金属材料学课程

1、金属材料学课程主要章小结和学习思路（2007年修改）戴起勋材料科学与工程学院2007年12月主要章小结与课程总复习提要1、合金化原理小结MC、M2C型：简单点阵结构，熔点高，硬度高，稳定性好 ；M3C、M7C3、M23C6型：复杂点阵结构，熔点低，硬度低，稳定性差 ；M6C型：非金属性K。性能特点接近MC、M2C型KK类型K形成元素TiNbV形成元素对相图的影响形成元素：A1，缩小区，使Fe-C相图S、E点向左上方移动；量多时，可获F钢；形成元素：A1，扩大区，使Fe-C相图S、E点向左下方移动；量多时，可获A钢；固溶体：置换固溶和间隙固溶度规律，与元素周期表的关系WMoCr/ SiMn形成元

2、素1、强者先，依次成；2、相似者相溶：有限溶解，无限溶解；溶入强者，K稳定性；溶入弱者，K稳定性；3、Nm/NC比值决定K类型；4、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难；5、rc/rM<0.59，形成简单结构间隙相；>0.59，复杂结构；6、量少时，形成复合KK形成规律非K形成元素NiCoCNCuSi /对过冷奥氏体相变影响1、除Co外，Me均不同程度地使“C”曲线右移；2、使P转变右移程度较大的元素：Mo、W、Mn、Cr；3、使B转变右移程度较大的元素：Mn、Cr、Ni、Si；4、K形成元素改变“C”曲线形状；5、使MS点降低程度较大的元 素：（C、N）、Mn、Cr、Ni 多元

3、适量复合加入合金化设计微合金化原理及应用加热奥氏体化：不同K的溶解规律，Me对晶粒长大的影响；回火转变：K形成元素ac，M分解；SiM分解；AR中析出K，反稳定化，MS；K聚集长大，类型转变，原位析出，异位析出，二次硬化；回火过程的强化与弱化，强化机制贡献大小的转化；回火脆性：特征及影响因素，Mn、Cr、Ni回脆性作用大；Si氧化脱碳倾向；Mn过热敏感性热处理及工艺性淬透性：(B)、Mn、Mo、Cr、Ni、Si作用较大；选择钢种，选择淬火工艺；冷成型性：Me加入，冷作硬化率，冷成型性。P、C、Si影响大；可焊性：Me淬透性，可焊性；切削性：S、Pb、Ca等为易切削元素，MnS是易切削化合物热成

4、型性：W、Mo、V、Cr等元素热压力加工性，导热性合金化韧化途径分布组织偏聚钢的基本强化机理1、细化晶粒：Ti、Nb、V、W、Mo、(Al)、Cr；2、回稳性：K形成元素。Si低温回稳性效果好；3、改善基体韧性：Ni；4、细化K：Cr、V（适量）；5、回火脆性：Mo、W；6、保证强度水平下，适当降低C量；7、提高冶金质量；8、适量AR固溶强化：s=Ki.C、N塑韧性；弹性应力场作用位错强化：d=Kd0.5.形变，塑韧性；位错交割缠结细晶强化：g=Kgd-0.5.塑韧性。位错塞积效应弥散强化：p=Kp-1.塑韧性。第二相钉扎作用细晶（组织）强化和弥散沉淀析出强化对强化贡献大钢的强化与韧化合金钢与

5、碳钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响。且Me的作用只有在进行适当热处理条件下才能最优发挥。强度和塑韧性是一对相互长消的矛盾。当强度水平满足要求时，如何改善塑韧性是矛盾的主要方面图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路材料学核心是合金化基本原理，这是材料强韧化矛盾的主要因素。要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。”主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。掌握了合金元素的作用及其在加工处理过程中的演化机理，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地开发新工艺、新

6、材料。如何充分发掘现有材料的性能，关键就在于热处理等处理工艺。图1为钢合金化原理和设计思路。2、结构钢复习小结材料学主线：零件服役条件技术要求选择材料强化工艺组织结构最终性能应用、失效。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。从自然科学辨证法理论来说，系统的结构与性能间的关系是辨证的：材料结构要素不同，系统的性能也不同；结构要素相同，但结构不同，性能也不同；系统的要素和结构都不同，但有可能有相似的性能；系统结构稳定性是保持性能的必要条件。这些自然科学辨证理论在材料科学中也是表现得非常充分的。例如：同一零件可用不同材料及相应工艺；同一材料，可采用不同的强化工艺。根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达

7、到提高零件寿命的目的。强化工艺不同，组织有所不同，但都有可能满足零件的性能要求。材料学主要的“思想”是作用的辨证与矛盾的转化。材料中的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺等。结构钢的主要矛盾是强度和塑韧性之间的配合。在结构钢中，碳是强韧化的主要因素。随着碳含量的增加，强度不断地提高，而塑性和韧度是不断地下降的。不同的机械结构零件服役条件不同，因而强度、塑性、韧度等综合力学性能的配合程度也不同。人们尽可能地发挥材料的潜力，要求既具有高强度又具有高韧度。掌握理解固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机理是很重要的，这是理解强韧化矛盾及其互相长消规律的基础。这些强化机制在处理过程中是相互制约和转

8、化的。在结构钢中，许多问题都是由强-韧性反映出来的矛盾。强度有余时，矛盾的主要方面是如何提高韧度；而韧度有余时，提高强度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定条件下可以转化。在低碳钢中，塑性、韧度是主要的，所以在保证一定的塑性、韧度的同时，希望能有比较高的强度，这样可减轻零件重量，降低成本，提高使用寿命。在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上，从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。强-韧矛盾在超高强度钢中则更为突出，以至于在设计时将钢中主要强化元素碳作为杂质元素

9、来处理。材料的发展充满了矛盾对立统一和转化的辨证关系。钢的合金化和处理工艺是影响强韧化矛盾的主要因素。就其本质来说，最佳的热处理工艺是在合金化基础上合理地安排了合金元素的位置，充分发挥了合金元素的作用，从而也充分发掘了材料的潜力。性能与组织直接相关，组织变化是多因素的。各组织参数的变化是相互制约、相互转化的。性能的变化是各组织因素共同作用的结果，而组织变化又取决于工艺。所以制定科学合理的处理工艺是至关重要的。表1 典型结构钢的特点、应用及演变类型服役条件及性能要求典型牌号C量%常用工艺组 织应 用要 点低强钢静载、大气、海水侵蚀；无相对运动；有时受交变应力，低温。良好的综合性能，焊接性好等16

10、Mn15MnV15MnVN14CrMnMoVB<0.2一般不热处理，常在热轧态供应F+P；低C-B低C-M工程构件，船舶，桥梁等Si、Mn、C有限制范围；B、Mo作用；双相钢低C马氏体强韧性好，TK低，缺口敏感性低；冷变形性、焊接性好，脱C、变形开裂倾向小20MnV15MnVB20SiMn2MoVA0.150.25淬火+低温回火板条马氏体代调质件、中小尺寸件低C-马氏体的优越性及合理应用渗碳钢要求表面硬度高、耐磨，心部强韧配合，良好的工艺性能20Cr、20CrV20CrMnTi18Cr2Ni4WA0.120.25渗C +淬火表层：M回+K+AR齿轮、凸轮、销等零件20CrMnTi广泛应用

11、；主要元素作用氮化钢高硬度、高耐磨性；高疲劳强度；尺寸稳定35CrMo38CrAl38CrMoAlA0.250.45调质+氮化表面硬化层，心部S回主轴、镗杆等重要零件38CrMoAlA钢性能特点；Me作用调质钢常在扭转、弯曲、拉伸、冲击等条件下工作。要求综合性能好，足够的淬透性，防止回火脆性40Cr40CrNi40CrNiMo0.250.50调质S回轴类零件为主常用元素作用；淬透性；回脆弹簧钢动载荷，冲击，振动，周期性交变应力。高s，s/b，-1，一定塑韧性，工艺性能好65Mn60Si2Mn50CrVA55SiMnMoV0.50.75淬火+中温回火T回各种弹簧或弹性零件Si-Mn作用；强化成型

12、方法；冶金质量、表面质量轴承钢高速、高应力。要求接触疲劳强度高，抗压强度高，硬度高而均匀，耐磨，尺寸稳定GCr15GCr15SiMn0.951.05球化退火；淬火+低回M+K主要用于轴承冶金质量控制，组织控制高锰钢受冲击、强烈磨损。既耐冲击，又耐磨，强韧性好ZGMn131.01.3水韧处理A受冲击强烈磨损零件高锰耐磨钢性能特点、原因，水韧处理横向3、合金工具钢复习小结工具主要是用于通过切削、锻造、挤压、冲裁、剪切等各种方式加工零件材料的。对于制造工具的材料，其共同的性能要求是需要比被加工材料有更高的硬度、强度，具有良好的耐磨性，同时也必须有相应的韧度。所以，耐磨性与韧度的合理配合是工具钢的主要

13、矛盾。工具钢的合金化和热处理工艺基本上都是围绕这主要矛盾进行优化设计的。工具钢的合金化目的主要是改变碳化物类型、提高淬透性、提高回火稳定性等，热处理工艺主要应注意尽可能地降低淬火应力、减小变形开裂倾向和稳定组织。在工艺措施上，经常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方法，并且需要及时回火。工件尺寸大，如锻模，则整个热处理过程需要围绕尽量降低变形开裂而采取一系列措施。精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。表2 典型工具钢的特点、应用及演变类型常用牌号C量常用工艺组 织性能特点应 用要 点碳素T7T120.651.35球化退火淬火（多种方法）+低回M回+K高硬度，耐磨，加工性好低速，形状简

14、单常用牌号优缺点低合金9SiCrCrWMn0.851.50M回+K轻载，小尺寸，要求变形小、形状较复杂工具高速钢18-4-16-5-4-20.701.65正确锻造，球退；淬火工艺特点：预热，严格T、t，分级淬火，回火多次M回+K+AR高硬度，耐磨，高红硬性高速切削，重载荷，大进刀量锻造目的，热处理工艺特点，合金元素作用冷作模具钢Cr12Cr12MoV5CrW2Si(9Mn2V)正确锻造，球退；淬火工艺与高速钢相似，一次、二次硬化法M回+K+AR高硬度，耐磨，有一定韧度，工艺性好各种冷作模具强韧性之间的协调热作模具钢5CrNiMo5CrMnMo3Cr2W8V0.30.6正确锻造球化退火淬火+高回

15、工艺操作S(T)或M回+K热强性，耐热疲劳性，热硬性，耐磨，冲击韧度好，淬透性足够锤锻模热挤压模压铸模服役条件，工艺操作，合金元素作用量具钢GCr15CrWMnCr12MoV淬火+低回M回+K高硬度，耐磨，尺寸稳定，表面质量各种量具尺寸稳定性工具钢在使用状态的组织一般都有第二相碳化物。对于一定成分的钢，在淬火加热时碳化物的溶解量决定了基体的含碳量和合金度，在回火过程中基体成分变化和碳化物析出程度主要取决于回火温度和时间。碳化物的形状、大小、数量和分布对工具性能有很大影响。因此，工具钢的锻造和预处理工艺非常重要，它决定了工具钢最终热处理前的组织状态，特别是碳化物形态和分布，这是最终热处理性能质量

16、的基本前提。工具钢的最终热处理工艺比结构钢一般要更“精确”，温度和时间控制比较严格。合金度高，钢的导热性较差，在工艺上要采取相应的措施。合金度高，其热处理工艺往往相对比较复杂，而且工艺可变性也比较大，这为热处理工艺的优化选择带来了较大的空间。采用不同的热处理工艺参数，从而也得到了不同的性能，适用于不同服役条件或不同性能要求特点的工具。4、特殊性能钢小结不锈钢的主要功能必须是在相应的腐蚀介质下有一定的抗腐蚀能力，根据不同的用途又有相应的力学性能要求。所以，不锈钢的主要矛盾是耐蚀性和强度及塑韧性的合理兼顾。首先是根据耐蚀性要求并兼顾力学性能，进行最佳的合金化基本设计；要达到预定的耐蚀性和力学性能，

17、关键是进行合适的热处理工艺。不同类型或成分的不锈钢适用于不同介质的工作环境。图3 不锈钢钢小结不锈钢合金化主要成分是铬元素，其耐蚀能力遵循“n/8”规律。不锈钢中用量最大的是奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢的主要问题是晶界腐蚀。消除或减弱晶界腐蚀倾向的措施从合金化角度考虑主要是尽可能地降低碳含量和加入钛、钒等元素，从后续的热处理工艺方面考虑，应该根据合金元素碳化物形成规律和碳化物溶解、析出的热力学及动力学，设计和制定热处理工艺参数。温度对钢的使用来说影响很大，是关键因素。由于钢的组织变化对温度是很敏感的，所以钢的高温强度和组织稳定性是耐热钢设计与处理工艺的主要矛盾。从合金化方面考虑，提高钢高温强度及

18、其稳定性的主要措施有增强固溶体原子间结合力、强化晶界、稳定第二相的弥散强化。每一种耐热钢的合金化强化都有一定的限度，也就是说，不同合金化的耐热钢都有其适宜的使用温度范围。使用温度越高，对耐热钢的要求也就越严酷。在很高温度下工作的零件，钢基的耐热合金就难以胜任，就需要采用镍基、钴基等具有更高耐热性材料来制造。图4 耐热钢小结框图5、铸铁复习小结图5 铸铁成分-工艺-组织-性能关系铸铁的中心问题是石墨，石墨是矛盾演化的主要方面。不同类型石墨的形成主要取决于体系的热力学和动力学条件，即化学成分和冷却速度。铸铁中石墨参与相变过程，但热处理不能改变石墨的形态和分布。石墨的形状、大小、数量、分布影响了铸铁

19、基体性能的发挥程度，从而也基本上决定了铸铁的宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生了质的变化。因为球状石墨割裂基体的作用较小，应力集中的现象也大为减轻，所以球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球墨铸铁中应用。不同类型的铸铁有不同用途，根据零部件的工作条件和技术要求，可合理地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、耐磨、耐蚀等特种铸铁。6、铝合金复习小结图6 铝合金分类和性能特点铝合金一般仍具有纯铝的密度小、耐蚀、导热等特殊性能。但由于在纯铝中加入了合金元素，改变了其组织结构与性能，使之适宜做各种

20、机器结构零件。铝合金热处理强化虽然工艺操作与钢的淬火工艺操作基本上相似，但强化机理与钢有着本质不同。铝合金没有固态同素异构转变。铝合金主要靠固溶度的提高获得铝基固溶体。铝合金时效的基本过程是强化相的析出过程，在析出过程的各种过渡阶段引起合金的强化。由于时效过程进行的阶段不同，析出相的形态、大小也不同，所以各个阶段的强化效果也不同。正确制定合金的固溶处理工艺，是保证获得良好时效强化效果的前提。7、铜合金小结纯铜的强度不高，合金化可以实现时效强化和过剩相强化，从而获得高强度铜合金。铜合金中固溶强化的合金元素主要是锌、铝、锡、锰、镍等。许多元素在固态铜中的溶解度随温度降低而急剧减小，如铍、钛、锆、铬

21、等，因而它们具有时效强化效果。过剩相强化在铜合金中的应用也较普遍。黄铜和青铜中的Cu31Sn8等相均产生过剩相强化作用。由于锌在铜中的固溶度随温度降低而增大，故黄铜不能热处理强化。黄铜常用的热处理是去应力退火和再结晶退火。此外，一般青铜也不能热处理强化，但铍青铜经过固溶处理并时效后，强化效果十分显著。图7 铜合金分类与特点 课程总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件服役条件技术要求选择材料强化工艺组织结构最终性能应用、失效。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。自然界物质系统的结构与功能的关系是辩证的。存在多种情况：组成要素不同，系统的功能也不同；组成系统结构的要素相同，但结构不同，系统整体功

22、能也不相同；组成系统的要素与结构都不同，但却具有相似甚至相同的功能。或组成系统的要素与结构都相似或相同，却具有不同的功能；同一结构系统，不仅只有一种功能，可能有多种功能，即同一结构系统的多功能效应。（自然辩证法原理）这原理在金属材料中也得到了充分的体现。（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。根据不同零件的服役条件

23、，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。要学活，思路要宽。提出独特见解。核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。从钢厂出来，钢成分已定。如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。企业中的许多问题都

24、是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。特别要强调的是碳化物的形成规律很重要，许多问题都与此有关。“思想”：课程内容多，其相互联系并不象数学、物理那么强。很多人都认为只有死记硬背钢号。其实，材料学是一门很有“思想”的课程。主要的“思想”：作用的辩证与矛盾的转化。如，对结构钢是强度-韧度的匹配，对工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调。材料中的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺等。掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机理。正火和淬火、高温回火得到的同样是珠光体组织，但为什么一般钢要经过淬火、回火?在这些处理过程中，合金元素存在的形式和所处

25、的位置是怎样变化的，其它组织结构是怎样变化的，固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机制是如何相互转化的。这些问题涉及了所有的专业课知识。在材料发展的过程，人们不断地在这些矛盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上，从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相互转化、轮回。以上的例子只是为了说明分析问题、解决问题的关键和思路。材料的发展充满了活的辨证关系，充满了矛盾的演变。当然，对问题的认识有一个逐步理解的过程。首先要有宏观的认识和思路，从高处看问题有豁然开朗的意境。二、

26、以辩证法原理提炼课程内涵1、材料性能演化过程的矛盾规律反映物质系统特征及规律的基本范畴是：系统、要素、结构、功能、环境（栾玉广主编. 自然辩证法原理.中国科学技术大学出版社，2002） 。材料学的主线：零件服役条件技术要求选择材料强化工艺组织结构最终性能应用、失效。零件对材料性能的要求可能不止一种，但一般都有一种主要性能要求，各性能间存在相互制约、此消彼长的关系。在复杂的事物的发展过程中，有许多的矛盾存在，其中必有一种是主要的矛盾，起着领导的、决定的作用，由于它的存在和发展规定或影响着其他矛盾的存在和发展，这种矛盾就称为主要矛盾。在事物发展的不同过程中，主要矛盾也是可以改变的（毛泽东.毛泽东选

27、集·第一卷·矛盾论.人民出版社，2003）。材料的发展，如在结构钢、工模具钢、不锈钢、热强钢、构件钢等钢类中，都充满了矛盾对立统一和转化的辩证关系。材料中的这些矛盾涉及合金化设计、处理工艺等因素。例如结构钢的主要矛盾是强度和塑韧性之间的配合。一般情况下，钢的强化和韧化是一对矛盾。在结构钢中，随着碳含量的增加，强度不断地提高，而塑性和韧度是不断地下降的。不同的机械结构零件有不同的服役条件，因而也就要求有不同程度的强度、塑性、韧度等综合力学性能的配合。人们尽可能地发挥材料的潜力，要求既具有高强度又具有高韧度。在结构钢中，许多问题都是由强-韧性反映出来的矛盾。强度有余时，矛盾的主

28、要方面是如何提高韧度；而韧度有余时，提高强度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定条件下可以转化。在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上，从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相互转化、轮回。如低合金高强度钢，最早是美国的4130钢得到了应用，但嫌强度不够，这时强度是矛盾的主要方面，所以增加了C，发展了4340；随着性能要求的提高，4340钢的韧性不能满足，因此在4340基础上又降低了C，加入了V元素，开发了4335V。从强

29、化机制上说，增大了细晶强化和弥散强化的贡献，从而在相同强度水平下提高了韧性；后来更进一步，再加入Si元素，得到了优异性能钢种300M，强韧性同时提高。强-韧矛盾在超高强度钢中则更为突出，以至于在设计时将钢中主要强化元素碳作为杂质元素来处理。石墨的形状、大小、数量、分布影响了铸铁基体性能的发挥程度，从而也基本上决定了铸铁的宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生了质的变化。因为球状石墨割裂基体的作用较小，应力集中的现象也大为减轻，所以球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球墨铸铁中应用。掌握理解固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等

30、强化机理及其在处理过程中相互转化的规律是很重要的，这是理解强韧化矛盾及其互相长消规律的基础。2、合金元素作用的辩证规律合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，因此材料的合金化设计都存在着不可避免的矛盾。矛盾双方必有主要的和非主要的。矛盾的主要方面决定着事物的性质。矛盾的主次方面的地位不是一成不变的，在一定条件下，矛盾的主次方面是可以转化的（毛泽东.毛泽东选集·第一卷·矛盾论.人民出版社，2003）。合金化基本原则是多元适量，复合加入。不同元素有不同的个性，元素之间的交互作用是复杂的，不同元素的复合，其作用是不同的。合金化原则：多元适量，复合加入。多

31、元：多元作用大，效果好，又经济。合金元素的作用并不是简单的代数和。简单的比喻：人每天的营养摄入，可科学地配制食谱，做到既满足营养要求，又不会使某种营养过剩。多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：（1）提高性能。提高淬透性等性能，复合的作用不是线性相加的。如：40Cr 40CrNi / 40CrMn 40CrNiMo / 40CrMnMo（2）扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，为了克服这不足，可以加入另一元素来弥补。如：Si-Mn配合, Mn削弱Si的脱C倾向，60Si2Mn；Mn-V配合，9Mn2V，V能抵消部分Mn的过热倾向。（3）改善碳化物的类型

32、与分布。某些元素的加入会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性能。如耐热钢中Cr-Mo-V；高速钢中的V-Cr-W。适量：合金元素的某种作用在含量达到一定量时往往会起不良的影响，而且还有经济性的问题。正象人们要预防感冒，也不必论公斤地服用感冒药，为了增加营养，把人参当胡萝卜一样地炒菜吃，那也是荒唐的。适量的原因，除了经济的因素外，主要有以下几种情况：（1）有的元素增多后，会降低材料的塑韧性。如，在低C构件钢中，一般Si、Mn含量为： Si<1.1%，Mn<1.8% 。（2）有些合金元素增多，会恶化碳化物的分布。如，高速钢中Cr，轴承钢中的C

33、r，CrWMn中的W等。（3）有的元素含量过多，会改变碳化物类型，增加热处理过程难度。如，一般情况结构钢中的V控制在0.10.2%以下，Mo含量<0.5%左右。（4）合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。选择合适的加入量，既能达到目的，又经济。合金元素的这些复杂的作用在回火脆性、相变形核与长大、元素偏聚、热强钢Cr-Mo-V元素的合金化原理等方面都有很好的表现。材料的发展充满了活的辩证关系，充满了矛盾的演变。在教学过程中以自然辩证法原理切入课程内容，讲清分析问题、解决问题的关键和思路，取得了很好的教学效果。3、材料组织演化的量变与质变规律物质系统的结构是物质系统整体性的内在依据

34、，物质系统的功能则是物质系统整体性的外在表现（栾玉广主编.自然辩证法原理.中国科学技术大学出版社，2002）。材料的组织结构决定了性能，而材料成分和工艺过程又决定了组织。组织结构的变化是多因素的，组织参数的变化也是相互制约、相互转化的，而且组织结构演化过程遵循了量变与质变的自然规律。自然界运动形式的转化，是一个由量变引起质变的过程，这个过程是通过渐变和突变实现的，是连续与间断的统一。渐变往往是突变的前提，在一定条件下，两者可以转化（中国科学技术大学等编. 自然辩证法原理.湖南教育出版社，1983）。渐变和突变是自然界物质系统演化的两种基本形式（栾玉广主编.自然辩证法原理.中国科学技术大学出版社

35、，2002）。理论上相变临界点就是量变到质变的拐点。钢的过冷奥氏体在相变过程中一般都有一个孕育期，孕育期的物理本质是在进行能量起伏、结构起伏和成分起伏的形核准备，一旦时机成熟就发生相变，产生突变。合金元素在钢中的存在形式主要是化合物（主要是碳化物）和固溶体，在处理过程中两者是相互转化的，严格遵循碳化物形成规律和固溶规律，这是合金化和热处理工艺设计所必须掌握的知识。要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。” 主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。例如合金元素在固溶体和碳化物中往往都有一定的溶解度，元素

36、的量超过了这个度，就可能以碳化物等形式存在，或使碳化物类型发生变化，这是一个量变引起质变的过程。在新、旧物质演化过程中，系统之间往往存在过渡状态或中介类型。其特点首先反映了新旧系统的相互包含，即原有系统结构已经破坏，但未完全改变，新的系统结构还处在萌芽状态，又尚未产生。这样，它既包含旧系统的内容，又包含新系统的内容。钢的回火过程和铝合金时效过程中的组织结构变化是最典型的例子。就其本质来说，最佳的处理工艺是充分发挥了合金元素的作用，在材料成分的基础上合理地安排了合金元素的位置，从而也充分发掘了材料的潜力。三、主要合金元素作用归纳Cr:1）淬透性 G， K形核长大。Cr、Ni等复合作用大，如调质钢

37、40Cr40CrNi40CrNiMo。2）回稳性 K形成元素，阻止M3C型长大。如，40 Cr与40钢相比，回火到相同硬度时，回火温度可 3040。3）抗氧化性、热强性 形成Cr2O3， FeO出现的温度； 原子间结合力， 热强性，耐热钢，Mo-Cr-V。4）耐蚀性 电极电位，n/8-Tammann定律。如不锈钢。5）细化晶粒，改善K均匀性 K较稳定，不易长大，如GCr15。6）回火脆性 促进杂质原子偏聚，如40CrNi。7）A1 F形成元素。 热疲劳性，如5CrNiMo；淬火温度，如GCr15为840，而T10为780；含Cr量多时 F钢，如1Cr17。8） Ms Ar，如GCr15比T10钢的Ar 多，分别为8%左右和3%左右。Mn:1）强化F 固溶强化，如低合金普通结构钢。2）淬透性 G，使“C”线右移，如40 Mn2。3）晶粒长大 A1 ，强化C的促进晶粒长大作用， 过热敏感性。4）Ar Ms。量大时，获得A钢 Mn扩大区。5）回火脆性 促进有害元素偏聚。6）热脆性 脱硫，形成MnS；脱氧剂，MnO。易切削钢。Si：1），可切削性 固溶强化效果显著，60Si2Mn等弹簧钢2）低温回火稳定性 抑制-K形核长大及转变，如30CrMnSi、9SiCr。3）抗氧化性 形成致密的氧化物，如高温抗氧化钢Cr18Si2,排气阀用钢4Cr9Si2。4）淬透性 阻止K形核长大，使“C”线右