第1章钢的合金化概论2

金属材料学

主讲人：马凡适用班级：11级材料成型联系电话：15266982***

邮箱：mafan****@163.com考核1、期末考试采用闭卷笔试。2、成绩评定：期末考试占70%；平时成绩占30%。3、平时成绩由考勤、作业及实验成绩等部分组成。金属学

从金属材料的应用角度出发，阐述金属材料的基本理论，介绍金属材料的合金化原理、设计准则及化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系；介绍常用金属材料及其工程应用等基本知识；同时介绍新型金属材料的发展及应用。课程任务课程目的

使学生了解材料的物理冶金知识，掌握金属基合金中的化学成分、组织结构、加工工艺和应用环境对金属材料性能影响的基本规律，冰用来分析各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和应用中的问题。课程内容（1）合金化基础方面：合金化基础是金属材料学的核心。（2）合金钢方面：了解工程构件用钢、机械零件用钢、工具钢及特殊性能用钢的服役条件、失效方法及性能要求，还应了解材料的化学成分、组织结构、热处理工艺与性能之间的关系，学会正确地选择材料和合理地制定热处理工艺。（3）铸铁方面：应了解铸铁及其种类，各种铸铁的形成过程，各种铸铁的成分、热处理工艺、组织结构与力学性能之间的关系，学会正确地选择铸铁材料。（4）非铁金属及其合金方面（5）金属功能材料和新型材料方面图材料学主线示意图绪论

——金属材料的过去、现在和将来01金属材料的发展简史1、第一阶段——原始钢铁生产

公元前4300年：自然地金、铜及锻打等工艺公元前2800年：铁的熔炼公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）东汉时：反复锻打钢→最原始形变热处理工艺。淬火技术：“沐以五牲之溺，淬以五牲之脂”——现在的水淬和油淬。上图：吴王夫差矛和越往勾践剑右上：上周时期的青铜敦和尊盘—国家一级文物右下：商代青铜纵目人面像西周青铜编钟战国曾侯乙青铜编钟2、第二阶段——金属材料学科的基础奠定金属材料学科基础：金属学、金相学、相变和合金等。1803年：道尔顿提出原子学说，阿伏伽德罗提出分子论。1827年：Karsten从钢中分离出Fe3C，1888年Abel证明了这是Fe3C。1830年：Hessel提出32种晶体类型，普及晶体指数。1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。1864年：Sorby制备了第一张金像照片，9倍，但意义重大。1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创造了点阵结构理论。19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相率，Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡相图。钢组织的命名Austenite→英金属学家Austen；Bainite→美科学家Bain；Sorbite→英科学家Sorby；Martensite→德科学家Marten；Troostite→法科学家Troost；Ledburite→德科学家Ledebur新合金钢的发明：1820年，铁-铬合金；1857年，钨钢；1898年，含钨高速钢雏形；1871年，锰钢和硅钢。开始了合金钢的新纪元。3、第三阶段：微观组织理论大发展合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。1912年：发现X射线，证实α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是Fcc；固溶体规律。1931年：发现合金元素的扩大和缩小γ相区作用。1934年：俄国的Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自独立地提出来为错理论，解释钢的塑性变形；马氏体转变的晶体学。1983年：发明了电子显微镜。1910年：发明A不锈钢，1912年发明了F不锈钢等。1990年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹。4、第四阶段——微观理论的深入研究微观理论的深入研究：原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定；贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。位错理论建立：电子显微镜的发明→看到钢中第二相成定析出，位错滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Coorell气团等现象→位错理论。新科学仪器不断发明：电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等。0.2现代金属材料先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。开发高性能结构材料：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢和高温合金。改造传统结构材料：重要途径是组织更细更均匀，材料更纯洁→关键是工艺。“新一代钢铁材料”强度相当于现有钢铁材料两倍。美“9.11”时间，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差→开发a高强热轧耐火耐候钢。开发其它高性能钢：利用各种新工艺新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展新方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在新型工具材料的开发上具有重要意义。先进制备工艺：如金属半固态加工技术，铝镁合金技术成熟，已应用。现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变水陆两用汽车轻型吊轨磁悬浮列车MX-400空中汽车美国莫勒潜心研究，被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机的外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类的翅膀送上天空后，各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、质量轻、耐高温、耐疲劳等性能。美国月球导弹武器发射弹头示意图苏联在80年代研制的太空武器美国的太空反卫星武器示意图美国ABL机载激光式武器世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的。在”9.11“实践中，该双子大楼遭到袭击，会与一旦。但它作为一个大量使用铝合金贴面的雄伟建筑将永远载入史册。泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没，经查明是因为含有9%矿渣的48根铆钉使泰坦尼和好钢板很快地散架。0.3金属材料的可持续发展与趋势2004年提出来“循环型社会的材料产业——材料产业的可持续发展”。微生物冶金：无废物的生产，已经在许多国家进行了工业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%，日本人工培植海藻輎以提取钒。海水是一种液态矿，海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可以从海水中提取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20%来自海水，美国靠这种镁以满足着需求量的80%。我国资源短缺；资源浪费严重；污染严重。循环材料产业：适应时代需要，把生态环境意识贯穿于产品生产和生产工艺的设计之中，提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形成资源——材料——环境良性的产业。合金发展的主流方向是少合金化与通用合金，形成绿色/生态体系，有利于材料的回收与再利用。要研究来发与人民生活密切相关的绿色材料以及环境友好材料。钛合金被称为“空间金属”、“未来钢铁”。钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。钛在地球中含量不少（0.6%）。但是提炼工艺复杂，成本高，广泛应用受到限制。钛合金是将二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一。有色金属：资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率低，浪费惊人。精深加工技术落后，高档产品缺乏；创新成果少，高新科技成果产业成度不高。开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如：铝、锂合金、快速凝固铝合金等。有色金属功能材料也是发展方向。未来对材料和技术的要求第一章钢的合金化原理主要内容钢中的合金元素(理解）合金元素对铁碳相图及钢热处理的影响（重点）合金元素对钢性能的影响（重点）微量元素及钢的微合金化钢合金化发展新方向

钢的分类和编号(重点）合金元素的定义1.杂质元素（impurity-element）常存杂质

冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除。隐存杂质偶存杂质

生产过程中形成，微量元素O、H、N等。

与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。§1.1钢中的合金元素

热脆性——S——FeS(低熔点989℃)；冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；氢脆——H——白点。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。钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。2、合金元素（alloying-element）注意:

同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：H—储氢合金；S—易切削钢；P—耐磨钢。合金钢：在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。M<5％时，称为低合金钢；

M5~10％，称为中合金钢；

M>10％,称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。3.宏合金化与微合金化宏合金化

一般钢中合金元素的质量分数大于或者等于1%时，这种合金可称为宏合金化。微合金元素有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B0.001%，V0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金钢加入了微合金元素,使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。二、Me的存在形式及其划分1、γ稳定化元素使A3↓，A4↑，γ区扩大a)与γ区无限固溶——

Ni、Mn、Co开启γ区——量大时，室温为γ相；b)与γ区有限固溶

——

C、N、Cu

——扩大γ区。1.Me和Fe的作用：2、α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小a)完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、TiCr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相W、Mo、Ti等部分溶解b)缩小γ区——Nb等。稳定γ相——A形成元素，稳定α相——A形成元素。(a)Ni，Mn，Co

(b)C，N，Cu

(c)Cr，V

(d)Nb,B等

图1合金元素和Fe的作用状态

A1线A4线A3线三、铁基固溶体1、置换固溶体

合金元素在铁点阵中的固溶情况

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)无限无限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*无限无限无限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?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第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%3.1—注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值

（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%，可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度极小。结论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有限固溶C、N、B、O等

②溶解度溶剂金属点阵结构：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——畸变为最小。间隙位置总是没有被填满——最小自由能原理。

2、间隙固溶体钢中常见的碳化物

K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、P、S等

K形成元素：

Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由强到弱排列）四、合金元素与碳的相互作用钢中常见的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：不是一种金属K。复杂六方点阵。K也有空位存在；可形成复合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

钢中碳化物复杂点阵结构：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。

M6C型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。见不同类型的K按结构分类简单点阵结构复杂点阵结构Me的原子半径与K类型的关系各元素的rc/rMe的值如下：MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

rc/rMe>0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe<0.59—简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。Me量少时，形成复合K，如（Cr,M）23C6型。2、K溶解度

完全互溶：原子尺寸、合金元素的尺寸因素和电化学因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C；TiC~VC。

有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入强者,使K稳定性↑;溶入弱者,使K稳定性↓3、K形成规律：强者先，依次成

K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C↑，依次形成W6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。4、K的稳定性：强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也难

MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时，在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。自学合金元素之间的相互作用合金元素与非金属元素的相互作用合金元素与晶界的相互作用Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe§

1.2合金元素对铁碳合金相图的影响一、合金元素对奥氏体相区的影响（1）改变A相区的位置

奥氏体形成元素使奥氏体存在的区域扩大，其中开启A相区的元素如Mn、Ni、Co含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织。如：在室温下1Cr18Ni9为单相A体不锈钢高锰钢Mn13水韧处理后获得单一的A体Mn对奥氏体范围的影响铁素体形成元素使奥氏体存在的区域缩小，其中封闭A相区的元素如Cr、Ti、Si等元素超过一定的量时，可使钢在是温室时得到单相的铁素体组织。如：10Cr17Ti高铬铁素体不锈钢Cr对铁素体范围的影响（2）改变了共晶温度

扩大γ相区的元素使共晶转变温度降低；缩小γ相区的元素使共晶转变温度升高。合金元素对共析成分和共析温度的影响（3）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。合金元素对共析温度的影响

合金元素对共析碳量的影响

合金元素对退火钢加热转变的影响合金元素对过冷γ转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响二、合金元素对钢热处理的影响1、合金元素对退火钢加热转变的影响

⑴对奥氏体形成速度的影响Ti、Nb、Zr、W、Mo、Cr等强K或中强K由于与C的亲和力大，形成难溶于A的合金K，不易分解，显著减慢A的形成速度。Co、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的扩散系数，使奥氏体形成速度加快。Al、Si、Mn等合金元素对C在奥氏体中扩散影响不大，故对A形成速度无显著影响。合金元素除Mn之外组织奥氏体晶粒长大所带来的好处就是合金钢在加热时不易过热。同时对钢的细晶强韧化也有良好贡献。V、Ti、Nb、Zr等强碳化物形成元素和适量的Al强烈阻碍晶粒长大，它们碳化物或氮化物熔点高，高温下稳定，不易聚集长大，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大；W、Mo、Cr等中强碳化物形成元素也阻碍晶粒长大，其影响程度中等。Si、Cu、Ni等部分非碳化物形成元素对奥氏体晶粒长大影响不大。P、Mn、C、N、O、B等合金元素含量在一定限度以下促进奥氏体晶粒长大。⑵对奥氏体晶粒大小的影响Me对奥氏体晶粒大小的机制除Co外，绝大多数合金元素，特别是强碳化物形成元素由于形成合金渗碳体和特殊碳化物，更难溶入奥氏体中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr强烈阻碍A体晶粒长大（细晶强化）W、Cr、Mo中等阻碍A体晶粒长大（稍落后）2、合金元素对过冷奥氏体转变的影响1）非K形成元素Ni、Si和弱K形成元素Mn，大致保持C钢的“C”线形状，使“C”线向右作不同程度的移动；2）Co不改变“C”线，但使“C”线左移；3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。钢的过冷奥氏体等温转变图通常称呈“C”型，故称为“C”曲线。不同合金成分的C曲线形状是不同的。按照合金元素不同的影响，可分为如下三类：“C”曲线五种形状

过冷A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程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响(上左)强K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素注意：加入的K必须完全溶于A才能提高淬透性；如果未完全溶解或者以K的形式存在的就会成为形成P的核心，反而降低钢的淬透性。多种合金元素的加入要比一种合金元素的加入对钢的淬透性的影响大得多，因此合金化的原则为“多元少量”。若钢的淬透性好的情况下，则可用较为缓和的淬火冷却介质，可以采用分级淬火、等温淬火工艺减少工件变形开裂倾向；增大淬透层的深度，从而获得较高的，均匀的力学性能。3、C曲线右移意味着钢的淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。(1)过冷A体的P、B转变

P转变：扩散性转变，需要C和Me都扩散；

扩大A相区的Me是P转变移向较低温度；缩小A相区的

Me是P转变移向较高的温度。

4、过冷A体可能发生三种转变，合金元素对这几种转变的影响主要有：B转变：半扩散形转变，C作短程扩散，Me几乎没有扩散。

Me的作用是影响了合金的相变驱动力和碳原子的扩散能力，从而影响B的转变。影响顺序为：

除Co和Al加速B的转变以外，其它Me都减缓B的转变；

Mn、Cr、Ni、Si的影响最为显著；

W、Mo、V的影响很小。67

(3)对残余奥氏体的影响Ms点越低，室温中残余奥氏体越多，对马氏体形态和亚结构有影响。合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。

(2)合金元素对马氏体转变的影响

M转变:非扩散转变，合金元素对Ms，Mf及马氏体精细结构有影响。

1、一般会降低Ms和Mf点：C最强烈，Mn，Cr，Ni次之，V，Mo，W，Si再次之。

2、升高Ms和Mf点：Co，Al。

钢淬火后，获得M和残余A两种亚稳定相。Me对淬火钢回火的影响主要有以下是三个方面：

(1)提高耐回火性

Me在回火过程中推迟M的分解和残留A的转变；提高F的再结晶温度，使K难以聚集长大。因此Me能提高钢对回火软化的抗力。

提高耐回火性强的元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。相同C含量的合金钢与碳钢比较：

相同硬度的条件下，合金钢的回火温度比碳钢高，回火时间也相应增长，有利于残余应力的消除，因而合金钢的塑性、韧性较碳钢好；相同温度回火时，合金钢的强度、硬度较碳钢高。3.合金元素对淬火钢的回火转变的影响（2）产生二次硬化和二次淬火定义：Mo、W、V等较强K形成元素含量较高的合金钢在回火时，硬度不是随着回火温度的升高而单调降低，而是达到某一温度时（约400℃）后反而开始提高，并在另一高度（一般约为550℃左右）达到峰值，这就是回火过程中的二次硬化。1)二次硬化原因：当回火温度低于450℃时，钢中析出合金渗碳体；在450℃以上渗碳体溶解，钢中开始析出弥散的难容碳化物Mo2C、W2C、VC等，产生弥散强化，而且这些难容碳化物与α相保持共格关系；若继续升高温度，由于碳化物的长大，弥散度减小，共格性被破坏，共格畸变消失，从而使硬度迅速下降。定义:

在强K形成元素含量较高的合金钢中淬火后γ’十分稳定，甚至在加热到500-600℃时仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。原因:

可能是γ’中析出部分K，使C%，Me%下降，Ms升高，冷却时γ’→M。应用:

高合金钢可以利用钢的二次淬火现象来消除γ’

。2)二次淬火(3)对回火脆性的影响回火目的：降低脆性、提高韧性、稳定组织。回火脆性：在钢的回火过程中，其韧性并不是单调地上升，而是在250℃~350℃之间和450℃~650℃之间出现了两个低估。也就是说这两个温度范围内回火，韧性非但没有提高，反而显著降低。回火脆性分类：第一类回火脆性第二类回火脆性1、第1类回火脆性脆性特征

①不可逆；②与回火后冷速无关；③晶界脆断。产生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界强度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si可以有效的推迟脆性温度区.第一类回火脆性出现在250℃~350℃

℃回火的M中，并伴随着韧性与延展性的降低。低温回火脆性2、第2类回火脆性脆性特征

出现在450℃~

650℃温度区间；可逆；回火后慢冷产生，快冷抑制；晶界脆断.产生原因

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。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。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr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1.3

Me对钢性能的影响

一、钢的强化机制与Me的作用原理

1、强化机制与Me的作用原理：各种强化途径↑塑变抗力↑位错运动阻力

↑钢强度金属的强度指材料对塑性变形的抗力。固溶强化细晶强化变形强化第二相强化表达式对于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机理效果提高强度，降低塑韧性

原子固溶→晶格发生畸变

→产生弹性应力场，与位错交互作用→↑位错运动阻力（1）固溶强化

Si、Mn的固溶强化效应大，但Si>1.1%，Mn>1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。

合金元素对低碳F强度和塑性的影响

合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应Ⅰ-间隙元素，Ⅱ-F形成元素，Ⅲ-A形成元素（2）细晶强化表达式机理晶粒越细→晶界、亚晶界越多→

有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。效果

↑钢的强度，又↑塑性和韧度这是最理想的强化途径.

著名的Hall-petch公式式中，d为晶粒直径，Kg为系数（3）变形强化表达式机理位错增殖→位错密度增加→

位错滑移困难，也称位错强化。效果钢的强度提高，塑性和韧度下降，效果显著，但由于受材料塑性的限制，到一定程度后会断裂；变形强化可以通过在结晶退火来消除，基本上能恢复到变形前的状态。（4）第二相强化表达式机理

微粒第二相钉扎位错运动→强化效果主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。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。效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。钢强度表达式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（5）Me对强化有效性的影响最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。1)、强化的有效性

强化:弥散析出ΔσP>|-ΔσS|硬度峰值弱化:M分解ΔσP

<|-ΔσS|弱化缓慢

图强化和弱化的演变1-M分解；2-弥散析出；3-综合效应

2)、Me对强化有效性的影响

强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。Me量↑→弥散相量↑(有足够的C)→二次硬化↑

例：含0.1~0.15%C钢，需0.1~0.2%V；0.08~0.12%Nb；2.5~3.0%Cr强化≥弱化Me最小浓度临界值K类型含C量

图

V对40钢回火硬度的作用2、钢的韧化途径与Me的作用原理

（1）影响韧性的因素

强化因素一般情况，钢强度↑→塑韧↓,称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会不同程度地↓韧性。危害最大是间隙固溶；沉淀强化较小,但对强化贡献较大。合金元素Ni↑韧性；Mn在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韧性晶粒度

细晶既↑σS，又↓↓TK,即↑韧性

→

最佳组织因素。第二相K小、匀、圆、适量

→

工艺努力方向。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。杂质

合金元素对铁素体冲击韧度的影响

晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能（2）提高钢韧度的合金化途径

1）细化晶粒、组织——如Ti、V、Mo；2）↑回火稳定性——如强K形成元素；3）改善基体韧度——Ni；4）细化K——适量Cr、V，使K小而匀；5）↓回脆——W、Mo；

6）在保证强度水平下，适当↓含C量.↑冶金质量。

Me对退火状态下钢的力学性能的影响Me对正火状态下钢的力学性能的影响Me对钢在淬火回火状态下钢的力学性能的影响Me对钢低温力学性能的影响Me对钢高温力学性能的影响二、Me对钢不同热处理状态下力学性能的影响合金元素按照强化程度（由强到弱）：P、Si、Ti、Mn、Al、Cu、Ni等。退火处理通常不能作为合金钢的最终热处理。1、合金元素对退火状态下钢的力学性能的影响合金元素对铁素体抗拉强度的影响合金元素对铁素体屈服强度的影响合金元素对铁素体固溶强化的影响合金元素对铁素体伸长率的影响合金元素对铁素体冲击韧性的影响2、合金元素对正火状态下钢的力学性能的影响合金元素对正火状态下力学性能的影响较其退火状态下要显著增大原因：合金元素（除Co外）提高了钢过冷奥氏体的稳定性，从而使得合金钢在空冷后可能得到的组织为索氏体、托氏体、贝氏体和马氏体。只有对淬透性小的低合金钢，调质处理在技术上有困难或经济上不合适时，才用正火作为合金钢的最终热处理。3、Me对钢在淬火回火状态下力学性能的影响1)、Me改变了淬火状态下钢的组织和性能(1)除Co外，所有合金均能提高合金的淬透性(2)大多数合金元素均能阻碍奥氏体晶粒长大（除Mn外）(3)除Co、Al外，Me较多时，Ms点降低(4)淬透性取决于碳含量，Me可以起到补充强化的作用.2)、Me对淬火回火状态下钢的力学性能的影响（与碳钢相比较）(1)硬度相同的情况下，中高温回火时，硬度下降缓慢(2)强度指标皆高于碳钢(3)塑性指标时，低温回火合金钢高，高温回火时，相差不多。(4)冲击韧性低温时：合金钢高于碳钢中温时：不相上下高温时：合金钢在逐渐升高3)、Me对不同阶段回火钢的力学性能的影响

(1)

Me对低温回火钢力学性能的影响a、绝大多数Me对钢的组织转变影响很小b、Me提高钢的塑性和韧性c、凡是能同时提高钢的强度和塑性的Me均能使冲击韧性↑。(2)合金元素对中/高温回火钢力学性能的影响

a、中温产生脆性（前面说过）

b、高温主要为调质处理，组织为力学性能良好的索氏体。4、合金元素对钢低温力学性能的影响理解各种元素的主要作用CNOSPSnNi细化晶粒的元素5、合金元素对钢高温力学性能的影响高温下晶粒、晶界的强度会降低，原子扩散速度加强。

1、特别防止产生蠕变，因此要求使用粗晶粒钢。

2、另一种途径是加入的合金元素能够强化材料的基体。

3、加入高温强度和高温稳定性的第二相粒子阻碍位错运动。三、合金元素对钢工艺性能的影响钢号合金元素质量分数含量

/%P转变孕育期

/秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.383540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25500淬透性

一般是指淬火时获得M的能力.合金元素复合作用大,不是简单加和.1、Me对钢热处理性能的影响在结构钢中，↑M淬透性作用显著的元素从大到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。淬透性好的作用可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；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淬硬性

理想淬火条件下,形成M能达到的最高硬度。淬硬性主要与钢的含碳量有关。变形开裂倾向

热应力→变形;组织应力→开裂;附加应力较复杂.影响因素比较复杂,要综合分析.采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应力，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。

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,→Mn.如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。

氧化和脱碳往往伴随产生.→Si.含硅钢氧化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。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、弹簧等零件是极其有害的.回火稳定性(耐回火性)合金钢回火稳定性要比碳钢好.同样回火硬度,合金钢的回火温度高,时间也可长些,应力消除也大些;同样塑韧性,合金钢的强度比碳钢高.回火脆性(前面已介绍)2、对焊接性能的影响焊接性参量：开裂敏感性、焊缝金属的凝固裂纹、热影响区和焊缝金属的韧性等。1)氢诱发裂纹碳当量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5小于0.35%wt时，焊接性能好。2)焊缝金属的凝固裂纹与焊条中的C、S含量有关（C小于0.07%wt）。3)热影响区和焊缝金属的韧性与焊条中提高淬透性元素含量有关。3、对钢的切削加工性能的影响切削性能的衡量标准：刀具寿命、切削速度、表面粗糙度、切削阻力，断屑形状等。1）与硬度及组织有关；2）从化学成分的角度说，非金属夹杂是决定钢的切削性能的主要因素。非金属夹杂的类型、大小、形态、分布和体积分数不同，对切削性能的影响也不同。夹杂物满足以下四条件时，有利于切削：①夹杂物是应力集中源，起到裂纹源和脆化切屑作用②具有一定塑性，不切断金属的塑性流变；③在刃具和切屑之间形成热量传播的障碍；④具有光滑的表面。3)提高钢切削性能的方法加入易切削元素，如：S（形成硫化物），P，Pb，Bi,Se(硒）（形成硒化物）,Te(碲）（形成碲化物）等；以Ca脱氧：改变氧化物的形态；4)对切削性能有害的夹杂物Al2O3、SiO2和复杂氧化物－硅酸盐夹杂物、氮化物或碳氮化物等4、Me对钢铸造性的影响5、Me对钢塑形加工性能的影响1.4微量元素在钢中的作用一、微量元素与分类常用微合金化元素

B，N，Ti，V，Zr，Nb，Re偶用微合金化元素

Hf，Ta，Sc（钪）净化，变质和控制夹杂物形态的元素

B，Ti，Ca，Zr，Re改善切削性能的元素

S，Ca，Se，Pb，Bi痕量有害元素

P，As，Sn，Sb，Pb，Bi二、微量元素的有益效应

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

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

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、耐热钢中加入微量Nb、Zr、B，可改善钢的高温强度等。三、微量元素的有害影响

例如，Pb,Bi,Sb,Sn等元素在PPM数量范围内就会对钢的热塑性、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）。钢的分类与编号一.钢的分类1、按用途分类机械零件用钢（1）结构钢2、工具钢工程构件用钢3、特殊性能钢2、按金相组织分类（1）按平衡组织分类（2）按正火组织分类（3）按加热冷却时是否发生相变分类亚共析钢共析钢过共析钢莱氏体钢奥氏体钢马氏体钢珠光体钢贝氏体钢铁素体钢奥氏体钢半铁素体钢半马氏体钢3、按化学成分分类(1)碳素钢低碳钢：0.0218-0.25%中碳钢：0.25-0.6%高碳钢：0.6-2.11%(2)合金钢低合金钢：1-5%中合金钢：5-10%高合金钢：>10%(3)按冶金质量分类a、普通合金钢S≤0.050%P≤0.045%b、优质合金钢S≤0.035%P≤0.035%c、高级优质合金钢S≤0.025%P≤0.025%d、特级优质合金钢S≤0.015%P≤0.020%主要按钢中S、P杂质含量4、按冶炼方法分类(1)根据冶炼方法和设备分转炉钢电炉钢真空感应炉钢等(2)根据钢液的脱氧程度分沸腾钢镇静钢半镇静钢(3)根据钢液的脱氧程度分渗碳钢渗氮钢易切削钢1.碳素结构钢，Q+数字

产量最大的类型；Q表示屈服强度，数字表示屈服强度值。例如：Q235AF二、钢的编号方法2.优质碳素结构钢，两个数字或两个数字+Mn

08F：F指的是沸腾钢,无F是镇静钢。数值的含义是指含碳量,单位是万分之一，如45是含碳量0.45%；3.碳素工具钢，T+数字（一个或两个）

T12A、T10A。数字代表含碳量，单位是千分之一，像T12就是含碳量1.2%。A是后缀,表示的是高级优质钢,（碳素工具钢都是优质钢）5.一个数字+几个合金元素符号或几个合金元素符号，一般为合金工具钢。如：5CrMnMo、5CrNiMo和Cr12。开头数字表示含碳量，单位千分之一；后面的元素符号表示含的元素类型，元素符号后的数字代表含量，单位为1%；（这类钢大都不标含碳量的）。如5CrMnMo指的是含碳0.5%，含Cr、Ni、Mo元素含量均在1.5%以下；如Cr12这种就是能看出含Cr量12%左右,含碳量需要查询材料手册，Cr12含碳量是2-2.3%。4.合金结构钢，两个数字+几个合金元素符号如60Si2Mn,20CrMnTi。开头两个数字指含碳量，单位是万分之一，后面是含的合金元素，元素后面的数字代表合金含量，数字的单位是1%，不写数字代表的是含量在1.5%以下。如60Si2Mn：含碳量0.6%，含Si量2%左右，Mn1.5%以下的合金钢。6.Cr后面的数字超过13，不锈钢。

如3Cr13和0Cr18Ni9，前面的数字代表含碳量，单位千分之一，0表示含碳量在0.08%以下，03表示的是含碳量小于等于0.03%大于等于0.01%,01表示的含碳量小于0.01%,后面的元素符号如合金结构钢和合金工具钢。7.G+Cr+其他元素符号，滚动轴承钢。

G表示滚动轴承钢，Cr后面表示含Cr量，单位千分之一。如GCr15,表示含Cr1.5%。这类还有一种渗碳轴承钢,如G20CrNiMo,G后面的含义同合金结构钢。8.其他各种常见前缀和后缀：

前缀，Z表示铸钢类型,Y表示易切削钢；后缀,ABCDE,表示质量。金属材料的环境协调性设计

目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三千多种。→材料的废弃物再生循