第一章钢的合金化基础

1、第一章第一章 钢的合金化基础钢的合金化基础主讲：黄丽红主讲：黄丽红主要内容0. 前言前言1. 钢中合金元素及其分类依据钢中合金元素及其分类依据2. 合金元素对钢的作用合金元素对钢的作用3. 钢的强化机制钢的强化机制4. 改善钢塑性和韧性的途径改善钢塑性和韧性的途径5. 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响6. 钢的冶金质量钢的冶金质量0 前言合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金元素、合金钢合金元素、合金钢（主要元素：（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V 常存元素：常存元素：Mn、Si ）注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部注意：合金元

2、素不一定直接影响钢性能，大部分是由于影响分是由于影响相变相变过程。过程。低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%（1）杂质元素（）杂质元素（impurity- element）常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。1. 钢中合金元

3、素及其分类依据 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）； ？ 氢氢 脆脆 H 白点。白点。（2）合金元素（）合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素：钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。1. 钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布一、合金元素在钢中的分布第二周期：第二周期：B、C、N；第三周期：第三周期：Al、Si第四周期：第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、

4、Ni、Cu、第五周期：第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：第六周期：W第七周期：稀土元素、第七周期：稀土元素、TaS、P一般为杂质元素一般为杂质元素1. 钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布一、合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要（溶于钢中或形成新相），主要包括：包括：溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；溶入基体溶入基体形成强化相；形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物形成碳化物或金属间化合物)-强化相强化相形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫

5、化物等）等）第二相第二相以游离状态存在。以游离状态存在。单质单质取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等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合金元素在钢中的存在形式例：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

6、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它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁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。原子而形成的碳化物。(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。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

7、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游离态游离态如如Pb、Cu等等*合金元素改善钢的热处理工艺性能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

8、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，固溶于外，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，高合金钢甚至空冷即可获得至空冷即可获得M组织。组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B2. 提高淬透性提高淬透性除除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：

9、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

10、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，合金钢的回火温度高，塑韧性好。塑韧性好。1. 钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类1、与铁的相互作用、与铁的相互作用（1）奥氏体（）奥氏体（austenite）形成元素：形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，等，(优先分布于奥氏体中优先分布于奥氏体中)奥氏体形成能力奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu% （2）铁素体（）铁素体（ferrite）形成元素：形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，等，(优先

11、分布于铁素体中优先分布于铁素体中)1. 钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类2、与碳的相互作用、与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，等，(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)（2）碳化物形成元素：）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、 Zr、Nb等，等，(形成碳化物或溶于固溶体中形成碳化物或溶于固溶体中)1. 钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类3、对奥氏体层错能的影响分类、对奥氏体层错能的影响分类（1）提高奥氏体层错能的元素：）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni

12、、C等；等；（2）降低奥氏体层错能的元素：）降低奥氏体层错能的元素： Mn、 Cr、Ru(钌钌)、Ir(铱铱)等。等。层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为“层错能层错能” 。（。（层错能愈小，出现层错的几率愈大层错能愈小，出现层错的几率愈大）一、一、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-C相图的变化特点。相图的变化特点。Me和和Fe的作用：的作用：1、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区扩大区扩大a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、C

13、o 开启开启区区 量大时，量大时， 室温为室温为相；相；b) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。2. 合金元素与铁碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响2、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区缩小区缩小a) 完全封闭完全封闭区区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相 W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b) 缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 F形成元素。形成元素。(a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu (c) Cr，V (d) Nb,B等等 图1 合金元素和Fe的作用状态 1.

14、2 铁基固溶体铁基固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)无无限限无无限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*无无限限无无限限无无限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与C量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么? ?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiV

15、CrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3d d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值 （1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原

16、子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%， 可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度极小。，溶解度极小。结结论论 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律， 即即Hume-Rothery规律规律 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素子因素，无限固

17、溶必须使这些因素相同或相似相同或相似. . 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe 。溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。 二、间隙固溶体二、间隙固溶体二、二、MeMe和碳（氮）的作用和碳（氮）的

18、作用 （一）钢中常见的碳化物（一）钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。重要的作用。 非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素： Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）由强到弱排列）钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有： M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵； M7C3：例例Cr7C3，复杂六方复杂六方 ； M23C6：例例Cr23C6，复杂立方复杂立方 ； M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方 ； MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵简单面心立方

19、点阵 ； M6C：不是一种金属不是一种金属K。复杂六方点阵复杂六方点阵 。 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成复合；可形成复合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差； 简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。 M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物, 复杂结构，复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。1 1、K K类型类型 K类型与类型

20、与Me的原子半径有关。的原子半径有关。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 （二）（二）K K形成的一般规律形成的一般规律 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少时，形成复合量

21、少时，形成复合K，如如（Cr, M）23C6型型 。2 2、相似者相溶、相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值为最大值为 20%Cr， 2%W，1.1%，Mn 1.8%时，时，钢的塑韧性将有较大的下降。钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。 2 2、位错强化、位错强化 2/1ddK表达式表达式 机理机

22、理 位错密度位错密度 位错交割、缠结，位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动有效地阻止了位错运动 钢强度。钢强度。 对对bcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好效果效果 在强化的同时，同样也降低了伸长在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度率，提高了韧脆转变温度TK途径：途径：细化晶粒：细化晶粒：晶界数量增加，位错数量增加；宜加入晶界数量增加，位错数量增加；宜加入细化晶粒的合金元素细化晶粒的合金元素Al、Nb、V、Ti等（晶界强化）等（晶界强化）形成第二相粒子：形成第二相粒子：位错遇到第二相粒子会绕过时，位错遇到第二相粒子会绕过时，位错数量增多；宜加入强碳化物形成元素位错

23、数量增多；宜加入强碳化物形成元素V、Ti、W、Mo、Nb等等促进淬火效应：促进淬火效应：淬火后获得板条淬火后获得板条M，位错形亚结构；，位错形亚结构；宜加入提高淬透性元素宜加入提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等等降低层错能：降低层错能：使位错易于扩展和形成层错，位错交使位错易于扩展和形成层错，位错交互作用增加，滑移困难，加入降低层错能的元素互作用增加，滑移困难，加入降低层错能的元素Mn、 Cr、Ru、Ir等等3 3、晶界强化、晶界强化2/1dKgg表达式表达式机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。阻止位错运动，产生位

24、错塞积强化。效果效果 钢的强度，钢的强度，塑性和韧度塑性和韧度这是最理想的强化途径这是最理想的强化途径. 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，Kg为系数为系数4 4、第二相强化、第二相强化1PPKpgdS02 . 0表达式表达式机理机理 微粒第二相微粒第二相钉扎钉扎位错运动位错运动强化效果。强化效果。 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。淬火时残留第二相强化。效果效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。有

25、效提高强度，但稍降低塑韧性。钢强度表达式钢强度表达式小结：小结：工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。iis00 派纳力；派纳力；i 某种强化机制引起的屈服强度增加量某种强化机制引起的屈服强度增加量 对结构钢，晶界强化和沉淀强化贡献对结构钢，晶界强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与最大。合金钢与C C钢的强韧性差异，主要钢的强韧性差异，主要不在于不在于MeMe本身的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于MeMe对钢对钢相变过程的影响，并且相变过程的影响，并且MeMe的良好作用，只的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得有在进行合适的热处理

26、条件下才能充分得到发挥。到发挥。需要充分理解需要充分理解塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化及裂纹的形成和扩散有关。及裂纹的形成和扩散有关。塑性塑性plastic：静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率表示；表示；韧性韧性toughness ：断裂前吸收能量和进行塑性变形断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度的能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度K、断裂韧性断裂韧性KIC、韧脆转变温度、韧脆转变温度Tk通常以通

27、常以冲击强度的大小冲击强度的大小来衡量。来衡量。4. Me对钢塑韧性的影响 一、改善钢塑性的基本途径一、改善钢塑性的基本途径塑性指标：塑性指标：n均匀真应变（均匀真应变（u）：）：表征均匀塑性变形能力的大小；表征均匀塑性变形能力的大小；主要取决于塑性失稳是否易于出现。主要取决于塑性失稳是否易于出现。n总真应变（总真应变（T = u + p ）：）：表征钢的极限塑性变表征钢的极限塑性变形的能力。形的能力。 p：颈缩后的变形，取决于微孔坑或：颈缩后的变形，取决于微孔坑或微裂纹形成的能力。微裂纹形成的能力。 途径：提高均匀塑性的同时，尽量避免或推迟微孔坑途径：提高均匀塑性的同时，尽量避免或推迟微孔坑

28、的形成，防止裂纹扩展。的形成，防止裂纹扩展。二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素包括：包括： 强化机制强化机制溶质原子的影响溶质原子的影响 固溶强化固溶强化晶粒大小的影响晶粒大小的影响 晶界强化晶界强化第二相的影响第二相的影响 第二相强化第二相强化位错的影响位错的影响 位错强化位错强化二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素1）溶质原子的影响：）溶质原子的影响：在在-Fe中，加入合金元素，塑性降低。强化元素量中，加入合金元素，塑性降低。强化元素量增加，塑性降低。增加，塑性降低。（间隙式溶质原子（间隙式溶质原子C、N使塑性下降成都远高于置使塑性下降成都远高于置换式溶质原子，其

29、中换式溶质原子，其中Mn、Si使塑性损失最大，使塑性损失最大，且加入量越多，均匀应变越低。）且加入量越多，均匀应变越低。）在在-Fe中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。（见图（见图1.5）二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素2）晶粒大小的影响：）晶粒大小的影响：细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性。因为：晶细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性。因为：晶粒尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形粒尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形成。成。工具钢合金化的主要的出发点工具钢合金化的主要的出发点二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相

30、的影响）第二相的影响: (第二相强化第二相强化) 极限塑性极限塑性(T)第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成为诱发微孔坑的部位。为诱发微孔坑的部位。n第二相数量越多，易形成微孔坑；第二相数量越多，易形成微孔坑；n第二相尺寸越大，越低；第二相尺寸越大，越低；n粒子呈针状或片状对粒子呈针状或片状对T危害较大，球状时危害较小；危害较大，球状时危害较小；n第二相粒子均匀分布时对第二相粒子均匀分布时对T危害较小，沿晶界分布危害较危害较小，沿晶界分布危害较大。大。因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散的分因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散

31、的分布。（发挥弥散强化的作用）布。（发挥弥散强化的作用）二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响）第二相的影响: 第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限塑性危害较小。塑性危害较小。因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响）第二相的影响: 第二相粒子强化时，改善塑性的方法：第二相

32、粒子强化时，改善塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状和分布；控制碳化物数量、尺寸、形状和分布； （可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球（可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球状、细小、均匀、弥散分布）状、细小、均匀、弥散分布）减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。(减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入Ca、Zr或稀土元素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析或稀土元素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析出。出。)二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素4）位错的影响：）位

33、错的影响：位错密度增加，塑性降低。位错密度增加，塑性降低。如：在钢强化时，如有间隙原子如：在钢强化时，如有间隙原子C、N会钉扎位错会钉扎位错（碳氮等小原子偏聚在位错下，使位错稳定化碳氮等小原子偏聚在位错下，使位错稳定化），），阻碍位错运动，降低塑性。阻碍位错运动，降低塑性。 此时，加入少量此时，加入少量Ti、V、Nb等微量元素固定间隙原等微量元素固定间隙原子，使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。子，使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。 （1）影响韧性的因素影响韧性的因素 强化强化因素因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧塑韧, 称为称为强韧强韧性转变矛盾性转变矛盾。除细化组织强化外

34、，其它强。除细化组织强化外，其它强化因素都会不同程度地化因素都会不同程度地韧性。韧性。 危害最大是间隙固溶；危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小沉淀强化较小,但对强化贡献较大。但对强化贡献较大。合金合金元素元素 Ni韧性韧性；Mn在少量时也有效果；其它在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韧性韧性4. Me对钢塑韧性的影响 晶粒晶粒度度 细晶既细晶既S，又又TK, 即即 韧性韧性 最佳组织因素。最佳组织因素。第二第二相相 K韧性。韧性。K 小、匀、圆、适量小、匀、圆、适量 工艺努力方向。工艺努力方向。 杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心

35、， 提高钢的冶金质量是必须的。提高钢的冶金质量是必须的。杂质杂质 合金元素对铁素体合金元素对铁素体 冲击韧度的影响冲击韧度的影响 晶粒大小对强度、韧脆转晶粒大小对强度、韧脆转 变温度变温度TK的影响的影响（2）提高钢韧性的合金化途径提高钢韧性的合金化途径 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 Ti、Nb、V、W、Mo； 2）回火稳定性回火稳定性 强强K形成元素形成元素 ； 3）改善基体韧性）改善基体韧性 Ni ； 4）细化细化K 适量适量Cr、V，使使K细小均布细小均布 ； 5）回脆回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当）在保证强度水平下，适当含含C量量. 冶金质量。冶金质量。 思考题：

36、思考题： 有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态正火态? ?5.1 Me5.1 Me对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响一、对一、对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动， F形成元素使形成元素使S、E点向点向左上方左上方移动。移动。 S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小 ； E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低 。合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响 5. Me对钢相变的影响 二、对临界点的影响二、对临界点的影响 A形成元素形成元素Ni、M

37、n等使等使A1（A3）线向下移动；线向下移动； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向下移动。线向下移动。三、对三、对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；奥氏体钢； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高温钢在高温下仍为下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。 铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 5.2 5.2 合金钢的加热合金钢的加热A A化化 一、一、K K在在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越

38、好，溶解度就越小； 2）温度）温度，溶解度，溶解度， 沉淀析出；沉淀析出； 3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解 ; 4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac ， K的溶解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相则相 反反,ac，K的溶解。如：较多的溶解。如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。 碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 二、二、A体均匀化体均匀化 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区

39、别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ?三、三、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大；晶粒长大； 2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大； 3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大 。5.3 5.3 过冷过冷A A体的分解体的分解一、过冷一、过冷A A体的稳定性体的稳定性 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持 C钢的钢的“C”线形状，使

40、线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动；2） Co不改变不改变“C”线，但使线，但使“C”线左移；线左移；3）K形成元素，使形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。 Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致曲线出现不同形状，大致 有五种。有五种。“C”C”曲线五种形状曲线五种形状 常用合金元素对奥氏体等常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响温转变曲线的影响 ( (上左上左) ) 强强K形成元素形成元素 ( (上右上右) ) 中、弱中、弱K形成元素形成元素 ( (下左下左) ) 非非K形成元素形成元素 图例图例1-1-综合合金化提高过冷

41、综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性图例图例2-2-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性二、过冷二、过冷A A体的体的P P、B B转变转变 P转变转变 ：需要：需要C和和Me都扩散都扩散 ； 综合影响顺序：综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变贝氏体转变 ：C原子作短程扩散，原子作短程扩散，Me几乎没有几乎没有扩散。扩散。 影响顺序：影响顺序：MnMn、CrCr、NiNi、Si Si ，而而W W、MoMo等影等影响很小。响很小。三、三、MeMe对对MsMs的影响的影响 各种各种Me对对Ms位置的影响程度是不同的。位置的影响程度是不同的。 5.45.4

42、合金钢的回火转变合金钢的回火转变一、一、M M分解分解 低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不同程度影响同程度影响: 1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们分解，其程度与它们与与C的亲和力大小有关。这些的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了阻止了渗碳体的析出长大；渗碳体的析出长大； 3）Si比较特殊：比较特殊： Fe和和C的的结合力结合力 ,ac -FeXC的形核、长大的形核、长大Si能溶于能溶于，不溶于不溶于Fe3C，Si要从

43、要从中出去中出去 Fe3C。 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上以上4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律基基本本规规律律 渗碳体形成开始温度与合金化无关；渗碳体形成开始温度与合金化无关； 含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 钢（线钢（线2 2）和）和C C钢（线钢（线1 1）规律相同；）规律相同； 在相同回火温度在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含 C量要比量要比C钢的高，如图中的钢的高，如图中的C3 C1，2 ； 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化

44、物不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度的温度TK是不同的，线是不同的，线3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。 回火时马氏体中回火时马氏体中C量的变化量的变化 二、回火时二、回火时K K的形成的形成 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K长大长大 聚集温度：聚集温度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ，450 600； 2）K成分变化和类型转变成分变化和类型转变K转变转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊K T, 500 能

45、否形成特殊能否形成特殊K，取决于取决于: Me性质、性质、NM/NC比值；比值； T和和t 。 钒钢（钒钢（0.3C,2.1V）在在1250淬火不同温度回淬火不同温度回火火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化碳化物成分、结构和硬度的变化 3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出异位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊特殊K析出析出 二次硬化，直接析出二次硬化，直接析出 贡献最大贡献最大 三、回火脆性三、回火脆性 1、第、第1类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆；

46、 与回火后冷速无关；与回火后冷速无关； 晶界脆断。晶界脆断。 产生产生原因原因Me作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成； 杂质元素杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界， 晶界强度。晶界强度。 Mn、Cr脆性；脆性；V、Al改善脆性；改善脆性； Si 脆性温度区脆性温度区.2 2、第、第2 2类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 可逆；可逆； 回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断晶界脆断 .产生产生原因原因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散

47、离开晶界或化高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂抑制其它元素偏聚，清除剂一、钢的分类一、钢的分类1、按化学成分分、按化学成分分 中碳钢中碳钢 0.250.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510

48、%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢* 钢的分类与牌号钢的分类与牌号钢钢 类类碳碳 素素 钢钢合合 金金 钢钢PSPS普通质量钢普通质量钢0.0450.0450.0450.045优优 质质 钢钢0.0350.0350.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0300.0250.025特级优质钢特级优质钢0.0250.0200.0250.0152、按质量分、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等

49、级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 3、按冶炼方法分、按冶炼方法分转炉炼钢转炉炼钢平炉炼钢平炉炼钢平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢 按按 炉炉 别别 分分沸腾钢沸腾钢：脱氧不充分，浇注时脱氧不充分，浇注时C C与与OO反应发反应发镇静钢镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢半镇静钢：介于前两者之间。介于前两者之间。生生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分按脱氧程度分特殊镇静钢特殊镇静钢4、按金相组织分、按金相组织分珠光体钢珠光体钢贝氏体钢贝氏体钢马氏体钢马氏体钢铁素体钢铁素体钢奥氏

50、体钢奥氏体钢莱氏体钢莱氏体钢 按正火组织分按正火组织分亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢 过共析钢过共析钢 按退火组织分按退火组织分电弧炉炼钢电弧炉炼钢5、按用途分、按用途分 工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特特 殊殊 性性能能 钢钢挤压模具挤压模具二、钢的编号二、钢的编号我国钢材的编号是采用我国钢材的编号是采用汉汉语拼音字母、化学元素符语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字号和阿拉

51、伯数字相结合的相结合的方法。方法。采用汉语拼音字母表示钢采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（表示符号（GB/T 2212000）名称名称符号符号位置位置名称名称符号符号位置位置碳素结构钢碳素结构钢Q头头桥梁用钢桥梁用钢q尾尾低合金高强度钢低合金高强度钢Q头头锅炉用钢锅炉用钢g尾尾易切削钢易切削钢Y头头焊接气瓶用钢焊接气瓶用钢HP尾尾碳素工具钢碳素工

52、具钢T头头车辆车轴用钢车辆车轴用钢LZ头头(滚珠滚珠)轴承钢轴承钢G头头机车车轴用钢机车车轴用钢JZ头头焊接用钢焊接用钢H头头沸腾钢沸腾钢F尾尾铆螺钢铆螺钢ML头头半镇静钢半镇静钢b尾尾船用钢船用钢国际符号国际符号镇静钢镇静钢Z尾尾汽车大梁用钢汽车大梁用钢L尾尾特殊镇静钢特殊镇静钢TZ尾尾压力容器用钢压力容器用钢R尾尾质量等级质量等级A.B.C.D.E尾尾1、碳素结构钢和低合金高强度钢、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值最低屈服强度值+质量等级符号质量等级符号+脱氧方法符号脱氧方法符号Q表示表示“屈服强度屈服强度”；屈服强度值单位是；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为质量等级符号

53、为A、B、C、D、E。由。由A到到E，其，其P、S含量依次下降，质量提高。含量依次下降，质量提高。l脱氧方法符号脱氧方法符号: 沸腾钢沸腾钢F；镇静钢镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊镇静钢特殊镇静钢TZ。l如碳素结构钢牌号表示为如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中牌号中没有表示脱氧方法没有表示脱氧方法的符号。如的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万

54、分之几万分之几）和）和化学元素符号，按顺序表示，如化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。l*说明：说明：通常情况下，通常情况下，屈服强度值小屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大时为碳素结构钢，大于于300MPa时为低合金时为低合金高强度钢。高强度钢。齿轮加工齿轮加工方钢方钢2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几万分之几。如如45钢钢平均含碳量为万分之四十五（即平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。钢带钢带*说明：说明： 含含Mn量为量为0.71.0%时

55、，在两位数字后加元素符时，在两位数字后加元素符号号“Mn”，如，如40Mn。l 对于沸腾钢和半对于沸腾钢和半镇静钢镇静钢, 在钢号后分在钢号后分别加字母别加字母F和和b，如，如08F、10b。l 高级优质钢在钢高级优质钢在钢号后加字母号后加字母A，如，如20A。钢管钢管3、合金结构钢和合金弹簧钢、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元合金元素符号素符号+该元素百分含量数字该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符时，只标元素符号，不标含量；号，不标含量；当合金元素的平均含量为当合金

56、元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金时，在相应的合金元素符号后标元素符号后标2、3、4、5 等数字。如等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母高级优质钢在牌号后加字母A，如，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母特级优质钢在牌号后加字母E，如，如30CrMnSiE。 不锈钢制管板式换热器不锈钢制管板式换热器所有合所有合金钢的金钢的合金元合金元素量标素量标法相同法相同钢铁牌号及表示方法名名 称称 牌号举例牌号举例 说说 明明 普通碳素钢普通碳素钢 Q235-AFQ235-BQ235-CQ235-D Q：

57、“屈服点屈服点”的汉语拼音字首的汉语拼音字首235：屈服点数值（等级，共有：屈服点数值（等级，共有195、215、235、255、275等），单位等），单位MPaA（B、C、D）：质量等级（逐级提高）：质量等级（逐级提高）F（b）：沸腾钢（半镇静钢）的汉语）：沸腾钢（半镇静钢）的汉语拼音字首拼音字首 优质碳素钢优质碳素钢 2020R20g15Mn 20 ：平均含碳量（以万分之几表示）：平均含碳量（以万分之几表示）R：容器钢：容器钢G：锅炉钢：锅炉钢Mn：有意加入的：有意加入的“Mn杂质杂质” 低合金钢和合金结构纲低合金钢和合金结构纲 16 Mn18MnMoNbR 第一个数字：平均含碳量（万分之几）第一个数字：平均含碳量（万分之几）Mn、Mo、Nb：合金元素：合金元素“Mn” 其含量以百分数注于元素之后，小于其含量以百分数注于元素之后，小于1.5%时可不标时可不标R：容器钢：容器钢 特殊用途钢特殊用途钢 1Cr13