加入微量Nb、Ti、V，通過控軋和控冷，生產(chǎn)量大面廣的微合金高強度鋼。例如：在高速鋼、耐熱鋼中加入微量Nb、Zr、B，可改善鋼的高溫強度等。三、微量元素的有害影響

例如，Pb,Bi,Sb,Sn等元素在PPM數(shù)量范圍內(nèi)就會對鋼的熱塑性、蠕變強度、焊接性、耐腐蝕性等產(chǎn)生有害的影響，并且可能導致鋼的不同形式的脆性（如回火脆性）。鋼的分類與編號一.鋼的分類1、按用途分類機械零件用鋼（1）結(jié)構(gòu)鋼2、工具鋼工程構(gòu)件用鋼3、特殊性能鋼2、按金相組織分類（1）按平衡組織分類（2）按正火組織分類（3）按加熱冷卻時是否發(fā)生相變分類亞共析鋼共析鋼過共析鋼萊氏體鋼奧氏體鋼馬氏體鋼珠光體鋼貝氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼半鐵素體鋼半馬氏體鋼3、按化學成分分類(1)碳素鋼低碳鋼：0.0218-0.25%中碳鋼：0.25-0.6%高碳鋼：0.6-2.11%(2)合金鋼低合金鋼：1-5%中合金鋼：5-10%高合金鋼：>10%(3)按冶金質(zhì)量分類a、普通合金鋼S≤0.050%P≤0.045%b、優(yōu)質(zhì)合金鋼S≤0.035%P≤0.035%c、高級優(yōu)質(zhì)合金鋼S≤0.025%P≤0.025%d、特級優(yōu)質(zhì)合金鋼S≤0.015%P≤0.020%主要按鋼中S、P雜質(zhì)含量4、按冶煉方法分類(1)根據(jù)冶煉方法和設(shè)備分轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼真空感應(yīng)爐鋼等(2)根據(jù)鋼液的脫氧程度分沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼(3)根據(jù)鋼液的脫氧程度分滲碳鋼滲氮鋼易切削鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q+數(shù)字

產(chǎn)量最大的類型；Q表示屈服強度，數(shù)字表示屈服強度值。例如：Q235AF二、鋼的編號方法2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，兩個數(shù)字或兩個數(shù)字+Mn

08F：F指的是沸騰鋼,無F是鎮(zhèn)靜鋼。數(shù)值的含義是指含碳量,單位是萬分之一，如45是含碳量0.45%；3.碳素工具鋼，T+數(shù)字（一個或兩個）

T12A、T10A。數(shù)字代表含碳量，單位是千分之一，像T12就是含碳量1.2%。A是后綴,表示的是高級優(yōu)質(zhì)鋼,（碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼）5.一個數(shù)字+幾個合金元素符號或幾個合金元素符號，一般為合金工具鋼。如：5CrMnMo、5CrNiMo和Cr12。開頭數(shù)字表示含碳量，單位千分之一；后面的元素符號表示含的元素類型，元素符號后的數(shù)字代表含量，單位為1%；（這類鋼大都不標含碳量的）。如5CrMnMo指的是含碳0.5%，含Cr、Ni、Mo元素含量均在1.5%以下；如Cr12這種就是能看出含Cr量12%左右,含碳量需要查詢材料手冊，Cr12含碳量是2-2.3%。4.合金結(jié)構(gòu)鋼，兩個數(shù)字+幾個合金元素符號如60Si2Mn,20CrMnTi。開頭兩個數(shù)字指含碳量，單位是萬分之一，后面是含的合金元素，元素后面的數(shù)字代表合金含量，數(shù)字的單位是1%，不寫數(shù)字代表的是含量在1.5%以下。如60Si2Mn：含碳量0.6%，含Si量2%左右，Mn1.5%以下的合金鋼。6.Cr后面的數(shù)字超過13，不銹鋼。

如3Cr13和0Cr18Ni9，前面的數(shù)字代表含碳量，單位千分之一，0表示含碳量在0.08%以下，03表示的是含碳量小于等于0.03%大于等于0.01%,01表示的含碳量小于0.01%,后面的元素符號如合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼。7.G+Cr+其他元素符號，滾動軸承鋼。

G表示滾動軸承鋼，Cr后面表示含Cr量，單位千分之一。如GCr15,表示含Cr1.5%。這類還有一種滲碳軸承鋼,如G20CrNiMo,G后面的含義同合金結(jié)構(gòu)鋼。8.其他各種常見前綴和后綴：

前綴，Z表示鑄鋼類型,Y表示易切削鋼；后綴,ABCDE,表示質(zhì)量。金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計

目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種。→材料的廢棄物再生循