高性能金属结构材料-钢铁材料

1、高性能金属结构材料 本课程主要内容钢铁材料（8学时）有色合金（14学时） 铝合金（4学时） 镁合金（4学时） 钛合金（4学时） 铜合金（2学时）高温结构材料（6学时）高温合金（4学时）金属间化合物（4学时）复习（2学时）主要参考书目金属材料学（吴承建 陈国良等）镁基轻质合金理论基础及其应用（刘正，张奎，曾小勤著）轻合金（陈昌麒，邹愉译）金属钛及其应用（程敏，赵克德，屈翠芬译）高温合金（黄乾尧 李汉康）金属间化合物结构材料（张永刚 韩雅芳等）航空航天材料（李成功 傅恒志等）材料金属材料非金属材料复合材料纯金属合金无机非金属材料有机非金属材料金属基复合材料非金属基复合材料材料的分类概 述金属材料(

2、metallic materials)：包括纯金属和合金。合金是以金属为基体加入其它金属或非金属元素而形成，由于合金具有较高的强度，故工程中应用的金属材料，特别是用作结构材料的金属材料大都是合金。和其它材料相比，金属材料的特点是既具有较高的强度（高于聚合物），又具有较好的塑性和加工性（优于陶瓷材料），因而广泛用作结构材料。金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类。金属：元素周期表的左边和中间部分的元素（约占全部元素的2/3至3/4）。金属的宏观特点是：具有金属光泽、既有较高的强度和硬度，又有较好的塑性、良好的导电和导热性等。金属分为黑色金属和有色金属两大类：黑色金属：铁及其合金，锰及铬等；有色金

3、属：轻金属（铝、镁、锂、铍等），重金属（铜、锌、镍、钴等），贵金属（金、银、铂等），稀有金属（钛、锆、钒、钨、钼等）还有类金属：铀、钍等就世界地壳中金属矿产储量来讲：铁占5.1%铝占8.8%镁为2.1%钛为0.6%但非铁金属冶炼要困难。 高性能金属材料在航空航天中的应用飞机机体材料主要是铝、钢、钛合金、复合材料等。飞机型号铝合金钢钛合金复合材料其它B7478113411B7577812631B7678014231B77770117111DC107814512MD11769582波音麦道飞机公司大型客机的选材对比（结构重量百分数）航空材料发动机材料航空发动机相当于飞机的“心脏”，是确保飞机使用性

4、能、可靠性和经济性的决定因素。发达国家航空发动机产值已占整个航空工业产值的2530航空发动机的性能水平很大程度上依赖于高温材料的性能水平，如发动机推重比的提高有赖于涡轮前进口温度的提高，而涡轮前进口温度的提高又有赖于涡轮转子部件设计结构的改进和材料的更新。在一台先进发动机上，高温合金和钛合金的用量分别要占发动机总结构重量的5565和2540，并对许多新型高温材料提出了更高的要求。航天材料运载火箭新型高强轻质箭体结构材料：高强轻质铝合金材料高性能碳/环氧复合材料碳/聚酰亚胺复合材料等火箭发动机材料：不锈钢高温合金难熔金属及合金 航天材料卫星及飞船材料卫星在空间飞行，所使用的结构材料主要有： 高强

5、轻质铝合金、高聚物基复合材料、金属基复合材料、碳/碳复合材料飞船上所用结构材料基本上类同于返回式卫星 ，主要是铝合金。第二代航天飞机把承载的结构设计和热防护设计结合在一起，取名热结构设计，选用了：抗氧化碳/碳复合材料、钛合金和高温合金多层蜂窝壁板材料与结构等新材料新工艺。第一部分 钢铁材料主要内容二 钢的物理冶金基础七 耐热钢四 机械制造结构钢五 工具钢六 不锈耐蚀钢一 简 介 三 工程结构钢八 铸铁钢铁材料一、简介钢铁材料是国民经济各个领域中应用最广泛的材料，占世界金属总产量的95，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。对它的要求主要有：使用性能： 强度、韧性、高温蠕变、硬度、耐

6、蚀性、抗氧化工艺性能： 良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性简 介钢的分类结构钢 工程结构钢：铁素体珠光体钢、低碳贝氏体钢、马氏体钢等 机械制造结构钢：调质钢、轴承钢、高合金超高强度结构钢、渗碳钢等工具钢 碳素工具钢、低合金工具钢、高速工具钢、冷作模具钢、热作模具钢等不锈耐蚀钢耐热钢铸铁钢铁材料 二、钢的物理冶金基础2.1铁碳相图（Fe-Fe3C）铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图)(1) Fe-Fe3 C相图的组元Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) Fe-Fe3 C相图的相液相 L相

7、（高温铁素体 ） Fe（C）固溶体相（A ，奥氏体） -Fe（C）固溶体相 （F，铁素体） -Fe（C）固溶体Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体） 复杂晶体结构标注了组织组成物的相图2.2钢的热处理把钢铁材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。过冷A的等温转变过冷A :T S T珠光体 P ，3800索氏体 S 8000屈氏体 T 8000高温转变过程 晶格改变和Fe，C原子扩散。中温转变（550 MS） C原子扩散， Fe原子不扩散过冷A 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ）上B， 550 350产物 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。光学显微照片 130

8、0电子显微照片 500045钢，上B+下B，400 上B 强度和韧性差下B， 350 MS 产物下B 韧性高，综合机械性能好。 F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片 12000T8钢，下B，黑色针状光学显微照片 400 马氏体（M）转变特点 1) 无扩散Fe 和 C 原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。2) 瞬时性M 的形成速度很快，温度则 转变量3) 不彻底M 转变总要残留少量 A，A中的C% 则 MS、Mf ，残余A含量4) M形成时体积，造成很大内应力。M 的形态C% 1.0 % 时，为针状M 。C% = 0.251.0 % 时，为混合M 。Fe-1

9、.8C，冷至-100Fe-1.8C，冷至-60M 的性能 C % M 硬度 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。加入合金元素的目的：在钢铁材料中加入合金元素，能够改变它的使用性能和工艺性能，得到更优异的或特殊的性能。使用性能：强度、韧性、抗氧化性能、高温蠕变性能、耐腐蚀性工艺性能：良好的热塑性、冷变形性能、切削性能、淬透性、焊接性 这些元素的加入产生了合金元素与Fe、C及元素之间的相互作用，改变了钢中相的稳定性，产生了许多新相。 这些元素之间的原子结构、原子尺寸及晶体点阵的差异是产生这些变化的根源。 2.3 钢的合金化钢铁材料之物理冶金基础钢铁中常用的合金元素有十几个：第二

10、周期：B 、C、 N第三周期：Al、Si、P、S第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu第五周期：Y、Zr、Nb、Mo第六周期：La族、Ta、W合金元素在钢中的分布溶解于固溶体中；溶于渗碳体中形成合金渗碳体或单独与碳、氮等作用形成碳、氮化合物；形成金属间化合物；形成氧化物、硫化物等夹杂物；以纯金属相存在，如Cu、Pb等。 合金元素中:在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素称为奥氏体形成元素；而在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素，称为铁素体形成元素。扩大相区元素: 它们使A4点上升，A3点下降，奥氏体相稳定存在的温区扩大，促进奥氏体形成。具有这一类影响的元素有Ni、Mn、C

11、o（无限互溶）及C、N、Cu （有限互溶）等。 缩小相区元素: 它们使A4点下降；A3点上升，缩小了相的存在范围，促进铁素体形成。具有这一类影响的元素有Cr、V （无限互溶）及Mo、W、Ti、Si、Al、P、B、Nb （有限互溶）等。 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 合金中的晶体缺陷有晶界、相界、亚晶界及位错等，这些晶体缺陷区有较高的能量。溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚；溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团。溶质元素在合金中含量虽极微，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到极高浓度，从而对合金的组织与性能产生巨大的影响，如晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、晶界迁移、相变时晶界缺陷处形核等。

12、合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高，因此比基体原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界和位错等缺陷区。较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵，较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵，间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置，这样可以使点阵畸变松弛，从而降低系统的内能。所以这种偏聚过程是自发进行的。钢铁中的碳化物和氮化物 碳化物和氮化物是钢铁中的重要组成相。碳化物和氮化物与纯金属相比，具有高硬度、高弹性模量和脆性，并具有高熔点。这种强的内聚力，很大程度上是由于碳原子与金属原子形成的强共价键。碳化物TiCZrCNbCVCWCMo2CCr23C

13、6Cr7C3Fe3CHV32001890240020942200150016502100860T/315035303500283028672600152017801650各种氮化物的硬度和熔点氮化物TiNZrNNbNVNWNMo2NCrNAlNHV1994198813961520-63010931230T/92950298023002360800-15002400各种碳化物的硬度和熔点非碳化物形成元素: 包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，在钢中它们主要溶解于固溶体中或形成其它化合物。碳化物形成元素: 按形成碳化物稳定性程度，碳化物形成元素由弱到强排列顺序为：Fe、Mn、Cr、Mo

14、、W、V、Nb、Zr、Ti等。形成的碳化物按照晶格类型又可分为两类：第一类：当rc/rMe0.59 形成具有复杂晶体结构的碳化物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe3C等。第二类：当rc/rMe0.59时，形成具有简单晶体结构的碳化物间隙相，如Ti、VC为面心立方，W2C、Mo2C为密排六方。第二类碳化物的特点是硬度高，熔点高，稳定性高，加热时不易溶解进入奥氏体中，因而可阻止加热过程中奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。另外，在回火过程中析出可起二次硬化的作用，并可用于提高耐热钢的热强性。Ti、Zr、Nb、V为强氮化物形成元素，W、Mo是中强氮化物形成元素，Cr、Mn、Fe是弱氮化物形成元素。当钢中存在

15、多种过渡族金属元素时，存在着复合碳化物和复合氮化物，在满足点阵类型、电化因素和尺寸因素三条件时，其中金属原子可互相置换，如TiC-VC系形成(Ti,V)C，TiN-VN系形成(Ti,V)N。否则就是有限溶解，如渗碳体Fe3C中可溶解一定含量的Cr、Mo、W、V等形成合金渗碳体。碳化物和氮化物之间也可互相溶解，形成碳氮化物。如氮可置换(Cr,Fe)23C6中的部分碳原子，形成(Cr,Fe)23(C,N)6，含V、Ti、Nb微合金钢中可形成Ti(C,N) 、V(C,N)和 Nb(C,N)。钢中的金属间化合物钢中合金元素之间和合金元素与铁之间相互作用，可以形成各种金属间化合物。合金钢中比较重要的金属

16、间化合物有相、AB2相（拉维斯相）及AB3相（有序相）。相在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现相。伴随着相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。 相具有高硬度，在Fe-Cr合金中相的硬度为1100kg/mm2。 相属于正方晶系，单位晶胞中有30个原子，其点阵常数a=bc，点阵常数a=8.808埃，c=4.568埃。周期表中第一长周期的第七族和第八族过渡族金属与周期表中第五族和第六族能形成相，如Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co、Mo-Mn、Mo-Fe、Mo-Co、W-Fe、W-Co、V-Mn、V-Fe、V-Co、V-Ni等系。第二长周期的第八族与第

17、五族和第六族也能形成相。在二元系中，形成相的条件是：1）原子尺寸差别不大，尺寸最大的W-Co系相，其原子半径差为12；2）钢和合金的“平均族数”（或s+d层电子浓度）在5.77.6范围。形成相与组元之间的尺寸因素和电子因素都有关。如Cr-Fe系相含Cr43.549%, “平均族数”为7.17.0；V-Fe系相含V 3757%, “平均族数”为7.36.9；Cr-Mn系相含Cr1924%, “平均族数”为6.846.78。AB2相（拉维斯相）含钨、钼、铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在AB2相。它是现代耐热钢和合金中的一种强化相。其组元A的原子直径dA和第二组元B的原子直径dB之比dA：

18、 dB1.2:1。 AB2相的晶体结构有三种类型：MgCu2型复杂立方点阵、 MgZn2型复杂六方点阵和MgNi2型复杂六方点阵。AB2相是尺寸因素起主导作用的化合物，但它具有哪一种点阵，则受电子浓度的影响。周期表中任何两族金属元素，只要符合原子尺寸dA： dB1.2:1时，都能形成AB2相。过渡族金属元素形成的AB2相随着B组元族数的增高， AB2相的晶体结构发生了由立方六方立方的转变。过渡族金属的AB2相的“平均族数”均不超过8。在AB2相点阵中，尺寸小的B原子组成四面体，尺寸大的A原子位于四面体中心。在钢和合金中主要的AB2相是具有复杂六方结构的MgZn2型，它们是MoFe2、WFe2、

19、NbFe2、TiFe2。AB3相（有序相）钢和合金中使用着多种有序结构的相，它们各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶体和化合物之间的过渡状态。其中一部分有序相的有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体，如Ni3Fe、Ni3Mn等；另一部分其有序状态可保持到熔点，更接近金属间化合物，如Ni3Al、Ni3Ti、 Ni3Nb。/ Ni3Al为L12型结构，属面心立方结构，在复杂成分耐热钢和耐热合金中， / Ni3Al是重要的强化相。合金元素对析出金属间化合物的影响低碳和微碳合金马氏体在高温回火时，从基体相中析出金属间化合物，并产生沉淀强化效应。Fe-Cr-Ni奥氏体马氏体钢或马氏体钢中,由

20、于加入沉淀强化元素钛、钼、铝等，时效过程中析出Ni3Ti、Ni3Mo、Ni3Al金属间化合物。在Fe-Cr-Mo-Co系马氏体钢中，时效时析出Fe2Mo及x相(Fe36Cr12Mo10)。在Fe-Ni系马氏体钢中加入钛和钼，时效时析出Ni3Ti、Ni3Mo、Fe2Ti金属间化合物。这些钢中金属间化合物在450550温度范围析出时，由于马氏体中由相变引起的高位错密度，提供了沉淀相形核的有利位置和较大的析出速度。析出的金属间化合物为尺寸细小的二维质点，产生高的沉淀强化效应。合金元素对析出金属间化合物的影响单个合金元素对Fe-18Ni马氏体时效钢产生的强化效应见下表： 合金元素 Ti Be Al T

21、a W Nb Mn Mo Si Cr V Zr硬度(HRC)52.048.045.545.544.044.042.039.539.5 Fe-18%Ni钢中每加1%(摩尔分数)第三种合金元素对425时效峰值的影响结构钢的强度水平现状材 料状 态力学性能b/MPa0.2/MPa低碳钢（C0.2%）低碳合金钢：162 092 06MnMoNb 15CrMnMoVB热轧正火淬火高温回火控扎控扎正火回火400600750680670750250400580600560650中碳钢：40，40中碳合金钢：40，30 45（5） 405 3012106淬火回火淬火高温回火淬火低温回火淬火低温回火淬火高温回火

22、淬火高温回火8001300180025002200245060010001500180020002250超低碳马氏体时效钢：0018950018124200131510淬火高温时效淬火高温时效淬火高温时效2100240028001900235027002.4 钢的强化方法从上表可以看出，随材料成分不同，强度变化很大；而热处理状态不同，强度变化也很大。如果把形变热处理或超细晶粒热处理等方法的强度贡献考虑进去的话，目前能达到b 3000MPa和0.2 2500MPa这样的强度水平。钢的理论强度是20000MPa，低碳低合金钢强度最高不到其4，中碳合金钢强度最高不到其13，而马氏体时效钢强度最高也不

23、到其15，因此提高强度的潜力是巨大的。钢的强化方法位错强化（加工硬化），其强度贡献（位错） 为 位错aGb1/2 式中： 位错密度，在铁素体中约为107108cm-2， 在马氏体中约为10101012cm-2； a 常数； G 剪切模量； b 布氏矢量。 位错密度与钢的显微组织、变形温度和变形量密切相关，人工方法可使其提高到5 1012cm-2。提高钢的强度的方法主要有：钢的强化方法位错增殖并相互作用 阻碍位错运动强化 固溶强化，其强度贡献（固溶） 为 固溶Ki Ci式中：Ki 固溶元素强化系数； Ci 浓度。 置换固溶原子Ki为： Mn Ni Si P Mo Cu Cr V 40 37 80

24、 690 1.1 39 31 3间隙固溶原子Ki为4580MPa/1%(C+N)。可见，C、N和P的固溶强化效果大大超过合金元素，而合金中Si的效果较大，V和Mo很小。钢的强化方法 溶质原子晶格畸变与位错相互作用 阻碍位错运动强化。 沉淀强化，其强度贡献（沉淀） 为 沉淀0.85Gb/2(-2r) ln(-2r/2b)式中：r 沉淀物质点半径； 质点间距离； G 剪切模量； b 布氏矢量; 与位错相互作用系数，螺型位错 1，刃型 位错一般为1.25. 沉淀强化使基体强度提高近20倍，对铁基材料可提高到2750MPa.沉淀强化： 第二相粒子阻碍位错运动强化。钢的强化方法细晶粒强化（晶界强化），其

25、强度贡献（晶粒）为 晶粒 = K d-1/2式中 K 常数（20N/mm3/2） d 晶粒尺寸 一般情况下，Fe可细化到100.1m。而对于亚晶粒尺寸（l）的强度贡献（ 亚晶 ）则为亚晶 = K C l-m 式中 K C为常数（m=1时， K C=0.3 ）, m=1/21。可见，晶粒细化使钢强化作用直线式增加。钢的强化方法Nb，V，Al，Ti 晶界阻碍位错运动强化 马氏体强化，其强度贡献主要决定于固溶体中的含碳量，以含碳量在0.30.5%为例，每提高0.1%C，强度（b）提高约300MPa，因此，它是结构钢最经济而有效的强化手段。此外，马氏体组织的高位错密度也为强化起作用。钢的强化方法马氏体

26、时效强化，其强度贡献由马氏体强化和金属间化合物沉淀强化所组成，从而可以实现很高的强化作用， b可以达到3500MPa.钢的总强化效果可用叠加法确定： 0.2 = 0 + 位错 固溶 沉淀 晶粒 式中 0 表示铁晶格流动阻抗，一般约为27.5MPa，对低碳钢约为39MPa.不同状态下，强化方法的作用效果不同，见下表。钢的强化方法不同状态下结构钢强化方式的效果材料热处理（微观组织）0晶粒位错沉淀固溶置换 间隙0.3C-1.5Mn-Nb正火回火（F+P）+0.4C-5Cr-1.4Mo+0.5V+1Si高温形变热处理淬火（M）+0.1C-1.5Mn-V+ N,Be,Mo,Nb等正火回火 (淬火回火)

27、(F+P，F+B, M回火 )+0.1C-0.3Si-1.5Mn-0.13Mo淬火回火M回火 +0.1C-0.5Cr-0.5Mo-0.34V正火回火 (淬火回火) (F+B，F+P,B)+0.3C+1.5Cu; 1.75Si-1.7Cu-1Mn淬火回火M回火+0.3C+Nb,V,Ti,Zr淬火回火M回火+0.4C-0.2Si-0.6Mn-1.8Ni-0.8Cr-0.25Mo淬火回火M回火+CrMoV, CrMoVW (焊缝金属)回火(B)+钢铁材料 三 工程结构钢结构钢用来制造工程结构和机械结构，包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类。工程结构钢是指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如制造桥

28、梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构。主要是承受各种载荷，要求有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性，以保证工程结构的可靠性。由于工作环境是暴露在大气中，温度可低到零下50，故要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀，此外还需要良好的工艺性能。工程结构钢包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢。1 工程结构钢的合金化常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢，显微组织是铁素体珠光体，通过加入合金元素提高强韧性。在铁素体珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：溶入铁素体起固溶强化；细化晶粒起细晶强化；析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；增加珠光体含量。常用的工程结构钢是固溶强化：主要利用Mn、

29、Si、Cu、P等元素溶入铁素体来提高强度。P作为强化元素含量一般不超过0.1%。Mn和Si为常用的固溶强化元素，一般Mn含量不超过2，Si含量不超过0.8%。铜作为钢中的残余元素加以利用，一般含0.250.5%。微量铜可以提高钢的耐大气腐蚀性能。国际上有的工程结构钢主要加入少量的铬和镍，铬不超过0.8%，镍不超过0.7%，它们不产生固溶强化效果。工程结构钢的合金化细晶强化：根据Hall-Petch公式，钢的晶粒愈细小，钢的屈服强度呈直线上升。细化晶粒的途径有多种，其中主要的是用铝脱氧和合金化。用铝脱氧生成的细小弥散的AlN质点，用钛、铌、钒的微合金化生成弥散的氮化物、碳化物和碳氮化物，这些弥散

30、相都能钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，转变后细化铁素体和珠光体晶粒。另外，钢中加入降低A3温度的合金元素，可使奥氏体在更低温度转变而细化铁素体和珠光体晶粒，如加入w(Mn)=1.01.5%可使A3温度降低50。铬和镍与锰一样可增加奥氏体过冷能力，使转变温度降低，细化钢的显微组织，提高了钢的强度。工程结构钢的合金化沉淀强化：应用钒、铌、钛的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物，产生沉淀强化。其中，氮化物最稳定，一般在奥氏体中沉淀，对奥氏体高温形变、再结晶和晶粒长大起抑制作用。碳化物和碳氮化物稳定性稍差，一般在奥氏体转变中产生相间沉淀和从过饱和铁素体中析出，从而产生

31、沉淀强化。微合金钢中主要的沉淀相是VC、NbC和TIC，其粒子尺寸在210nm范围内具有最大的沉淀强化效应。钢中每加入质量分数为0.01%铌和钛，使屈服强度增高3050MPa；每加入质量分数为0.10%钒，使屈服强度增高150200MPa。当钢中含有一定量碳和氮时，钢中微量钛主要以TIN出现，细化奥氏体晶粒。钢中微量铌既可以在高温变形时析出NbN和铌的晶界偏聚细化奥氏体晶粒，又可以在随后发生相间沉淀和从过饱和铁素体析出Nb(C,N)产生沉淀强化。2 铁素体珠光体组织的冷脆性韧脆转变温度:是指在某一临界温度TK以上材料呈韧性状态，而在该温度以下呈脆性状态。转变温度高，材料低温变脆倾向大，转变温度

32、低，材料低温变脆倾向小。按断口形貌确定韧脆转变温度的方法是取断口中结晶区占整个断口面积50时的温度为TK ，并记为50FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 或FATT50。 具有铁素体珠光体组织的工程结构钢在50100间使用，因而要求有较低的韧脆转化温度FATT50。影响钢的冲击韧性和韧脆转化温度的因素有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出相和非金属夹杂物等。珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体，因而有高的韧脆转化温度，一般在100 以上。钢中每增加1体积的珠光体，将使FATT50升高2.2 。故工程结构钢一般为不超过w(C)=0.2

33、5%的低碳钢。钢中合金元素锰、镍和铬固溶于铁素体中可降低FATT50，而磷、硅固溶后均升高FATT50。 某些金属及其合金在低温时会发生脆化现象，冲击值明显降低，断口由纤维状变为结晶状。材料这种在低温下变脆的特性被称之为冷脆性或低温脆性。3 工程结构钢：铁素体珠光体钢这类钢服役时的显微组织是铁素体珠光体，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金钢。碳素工程结构钢：国家标准规定，碳素工程结构钢按屈服强度分为五级，即Q195、Q215 、Q235 、 Q255 和Q275，其中Q表示屈服强度，其后的数字表示屈服强度值，单位为MPa。 Q235分为A、B、C、D四个等级，主要按钢中磷和硫的含量来区

34、分，其中D还要求加入细化晶粒元素。 Q215和Q255只有A、B两个级别， Q195和Q275没有分级别。钢的屈服强度主要取决于钢中含碳量，即珠光体含量。含碳从w(C)=0.060.38范围增加，屈服强度从195MPa上升到275MPa，伸长率从33下降到20。高强度低合金钢：为提高碳素工程结构钢的强度，而加入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。利用细晶强化使钢的韧脆转变温度的降低，来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧脆转变温度的升高。工程结构钢：铁素体珠光体钢工程用高强度低合金钢中16Mn是典型钢种，它属于屈服强度为345MPa级，有较高的强度、良好的塑性和低温韧性以及

35、焊接性，是我国这类钢中产量最多、用量极广的钢种。16Mn中，锰含量为1.21.6，起着固溶强化作用，锰降低A3温度，增大钢的奥氏体过冷能力，细化铁素体晶粒，降低钢的冷脆性。15Mn Ti、 16Mn Nb、 15MnV钢屈服强度属于390MPa级，利用微量钛、铌、钒起细化晶粒和沉淀强化作用。这类钢用于制造桥梁、船舶、容器。 15MnVN钢屈服强度属于440MPa级别，钢中加入小于0.022%的氮，以形成稳定的VN，比VC更有效地起细化晶粒和固溶强化作用。 微合金钢：一类高强度低合金钢，其关键是细晶粒和沉淀强化，结合控制轧制和控制冷却。钛、铌、钒等微合金元素有以下四方面作用：抑制奥氏体形变再结晶

36、。在热加工过程中，通过应变诱导析出钛、铌、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎作用，抑制再结晶过程的进行。阻止奥氏体晶粒长大。TiN或Nb(C,N)，在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的再结晶晶粒长大有强烈的抑制作用。沉淀相与沉淀强化。改变钢的显微组织。溶于奥氏体的微量元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体更细小，并使相间沉淀的碳氮化物粒子更细小。工程结构钢：铁素体珠光体钢典型牌号：X65管线用钢，应用在高纬度严寒地区的石油和天然气输送管线，成分为：0.10%C, 0.25%Si, 1.35%Mn, 0.04%N

37、b, 0.04%V，屈服强度465MPa,-25 冲击功129J。 09MnVTiN,成分为：0.09%C, 0.40%Si, 1.10%Mn, 0.01%Ti, 0.10%V, 0.01%N，其屈服强度属于410MPa级别，用于生产中厚钢板。工程结构钢：低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体钢：低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织，与相同含量的铁素体珠光体组织相比，有更高的强度和良好的韧性，钢的屈服强度可达490780MPa。钢中的主要合金元素是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少的钼和硼。在此基础上再加入锰、铬、镍等，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，

38、并使BS点下降，以获得下贝氏体组织。另外通过微合金化，充分发挥铌、钛、钒的细化晶粒和沉淀强化作用。低碳贝氏体钢的化学成分范围为：0.100.20%C, 0.30.6Mo, 0.61.6Mn, 0.0010.005%B, 0.040.10%V, 0.0100.06%D的Nb或Ti，并经常加入0.40.7%Cr。14MnMoV和14MNMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢，用于制造容器的板材和其它钢结构，其屈服强度为490MPa级。板厚小于14mm时，在热轧态可达到贝氏体，板厚大于14mm时，需要正火处理。为了消除内应力，需要高温回火。工程结构钢：低碳贝氏体和马氏体钢低碳马氏体钢：为使钢得到好的

39、淬透性，防止发生先共析铁素体转变和珠光体转变，加入钼、铌、钒、硼及控制合理含量的锰和铬与之配合，铌还作为细化晶粒的微合金元素起作用。常见的有BHS系列钢种，其中BHS-1钢的成分为：0.10%C, 1.80%Mn, 0.45%Mo, 0.05%Nb。其生产工艺为锻轧后空冷或直接淬火并自回火，锻轧后空冷得到贝氏体马氏体铁素体混合组织，其性能为0.2828MPa, b1049MPa, 室温冲击功86J；若直接淬火成低碳马氏体，性能为0.2935MPa, b1197MPa, 室温冲击功50J，40冲击功32J。另一种Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳马氏体钢，其屈服强度可达8601116MPa，室温冲

40、击功为4675J。低碳马氏体钢达到具有高强度、高韧性和高疲劳强度，达到了合金调质钢经调质热处理后的水平，若采用锻轧后直接淬火并自回火的工艺，最能发挥其潜力。工程结构钢：低碳贝氏体和马氏体钢双相钢：双相钢的显微组织是通过在+两相区加热淬火，或热轧后空冷得到2030马氏体和8070铁素体。马氏体呈小岛状或纤维状分布在铁素体基体上。双相钢的性能特点是：低屈服强度，一般不超过350MPa；钢的应力应变曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更无锯齿形屈服现象；高的均匀伸长率和总伸长率；高的加工硬化指数；高的塑性应变比，冲压件保持厚度均匀。双相钢首先是为了适应汽车用薄板冲压成型时保持表面光洁，无吕德斯带，并在少

41、量变形后就提高了强度的需要；也应用于冷拉钢丝、冷轧钢带或钢管上。双相钢分为退火双相钢和热轧双相钢两大类。退火双相钢又称为热处理双相钢，将板带材在+两相区加热退火，然后空冷或快冷得到铁素体马氏体组织。热轧双相钢是指在热轧状态下，通过控制冷却得到铁素体马氏体双相组织。课堂作业1 钢中常见的合金元素有哪些？这些合金元素在钢中是如何分布的？2 钢的主要强化方式有哪几种？简述其强化原理钢铁材料四 机械制造结构钢机械制造结构钢机械制造结构钢用于各种机械零件，如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构，广泛应用在汽车、机床工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几

42、种载荷同时作用。工作环境是大气、水和润滑油，温度在50100 范围之间。机械零件要求有良好的服役性能，有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳性能。机械制造结构钢根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和高锰钢等。1 机械制造结构钢调质钢结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。适用于这种热处理的钢种称为调质钢。淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到在相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，为回火屈氏体或回火索氏体。调质钢的强度主要取决于相的强度和碳化物的弥散强化作用。合金元素硅、锰、镍溶于相，起固溶强化作用。

43、钢中碳的质量分数在0.30.5%之间，可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高强度。合金元素铬、钼、钨、钒可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高强度。铬、钼、钨、钒还阻碍相的再结晶，能保持细小的晶块结构，使相也能保持足够高的强度。合金调质钢的一个特殊问题是高温回火脆性，高温回火后的冷却速度严重影响到钢的韧脆转化温度，冷速越慢，室温冲击韧性越低，脆性越大。杂质元素磷、锡、锑、砷等在晶界偏聚引起晶界脆化，是产生高温回火脆性的直接因素。合金元素铬、锰、镍、硅强烈促进高温回火脆性，合金元素Mo、W、Ti可减轻回火脆性，碳素结构钢对回火脆性不敏感。稀土元素能和杂质元素形成稳定的化合物，大大降低甚至

44、消除回火脆性，若和钼联合使用效果更佳。1 机械制造结构钢调质钢最普通的调质钢是碳素调质钢，如45钢、45B钢，用作截面较小或不要求完全淬透的零件，由于淬透性低，只能用盐水淬火。要求淬透性较高的钢有40Cr、45Mn2、40MnB、35SiMn等作为同一级，一般可用油淬火。42CrMo、42MnVB、40CrMnMo、40CrNi、35CrMo为要求淬透性更高一级的钢种。对大截面零件，要求高淬透性的调质钢为40CrNiMo、34CrNi3MoV等。调质钢经调质热处理后，其力学性能为：S8001200MPa，b 10001400MPa ，10，45，K60J/cm2.2 低温回火状态下使用的结构钢

45、低温回火钢的显微组织及力学性能：淬火低温回火得到的中、低碳回火马氏体发挥了碳在过饱和相中的固溶强化、-Fe2.4C与基体共格产生的沉淀强化及马氏体的冷作硬化。其中回火马氏体的强度主要来自固溶在马氏体相中的碳。低温回火后钢的抗拉强度与钢中的含碳量呈直线增加的根系： b 288000(C)+800MPa, 当碳含量为0.3%时， b 约为1700MPa。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到马氏体组织。2 低温回火状态下使用的结构钢淬火钢在250350范围有低温回火脆性，引起低温回火脆性有两个方面原因：一是-Fe2.4C转变为连续薄片状Fe3C,，在晶界析出，350 以上Fe3C开始球化，韧

46、性又开始恢复增长；二是杂质元素在晶界的偏聚。两者叠加起来就会产生低温回火脆性。防止低温回火脆性的措施是：避免在250350 温度范围内回火；生产高纯钢，降低磷、锡、锑等杂质元素含量；加入硅推迟脆化温度范围，使钢的回火温度可提高到320 。3 低合金超高强度结构钢超高强度结构钢是为满足飞机、火箭等航空航天器结构上用的高比强度的材料而发展起来的一类结构钢，进而应用于常规武器的零件等方面。低合金超高强度钢是以调质钢为基础发展起来的，可用作飞机起落架、飞机机身大梁、火箭发动机外壳、火箭壳体、高压容器等。为保证钢的高强度，碳的质量分数在0.270.45%范围内，当碳含量为0.30%，钢的抗拉强度约170

47、0MPa；当碳含量为0.40%，钢的抗拉强度约2000MPa。若将碳含量提高到0.50%，虽然抗拉强度可接近2300MPa，但钢的塑性和断裂韧性下降较多。3 低合金超高强度结构钢为保证零件的高强度，充分保证碳的强化作用，钢必须有足够高的淬透性，使得整个截面上得到马氏体。这就需要加入一定量的合金元素，主要是铬、锰、硅、镍、钼、钒等，进行综合合金化来有效提高钢的过冷奥氏体的稳定性。硅还可以增加钢的抗回火稳定性，使低合金高强度钢能在300320回火，得到强度和韧性的最佳配合。随着强度的提高，钢的主要的问题转化为脆性倾向。为改善低合金超强度钢的韧性，采取的措施是提高钢的纯净度，降低钢中夹杂物、气体及有

48、害杂质元素的含量。目前广泛应用的低合金超强度钢是40CrNiMo、300M、30CrMnSiNi、35Si2Mn2MoV等。3 低合金超高强度结构钢钢号CSiMnCrNiMoV40CrNiMo35Si2Mn2MoV30CrMnSiNiD6AC300M0.380.430.320.380.270.340.420.480.380.430.200.351.401.700.901.200.150.301.451.800.650.851.601.901.001.300.600.900.600.900.700.900.901.200.801.050.700.951.652.001.401.800.400.7

49、01.652.000.200.300.350.450.901.100.300.500.150.250.050.100.050.1040CrNiMo钢中合金元素的配合有效地提高钢的淬透性和较好的韧性，经900淬火和200 回火， 0.21628MPa，b 1884MPa ，10。钢中铬和锰主要提高淬透性，镍和铬组合可有效提高淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性。钼除有效提高淬透性外，还可改善回火马氏体的韧性。300M钢（ 40SiNiCrMoV ）是在40CrNiMo钢的基础上加入钒和硅并提高钼含量得到的，钒可细化奥氏体晶粒，硅可提高钢的抗回火稳定性，将回火温度由200 提高到300 以上，以改善

50、韧性。故300M钢有高淬透性和强韧性，特别是大截面钢材。300M钢的热处理工艺为：927 正火，870 淬火，淬火介质为油，最后经300 两次回火。在大截面（300mm）中心的力学性能为： 0.21520MPa，b 1860MPa ，8，30，KV39J。300M钢用来制造大型飞机的起落架等重要结构材料。HST型（Cr-Mo-V型）：本类钢是在En40C基础上开发出来的。即保持原中碳量（0.300.40%）下调整Cr、Mo、V含量，以达到高温回火下出现合金碳化物沉淀硬化的目的。 Cr、Mo、V形成的碳化物为Cr7C3、Mo2C、V4C3,二次硬化的主要元素为Mo和V, Cr的贡献较小。随着航空

51、和火箭技术等的飞速发展，在60年代初就有人提出了设计在高温回火下能够得到高强和超高强（b=16002160MPa）的新材料，从而出现了较高Cr、Mo、V型(HST)和Cr、Mo、V、Si型（H11等）的中合金中碳结构钢（二次沉淀硬化型）。4 中合金中碳高强度结构钢（二次沉淀硬化型）钢种主要化学成分（质量百分数）/%回火温度b0.2%AK/JCMnSiCrMoVMPaHST1000.370.530.343.190.960.2350055060017001740151013601360125017.719.120.249.656.756.73030HST1200.310.590.353.112.2

52、60.4350055060017401820178012901260136019.119.319.346.553.261.02830HST1400.410.610.325.132.260.485005506002010224021201360147016107.55.713.315.610.641.52112H型(Cr-Mo-V-Si)：本类钢是从5Cr工模钢移植而来。由于它在高温回火下有很高的强度和较满意的塑性与韧性，抗热性好，组织稳定，从而具有作为高速飞机高强材料的可能性。自1955年就引起航空材料部门的广泛重视，并很快应用于飞机起落架和骨架零件、炮弹和火箭壳体、高速转子等。4 中合金中碳

53、高强度结构钢（二次沉淀硬化型）典型H型钢有H11、H13、H50、MOG510等，其化学成分依V量不同，实际上分为两类：一类含V0.40.6%，相应钢种为H11、 MOG510；另一类含V0.81.3%，相应钢种为H13和H50，其它成分差别很小，波动于：C 0.320.45%, Cr4.755.5%, Mo1.11.75%, Si0.81.2%. 从二次硬化的角度出发，H型钢和HST型钢的作用原理一样，都是依赖Mo和V的合金碳化物。由于硅含量提高， H型钢的抗热性得到改善。5 高合金中碳结构钢1962年，人们发现中碳高Ni合金化下通过加Co可大大降低残留奥氏体量（因为钴提高钢的MS），并增加

54、碳化物量和弥散度，使回火时的扩散过程变慢，从而使钢强化;钴和镍一起降低位错与晶格中间隙杂质元素的相互作用能，低温下易于塑性变形，从而降低铁素体的冷脆性，这就为高强韧性的中碳高镍含钴型的新结构钢的出现奠定了基础。5 高合金中碳结构钢Ni-Co型中碳结构钢（非二次硬化型）:C,wt%HRCbMPal/J.cm-2奥氏体晶粒 No.20100 196 253 0.100.190.280.360.46364348515312301400162018101900118838063571038464494774645529254949269101011111211121213经过成分优化， 0.3C-9N

55、i-4Co钢是最佳成分配合，其中镍可稍高于9，而钴不应大于5。其优良的低温回火下和高温回火下的强韧性配合，尤其是抗冷脆能力好，使它成为高级的中强和高强结构材料。本类钢的典型代表为0.3C-9Ni-4Co是有名的高强韧配合的结构材料。9Ni-4Co钢中C量变化下的性能变化5 高合金中碳结构钢为了进一步提高0.3C-9Ni-4Co型钢的使用强度，尤其是在高温回火下有高强韧性配合，以适用高强材料，发展成了一种二次硬化的Ni-Co-Cr-Mo型钢。它是在0.3C-9Ni-4Co型钢基础上加一定量的Cr、Mo和少量V而形成的，其典型代表为HP9-4-30和BKC6。Ni-Co-Cr-Mo型中碳结构钢（二

56、次硬化型）:经过成分优化设计，高合金中碳结构钢的最佳成分范围为：Ni78%, Co 4.55%, Mo 1%左右，Cr 1%左右，V 0.1%左右, HP9-4-30和BKC6两种代表钢号的成分基本一致。这类钢的优点是：在淬火和高温回火下，有较好的强塑韧性配合，冷脆抗力大，缺口敏感性小，疲劳性能好，应力腐蚀抗力高；在350550范围内长期工作，性能稳定。可作为550 下热强钢使用，此外在350550范围长期加热下回脆敏感性小。6 超低碳马氏体时效钢（时效硬化型）中碳型高强（特别是超高强）结构钢的不足是其塑韧性配合不理想、缺口敏感性大、氢脆和应力腐蚀倾向大，工艺性能也不好，如焊接性差、容易淬裂和

57、变形、容易脱碳，冷变形硬化严重，成品机械加工困难等，使生产工艺复杂，效率不高。于是人们又开发出了超低碳Fe-Ni型马氏体时效钢。6 超低碳马氏体时效钢（时效硬化型）成分特点：基本出发点是尽可能根除碳的不利作用，使基体得到Fe-Ni型板条马氏体，应用形成金属间相的合金元素（钛、钼、铝）产生高温时效强化。首先，选择Fe-Ni的原因是：它在加热和冷却过程中存在相变滞后现象，能提供马氏体在加热到较高温度仍不变化，从而实现较高温度下的金属间相时效强化；Ni能降低Ti、Mo和Al等元素在-Fe中的溶解度，从而促进其时效强化效果；Ni降低位错运动抗力和位错与间隙元素间的相互作用，促进应力松弛，降低钢的脆性倾

58、向； Ni降低MS点，有利于空冷下得到马氏体组织。6 超低碳马氏体时效钢（时效硬化型）其次，加入较多的Co(812.5%)，原因是:Co提高MS点，有利于得到板条马氏体，并降低钢中的残留奥氏体量，为加入大量降低MS点的元素创造条件； Co 与Ni相似之处是降低位错运动抗力和位错与间隙元素间的相互作用能，有利于降低钢的脆裂倾向； Co降低Mo和W等元素在-Fe中的溶解度而促进其时效强化，并使Mo的沉淀相均匀细小分布，从而得到Mo+Co的协同高强化效应（远远超过各自单独作用）。6 超低碳马氏体时效钢下表是超低碳马氏体时效钢的主要化学成分和性能。可见，通过Mo、Co和Ti的变化（ ），可以得到十分广

59、阔的强度变化，尽管随强度提高塑韧性降低，但仍保持着较高的塑韧性水平，其高水平的强塑韧性配合可成为高强和超高强结构钢中之“王”。目前引人注目的是强度高至2800MPa以上的无Ti高MoCo型马氏体时效钢（），它有可能成为结构材料。类别主要成分（质量分数）0.2bKCHRCCNiMoCoTiMPaMPa%MPa.m1/20.03181833.388.50.20.2140014001450150015106560155/200440.0318185.55.078.50.50.4170017001800180088505512050990.03181855990.70.7190020002100205

60、087504080540.03181844.21212.51.51.6235024002400245076452535/50600.03131312181011101815161314270027402400340028002800250035003861104230362/676 超低碳马氏体时效钢 此外，本类钢有十分良好的工艺性能：能在时效前进行大的冷变形，无需中间退火就成型，顺利完成机加工（ HRC=2835 ）,因此，时效可在成品上进行；大小件均能无预热焊接，焊接性好淬透性大（空淬即行），无脱碳现象，热处理变形小，渗氮与时效可同步进行，热处理工艺简单，效果好。 由此可见，本类钢是性能与