南京工程学院材料科学基础之金属材料

金属材料绪论材料的使用性能材料的其他性能原子结构与结合键晶体结构晶体缺陷高分子材料结构固体材料中的原子扩散相平衡与相图原理材料的凝固材料的变形与回复再结晶固态相变与材料处理金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料功能材料工程材料的选用与发展钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料Si,Mn,Cr,Ni,W,Mo,V,Ti,Nb,Al,Cu,B热脆冷脆氢脆钢中的元素合金元素在钢中的存在方式溶入固溶体形成非金属夹杂形成化合物自由存在为了合金化的目的（改善和提高钢力学性能或使之获得某些特殊的物理化学性能）而特定在钢中加入的、含量在一定范围的化学元素称为合金元素，这种钢称为合金钢；固溶态化合态游离态固溶态固溶元素加入除了强化外，还有重要意义，如提高淬透性、改善回火稳定性；化合态非碳化物形成元素Ni,Cu,Si,Al,P碳化物形成元素Cr,Mo,W,B,Ti,Zr,Nb与C的亲和力由强到弱：Ti,Zr,Nb,V,Mo,W,Cr,Mn,Fe,Ni,Si,Co,Al(固溶)

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

特点：硬度高，熔点高，稳定性好

M6C型复杂结构，性能特点接近简单点阵结构对性能的影响取决于碳化物的形貌、分布、尺寸提高强度、耐磨性（细化晶粒、弥散强化）提高抗蠕变能力（钉扎晶界）降低冲击性能（晶界处成膜）内部裂纹源（大块尖角碳化物）合金元素对铁碳平衡相图的影响（1）对铁基二元相图的影响（1）γ稳定化元素使A3↓，A4↑

，γ区扩大i）与γ区无限固溶——Ni、Mn、Co——量大时，室温为γ相ii）与γ区有限固溶——C、N、Cu——扩大γ区Ni,Mn,CoC,N,Cu（2）α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小封闭γ区—（1）Cr、V（与α-Fe完全互溶），

量大时高温仍然为α相（2）W、Mo、Ti，γ相封闭但有限溶解缩小γ区——B、Nb、Zr等稳定γ相——A形成元素稳定α相——F形成元素Cr,VMo,W,TiB,Nb,Zr对S、E点的影响

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C量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低合金元素对铁碳平衡相图的影响（2）对铁碳相图的影响Cr元素影响

铁—碳—锰相图Mn元素影响合金元素对钢热处理的影响对奥氏体化的影响

绝大多数合金元素对奥氏体形核与长大，残留碳化物的溶解，奥氏体成分均匀化都有不同程度的阻碍和延缓作用，强碳化物形成元素的作用更为强烈；合金钢热处理时一般应有较高的热处理温度和较长的保温时间；合金元素对奥氏体晶粒长大的影响Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素：强烈阻碍奥氏体晶粒长大——细化（残余碳化物机械钉扎）W、Mo、Cr：阻碍作用中等Ni、Si、Cu等非K形成元素：作用微弱C、N、B、P、Mn：促进奥氏体晶粒长大对过冷奥氏体转变的影响（1）除Co外的合金元素不同程度地推迟珠光体转变（C曲线右移，提高淬透性）；（2）实际中通常加入的元素：Cr、Ni、Si、Mn、B（W、Mo较贵）；（3）V、Nb、Ti的碳化物加热时一般不溶于基体，起到反作用；（4）合金元素（除Co、Al）的加入使Ms、Mf点降低，残余奥氏体量增大，需要进行控制和处理；对淬火钢回火过程的影响（1）绝大多数元素提高钢的回火稳定性（钢对回火过程中组织转变和硬度下降的抗力）；（2）强碳化物形成元素（V、Nb、Ti）和Si作用比较明显；（3）回火稳定性表明钢在高温下仍然可以具有较大的强度和硬度，同时由于回火温度升高，塑韧性提高，综合性能改善；回火过程的二次硬化强化的有效性

强化→弥散析出（ΔσP）ΔσP

>|-ΔσS|→出现硬度峰值弱化→M分解（-ΔσS）ΔσP

<|-ΔσS|→减缓弱化强化和弱化的演变1-M分解；2-弥散析出；3-综合效应

二次硬化来自于碳化物的弥散析出；Cr、W、Mo、V为主要元素；碳化物热稳定性高、不易长大，硬化效果好；钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料结构钢分为工程结构钢和机械制造结构钢两大类；结构钢用于制造轴、齿轮、紧固件、轴承等各种机械零件汽车、机床、工程机械、电站设备；主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，几种载荷同时作用；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；特点为不作相对运动，长期承受静载荷，有使用温度要求；直接在热轧空冷（正火）状态下使用；工程结构钢机械制造结构钢碳素结构钢低合金结构钢表面硬化钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢其他专用结构钢结构钢碳素结构钢碳素工程结构钢（普碳钢），占钢铁总产量的70%~80%，主要作为结构件，少量用作机器零件；常采用热轧态供货，一般不经过热处理；主要包括：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275；按照脱氧程度和浇注方法：沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)；低合金结构钢普通低合金结构钢：普低钢/低合金高强度钢（HSLA）；为了适应大型工程结构（大型桥梁、压力容器及船舶）；我国1957年开始生产普低钢；普低钢：在碳素结构钢基础上，加入少量的合金元素

（Mn、Si、Nb、V、Ti、Al）以固溶强化、细晶强化、沉淀强化来提高强度以细晶强化降低韧脆转变温度组织：铁素体（多边形75%~90%）+珠光体（片层状10%~25%）普低钢中主要合金元素及合金化特点低C、低合金元素，基本不加Cr/Ni；主要元素为Mn：Mn的固溶强化效果大（1%Mn，σs↑33MPa）

Mn降低A→F的转变温度，细化晶粒，提高塑性

Mn使“S”点左移，珠光体数量增大，塑性下降

降低硫的危害；普低钢中主要合金元素及合金化特点辅助合金元素Al、V、Ti、Nb

碳氮化物的形成→细化晶粒、弥散析出→强度塑性提高；

辅助元素形成的碳氮化物有一定温度范围，过热则溶解，效果降低Cu、P加入改善耐大气腐蚀性能；稀土元素加入→脱S去气，净化钢材，改善夹杂物形态分布，

↑性能表面硬化钢零件在滑动、滚动、接触应力、摩擦等工况下工作磨损和接触疲劳是主要失效形式表面应具有高硬度、高接触疲劳抗力和良好耐磨性而心部有一定塑韧性渗碳钢、渗氮钢、感应加热淬火钢等

这类钢适宜制造表面和心部性能要求不同的零件，通过某种工艺使零件表面硬度高耐磨而心部具有较好强韧性配合以满足要求。典型零件有齿轮、凸轮等一般含碳量在0.12~0.25％

保证得到强韧性好的板条M常用合金化元素Mn、Cr、Ni、B主要↑淬透性

Ti、V、W、Mo细化晶粒防止渗碳时晶粒过度长大表面硬化钢--渗碳钢按淬透性可分为低、中和高淬透性钢三类低淬透性：20Cr钢：不宜渗碳后直接淬火；20CrV钢可中淬透性：20CrMnTi钢特点:①Cr、Mn复合，淬透性好，D油约40mm；②较高耐磨性和强韧度，特别是低温韧度较好；③渗碳工艺性较好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小制造汽车变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等高淬透性：18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A表面硬化钢--渗氮钢优点明显提高零件疲劳强度和耐磨性；具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力；零件的变形量很小；氮化层在较高的温度仍能保持其硬度氮化钢：多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢；国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢；工艺：氮化前，要经过调质热处理以得到稳定的回火索氏体组织，以保证零件最终的使用性能和使用过程中的尺寸稳定性，同时也为获得好的氮化层作组织准备表面硬化钢--表面淬火钢表面淬火钢：多为中碳碳素结构钢（45）、中碳合金结构钢（40Cr）；为了保证心部的塑韧性，降低钢的淬透性；低淬透性钢：55Tid（d表示低淬透性）变速箱二、三速齿轮；调质钢（1）经调质处理（淬火+高温回火）得到回火索氏体组织，从而具有优良的力学性能（强度和韧性的良好配合）的中碳钢（碳素或合金钢）化学成分碳含量：中碳0.25%～0.5%，多为0.4%左右，以保证调质处理后优良的强度和韧性的配合；合金元素：主加Mn、Si、Cr、Ni、B等，辅加Mo、W、V作用：↑淬透性；固溶强化；防止第二类回火脆性；↓D

调质钢的预先热处理（1）改善切削加工性，改善热变形过程中的晶粒粗大，带状组织（2）合金元素低→正火、退火处理；（3）合金元素高→正火后得到马氏体，需要高温回火调质钢的最终热处理（1）要求较高的综合性能：高温回火（500~600℃）→调质（2）要求强度较高：低温回火（200~250℃）、中温回火（450℃）调质钢（2）在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的低淬透性调质钢:

45、45Mn、40Cr、35SiMn、42Mn2V等中淬透性调质钢:38CrSi、35CrMo、40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等

高淬透性调质钢:有37SiMn2MoVA、37CrNi3、25Cr2Ni4WA、40CrNiMo、40CrMnMo等调质钢（3）弹簧钢（1）拉力弹簧蝶形弹簧

汽车板簧火车螺旋弹簧高的弹性极限、屈强比：保证吸收大量的弹性能而不产生塑性变形；高疲劳强度；有足够的塑性和韧性：以防止冲击断裂其他要求:淬透性、冶金质量、表面质量；良好的热处理和塑性加工性能；特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等；过热敏感性小，不易脱碳裂纹源弹簧功能储能减振弹簧钢（2）碳：

wc＝0.6%-1.05%（碳素弹簧钢）

wc＝0.4%-0.74%（合金弹簧钢）合金元素：主加Si、Mn、Cr等，辅加Mo、W、V等铬和锰主要是提高淬透性，硅提高弹性极限，钒提高淬透性和细化晶粒

硅、锰复合：高的弹性极限，屈强比可达到0.8~0.9；硅、锰↑淬透性，硅有效↑回稳性；缺点：脱碳（Si）和过热敏感性（Mn）弹簧钢（3）化学成分弹簧钢（4）工艺流程基本工艺方式热成形弹簧冷成形弹簧大型弹簧

热成形后+淬、中温回火+喷丸小型弹簧冷变形或热处理强化+冷成形+低温去应力退火滚动轴承钢（1）滚动轴承内外套圈与滚动体之间呈点或线接触，承受很大的压应力（高达1800MPa－5000MPa）和交变载荷滚动轴承钢（2）工作条件高负荷→最大接触应力可高达3000~5000MPa高转速→循环周次高达每分钟数万次；高灵敏度→精度要求高→磨损、麻点→噪音失效形式

接触疲劳破坏，麻点、剥落滚动轴承的作用是支撑轴，滚动轴承由内、外圈和滚动体（珠、柱、锥、针）及保持器组成滚动轴承钢（3）性能要求性能要求高而均匀的硬度和耐磨性→足够淬透性和淬硬性（>60HRC）；高接触疲劳强度→以免过早失效→

保证材质、组织；一定韧度→承受冲击，以免碎裂；高的弹性极限→避免产生永久形变尺寸稳定性好→保证精度；一定耐蚀性→大气、润滑油腐蚀接触面小应力集中大易产生裂纹材质纯净、组织均匀滚动轴承钢（4）成分特点高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%~1.15%，属于过共析钢：主要加Cr，提高淬透性，碳化物提高接触疲劳极限和耐磨性：大尺寸轴承，加Si、Mn、Mo提高淬透性和强度；合金化冶金质量杂质含量低（S、P）；夹杂物少；成分组织均匀，碳化物均匀；滚动轴承钢（5）工艺流程热处理特点

球化退火→为最终淬火作组织准备一般采用保护气氛加热或真空加热（防止脱碳）160℃保温3h或更长回火，硬度61~66HRC要求消除Ar（残余奥氏体）→淬火后立即进行冷处理，而后立即低温回火锻（轧）→球化退火→机加工→淬火、低回→磨钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料主要矛盾韧度和耐磨性间的合理平衡→基体成分和K的性质、数量、形态和分布用于制造各类工具的一系列高品质钢种，分为刃具钢、模具钢和量具钢（但有重复）；工具钢（1）刃具钢性能要求：高的硬度（60～66HRC）和高的耐磨性——不变钝；高的热硬性，即钢在高温下保持高硬度——高速切削时必备；适当的塑性、韧性、强度——不崩刃、折断、变形；良好的工艺性与经济性如切削加工性、磨削加工性、锻造、焊接、热处理等性能；工具钢（1）刃具钢成分组织（1）0.6~1.3%C+足够数量K→

M硬度和切断抗力较高、耐磨性好；（2）Cr、W、Mo、V等→

↑淬透性、耐磨性、热稳定性和热硬性；（3）Mn、Si辅助加入→

↑淬透性，回稳性（4）S、P控制更为严格；（5）第二相K→球状、细小、均匀分布刃具钢--碳素工具钢T7-T13：做低速切削的刃具和简单的冷冲模；成本低、淬透性低，断面尺寸小于15mm的工具预先热处理一般为球化退火其目的是获得粒状P，降低硬度便于切削加工、并为淬火作组织准备；若锻造组织不良（如出现网状碳化物缺陷），则应在球化退火之前先进行正火处理，以消除网状碳化物；最终热处理为淬火＋低温回火（回火温度一般180～200℃）正常组织为隐晶M＋细粒状渗碳体及少量AR缺点：淬透性低，组织稳定性低，耐磨性不够刃具钢--低合金工具钢

合金元素作用：加入锰、硅、钨、钼、钒、铬等元素：↑淬透性、耐磨性和回稳性等，采用缓冷方式，减小变形开裂Cr:1%左右，细化K，均匀分布，阻碍淬火加热晶粒长大；Si:↑低温回稳性，Si强化F，↓切削加工性；↑脱碳敏感性，不单独加入；

W:0.5~1.5%，W含量太多，使K分布不匀，恶化性能

低合金工具钢不具有热硬性，工作温度一般不超过250℃刃具钢—高速钢性能特点：工作温度：刃部温度上升至600℃（硬度55-60HRC）；高热硬性/高硬度和高耐磨性（锋钢）；淬透性优良→空气冷却也能得到马氏体（风钢）→尺寸大、形状复杂、负荷重、工作温度高的各种高速切削刀具通用型高速钢A、钨系高速钢（简称W18）（W18Cr4V，18-4-1）优点：磨削性能和综合性能好，通用性强；缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够，热塑性差，

不宜制造成大截面刀具B、钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）

（W6Mo5Cr4V2，6-5-4-2）优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性；缺点：高温切削性能和W18相比稍差高性能高速钢（含Co或含Al、V）（W6Mo5Cr4V2Co5、W6Mo5Cr4V2Al）刃具钢—高速钢分类刃具钢—高速钢成分特点C保证钢的硬度、耐磨性和热硬性WMo钨是钢获得红硬性的主要元素；M6C型K，阻碍A晶粒长大；回火时析出W2C，弥散强化，↑耐磨性；W↓↓热导率→钢导热性差；W过多导致脆性增大；钼和钨相似，1％Mo可取代1.5~2.0％W，成本低；钼的碳化物没有W的稳定，所以脱碳和过热敏感性大；VV显著↑热硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性，以VC存在（回火二次硬化）CrCr加热时全溶，保证钢淬透性，4％Cr→改善抗氧化能力、切削能力锻造消除大块鱼骨状共晶碳化物（莱氏体）锻造→球化退火→机加工→淬火/回火球化退火便于切削，为淬火作准备索氏体+细粒状碳化物淬火淬火加热温度比Ac1高400℃→获得高合金度的A/M→回火稳定性/二次硬化采用1~2次预热500~600℃，800~850℃

→导热性差，防止裂纹产生；缩短高温保温时间，减少脱碳常用直接冷却或分级淬火方法；高速钢一般需在560℃左右三次回火刃具钢—高速钢淬火特点W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系

工具钢（2）冷作模具钢金属在冷态下变形所用的模具钢；包括拉延、冲压、冷镦、冷挤压等；模具主要承受高的压力和冲击力，强烈摩擦；高硬度、耐磨性、一定的韧性；足够的淬透性、淬火变形小包括碳素、低合金工具钢（与刃具相似）；高碳高铬-中铬钢；基体钢高碳高铬模具钢主要有Cr12、Cr12MoV钢；高碳亚共晶莱氏体钢；含碳量：Cr12（2~2.3%）、Cr12MoV（1.45~1.7%）；Cr12MoV钢在Cr12基础上降C增Mo/V，细化K与D，改善韧度具有高淬透性，截面200-300mm以下可以完全淬透；回火稳定性好，二次硬化；Cr12MoV钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称一次硬化法低淬和低回→晶粒细小，强韧性好；980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度为61~63HRC，残奥量少；12％左右未溶（Cr，Fe）7C3碳化物；一次硬化法使用较普遍二次硬化法1050~l100℃淬火+500℃左右多次回火；硬度回升到60~62HRC；热硬性较好，强韧性较低；二次硬化法适合于工作温度

比较高（400~500℃）且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具高碳中铬模具钢（Cr4W2MoV、Cr5Mo1V）K以M7C3型为主，少量M6C、MC型分布较均匀（碳含量进一步降低至1~1.25%）；具有耐磨性好和热处理变形小的特点；适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具基体钢成分与高速钢的淬火组织中基体成分相似的钢种；具有高速钢的高强度、硬度，不含大量K而具有更好的韧度和疲劳强度；降低C含量和V含量，降低碳化物不均匀性，韧性提高；

CW6Mo5Cr4V2

→6W6Mo5Cr4V采用高速钢的低温淬火使加热金属或液态金属获得所需形状模具是在反复受热和冷却条件下工作；模具受热时间越长，受热程度就越严重；许多模具还受到较大冲击力，工作条件苛刻模具钢应具有高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性服役条件技术要求工具钢（3）热作模具钢热作模具钢—热锻模钢碳含量质量分数一般在0.3-0.6%，还加入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以提高钢的各种性能C：一般在0.45~0.60%，以保证一定硬度和冲击韧度；

Cr：一般1%左右，↑淬透性，↑回稳性，改善AK；

Ni：能↑↑AK

，和Cr共同作用↑↑钢淬透性；

Mn：主要代Ni，但Mn↑过热敏感性和回火脆性；

Si：能↑强度、回稳性和耐热疲劳性，Si量<1%；

Mo、V：有效地细化晶粒，↓过热倾向，↑回稳性；

Mo（W）最重要的作用是↓↓钢的回火脆性；5Cr08MnMo；5Cr06NiMo（淬透性好，尺寸大）热作模具钢—热挤压模和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度更高；热挤压模还承受很大的应力和摩擦力；这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小；热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温强度、耐热疲劳性和高的耐磨性；有铬系、钨系和钼系热模具钢三类4Cr5MoSiV(H13)；3Cr2W8V热作模具钢—压铸模

锌合金、铝合金、镁合金等低熔点的金属合金：选择30CrMnSi、40Cr、5CrMnMo等低合金钢来制造压铸模具；压铸锌合金的模具：5CrMnMo钢，40Cr调质钢压铸铝、镁合金的模具目前常选用3Cr2W8V、H13钢铜合金和黑色金属的熔点比较高：采用难熔金属为基的合金，如钼基合金、钨基合金等；3Cr2W8V（表面处理）、3W23Cr4MoV等工具钢（3）量具钢量具用钢应具有的基本性能

摩擦、高精度和稳定性→应具备以下性能：高硬度（一般58～64HRC）和高耐磨性；高的尺寸稳定性（要求组织稳定性高）；低的表面粗糙度一定的韧性（防撞击与折断）和特殊环境下的耐蚀性

1.低合金工具钢：CrWMn、GCr152.其它钢种选择

1）碳素工具钢：T10A、T12A等（小尺寸、低精度）

2）表面硬化钢：渗碳钢（20Cr）、调质钢（55）、表面淬火及专用氮化钢（38CrMoAlA）3）不锈钢：4Cr13（耐蚀性）量具钢的选择最终热处理：

淬火+（-70~-80℃）冷处理+低温回火+时效处理时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、Ar稳定，消除内应力最终组织：回火M+碳化物+少量A残要求尽量↓变形；组织稳定→淬火加热时进行预热；在保证力学性能的前提条件下↓淬火温度，↓Ar淬火后立即冷处理量具钢的热处理钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料不锈钢的性能要求较高的耐蚀性；（各种不锈钢在不同介质中耐蚀性不同）具有一定的力学性能，很多构件在腐蚀条件下承受载荷；良好的工艺性能，对于管材、板材、型材常常通过加工变形制成各种构件，如容器、管道、锅炉等，因此涉及到焊接性、冷热加工性等；不锈钢（1）性能要求不锈钢（2）微电池原理微电池现象：钢板组织不均匀形成许多微小的原电池现象；α-Fe为阳极，碳化物为阴极；钢板在大气放置时表面吸附水，形成水膜不锈钢（3）合金元素的影响Cr元素作用——不锈钢中最重要的合金元素Cr促进钢的钝化保持稳定钝态效果提高固溶体电极电位表面形成致密氧化膜n/8定律Cr含量大于11.7%时，基体电位由-0.56V突增至0.12V；前提：Cr必须溶入基体之中，Cr12MoV不是不锈钢；不锈钢（3）合金元素的影响C元素作用↑强度，↓冷变形性、焊接性、耐蚀性，应尽量降低降低基体中Cr含量，形成第二相形成微电池形成钝化膜的元素Si、Al、Cr；增强钝化作用：Cu、Mo影响基体组织的元素奥氏体形成元素：Ni、N、Mn铁素体形成元素：Cr、Si、Ti、Nb不锈钢（3）不锈钢的分类马氏体不锈钢：基体为马氏体，有磁性，热处理调整力学性能；Cr13类型（12Cr13、20Cr13、30Cr13）、14Cr17Ni2、95Cr18等铁素体不锈钢：基体以F为主，有磁性，不能通过热处理硬化，采用冷加工方式轻微强化；06Cr11Ti、10Cr17Mo、008Cr27Mo奥氏体不锈钢：基体以A为主，无磁，通过冷加工硬化；06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti、12Cr18Mn9Ni5N奥氏体-铁素体复相不锈钢：基体兼有A和F，通过冷加工硬化；12Cr21Ni5Ti沉淀硬化不锈钢：基体为A或M，通过时效硬化使其强化；不锈钢（4）铁素体不锈钢铁素体不锈钢的三种类型：Cr13型：06Cr13Al、06Cr11Ti；Cr17型：10Cr17、019Cr18MoTi、10Cr17Mo；Cr25~30型：16Cr25N、008Cr30Mo2；铁素体不锈钢都是高Cr钢，Cr含量达到13%以上时，Fe-Cr合金将无γ相转变，从高温到低温一直保持铁素体组织，铁素体不锈钢含Cr量在13%~30%，随着Cr的增加，耐蚀性不断提高含C量小于0.25%，为了提高某些性能，加入Mo、Ti、Al、Si等；（Mo--Cl-，Ti--晶界腐蚀，Al/Si--氧化膜稳定性）在硝酸、氨水环境中有较好的耐腐蚀性和抗氧化性，用于生产硝酸等化工制品，或储存氯盐溶液及硝酸；力学性能、工艺性较差，脆性大，Tk在室温附近；用于受力不大的有耐酸和抗氧化要求的结构部件；加热和冷却过程中无同素异构转变，多在退火软化态使用；铁素体不锈钢铁素体不锈钢的缺点：脆性大（冲击吸收能量低、Tk高）；铁素体不锈钢缺点铁素体原始晶粒粗大；475℃脆性：

（1）在400~525℃温度范围内长时间加热或在此温度范围内缓冷，钢在室温下变脆；（2）钢中Cr含量大于15%时，随着Cr增多，脆化倾向越大；形成金属间化合物σ相（高Cr不含Ni）700~800℃；不锈钢（5）马氏体不锈钢含有12%~18%Cr，同时含有一定C、Ni等奥氏体形成元素，加热时产生比较多或完全的奥氏体相；相变临界温度Ms在室温以上，淬火得到马氏体；马氏体不锈钢的分类：

（1）Cr13型：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13

对比Cr13型铁素体不锈钢：06Cr13Al、06Cr11Ti（2）高碳高铬钢：95Cr18、90Cr18MoV；（3）低碳17%Cr-2%Ni：14Cr17Ni2一般只有Cr进行合金化（?），所以耐氧化性介质腐蚀能力较强，而非氧化性介质中耐蚀性低；马氏体不锈钢10Cr13：M+F20Cr13：M类似于调质钢耐蚀结构件30Cr13：M40Cr13：M+K类似于工具钢耐蚀工具汽轮机叶片、阀、机泵等手术工具、测量工具、刀具不锈钢（6）奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢产量的2/3；奥氏体钢特点：（1）具有很高的耐腐蚀性；（2）塑性好，容易加工变形成各种形状的钢材；（3）加热时没有同素异构转变，焊接性好；（4）韧度和低温韧度好，一般无冷脆倾向，有一定的热强性；（5）不具有磁性；（6）价格贵，加工硬化率高（切削困难），线膨胀系数大，导热性差世界各国奥氏体不锈钢的典型成分18Cr+8Ni；Cr+Ni18+8=26耐蚀电位接近n/8定律中n=2的电位良好钝化性能；单相奥氏体组织进一步提高Cr、Ni，提高钝化能力与A稳定性奥氏体不锈钢成分特点奥氏体不锈钢成分特点其它元素的加入：Ti、Nb：稳定碳化物，提高抗晶间腐蚀能力；Mo：提高钝化能力，降低点蚀倾向（Mo对钝化膜的改善，Cl-），提高钢在有机酸中的耐蚀性；Cu：提高钢在硫酸中的耐蚀性；Si：提高钢抗应力腐蚀断裂的能力；18-8型奥氏体钢的平衡组织：奥氏体+铁素体+K，经固溶处理（高温加热、快速冷却）后得到单相奥氏体奥氏体不锈钢—晶间腐蚀Cr-Ni奥氏体不锈钢，在450~800℃的温度范围内工作，或在该范围内时效处理会产生晶间腐蚀温度范围450~800℃沿晶界析出（Cr，Fe）23C6晶界附近区域出现贫Cr晶间腐蚀防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀的措施：降低C含量；对钢进行1050~1100℃的固溶处理，保证固溶体中的Cr含量；（主要针对已经存在部分Cr23C6析出的钢）对非稳定性奥氏体不锈钢进行退火处理，使钢的奥氏体成分均匀化，消除贫Cr区；（在没有Cr23C6析出的钢中，退火温度低于固溶温度，防止D↑）加入Nb、Ti元素，析出特殊碳化物，稳定组织，减少晶间贫Cr区；热处理时应快速通过450~850℃温度范围，减少Cr23C6的析出；耐热钢1)高的热化学稳定性：高温下能迅速形成连续而致密的氧化膜——钝化2)优良的高温力学性能：主要是高的热强性（高温强度）、蠕变极限、持久强度3）加工工艺性能耐热钢的成分特点提高钢氧化膜的致密性→Cr、Al、Si、Ti：在Cr、Al、Si、Ti含量比较高时，逐步形成以合金元素氧化物为主或完全合金元素氧化物的氧化膜；Al2O3、SiO2、Cr2O3等氧化膜稳定、致密；随着使用温度的升高，Cr含量需要不断增大；Al、Si加入会引起脆性，总量需要控制；稀土金属加入提高抗氧化能力、减缓晶界氧化；提高热强性元素：（1）基体强化元素：Cr、Ni、Mo、W；固溶强化，形成单相组织，提高再结晶温度；（2）第二相沉淀强化元素：V、Nb、Ti、Al；形成细小弥散分布的稳定碳化物（TiC、VC、NbC）；形成稳定性更高的金属间化合物（Ni3Al）；（3）微量晶界强化元素B与稀土净化晶界填充晶界空位作用；耐热钢的成分特点耐热钢--热强钢珠光体热强钢（12CrMo、15CrMoV、35CrMo等）热强钢要求：抗蠕变能力、耐氧化性合金元素总量低于5%组织为珠光体+铁素体600℃以下动力、石油工业珠光体热强钢锅炉管用紧固件用转子用高温高压水蒸气抗氧化耐蚀、工艺性、热强性处于预紧力状态高屈服强度、应力松弛敏感性低高温、交变应力抗疲劳能力、工艺性（淬透性）低碳正火态中碳调质态耐热钢--热强钢低碳高铬型含铬13%的铬不锈钢；含铬约12%并加入少量钨、钼、钒、铌等合金元素以提高材料热强性的强化型铬不锈钢；12Cr13、15Cr12WMoV等

淬火+高温回火中碳铬硅型4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo马氏体热强钢耐热钢--热强钢奥氏体热强钢(4Cr18Ni12Ti、4Cr14Ni14W2Mo)650℃珠光体、马氏体奥氏体面心立方比体心立方原子间结合力大；面心立方扩散系数小；面心立方再结晶温度高；优点：可焊性好、抗氧化性高、高的塑性和冲击韧性；缺点：屈服强度低、切削性差、导热性差、热疲劳性能差耐磨钢高锰钢的化学成分及性能特点：高碳（0.9-1.5%）、高锰（11-14%），铸件使用；常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力学性能差，耐磨性低，不宜直接使用，经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏体，软而韧。用途：履带、铁道岔道耐磨机理

大形变在A基体中产生大量层错、形变孪晶、马氏体而硬化；表面硬度从原来200HB左右可↑到500HB以上，硬化深度可达10~20mm，而心部仍保持A，所以能承受较大冲击载荷而不破裂；在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展━━“前赴后继”；在低应力和低冲击载荷下，耐磨性不一定好高锰钢的耐磨性及应用钢铁材料钢中杂质元素与合金元素钢的分类和牌号结构钢工具钢特殊性能钢铸铁有色金属材料铸铁的特点和分类（1）成分特点铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金；主要成分：2.4~4.0%C、0.6~3.0%Si、0.2~1.2%Mn、0.04~1.2%P、0.04~0.2%S；加入合金元素Si、Al、Cr、Mn、Cu获得特殊性能；组织特点C的存在形式：固溶体、Fe3C等渗碳体（碳化物）、游离态石墨具有较大应用价值的铸铁组织：金属基体+石墨；金属基体包括：铁素体、珠光体、铁素体+珠光体；按照C存在的方式（1）白口铸铁：C以渗碳体形式存在，断口白亮；

（硬而脆，制造硬度高、耐磨、不需加工的零件或原料）（2）灰口铸铁：C以片状石墨的形式存在，断口呈灰色；

（良好铸造性能、切削加工性，价格低，应用广）（3）麻口铸铁：C以渗碳体和石墨态同时存在；

（比较少用）按照石墨形状：

（1）灰口铸铁——片状；（2）蠕墨铸铁——短小蠕虫状；（3）可锻铸铁——不规则团絮状；（4）球墨铸铁——球状铸铁的特点和分类（2）性能特点石墨：硬度HB3~5、抗拉强度20MPa、延伸率为0；（石墨的片层结构）基体抗拉强度大（珠光体800~1000MPa，铁素体350~400MPa）；石墨可以视为基体上的孔洞或裂纹；优点：耐磨性、高消振性、低缺口敏感性、切削性、铸造性铸铁的特点和分类（3）铸铁石墨化及影响因素铁碳相图的两重性；（Fe-G，Fe-Fe3C）铸铁石墨化三个阶段：①液相至共晶（一阶段）：i)过共晶：优先析出G；ii)共晶：G+A；iii)一次渗碳体、共晶渗碳体分解出G②共晶至共析（二阶段）：i)奥氏体析出二次G；ii)二次渗碳体分解出G；③共析转变（三阶段）i)共析Gii)共析渗碳体退火分解出G（虚线）（虚线）（虚线）石墨化一阶段石墨化二阶段石墨化三阶段显微组织铸铁名称完全进行完全进行完全进行F+G灰口铸铁完全进行完全进行部分进行F+G+P完全进行完全进行不进行P+G部分进行部分进行不进行L’d+P+G+Fe3C麻口铸铁不进行不进行不进行L’d+P+Fe3C白口铸铁铸铁石墨化的影响因素（1）促进石墨化元素抑制石墨化元素Al、C、Si、Ni、Cu、ZrW、Mn、Mo、S、Cr、V、Fe、Mg、BNbC：石墨的本质，促进石墨化；Si：促进石墨化的作用相当于1/3C；Mn：抑制石墨化，溶于Fe3C和铁素体，提高Fe和C的结合力；S：促进白口，降低铁水流动性，弱化晶界（FeS）冷却速度的影响铸件冷却速度越缓慢，过冷度越小，越有利于Fe+G组织形成；铸件冷速越快，过冷度越大，扩散越困难，越利于Fe+Fe3C；壁厚敏感效应：不同壁厚的冷速和过冷程度不同铸铁石墨化的影响因素（2）灰铸铁抗拉性能低、塑性差；抗压强度与钢相近（取决于基体强度）；壁厚敏感性：壁厚↑，石墨粗大，孕育处理可以改善；良好的减振性、减磨性；石墨割裂基体，破坏连续性，阻止振动传播，用于机床底座；石墨为润滑剂，脱落后形成显微“口袋”，储存润滑油，收集微小磨粒，应用于机床导轨；铸造性好；成分接近共晶点，铁水流动性好切削性好缺口敏感性低（石墨相当于无数裂纹缺口）铸铁的性能特点断面呈灰色，C主要以片状石墨存在；灰铸铁的铸造性、切削性、耐磨性、吸振性好，使用广泛-80%；按照共析石墨化程度，金属基体分为F、P、F+P；“HT+最低抗拉强度”，HT100、HT300灰铸铁概况热处理不会改变石墨的形状、大小和分布，对提高灰铸铁件的力学性能作用不大；主要用来消除内应力、稳定尺寸和改善切削加工性能，↑表面硬度和耐磨性等a）消除内应力退火：又称为低温退火，也称为人工时效b）改善切削加工性能的退火：又称为高温（石墨化）退火c）表面淬火：高频表面淬火、火焰表面淬火、电接触表面淬火等灰铸铁热处理球墨铸铁概况球墨铸铁是将铁水经过球化处理，使片状石墨转化为球状石墨而获得的一种铸铁；（非热处理，区别球化退火）加入球化剂（镁、铈、镧、钙、稀土镁合金等），铁液中的S、O含量显著下降，在共晶凝固过程中形成球状石墨；孕育剂为75%的硅铁、硅钙合金；球墨铸铁中石墨的体积分数约占10%；牌号：QT+最低抗拉强度+最小断后伸长率球墨铸铁的组织与性能球墨铸铁组织

球状G+金属基体（F、F+P、P、S回、B下等）；球状G孤立分布，理想状态：小、匀、圆、适量球状G应力集中效应↓基体缩减效应↓缺口效应↓基体利用率达到70%~90%可以利用热处理调整力学性能球墨铸铁的热处理热处理特点Si会显著提高共析转变温度，增加1%Si，共析温度提高28℃；石墨相在热处理过程中不发生相变，但存在C原子向基体的扩散（或反向扩散），相当于“碳库”，通过调节热处理温度和保温时间，调节奥氏体的碳浓度，进而获得不同组织；球墨铸铁淬透性优于碳钢，使用空冷、油冷比水冷合适；热处理方法（1）消除内应力退火：500-650℃/2-8h/炉冷+空冷（2）高温石墨化退火：消除游离态渗碳体／获得A基体+球墨铸铁900~950℃/2~4h→球状石墨+A→炉冷（缓冷）第二类回火脆性（3）低温石墨化退火：消除共析渗碳体（消除珠光体组织）P→F+G，加热至Ac1以上+缓冷/加热至Ac1以下长时间保温（4）正火处理和调质处理：获得珠光体组织、提高P分散度（5）等温淬火处理：获得针状F+富碳A（奥铁体基体）840~950℃保温1~2h→迅速淬入250~340℃盐浴/保温1~2h→空冷（6）表面淬火（7）化学热处理：氮化、渗B可锻铸铁（不可锻）将铁水浇注成白口铸件，经退火处理，使游离渗碳体分解为团絮状石墨，组织为团絮状G+各种基体；良好的塑性和韧性，也称展性铸铁（强于灰口铁）；白口铸铁（莱氏体）→950℃保温→奥氏体+石墨

（1）快冷至710~730℃→P基体

（2）在710~730℃保温→F基体

生产成本低；承受一定载荷，一定塑性；具有耐磨性；复杂薄壁小零件；牌号：KT+数字+数字蠕墨铸铁牌号：RT+最低抗拉强度石墨以蠕虫状形态析出；铁水中加入蠕化剂（稀土镁-硅-铁，稀土镁-钙-钛-铝）介于片状和球状石墨之间；蠕化率；形状系数K=4πA/L2K<0.15片状石墨；0.15<K<0.8蠕虫状石墨；K>0.8球状石墨；蠕墨铸铁应用强度、冲击吸收能量、断后伸长率低于球墨铸铁、高于灰铸铁；铸造性和导热性高于球墨铸铁，低于灰铸铁；所有性能均与蠕化率-形状系数有关；用于热交换、较大温度梯度下工作的零件；汽车制动盘、排气管、发动机缸体、钢锭模等钢铁材料有色金属材料铝合金铜合金钛合金/镁合金性能参数性能参数点阵常数4.0496×10-10m(25℃)电阻系数2.655×10-8Ωm密度（固态）2.697~2.699g/cm3熔点660.5℃热膨胀系数23×10-6/K(20℃)沸点2477℃导热系数2.37W/(cm×K)(25℃)熔化热10~147KJ/mol纯铝的基本性能密度小，仅为钢或铜的1/3；优良的导热性、导电性（仅次于Cu、Ag，位居第三）；良好的耐蚀性，表面氧化膜；塑性好；焊接性好铝合金的合金化和分类元素极限溶解度%室温溶解度%元素极限溶解度%室温溶解度%Zn82.2<4.0Mn1.8<0.3Ag55.5<0.7Si1.65<0.17Mg17.4<1.9Cr0.40.002Cu5.6<0.1Ca0.6<0.3Li4.2<0.85工业纯Al硬度、强度低，工程难以应用；加入合金元素，结合热处理，力学性能大幅提高；不同合金元素的溶解度不同铝合金：变形铝合金/铸造铝合金变形铝合金：D点成分左侧，加热得到单相固溶体组织；变形铝合金的合金元素总量<5%；变形铝合金分为两类（1）不能热处理强化：F左侧（2）热处理强化：F~D铸造铝合金元素含量（8~25%）高于变形铝合金，铝合金的分类铝合金的热处理特点热处理：包括退火、固溶处理和时效强化；退火：再结晶、去应力、均匀化固溶处理α+β→α’强度/硬度↓塑性↑时效处理第二相析出力学性能显著变化自然时效：室温放置；人工时效：某一温度下进行保温；时效温度：

时效时间一定时，在某一温度下获得最大强化效果，

称为最佳时效温度；Ta=（0.5~0.6）T熔时效时间：欠时效→最佳时效时间→过时效四位字符法：第一位：1表示纯Al2表示以Cu为主要元素的铝合金3表示以Mn为主要元素的铝合金4表示以Si为主要元素的铝合金5表示以Mg为主要元素的铝合金6表示以Mg和Si为主要元素，以Mg2Si相为强化相；7表示以Zn为主要元素的铝合金8表示以其他元素为主要元素的铝合金9备用合金组第二位：A表示原始合金，B~Y表示改型合金第三、四位：区分同一组不同合金铝合金牌号防锈铝合金包括Al-Mn，Al-Mg两类（3A**、5A**）塑性很高；强度较低或中等；耐蚀性好；防锈铝合金只能采用冷变形方式强化；

硬铝合金：Al-Cu-Mg系，代号“2A**”

分为：低强度、中强度和高强度

耐蚀性、焊接性较差；超硬铝合金：Al-Zn-Cu-Mg系，代号“7A**”锻铝合金：Al-Mg-Si-Cu系，代号“6A**、2A**”

强度与硬铝合金相似，但塑性和耐蚀性更好适合制造形状复杂，强度高的锻件铸造铝合金流动性好、较小的收缩性，热裂、缩孔、疏松倾向小；成分并不一定是共晶成分，合金含量比变形铝合金高；合金牌号：“ZL+三位数字”第1位——合金系别：1Al-Si系（硅铝明）2Al-Cu系3Al-Mg系4Al-Zn系第2、3位——合金的顺序号Al-Si系铸造铝合金流动性最好，密度小，优良的焊接性、耐蚀性和力学性能；致密度小，适合于不太致密的形状复杂的铸件；抗拉强度σb不超过140MPa-延伸率δ小于3％原始组织：粗针状或片状共晶硅+块状初生Siσb达180Mpa延伸率δ明显提高变质处理：降低相图中共晶温度和成分；使ZL102由共晶/过共晶转变为亚共晶；初生Si消失，细化共晶Si变质剂：2/3NaF+1/3NaCl；25%NaF+62%NaCl+13%KCl变质剂减弱择优生长，降低各向异性钢铁材料有色金属材料铝合金铜合金钛合金/镁合金纯铜（紫铜）铜是人类最早使用的一种金属（自然铜）；性能参数性能参数密度（固态）8.96g/cm3(20℃)电阻系数1.694×10-8Ωm导热系数3.97W/(cm×K)(0~100℃)熔点1083.4℃熔化热13.02KJ/mol比热容386J/（kg×K）0~100℃优良的导热性、导电性（仅次于Ag）；高化学稳定性，淡水、大气中良好的耐蚀性；优良的加工成型性能和焊接性；