第1章 钢的合金化概论-2.

1、 主讲教师：邹敏敏2013年3月1.11.1合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用1.21.2合金钢中的相组成合金钢中的相组成1.31.3合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚1.41.4合金钢中的相变合金钢中的相变1.51.5合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响1.61.6合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响1.71.7 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用1.8金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计1.9合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号第第 1 章章 钢的合金化概论钢的合金化概论一、一、MeMe对钢强化的形式及其机理对钢强化的形式及其机

2、理 强化本质：强化本质： 各种强化途径各种强化途径塑变抗力塑变抗力位错运动阻力位错运动阻力 钢强度钢强度niiSCK表达式表达式 对于对于C、N等间隙原子，等间隙原子， n = 0.332.0； 对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子：n = 0.51.0 机理机理效果效果提高强度，降低塑韧性提高强度，降低塑韧性 原子固溶原子固溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生弹性产生弹性应力场，与位错交互作用应力场，与位错交互作用位错运动阻力位错运动阻力1 1、固溶强化、固溶强化 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但的固溶强化效

3、应大，但Si 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。 合金元素对合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应型不锈钢的强化效应-间隙元素，间隙元素，-F形成元素，形成元素，-A形成元素形成元素2 2、位错强化、位错强化 2/1ddK表达式表达式 机理机理 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

4、脆转变温度率，提高了韧脆转变温度TK3 3、细晶强化、细晶强化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，产生位错塞积强化。效果效果 钢的强度，又钢的强度，又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 晶界处位错塞积现象晶界处位错塞积现象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

5、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。有效提高强度，但稍降低塑韧性。 钢强度表达式钢强度表达式 位错被质点障碍物所挡住位错被质点障碍物所挡住在低碳结构钢中各种强化效果示意图在低碳结构钢中各种强化效果示意图二、合金钢强化的有效性二、合金钢强化的有效性 最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。1 1、强化的有效性、强化的有效性 强化强化:弥散析出弥散

6、析出P |-S|硬度峰值硬度峰值弱化弱化: M分解分解P |-S|弱化缓慢弱化缓慢 图图 强化和弱化的演变强化和弱化的演变 1- M分解；分解；2-弥散析出；弥散析出；3-综合效应综合效应 2、Me对强化有效性的影响对强化有效性的影响 强化有效性取决于形成弥散相的强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。及其量。 Me量量 弥散相量弥散相量(有足够的有足够的C) 二次硬化二次硬化 图图 V对对40钢回火硬度的作用钢回火硬度的作用 例：含例：含0.10.15%C钢，钢， 需需0.10.2%V；0.080.12%Nb； 2.53.0%Cr强化强化 弱化弱化Me最小浓度最小浓度临界值临界值K类型类型含

7、含C量量 对结构钢，对结构钢，细晶强化细晶强化和和沉淀强化沉淀强化贡献最大。贡献最大。 合金钢与合金钢与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本身的强化作用本身的强化作用，而，而在于在于MeMe对钢相变过程对钢相变过程的影响的影响，并且，并且MeMe的良好作用，只有在进行的良好作用，只有在进行合合适的热处理条件适的热处理条件下才能充分得到发挥。下才能充分得到发挥。需要充分理解需要充分理解三、三、MeMe对钢韧性的影响对钢韧性的影响 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

8、。除细化组织强化细化组织强化外，其它强外，其它强化因素都会程度不同地化因素都会程度不同地韧性。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，对强化贡献较大。沉淀强化较小，对强化贡献较大。合金合金元素元素 Ni韧性韧性；其它常用元素都在不同程度上；其它常用元素都在不同程度上韧性韧性 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晶粒度度 细晶既细晶既S，又又TK, 即即 韧性韧性 最佳组织。最佳组织。 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

9、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， 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2 2、提高钢韧度的合金化途径、提高钢韧度的合金化途径 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 如如Ti、V、Mo； 2）回火稳定性回火稳定性 如强如强K形成元素形成元素 ； 3）改善基体韧度）改善基体韧度 Ni ； 4）细化细化K 适量适量Cr、V，使使K小而匀小而匀 ； 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. 7） 冶金质量。冶金质量。 思考题：思考题： 有些零件为什么要经过调有些零件为什么要经过调质处

10、理，而不直接用正火态质处理，而不直接用正火态? ?淬透性淬透性 一般是指淬火时获得一般是指淬火时获得M的能力的能力.最常用的测定结构钢淬透性的方法是最常用的测定结构钢淬透性的方法是端淬试验端淬试验.淬透性的表示方法淬透性的表示方法用端淬曲线表示钢的淬透性值用 表示。J表示末端淬火的淬透性；d表示距水冷端的距离HRC为该处的硬度。dHRCJ用临界淬透直径D0表示奥氏体化的钢在一定介质中淬透的最大直径钢号钢号合金元素质量分数含量合金元素质量分数含量 / %P转变孕育期转变孕育期 / 秒秒35CrCr + Ni = 1.341235CrMoCr+Mo= 1.38 3540CrNiMoCr+Mo+Ni

11、= 3.25 500钢的淬透性大小主要取决于钢的淬透性大小主要取决于化学成分、奥氏体化学成分、奥氏体化条件化条件等因素等因素.除除Co外，大部分合金元素提高淬透性。外，大部分合金元素提高淬透性。在结构钢中，在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大淬透性作用显著的元素从大到小排列：（到小排列：（B）、）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 。合金元素复合作用大合金元素复合作用大,不是简单加和不是简单加和. +Mo 能有效能有效P转变，但不能完全转变，但不能完全先共先共析析F的析出的析出B淬淬透性透性 +B 偏聚晶界偏聚晶界 有效抑制先共析有效抑制先共析F的析出的析出0.40%C 0.14%Mo 0.35

12、%Mo 0.60%Mo析出析出5%F5%F（600） 1 2 4P开始转变时间开始转变时间 1 3 36贝氏体贝氏体淬透性淬透性 合金化基本元素是合金化基本元素是0.5%Mo + 微量微量B。淬透淬透性好性好的作的作用用 可以使工件得到均匀而良好的力学可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；性能，满足技术要求； 在淬火时，可选用较缓和的冷却介在淬火时，可选用较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向质，以减小工件的变形与开裂倾向淬硬性淬硬性 理想淬火条件下理想淬火条件下,形成形成M能达到的最高硬度能达到的最高硬度.l淬硬性主要与钢的含碳量有关淬硬性主要与钢的含碳量有关。含碳量含碳量

13、，淬火后硬度淬火后硬度。l淬硬性和淬透性是两个不同的概念，淬硬性淬硬性和淬透性是两个不同的概念，淬硬性高不一定淬透性好，而淬硬性低的钢可能具有高不一定淬透性好，而淬硬性低的钢可能具有高的淬透性。高的淬透性。变形开裂倾向变形开裂倾向 淬火内应力：在淬火过程中由于工件不同部位的温淬火内应力：在淬火过程中由于工件不同部位的温度差异及组织转变不同时所引起的应力。度差异及组织转变不同时所引起的应力。 热应力热应力变形变形;组织应力组织应力 开裂开裂;附加应力附加应力较复杂较复杂.影响因素比较复杂影响因素比较复杂,要综合分析要综合分析. 采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降采用分级淬火、等温淬火或双液淬火

14、可降低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球化退火等预先热处理也可减小零件的变形。化退火等预先热处理也可减小零件的变形。 过热敏感性和氧化脱碳倾向过热敏感性和氧化脱碳倾向 奥氏体晶粒急剧长大的敏感性奥氏体晶粒急剧长大的敏感性, Mn.如如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。等。 氧化和脱碳往往伴随产生氧化和脱碳往往伴随产生. Si.含硅钢氧含硅钢氧化脱碳倾向较大，如化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。等。 脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，脱碳对于工具、轴承、

15、弹簧等零件是极其有脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有害的害的.回火稳定性回火稳定性( (热稳定性热稳定性) ) 合金钢回火稳定性要比碳钢好合金钢回火稳定性要比碳钢好. .同样回火硬同样回火硬度度, ,合金钢的回火温度高合金钢的回火温度高, ,时间也可长些时间也可长些, ,应力应力消除也大些消除也大些; ;同样塑韧性同样塑韧性, ,合金钢的强度比碳合金钢的强度比碳钢高钢高. . 回火脆性回火脆性 (前面已介绍前面已介绍)二、冷成型性冷成型性 冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。 冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度

16、的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。成型性差。P、Si、C等元素等元素冷作硬化率。冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格控制需要冷成型的材料应严格控制P P、N N量，尽可能量，尽可能SiSi、C C等量。等量。三、热压力加工性三、热压力加工性 热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。 Me溶入基体溶入基体 产生畸变产生畸变, ,热变形抗力热变形抗力 热压力加工性能热压力加工性能。如如Mo、W、Cr、V等元素等元素影响较大。影响较大。C和和Me量较多时，形成共晶量较多时，形成共晶K，热，热压力加工性更差。压力加工性更差。 合金

17、钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的等高合金钢的热压力加工难度是较大的.四、切削加工性四、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑速度；精加工主要考虑表面粗糙度。速度；精加工主要考虑表面粗糙度。 C钢钢 硬度在硬度在170230HBW，切削性能最好切削性能最好.对组织来说，对组织来说，P:F=1:1较佳较佳。不同含。不同含C量的钢要量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：得到较好的切削性，其预处理是不同的： 对对C钢钢: 0.1%C,宜淬火；宜淬火； 0.5%C,宜正火；宜

18、正火； 0.8%C,宜球化退火宜球化退火1 1、微量元素与分类、微量元素与分类常用微合金化元素常用微合金化元素 B B，N N，TiTi，V V，ZrZr，NbNb，ReRe偶用微合金化元素偶用微合金化元素 HfHf，TaTa，ScSc（钪）（钪）净化，变质和控制夹杂物形态的元素净化，变质和控制夹杂物形态的元素 B B，TiTi，CaCa，ZrZr，ReRe改善切削性能的元素改善切削性能的元素 S S，CaCa，SeSe，PbPb，BiBi痕量有害元素痕量有害元素 P P，AsAs，SnSn，SbSb，PbPb，BiBi例如，Pb, Bi, Sb, Sn等元素在PPM数量范围内就会对钢的热塑性

19、、蠕变强度、焊接性、耐腐蚀性等产生有害的影响，并且可能导致钢的不同形式的脆性（如回火脆性）。 净化作用净化作用 硼、稀土元素与钢中的O、N结合形成比重小（易上浮）的化合物，可降低钢中的气体含量，减少非金属夹杂物。 变质作用变质作用 硼、稀土元素与钢液反应，形成微细质点，增大形核率，抑制柱状晶的成长，细化铸铁组织，改善铸锭冶金质量。 控制夹杂物形态控制夹杂物形态 在添加Mn, Si的基础上，添加少量Zr, Re和Ca来控制和改善夹杂物的形态，使钢材的力学性能得到提高。 微合金化钢微合金化钢 例如：在低碳钢中加入微量Nb、Ti、V，通过控轧和控冷，生产量大面广的微合金高强度钢。 例如：在高速钢、耐

20、热钢中加入微量Nb、Zr、B，可改善钢的高温强度等。 不做要求，自己看书学习。不做要求，自己看书学习。一、钢的分类一、钢的分类1 1、按用途分类、按用途分类(1) (1) 工程结构用钢：工程结构用钢：这类钢主要用于制备建筑、车辆、造船、桥梁、石油、化工、这类钢主要用于制备建筑、车辆、造船、桥梁、石油、化工、电站、国防等部门的工程构件。电站、国防等部门的工程构件。 (2)(2)机器零件用钢：机器零件用钢：这类钢主要用于制造机器零件，如轴、轴承、齿轮、弹簧等。这类钢主要用于制造机器零件，如轴、轴承、齿轮、弹簧等。(3)(3)工模具用钢：工模具用钢： 这类钢主要用于制作量具、刃具、模具。这类钢主要用

21、于制作量具、刃具、模具。(4)(4)特殊性能钢：特殊性能钢： 这类钢主要包括抗氧化钢、热强钢、不锈钢、耐酸钢、耐这类钢主要包括抗氧化钢、热强钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐寒钢、无磁钢、易削钢等。磨钢、耐寒钢、无磁钢、易削钢等。2.2.按金相组织分类：按金相组织分类：(1)(1)按平衡状态组织分类：按平衡状态组织分类： 亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢；亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢；(2)(2)按正火组织分类：按正火组织分类： 珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢；珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢； 3.3.按钢材质量分类：按钢材质量分类： 主要区别在于钢中主要区别在于钢中S

22、 S、P P杂质含量多少，杂质含量多少， 可分为：可分为： 优质钢、优质钢、高级优质钢（高级优质钢（A A）、特级优质钢（）、特级优质钢（E E）等。）等。 二、钢的编号方法二、钢的编号方法 我国现行的钢铁材料，采用汉语拼音与化学符号、阿拉我国现行的钢铁材料，采用汉语拼音与化学符号、阿拉伯数字相结合的编号方法。伯数字相结合的编号方法。1.1.普通碳素钢普通碳素钢例如：例如：Q215Q215，Q235Q235，Q275Q275。其牌号由其牌号由“屈屈”或或“Q Q”( (代表屈服点汉字代表屈服点汉字) )；屈服点数值组成。；屈服点数值组成。 2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 (1)(1)优质

23、碳素结构钢的平均优质碳素结构钢的平均含碳量含碳量用用万分之几万分之几表示：表示：例如：平均含碳量为例如：平均含碳量为0.1%0.1%的钢表示为的钢表示为1010。 (2)(2)含锰量较高的优质碳素钢，应将锰元素标出。含锰量较高的优质碳素钢，应将锰元素标出。例如：平均含碳量为例如：平均含碳量为0.5%, 0.5%, 锰含量锰含量0.7-1.0%0.7-1.0%表示为表示为50Mn50Mn。 (3)(3)专门用途的优质碳素钢，在钢号之尾附加用途符号。专门用途的优质碳素钢，在钢号之尾附加用途符号。例如：含碳为例如：含碳为0.2%0.2%的锅炉钢表示为的锅炉钢表示为2020锅或锅或20g20g； 含碳为含碳为0.3%0.3%的桥梁钢表示为的桥梁钢表示为3030桥或桥或30q30q。 3.3.碳素工具钢碳素工具钢 （1 1）含碳量以）含碳量以千分之几千分之几表示；表示；(2) (2) 以以“碳碳”字或字母字或字母“T T”代表代表碳素工具钢碳素工具钢；(3) (3) 含锰量较高含锰量较高(0.4%(0.4%0.6%Mn)0.6%Mn)的，应将锰元素标出；的，应将锰元素标出；(4) (4) 优质碳素工具钢在末尾加优质碳素工具钢在末尾加“A A”字。字。例如：例如： T8AT8A 表示含碳量为表示含碳量为0.8%0.8%的优质