《金属材料学》配套教学课件

金属材料学

绪论一、材料的分类绪论二、金属材料的优势1、成熟的加工工艺；

2、优越的综合性能具有导电性和磁性，并且其韧性高于陶瓷的，弹性模量高于高分子材料。

3、在相当长的时期内金属资源不会枯竭多数金属矿物能满足几百年的使用，随着科学技术的发展，可开发一些低品位矿石，并且海洋、地壳深处都有大量的金属矿物。

4、具有优异的性价比优势。

5、更重要的是金属材料本身也在不断发展。绪论三、金属材料的新进展1、非平衡态（亚稳态）合金主要包括非晶、微晶和纳米晶，准晶也属于该范畴。（1）非晶态材料具有短程有序、长程无序的特征。硬度和强度高、磁导率高，矫顽力低。非晶态磁性合金Fe78B13.5Si9作为变压器材料，其铁损为取向硅钢片的1/3左右，而价格仅高50%。

Fe80B20非晶态合金的断裂强度高达3700MPa，比一般超高强度钢高出50%，为一般结构钢的7倍，是很好的低膨胀系数和恒弹性材料。绪论

（2）微晶态材料是液态金属在快冷条件下的产物，其特点有：①微晶的强度遵循Hall-Petch公式，具有比一般金属更高的强度；②微晶材料的偏析很小，主要表现在合金在凝固过程中形成的枝晶间距很小；③由于在快冷过程中溶质原子的析出受到限制，因此，通过快冷可大大提高固溶度。绪论2、高比强度、高比刚度金属基复合材料航天、航空技术的发展对材料提出越来越高的要求，如耐高温或要求高比强度和比刚度，以最大限度地减轻飞行器的重量。金属基复合材料的比刚度比树脂复合材料的高很多。3、在特殊条件下使用的金属材料腐蚀介质、磨损、辐射、高（低）温等环境条件。绪论4、新工艺和新技术是开发新型金属材料的动力。5、金属功能材料的发展（1）金属磁性材料（2）形状记忆合金和超弹性合金（3）储氢合金（4）生物医学材料第1章金属材料的合金化原理

合金元素对铁碳相图的影响钢的合金化合金元素在钢中的存在形式合金元素对钢相变的影响合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢工艺性能的影响合金钢的编号方法合金元素为了使钢获得所需要的组织结构、物理、化学和力学等性能而添加在钢中的元素。钢中常用的合金元素有：

Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B、Re等。一、基本概念1.1合金元素对铁碳相图的影响

热脆性：S——FeS（低熔点989℃）；冷脆性：P——Fe3P（硬脆）；氢脆、白点：H。1.1合金元素对铁碳相图的影响微量元素<0.1%;Nb、Ti、V、Zr、B等。碳化物形成元素

强碳化物形成元素：Hf、Zr、Ti、Nb、V等；中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr等；弱碳化物形成元素：Mn。非碳化物形成元素Si、Al、Cu、Ni、Co等。1.1合金元素对铁碳相图的影响Fe在加热和冷却过程中产生如下的多晶型性转变：碳在Fe中形成的固溶体称为铁素体或奥氏体。

铁基固溶体：合金元素溶在α-Fe、γ-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁基固溶体。1.1合金元素对铁碳相图的影响二、合金元素对铁碳相图的影响1.1合金元素对铁碳相图的影响1、γ相稳定化元素

使A3↓，A4↑，γ相区扩大。开启γ相区元素：Ni、Mn、Co

量大时，室温可获得γ相。b)扩大γ相区元素：C、N、Cu等；扩大γ相区。奥氏体形成元素1.1合金元素对铁碳相图的影响2、α相稳定化元素

使A3↑，A4↓，γ相区缩小。封闭γ相区元素：Cr、V、W、Mo、Ti等；

Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时获得α相。b)缩小γ相区元素：W、Mo、Ti等；

W、Mo、Ti等部分溶解。铁素体形成元素1.1合金元素对铁碳相图的影响三、对S、E点成分的影响A形成元素均使S、E点向左下方移动；F形成元素使S、E点向左上方移动。

S点左移——意味着共析碳量减小；

E点左移——意味着出现莱氏体的碳量降低。

当强和中强碳化物形成元素含量较高时，继续提高合金元素含量，会使S点含碳量有所回升。

原因：形成了一部分不溶于奥氏体中的特殊碳化物，固定了钢中一部分碳，使奥氏体碳含量下降，必须再增加一部分碳才能发生共析转变。四、对A1、A3温度的影响1.1合金元素对铁碳相图的影响A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动；

F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。五、对γ-Fe相区的影响A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也为奥氏体——奥氏体钢；

F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在室温下也为铁素体——铁素体钢。1.1合金元素对铁碳相图的影响a)Cr对相区的影响b)Mn对相区的影响1.2钢的合金化一、合金元素在钢中的存在形式1．形成铁基固溶体2．形成合金渗碳体（碳化物）与氮化物3．形成金属间化合物4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相5.自由态1）置换固溶体1.2钢的合金化1、形成铁基固溶体

合金元素的固溶规律，即Hume-Rothery规律

决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似。1.2钢的合金化1.2钢的合金化1.2钢的合金化结论2）间隙固溶体①有限固溶C、N、B、O等

溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的——如γ-Fe与α-Fe。

溶质原子大小：r↓，溶解度↑。

N溶解度比C大：RN=0.071nm，

RC=0.077nm。③间隙位置优先占据有利间隙位置——畸变最小。间隙位置总是没有被填满。1.2钢的合金化②溶解度3、形成碳化物1）钢中常见的碳化物碳化物类型、大小、形状和分部对钢的性能有很重要的作用。1.2钢的合金化

（1）结合键是金属键与部分共价键的混合键，以金属键为主。（碳失去电子，填充在金属的次d层上，形成电子云）

（2）性能具有金属性，如导电、导热性能，正的电阻温度系数，具有高硬度、高熔点。2）碳化物的性质1.2钢的合金化3）碳化物的类型钢中常见的K类型有：

M3C：渗碳体，正交点阵；

M7C3：例Cr7C3，复杂六方；

M23C6：例Cr23C6，复杂立方；

M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；

MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；

M6C：复杂六方点阵。

K也有空位存在，可形成复合K，如(Cr,Fe,Mo,…)7C31.2钢的合金化M6C型具有复杂结构，存在于Fe-Mo(W)-C系中，为间隙化合物。1.2钢的合金化

复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差。简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。4、形成氮化物（1）过渡族金属的氮化物

γN/γM<0.59，均为间隙相。

A.面心立方点阵的氮化物

TiN，NbN，ZrN，VN，Mo2N，W2N，CrN，MnN，γ’-Fe4N，ε-Mn2N。

B.密排六方点阵的氮化物

WN，MoN，Nb2N，Cr2N，Mn2N。（2）铝的氮化物

AlN：正常价非金属化合物，密排六方点阵。1）钢中氮化物的结构1.2钢的合金化

（1）强氮化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V

和碳化物一样，d层电子数少，和氮的亲和力大，在钢中形成自己的固定氮化物，几乎不溶于奥氏体。（2）中强氮化物形成元素：W，Mo

稳定性较高。

（3）弱氮化物形成元素：Cr，Mn，Fe

高温时溶于奥氏体，低温时可析出。

（4）AlN

稳定性很高。2）氮化物的稳定性1.2钢的合金化3）氮化物的作用（1）细化晶粒：AlN——本质细晶粒钢。（2）提高表面耐磨性和疲劳强度（3）提高表面耐蚀性4）氮化物的相互溶解（1）完全互溶：氮化物类型相同，金属原子的电化因素、尺寸因素相近。（2）有限溶解：如高Cr钢表面渗氮后形成(Fe，Cr)2N，

(Fe，Cr)4N。（3）氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物：如含Ti

钢中，可形成Ti(C，N)。1.2钢的合金化5、形成金属间化合物在高铬不锈钢、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σ相。伴随着σ相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。1）σ相2）AB2相（拉维斯相）是含W、Mo、Nb、Ti的耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相，具有较高的稳定性。3）AB3相（有序相）4）A6B7相组元之间的电化学性差别不足以形成稳定的化合物，是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。1.2钢的合金化6、形成非金属相和非晶体相FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3等氧化物。

MnS、FeS等硫化物；

2MnO·SiO2、CaO·SiO2等硅酸盐；AlN7、自由态Cu、Pb等元素的含量超过它在钢中的溶解度后，将以较纯的金属相存在。1.2钢的合金化二、合金元素在不同热处理状态下的分布1.2钢的合金化三、合金元素的偏聚1.2钢的合金化1.2钢的合金化影响因素缺陷处溶质浓度1.3合金元素对钢的相变影响一、对铁素体、奥氏体相自由能的影响1、降低△Fv：C、Mn、Cr、Ni，↓相变驱动力；

2、提高△Fv：Al、Co，↑相变驱动力；

3、影响不大：Mo、W。二、对碳的扩散和活度的影响1、Cr、Mo、Ti、Nb：↓铁在奥氏体中的自扩散，↓铁原子的活度，↑铁原子间的结合力；

2、C：↓铁原子间的结合力，↑铁原子扩散。1、碳化物形成元素：↓碳的活度，↑碳在固溶体中的结合力，↑Q，↓D。2、非碳化物形成元素：↑碳的活度，↓碳在固溶体中的结合力，↓Q，↑D。三、对Fe在奥氏体中自扩散的影响1.3合金元素对钢的相变影响四、对钢奥氏体化的影响①Co、Ni：↑碳的扩散，↑γ相的形成速度；②Si、Al、Mn：影响不大；③Cr、Mo、W、Ti、V：↓碳的扩散，↓γ相的形成速度。1、Me对奥氏体形成的影响

通过对碳化物稳定性的影响及对碳在奥氏体相中的扩散来影响的。相组成：（合金α+合金K）→γ碳含量：

0.02%2.11%点阵结构：bcc各种晶型fcc2、对渗碳体溶解的影响4）强、中强K形成元素会↑碳化物的稳定性，↓碳化物的溶解，↓奥氏体形成。5）弱K形成元素对碳化物的溶解无影响。K在γ中溶解规律1.3合金元素对钢的相变影响1）K稳定性越好→溶解度越小；2）温度↓，溶解度↓

→K沉淀析出；3）稳定性差的K先溶解；1.3合金元素对钢的相变影响

合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。1.3合金元素对钢的相变影响3、对奥氏体成分均匀化的影响奥氏体刚形成时，C和Me的分部是不均匀的。思考：合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别？4、对奥氏体晶粒长大的影响

1）Ti、Nb、V↓↓，W、Mo↓晶粒长大；由于形成的碳化物或氮化物稳定性高，高温时不溶解，可钉扎晶界；若溶解于奥氏体中，则会↑Fe原子间的结合力，↓Fe的自扩散系数，↓奥氏体晶粒长大。

2）C、N、B↑晶粒长大；由于它们溶于奥氏体后会↓铁原子的自扩散激活能。

1.3合金元素对钢的相变影响3）Ni、Co、Cu作用不大；

4）钢中碳含量在中等以上时，Cr↓晶粒长大，Mn↑晶粒长大。低碳钢时，Mn↓晶粒长大。

5）Al、Si含量少时，以夹杂物存在，可阻碍奥氏体晶粒长大；当以合金元素大量加入时，在促进奥氏体晶粒长大。1.3合金元素对钢的相变影响五、对钢的过冷奥氏体分解转变的影响1、过冷奥氏体的稳定性

实质是相变的孕育期和相变速度。1.3合金元素对钢的相变影响1）Ni、Si和Mn：大致保持碳钢C曲线形状，使C曲线向右作不同程度的移动；2）Co：不改变C曲线，使C曲线左移；3）碳化物形成元素：使C曲线右移，且改变形状。其作用有五种。1.3合金元素对钢的相变影响1.3合金元素对钢的相变影响强碳化物形成元素非碳化物形成元素中弱碳化物形成元素2、过冷奥氏体的珠光体、贝氏体转变（1）珠光体转变：扩散型转变，需要C和Me都扩散。γ→P（合金α＋合金K）

Fe：扩散型转变重建晶格。

C，Me：扩散重新分布。1.3合金元素对钢的相变影响Me对过冷奥氏体珠光体转变的综合作用K形核和长大γ→α时Fe的自扩散γ→α时α相形核功Ti，Nb，V推迟（当奥氏体分解时，特殊碳化物的形核和长大主要取决于Ti、Nb、V原子的扩散富集，而不取决于碳的扩散）－－W推迟推迟（较强），因增加了固溶体原子间的结合力－Mo推迟推迟（弱）－Cr推迟推迟（强烈）－Mn推迟，因需要形成含Mn较高的合金渗碳体－增加Ni－－增加Al推迟，因奥氏体分解时，它必须从渗碳体的形核和长大区扩散开－－Si推迟，原因同上推迟，提高了铁原子的结合力－1.3合金元素对钢的相变影响（2）贝氏体转变：半扩散型转变，C作短程扩散，Me几乎没有扩散。转变的控制因素：C的扩散和γ→α转变的形核功。C、Si、Mn、Cr、Ni：↑α相形核功，↓γ→α转变，↓贝氏体转变。W、Mo、V、Ti：↓DγC，↓贝氏体转变，但作用比Mn、Cr、

Ni小。W、Mo、V、Ti推迟贝氏体转变的作用比推迟珠光体转变的弱，在空冷时易获得贝氏体组织。1.3合金元素对钢的相变影响3、Me对马氏体转变的影响降低Ms：C最强烈，Mn，Cr，Ni次之，V，Mo，W，Si再次之。升高Ms：Co，Al。Ms点越低，室温中残余奥氏体越多；当Ms点远低于室温时，在室温可获得稳定的奥氏体组织。合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。1.3合金元素对钢的相变影响A、合金元素对马氏体分解马氏体分解过程：

M→C在晶体缺陷处偏聚→α(0.25%C)＋ε-FexC→α＋Fe3C（完全分解）1.3合金元素对钢的相变影响4、合金元素对淬火钢回火转变的影响低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大；中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响：

1）Ni、Mn的影响很小；

2）碳化物形成元素阻止M分解，其程度与它们与碳的亲和力大小有关。这些Me↓ac，阻止了渗碳体的析出长大；1.3合金元素对钢的相变影响B、合金元素对回火时AR转变的影响（1）合金元素一般使AR分解温度升高，Cr、Mn、Si作用最大。（2）“二次淬火”高合金钢AR在中温稳定区（500~600℃）保温一段时间后，冷却时将发生AR→M转变。①AR在加热时析出部分碳化物，↓AR中C%和Me%，↑Ms点，冷却时发生马氏体相变。②AR并未析出碳化物，而是发生反稳定化现象，使Ms点↑，冷却时发生马氏体相变。原因作用：用以消除高速钢、高合金模具钢等钢种的AR。1.3合金元素对钢的相变影响C、合金元素对回火时K形成、聚集和长大的影响1.3合金元素对钢的相变影响3）特殊K的形成

原位析出：αM→α0+M3CMXCY（M7C3，M23C6）原位析出时，通常碳化物颗粒较粗大无弥散硬化作用。

异位析出：αM→αP+M3C

α0+MXCY（MC，M2C）异位析出时，碳化物颗粒细小，有弥散硬化作用。1.3合金元素对钢的相变影响D、回火脆性1.3合金元素对钢的相变影响1）第一类回火脆性特征①不可逆；②与回火后的冷速无关；③晶界脆断。原因①Fe3C薄膜在晶界形成；②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，降低晶界强度。Me作用①Mn、Cr↑脆性；②Si↑脆性温度区；③

V、Al、Mo等改善脆性。1.3合金元素对钢的相变影响1）第二类回火脆性特征①可逆；②回火后慢冷产生，快冷抑制；③晶界脆断。原因①杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成网状或片状化合物↓晶界强度。Me作用①N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；②Mn、Ni与。杂质元素共偏聚，是促进剂；③

Cr促进其他元素偏聚，是助偏剂；④Mo、W、Ti抑制其他元素偏聚，是清除剂。E、合金元素对α相再结晶的影响

合金元素提高α相再结晶温度，对保持回火组织的强度及提高热强性有作用。α-Feα-Fe0.1%C2%Ni2%Si1%Mn2%Cr1.5W2%Mo再结晶温度℃520550550550575630655650原因：合金元素影响固溶体中原子间结合力及特殊碳化物钉扎位错。1.3合金元素对钢的相变影响一、Me对钢强度的影响1.4合金元素对钢力学性能的影响1、固溶强化1.4合金元素对钢力学性能的影响对于C、N等间隙原子，n=0.33~2.0；对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n=0.5~1.0原子固溶→晶格发生畸变→产生弹性应力场，与位错发生交互作用→增加位错运动阻力→提高强度，降低塑韧性。2、细晶强化1.4合金对钢力学性能的影响晶粒越细→晶界、亚晶界越多→有效阻止位错运动→产生位错塞积强化→既提高强度，又提高塑韧性，是最理想的强化途径。1.4合金元素对钢力学性能的影响3、第二相强化1.4合金元素对钢力学性能的影响

第二相钉扎位错，阻碍位错运动，第二相间距λ越小，强化效果越大。运动位错遇到滑移面上的第二相粒子时主要通过切过或绕过机制，滑移才能继续进行→提高强度，但稍降低塑韧性。钢中第二相粒子来源：回火时弥散沉淀析出；淬火时残留的第二相。1.4合金元素对钢力学性能的影响4、位错强化1.4合金对钢力学性能的影响位错密度ρ增加→位错交割、缠结→有效地阻止了位错运动→提高强度，降低塑韧性。

位错强化在强化的同时，也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度TK。1.4合金元素对钢力学性能的影响二、Me对钢韧性的影响1、断裂机制

1.4合金元素对钢力学性能的影响

（a）延性断裂（b）解理断裂（c）沿晶断裂延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程。解理断裂抗力与晶粒大小有关：晶粒越细，则位错塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性增高。沿晶断裂是晶界弱化而引起的：①溶质原子（如P、As、Sb、Sn）在晶界上偏聚；②第二相质点（如MnS、Fe3C等）沿晶界分布。2、影响韧性的因素

一般情况，钢强度↑→塑韧性↓，称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其他强化因素都会不同程度地降低韧性。危害最大的是间隙固溶；沉淀强化危害较小，但对强化贡献较大。强化因素1.4合金元素对钢力学性能的影响1.4合金元素对钢力学性能的影响合金元素Ni↑韧性；Mn在少量时也有效果；其他常用元素都在不同程度上↓韧性。杂质

杂质往往是形变断裂的孔洞形成的核心，因此提高钢的冶金质量时必须的。第二相

第二相↓韧性。应尽量使第二相小、均匀、圆、适量。晶粒度

细化晶粒既↑强度，又↓↓TK，即↑韧性，是最佳的组织因素。3、提高钢韧度的合金化途径1.4合金元素对钢力学性能的影响（1）提高延性断裂抗力的主要途径：

①减少钢中第二相的数量，特别是夹杂物数量，改善第二相粒子的性质、尺寸、形状和分布；②提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶强化效果大的合金元素，如降低Si、Mn、P、C、N的含量；③提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧性的主要措施是提高回火温度，故而发展了调质钢。1.4合金元素对钢力学性能的影响（2）提高解理断裂抗力的主要途径：

①细化晶粒。如通过正火、控制轧制、加入细化晶粒的合金元素；②钢的解理断裂有一个很重要的特性——冷脆现象。向钢中加入Ni元素可以显著降低钢的Tk

；③更换基体组织，采用没有冷脆现象的面心立方γ-Fe为基的奥氏体钢。1.4合金元素对钢力学性能的影响（3）提高沿晶断裂抗力的主要途径：

①防止溶质原子沿晶界分布，如加入合金元素Mo、Ti或Zr，这几个元素与杂质元素有更强的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界偏聚，从而减轻回火脆性倾向；②防止第二相沿晶界析出，如减少钢中S含量或加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物，在高温加热时不会熔解，可防止MnS在晶界析出。

1.5合金元素对钢工艺性的影响

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，材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。

P、Si、C等元素↑冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能↓Si、C等量。一、冷成型性1.5合金元素对钢工艺性的影响

热压力加工包括：锻造、轧制、拉拔等。

Me溶入基体→产生畸变，↑热变形抗力→热压力加工性能↓。如Mo、W、Cr、V等元素影响较大。C和Me量较多时，形成共晶K，热压力加工性更差。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。二、热压力加工性1.5合金元素对钢工艺性的影响

不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑加工速度；精加工主要考虑表面粗糙度。为提高钢的切削性能，可加入S、Pb、P。碳钢硬度在179~230HB时，切削性能最好。对组织来说，P:F=1:1时较佳。不同含碳量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：对碳钢：<0.1%C，宜淬火；

<0.5%C，宜正火；

<0.8%C，宜退火；

>0.8%C，宜球化退火。三、切削加工性1.6钢的编号

我国的钢号表示方法，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB/T221—2000）中规定，并于2000年11月1日开始实施。一、GB标准钢号表示方法

屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；质量等级最高的是D级；脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。专用工程构件结构钢还在牌号的头部（或尾部）标注出代表产品用途的符号，例如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；焊接气瓶用钢牌号表示为“Q295HP”。1、结构钢：碳素（低合金）结构钢牌号表示Q+屈服点值（MPa）+质量等级（A、B、C、D）+脱氧方法（F、b、Z、TZ）1.6钢的编号2、机器零件制造用钢牌号由三部分组成，即由“二位数字+元素符号+数字”组成。①前面的两位数字表示钢的碳的质量分数的万倍（即万分之一）；②元素符号表示所含合金元素，后面的数字表示合金元素含量的百倍（即百分之一）。合金元素平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%、……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……。③高级优质钢(S、P含量分别≤0.025%)，在牌号尾部加符号“A”表示。特级优质钢(S≤0.015%、P≤0.025%)，在牌号尾部加符号“E”。1.6钢的编号④加S易切削钢和加S、P易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。如Y15；较高含锰量的加S或加S、P易切削钢在符号“Y”和阿拉伯数字后加Mn元素符号。如Y40Mn；含Ca、Pb等易切削元素的易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加易切削元素符号。如：“Y15Pb”、“Y45Ca”。

⑤非调质机械结构钢，在牌号头部分别加符号“YF”和“F”表示易切削非调质机械结构钢和热锻用非调质机械结构钢，牌号表示方法的其他内容与合金结构钢相同。例如：“YF35V”、“F45V”。1.6钢的编号⑥高碳铬轴承钢的牌号在头部加符号“G”，但不标碳含量。Cr含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示，如GCr15；渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：“G20CrNiMo”。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”；高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢，采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。1.6钢的编号3、工具钢

碳素工具钢牌号由“T+数字（碳的质量分数的千倍）表示①一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如T8A，T12等。②含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时在牌号的尾部标以Mn。1.6钢的编号①牌号表示方法与机械制造用结构钢相似，但当其平均碳的质量分数大于1%时，含碳量不标出，当其平均碳的质量分数<1%时，则牌号前的数字表示平均碳的质量分数的千倍（即以0.1%为单位，用1位数字表示）。合金元素的表示方法与合金结构钢相同。

如：9SiCr表示平均碳的质量分数为0.9%左右，铬、硅各为1%左右；Cr12表示平均碳的质量分数大于1%，含铬为12%左右。②合金工具钢都属于高级优质钢，故不再在牌号后标出“A”字。③塑料模具钢在牌号头部加“SM”，牌号表示方法与优质碳素结构钢和合金工具钢相同。例如：SM45、SM3Cr2Mo。合金工模具钢1.6钢的编号4、不锈钢和耐热钢

牌号前若为一位数字则表示平均碳的质量分数的千倍（以0.1%为单位），如3Cr13；当C%≥1%时采用二位数字表示（0.01%为单位），如11Cr17。合金元素的表示方法与其它合金钢相同。

当w(C)≤0.03%时，在牌号前冠以“00”，当w(C)≤0.08%时，在牌号前冠以“0”。易切削不锈钢、易切削耐热钢在牌号头部加“Y”。牌号由“数字+元素符号+数字”组成1.6钢的编号

牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号“H”。例如：“H08”、“H08Mn2Si”、“H1Cr18Ni9”。

高级优质焊接用钢，在牌号尾部加符号“A”。例如：“H08A”、“08Mn2SiA”。5、焊接用钢

工程结构钢的基本要求低合金高强度结构钢的合金化铁素体-珠光体钢低碳贝氏体钢、针状铁素体钢和马氏体钢双相钢第2章工程结构钢

工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占90%左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在C<0.25%的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等。耐候Z型钢用于体育馆镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架现代化蔬菜大棚工程构件的服役特点：

1.不作相对运动，长期承受静载荷作用；

2.有一定的使用温度和环境要求：如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用；

3.桥梁或船舶长期经受大气或海水的浸蚀；

4.电站锅炉构件的使用温度可达到250℃以上。2.1工程结构钢的基本要求力学性能要求如下：

1、高的强度。

2、良好的塑性；

3、冲击韧性好；（1）一定的常温冲击韧性；（2）尽可能低的脆性转变温度；（3）低的时效敏感性。预先拉伸10%的板试样，在250℃，1h人工时效后，测出室温冲击韧性，与原材料相比，不得低于50%，且不小于27J。2.1工程结构钢的基本要求时效现象

低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）产生原因C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如某钢板刚变形时，Ak=120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等。2.1工程结构钢的基本要求工艺性能要求：良好的成形工艺性能和焊接性能。要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。

以工艺性能为主，力学性能为辅。2.1工程结构钢的基本要求成分设计要求：

1.低碳（w(C)%≤0.25%）；

2.加入适量的合金元素提高强度（1）当合金元素含量较低时，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；（2）合金元素含量较高时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体和马氏体。供货状态：大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用，有时也在回火状态下使用。2.1工程结构钢的基本要求

一、工程结构钢的强化机制在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：①溶入铁素体中，起固溶强化；②细化晶粒，起细晶强化；③析出碳化物、碳氮化物，起弥散强化；④增加珠光体含量。

1.固溶强化主要利用Mn、Si、Cu、P等元素溶入铁素体中来提高强度。2.1工程结构钢的基本要求C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑

C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型性。如0.1%C，Tk为-50℃，0.3%C，Tk为50℃

。一般均应限制在0.2%以下。Si

最常用且经济的元素，强化铁素体较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑Tk，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%。Mn

固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa，约有3/4量溶入铁素体中；弱的细晶作用，↓Tk。量多时可大为降低塑、韧性。所以Mn控制在<1.8%。2.1工程结构钢的基本要求Nb、V、Ti、Al

形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶强化又沉淀强化，↑σs

，↑δ

、Ak，综合效果↓Tk。改善焊接性。Re

脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓Tk。

所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的Mn含量，并适当用Si强化。2.1工程结构钢的基本要求钢的韧-脆转折温度与碳含量的关系合金元素对低合金高强度钢的固溶强化2.1工程结构钢的基本要求2.1工程结构钢的基本要求2.细晶强化符合Hall-Patch关系：

细化晶粒的途径很多，其中重要的是用Al脱氧和合金化。从合金化角度主要有两点：

（1）加入强碳化物形成元素（V，Ti，Nb）细化奥氏体晶粒加热时未溶碳（氮）化物粒子阻碍奥氏体晶粒长大；控制轧制中析出碳（氮）化物粒子阻止形变奥氏体晶粒长大。

（2）加入Cr，Mn，Ni，Mo细化铁素体和珠光体固溶于奥氏体中，降低A3温度，可增加过冷奥氏体的过冷能力，使奥氏体在更低的温度下发生转变，从而细化铁素体和珠光体。

2.1工程结构钢的基本要求3.沉淀强化固溶于奥氏体中的V，Ti，Nb，在冷却至Ar1~600℃时，在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒，产生弥散强化作用。（1）产生原因

V，Ti，Nb是强碳化物形成元素，有优先形成碳化物的特性。

V，Ti，Nb在奥氏体和铁素体中溶解度的剧烈改变。（2）形态相间沉淀：在α／γ相界面析出。紊乱分布：在铁素体内位错线和基体上析出。（3）强化效果：Nb>Ti>V2.1工程结构钢的基本要求4.增加珠光体含量当C<0.1%，珠光体约为10~15%时，珠光体数量对σs无影响，但增大σb。由于珠光体增多会降低塑性，韧性，可发展无珠光体钢，以满足焊接、深冲、耐低温、耐腐蚀需要。2.1工程结构钢的基本要求二、工程结构钢的焊接性金属结构焊接时要求焊缝与母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝的热影响区有较高的韧性，无焊接裂纹。焊接时，焊缝被钢液充填，电弧移走后，焊缝的热量为周围的母材所吸收，焊缝的冷速很大，往往超过母材钢种的临界冷却速度而发生局部淬火，产生相变，在焊缝和热影响区产生很大的内应力。热影响区由于温度高而引起晶粒粗化以及形成马氏体组织。这些都促使焊接裂纹的产生。2.1工程结构钢的基本要求加入合金元素恶化工程结构钢焊接性的因素有：①增加钢的淬透性，焊后冷却发生马氏体转变，升高内应力；②钢中含碳量增高马氏体的比容和硬度，引起内应力增加；③降低Ms点，易获得孪晶M；④钢中含氢量高使钢的塑性下降，引起氢脆。一般来说，加入合金元素会使钢的焊接性变差，影响最大是C，所以低碳钢的焊接性较好，焊接后，可获得位错型的板条马氏体，韧性好。2.1工程结构钢的基本要求三、工程结构钢的耐腐蚀性能工程结构多是在大气或海洋中服役，在潮湿空气作用下，会产生电化学腐蚀，因而要求有抗大气腐蚀的能力。

1.抗大气腐蚀的元素：Cu、P、Cr、Ni等

2.抗S或抗H2S气体腐蚀的元素：Cr、Mo、Al3.抗海水腐蚀的元素：Mn、P、Re2.2铁素体-珠光体钢F-P钢是工程结构钢中最主要的一类钢种，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金化钢。碳素工程结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。高强度低合金钢有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460。有低温冲击韧性要求。组织：10~25%片层状P和75~90%多边形F。

最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到微米级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa。2.2铁素体-珠光体钢<0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能；低碳合金元素

主加合金元素主要是Mn，是经济性能较好的钢种；辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，以细化晶粒，可提高强度，又可降低韧脆转折温度Tk；加入一定量的Cu和P以改善钢的耐大气腐蚀性能。加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。一、低合金高强度钢20世纪70年代后发展起来的一大类高强度低合金钢。是在现有钢类中添加了微量Ti、Nb、V使钢的性能明显提高。为了充分发挥微合金元素的作用，同时发展了与之配套的控制轧制和控制冷却工艺，是细晶强化和沉淀强化的最佳组合。强化机理

→析出强化和晶粒细化↑钢性能。

→Nb、V、Ti微合金化和控轧控冷工艺。二、微合金钢2.2铁素体-珠光体钢1.成分控制目的：保证在热轧温度下，细小分散物稳定，但不占据较大体积分额，不损害室温下的塑性和韧性。合金元素：Al、Nb、Ti、V

形成具有高的稳定性的氮化物、碳化物和碳氮化物。2.控制轧制和控制冷却（1）控制轧制高温形变热处理→使奥氏体中形成大量铁素体相变核心→使铁素体晶粒细化，从而提高热轧钢的强韧性。2.2铁素体-珠光体钢第一阶段：使粗大的奥氏体（a）多次变形和再结晶而细化（b），但这时由奥氏体转变的铁素体仍然较粗大（b’）；第二阶段：奥氏体晶粒变形拉长，晶内存在变形带，而且使铁素体在变形带以及奥氏体晶界上形核，从而形成细小的铁素体（c’）；控制轧制包括：①高温下的再结晶区变形；②在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；③在奥氏体-铁素体两相区变形。第三阶段：在两相区，奥氏体由于形变诱发发生相变，形成等轴状颗粒组织，颗粒状中有部分受形变作用产生回复，形成亚结构（d’），形成一种等轴晶粒与亚晶所组成的混晶组织，由亚晶强化可以使强度得到进一步提高。控制轧制三个阶段及每个阶段变形时显微组织的变化示意图2.2铁素体-珠光体钢

常规热轧和控制轧制之间的基本差别：普通低合金高强度钢热轧加热大部分都在1200~1300℃，在热轧过程中每一道次都发生奥氏体的再结晶，且只在晶界上形核；控制轧制时，在比通常轧制温度更低的范围内进行，形核发生在晶内及晶界上。

因此，常规热轧的晶粒细化受到限制，而控制轧制时依靠变形带，晶粒被分割成好几个部分，可形成非常细小的晶粒组织。2.2铁素体-珠光体钢（2）控制冷却对截面较厚的钢材，若冷却速度过慢，析出的先共析铁素体将长大，珠光体团和片层也粗化，降低了钢的强度和韧性。另外，冷却过慢则发生相间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，减弱了沉淀强化效应。

根据截面厚度不同，可采取强制风冷、喷雾、喷水等措施来控制冷却速度。在热轧板材生产中，控制板材卷取温度也很重要，卷取温度一般控制在600~650℃，使600℃以下冷速减慢，以便改善板材的塑性和韧性。2.2铁素体-珠光体钢3.Nb、V、Ti在微合金化钢中的作用

（1）阻止奥氏体晶粒长大通过加入Ti和Nb形成TiN或Nb(C,N)，它们在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的奥氏体晶粒长大有强烈的抑制作用。Nb最有效，Ti次之，V则基本上不起细化奥氏体晶粒的作用。（V在1100℃全溶于奥氏体中，Nb：1325~1360℃，Ti：1255~1280℃）

（2）抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，通过应变诱导析出Nb、Ti、V的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉扎作用，有效地阻止奥氏体再结晶的晶界和位错的运动，抑制再结晶过程的进行，其作用顺序是:Nb>Ti>V

。2.2铁素体-珠光体钢

（3）沉淀相与沉淀强化

Ti和Nb的碳化物和氮化物及V的氮化物具有足够低的固溶度和高的稳定性。因此，一般微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb（C，N）和VC。Nb≤0.04%时，△σG>△σph；Nb≥0.04%时，△σph增量大大增加，而△σG保持不变。V引起析出强化增量△σph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。2.2铁素体-珠光体钢（4）改变钢的显微组织

Ti、Nb、V等合金碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，如Nb(C,N)在1150℃溶于奥氏体的铌约0.03%，而V(C,N)更易溶于奥氏体。在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金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组织更细小，并使相间沉淀Nb（C，N）和V（C，N）的粒子更细小。2.2铁素体-珠光体钢2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢一、低碳贝氏体钢

低碳：0.10~0.20%，一般为0.10~0.15%（保持韧性，提高焊接性）

使用状态组织：贝氏体。

加工过程：轧制空冷或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织。

屈服强度较高：可达450~980MPa（贝氏体的相变强化）低碳贝氏体钢与相同碳含量的F-P型钢相比，具有更高的强度和良好的韧性。

合金元素的作用是保证在较宽冷速范围内获得以贝氏体为主的组织成分特点：0.5%左右Mo+微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V

主要用于制造容器的板材和其他钢结构14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级主要特点2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢

对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。①针状铁素体钢实际上属于超低碳贝氏体钢。

②

≤0.06%C+适量Mn、Mo、Nb等，实施控轧控冷技术，获得具有高密度位错（1010cm-2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。③σs达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好。④用于现场焊接条件极其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。基本特点二、针状铁素体钢2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢三、低碳马氏体钢工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，要求有更高的强度、良好韧性和超群的疲劳性能。<0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合→淬火和自回火获得低碳回火马氏体，具有高强度、高韧性和高疲劳强度。

如BHS-1钢（0.1C-1.8Mn-0.45Mo-0.05Nb锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质后的性能水平。

制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和、冷拔及制作高强度紧固件。拉杆等，也可用于冷镦。2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢2.4双相钢

传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冲压成型性，因而需要改善强度-成型性的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决。

主要成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。成分组织F+M组织，F（70~80%）基体上分布不连续岛状混合型M（20~30%）→双相钢。

F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中。2.4双相钢

低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后强度可达500~700MPa。性能2.4双相钢

将热轧的板材或冷轧的薄板在两相区（γ+α，740℃~800℃））加热退火时，在铁素体基体上形成20~30%的奥氏体，并且C、Mn等奥氏体形成元素富集于奥氏体中，提高过冷奥氏体的稳定性，抑制珠光体转变，在空冷条件下即能转变成马氏体，获得F+M。

热处理双相钢

热轧后直接成材，控制转运台的冷却，使钢形成70~80%的细小多边形铁素体。未转变的奥氏体因C%上升和Me上升，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到F+M的双相组织。通常，这类钢的成分较一般低合金高强度钢含较高的合金元素。

热轧双相钢2.4双相钢

冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋、薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到F+M双相钢组织，后经冷拔、冷镦等工艺制成成品，可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用双相钢可使汽车重量降低10~30%。

应用2.4双相钢2.5低合金高强度钢发展趋势2.6抗震耐火钢一、概述建筑结构：钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。钢结构的优点：施工速度快、节能环保、综合经济指标佳、建筑造型美观、抗震性能好等。钢结构的缺点：防火、防腐性能较差。当普通建筑用钢温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温强度的一半；温度达到600℃时，钢材基本丧失强度和刚度。2.6抗震耐火钢耐火钢强度级别：400MPa、490MPa和520MPa。耐火钢品种：板材、H型钢和钢管。目前耐火钢在日本、韩国及欧美国家已获得广泛的应用。我国的钢铁研究总院从20世纪90年代中期开展了建筑用耐火钢的研究。武汉钢铁（集团）公司、马鞍山钢铁股份有限公司、鞍山钢铁集团公司、首钢、莱钢、攀钢等都积极开展了耐火钢的开发工作。

2.6抗震耐火钢二、抗震耐火钢的性能要求

（1）良好的高温强度，600℃屈服强度不小于2/3常温屈服强度。（2）满足普通建筑用钢的标准要求，室温力学性能等同或优于普通建筑用钢。（3）高的抗震性能，室温屈强比不大于80%，降低屈服强度波动范围。（4）良好的焊接性能，优于普通建筑用钢。2.6抗震耐火钢二、抗震耐火钢的合金化1、合金化机理

利用固溶强化和第二相的析出强化作用。2、合金元素作用C和N是强烈的间隙固溶强化元素，随着温度的提高，碳和氮在钢中的溶解度增加，提高钢的高温强度。

C%↑，→↓焊接性，→C%≤0.11%C和N

微合金化元素Nb、V、Ti析出物具有良好的高温稳定性，可起到细化奥氏体晶粒尺寸和沉淀强化作用，使钢保持较高的高温强度和蠕变强度。微合金元素

是一个主加元素。可提高高温强度和蠕变强度及钢的耐候性。Cr2.6抗震耐火钢Mo是提高钢的高温强度最为有效的元素，目前已有的耐火钢中均以Mo作为高温强化元素。

Mo固溶于铁素体中，强化了铁素体基体；偏聚在晶界上，强化晶界。→↑↑钢的高温强度与蠕变强度。MoMo↑过冷奥氏体的稳定性，→相变后得到更加细小的铁素体组织。

Mo%↑，→钢中贝氏体体积分数↑。获得细小的多边形铁素体和高位错密度的贝氏体组织，→良好的高温性能。

与微合金元素复合添加，↑高温强度。MoC细小弥散分布在基体中，提高钢的强度。在Mo%相对较高的耐火钢中，Mo2C可起二次硬化作用。

概述结构钢的强度与脆性整体强化态钢表面强化态钢其他机械制造结构钢第3章机械制造结构钢用途制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。成分

C：0.08~0.65% Me：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti、Al、B等。通常合金元素含量不超过5%，少数钢在5~10%。质量一般为优质钢，少数为高级优质钢。按用途分类渗碳钢、低碳马氏体钢、调质钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。3.1概述按热处理状态来分（2）在整体淬火回火状态下使用的钢种：②弹簧钢：在淬火中温回火状态下使用③滚动轴承钢：在淬火低温状态下使用④超高强度钢：包括在淬火低温回火下使用的中碳或低碳马氏体型钢、二次硬化型超高强度钢和马氏体时效钢。①调质钢在淬火高温回火状态下使用（1）一般供应或正火状态下使用的钢种3.1概述（4）高频淬火用钢高、中频淬火后低温回火使用

（3）在化学热处理后使用的钢种3.1概述3.1概述机器零件用钢的服役条件：

1、承受拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等力的作用，或者是多种载荷的交互作用。服役环境是大气、水和润滑油，温度在-50℃~+100℃范围之间。

2、机器零件要求结构紧凑、运转快速准确以及零件间有合适的公差配合等。因此机器零件用钢在性能上的要求与工程构件用钢有所不同。

3.1概述

机器零件用钢对力学性能要求：

1、要求一定的强度和韧性，以保证机器零件体积小、结构紧凑及安全性好;2、要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力。3.1概述机器零件对工艺性能的要求：

主要是便于制造加工。通常机器零件的制造工艺流程为：型材→改锻→预先热处理→粗加工→最终热处理→精加工其中以切削加工性能和热处理工艺性能为机器零件用钢的主要工艺性能；对钢材的其它工艺性能（如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等）也有要求，但一般问题不大。

机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。3.1概述机器零件用钢合金化特点：

主加元素Cr、Mn、Si、Ni。主要作用：↑淬透性和力学性能。辅加元素Mo、W、V等。

↓过热敏感性，↓回火脆性，↑淬透性。最佳范围

结构钢常用范围：<1.2%Si，<2%Mn，1~2%Cr，1~4%Ni，<0.5%Mo，<0.2%V，<0.1%Ti，0.4~0.8%W。单独加入或复合加入。

①有的元素增多后，会降低材料塑韧性。如低碳构件钢中的Si、Mn含量。

②有些元素增多，会恶化K的分布。如轴承钢中的Cr。

③有的元素含量过多，会改变K类型，增加热处理过程的难度。如V、Mo含量。

④合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。3.1概述3.1概述零件材料和工艺选择途径：

①低碳马氏体型结构钢，采用淬火+低温回火。为提高耐磨性，可进行渗碳处理；汽车、拖拉机齿轮类为代表。

②回火索氏体型，选用中碳钢，采用淬火+高温回火。为了提高耐磨性，可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。1、对于要求良好综合力学性能，零件选材的途径为：3.1概述2、如要求更高的强度，则适当牺牲塑韧性。可选择中碳钢，采用低温回火工艺。如低合金中碳马氏体钢。农用机械应用较多。3、如要求高的弹性极限和屈服强度，又要有较高的塑性和韧度，则选择中高碳钢，进行中温回火。如弹簧钢。4、零件要求高强度、高硬度、高接触疲劳性和一定的塑性和韧度，可用高碳钢，淬火+低温回火。如轴承钢。3.2结构钢的强度与脆性

一、结构钢的强化1.位错强化在再结晶温度以下，随着形变量增大，在晶体内产生均匀分布的高密度位错或不均匀分布的胞状结构（即位错密度低的区域被高密度位错墙所分割），位错密度升高，硬度上升、塑性和韧性下降。

τ＝τ0＋αGbρ1/2τ—金属的流变应力；τ0—退火金属的流变应力；α—系数，0.5；G—切变模量；b—柏氏矢量；ρ—位错密度途径：冷形变，相变过程中的切变。

3.2结构钢的强度与脆性

2.细晶强化σs=σ0+kyd-1/2d：淬火前奥氏体晶粒尺寸。（淬火回火钢）

措施：未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。多次循环加热淬火细化奥氏体晶粒。

3.固溶强化（1）利用碳的固溶强化。具有多型性转变是进行淬火的必要条件。1%C：可使σs增高550MPa，但C在α-Fe中溶解度0.025%。（2）利用合金元素的固溶强化。利用Mn，Si，Cr，Ni等在α相中的固溶强化。1%Mo：在α-Fe中溶解度30%，但其提高σs

的强化系数只有11MPa/%。3.2结构钢的强度与脆性

4.沉淀强化将多量的合金元素溶入α铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。合金钢：析出碳化物。马氏体时效钢：析出金属间化合物（Ni3Ti，Ni3Mo，Fe2Mo等）。5.马氏体强化来源于：固溶强化，沉淀强化，相变冷作硬化。前两项合计占85%~90%。析出物的数量；析出物本身特性；析出物尺寸和弥散度。影响因素3.2结构钢的强度与脆性

二、结构钢的脆性断裂零件的损坏主要分为变形和断裂。韧性断裂：经过大量的塑性变形后的断裂。脆性断裂：没有发生较大量的塑性变形或仅仅发生少量塑性变形的断裂。分类3.2结构钢的强度与脆性

1.脆性断裂：金属材料的屈服强度与断裂强度是它的两个基本性能指标。（1）来自强化：

σs↑，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。（2）来自脆化：生产、加工过程中产生了缺陷，σs不增加，而σf下降。σs<σf：垂直于力作用方向的平面上产生的应力先达到屈服强度，就会发生塑性变形。σs≥σf

：垂直于力作用方向的平面上产生的应力达到断裂强度，就会发生脆性断裂。3.2结构钢的强度与脆性

2.温度对脆性断裂的影响

T>Tk，σs<σf，韧性断裂；

T<Tk，σs>σf，脆性断裂。

3.韧-脆转变温度Tk的测量（1）低强度钢、中强度钢；有明显脆性转变温度，常用冲击试验法来测量。必须避免在脆转温度以下使用。（2）高强度钢没有明显的韧-脆转变温度。室温下冲击功也很低，被认为是半脆性材料，必须用其它性能指标来衡量抗脆断能力。3.2