材料工程学汇总

1、第一章第一章 钢的合金化基础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，但其淬透性淬透性及回火稳定性回火稳定性差，限制了其应用。淬透性：淬透性：表征钢件淬火时形成的能力。（用淬硬层深度来表示）淬硬性：淬硬性：以大于上临界冷速的冷却速度冷却时得到的的硬度。回火稳定性：回火稳定性：在高温下保持硬度和强度的能力。1.1 概述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

2、钢微合金化钢是近二、三十年来钢铁是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成就。在普通碳钢中只生产中的最重要成就。在普通碳钢中只要加入要加入极少量的（极少量的（0.1%)的强碳化物形的强碳化物形成元素如成元素如Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以再配合以控轧工艺控轧工艺，就可以制成屈，就可以制成屈服强度达服强度达350-550MPa，并具有良好韧性，并具有良好韧性的低碳钢。的低碳钢。合金元素合金元素的影响是永远的热点。的影响是永远的热点。一、合金元素的作用一、合金元素的作用合金元素在钢中的存在形式多合金元素在钢中的存在形式多样，还会改变相图，影响相变。样，还会改变相图，影响相变

3、。所以要理解合金钢，必须了解所以要理解合金钢，必须了解合金元素及其作用，虽然很难，但合金元素及其作用，虽然很难，但我们无法回避。我们无法回避。成分成分组织组织性能性能是材料科学的主旋律。成分的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。时也蕴藏着更多的发展潜力。合金元素在钢中的存在形合金元素在钢中的存在形式式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶体固溶体碳化物碳化物金属间化合物金属间化合物非金属夹杂物非金属夹杂物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物例：形成合金例：形成合金F 合金元素溶入合金元素溶入F后，由于后，由于原子

4、半径原子半径和和晶晶格类形格类形的差异，必然引起晶格畸变，产生的差异，必然引起晶格畸变，产生固溶强化，使的强度、硬度固溶强化，使的强度、硬度，而塑、韧，而塑、韧性略有下降。性略有下降。P、Si、Mn、Ni是是显著显著的的强化元素强化元素。固溶体固溶体固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素它是合金元素溶入渗碳体溶入渗碳体中中并并置换部分铁置换部分铁原子原子而形成的碳化物。而形成的碳化物。(Fe , Me)3CMe代表代表Mn、Cr等合金元素。等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高硬度高，所以可以所以可以提高耐磨性提高耐磨性。

5、合金渗碳体合金渗碳体如（如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等、等由中强或强由中强或强碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点素形成的碳化物。其共同特点是：是：熔点高熔点高、硬度高硬度高、稳定性稳定性高高、很难溶入中很难溶入中。特殊碳化物特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC 、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、金属间化合物金属间化合物FeS、FeCr、Ni3Al、 Ni3Ti、 Fe2W非金属夹杂物非金属夹杂物Al2O3、AlN、 SiO2、 TiO2 、MnS游离

6、态游离态如如Pb、Cu等等（一）合金元素改善钢的热处理工艺性能（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. 细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒除除Co外，外，固溶于固溶于A中中的合金元素的合金元素总是不同程度的增加稳定性，延缓总是不同程度的增加稳定性，延缓的转变，使的转变，使C曲线右移，淬透性提曲线右移，淬透性提高。高。合金钢可选择油淬，高合金钢甚合金钢可选择油淬，高合金钢甚至至空冷空冷即可获得即可获得M组织。组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni

7、、B2. 提高淬透性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。工程材料基础工程材料基础主讲教师：潘希德 除除Co、Al外，外，所有合金元素所有合金元素降降低低Ms 、Mf增加残余奥氏体含量，按作用由增加残余奥氏体含量，按作用由强到弱：强到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2. 提高淬透性提高淬透性3. 提高回火抗力，产生二次硬化，提高回火抗力，产生二次

8、硬化，防止第二类回火脆性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，又称硬度下降的能力，又称回火稳定性回火稳定性。合金元素合金元素固溶于淬火固溶于淬火M中中可减慢碳的扩可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推推迟迟M的分解的分解，延缓硬度下降延缓硬度下降，因此，合金钢，因此，合金钢具有较高的回火抗力。具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较量相同的合金钢的硬度较碳钢高。碳钢高。在要求相同硬度条件下，在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，合金钢

9、的回火温度高，塑韧性好。塑韧性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素较多的合金钢，等合金元素较多的合金钢，在在500600范围内范围内回火回火时，时，由于由于沉淀析出沉淀析出这些合金元素这些合金元素的碳化物并呈的碳化物并呈弥散状弥散状分布，分布，因而对材料起到沉淀强化的因而对材料起到沉淀强化的作用。作用。淬火钢在较高温度回火淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的时，硬度不降低反而升高的现象称为现象称为二次硬化二次硬化。回火温度回火温度HRCwSi 回火温度回火温度HRCwMo 多次多次回火过程中回火过程中AR发生发生合金合金碳化物碳化物析出析出回火过程中回火过程中AR中的碳及合金中的碳

10、及合金元素元素“贫化贫化”，使其，使其Ms高于室温高于室温，在在冷却冷却过程中过程中AR转变为转变为M。二次淬火二次淬火大部分合金元素大部分合金元素均均延缓延缓相相的回复与再结晶过程的回复与再结晶过程几种元素的综合作用可更显几种元素的综合作用可更显著著提高提高相再结晶温度。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250400出现韧性下降，称第第一类回火脆性一类回火脆性；在500 600 回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第二类第二类回火脆性回火脆性。回火温度回火温度 AK快冷300500650慢冷产生回火脆性的原因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

11、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（二）合金元素提高钢的使用性能1. 提高钢的强度提高钢的强度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等等合金元素固溶于合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。错运

12、动的阻力，产生强化。（1）固溶强化）固溶强化硬度硬度提高提高韧性韧性降低降低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，合金元素分为根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强强碳化物形成元素碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱弱碳化物形成元素碳化物形成元素：Mn中中强碳化物形成元素强碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相强化（）第二相强化合金碳化物合金碳化物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物合金渗碳体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

13、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。特殊碳化物特殊碳化物由中强或强由中强或强碳化物形成元碳化物形成元素形成的碳化物。素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶硬度高、稳定性高、很难溶入中。入中。具有简单晶体结构的间隙化合具有简单晶体结构的间隙化合物物 WC、Mo2C、VC、TiC具有复杂晶体结构的碳化物具有复杂晶体结构的碳化物 Cr23C6、Cr7C3

14、、Fe5W3CV、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。（）细晶强化（）细晶强化钢的其它强化手段，提高强度、硬度是钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。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。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E. 使钢获得特殊性能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

15、的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性。（）形成单相组织（）形成单相组织u特点：特点： A4、A3， 相区相区扩大扩大u扩大扩大 相区并与相区并与 -Fe形形成无限固溶体的元素成无限固溶体的元素Ni、Mn等等u部分部分扩大扩大 相区与相区与 -Fe形成有限固溶体的元形成有限固溶体的元素素C、N、Cu等。等。 扩大扩大 相区合金元素（稳定元素）相区合金元素（稳定元素）ES N（A4） G（A3） Tw Me % CNCuTLwMe %NiMnCo扩大扩大 相区并与相区并与 -Fe形成无限固溶体形成无限固溶体部分部分扩大扩大 相区并与相区并与 -Fe形成有限固溶体形成有限固溶体u特点：特点

16、：A3、A4， 相区相区缩小缩小u缩小并完全封闭缩小并完全封闭 相区相区的元素的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等等u仅使仅使 相区部分缩相区部分缩小而不闭的元素小而不闭的元素、b、Ta、Zr等。等。 缩小缩小 相区的元素（稳定元素）相区的元素（稳定元素）LFeMeMeTCrV缩小并完全封闭缩小并完全封闭区并与区并与形成形成无限固溶体无限固溶体缩小并完全封闭缩小并完全封闭区并区并与与形成有限固溶体形成有限固溶体LFeMeMeTBNbTaZr部分缩小部分缩小区而不封闭区而不封闭MeLFeMeTMoWTiAlSi当钢中当钢中wNi=9%，wMn=13%时，可时，可使使A3降低至室温，此时钢

17、在室温下为单降低至室温，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。具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。当钢中当钢中wCr=1728%时，可使奥氏时，可使奥氏体区消失，此时钢在室温下为单相铁素体区消失，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。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u 致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等u 金属间化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2

18、W、Fe2Mo等（）形成致密氧化膜或金属间化合物（）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合金元素在钢中作用细化细化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大扩大A相相Ni、Mn、Cu、N扩大扩大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化

19、膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti1. 按用途分按用途分合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢（一）分类（一）分类1.2 合金钢的分类及牌号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 Me5%中合金钢 5% 10%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（二

20、）编号数字化学元素数字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：wC10,000工具钢：wC1,000，为了避免与结构钢混淆，又规定wC1.0%时不予以标注，高速钢例外，其wC 1.0%也不标注。特殊性能钢： wC1,000 wC=0.080.1%，标 1 wC=0.030.08%，标 0 wC 0.03%，标 002、合金元素含量的标记wMe %1.51.52.53.54.5标记-2345注：滚动轴承钢铬的标记除外(wCr1,000)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40

21、CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%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%的高速钢要点总结要点总结熟悉熟悉合金元素在钢中存在的形合金元素在钢中存在的形式和作用式和作用掌握掌握第一第二类回火脆性第一第二类回火脆性了解了解合金结构钢的牌号及特点合金结构钢的牌号及特点合金元素在钢中的存在

22、形式合金元素在钢中的存在形式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金属间化合物金属间化合物非金属夹杂物非金属夹杂物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等合金元素在钢中作用合金元素在钢中作用细化细化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大扩大A相相Ni、Mn、Cu、N扩大扩大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al 形成致密氧化膜形成致密氧化膜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250400出现韧性下降，称第第一类回火脆性一类回火脆性；在500 600 回火后