材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 金属材料 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology l 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 l 有色金属材料 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology Si, Mn, Cr, Ni, W, Mo, V, Ti, Nb, Al, Cu, B 热脆冷脆氢脆 钢中的元素 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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的亲亲和力由强到弱： Ti,Zr,Nb,V,Mo,W,Cr,Mn,Fe,Ni,Si,Co,Al(固溶) 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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） p 降低冲击性能（晶界处成膜） p 内部裂纹源（大块尖角碳化物） 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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）稳定化元素使A3，A4 ，区扩大 i）与区无限固溶 Ni、Mn、Co 量大时， 室温为相 ii）与区有限固溶 C、N、Cu 扩大区 Ni, Mn, CoC, N, Cu 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology （2）稳定化元素 使A3，A4 ，区缩小 封闭区 （1）Cr、V（与-Fe完全互溶）， 量大时高温仍然为相 （2）W、Mo、Ti， 相封闭但有限溶解 缩小区 B、 Nb、Zr等 稳定相 A形成元素 稳定相 F形成元素 Cr, VMo, W, TiB, Nb, Zr 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology Cr元素影响 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 铁碳锰相图 Mn元素影响 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 pTi、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） pW、Mo、Cr：阻碍作用中等 pNi、Si、Cu等非K形成元素：作用微弱 pC、N、B、P、Mn：促进奥氏体晶粒长大 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 回火过程的二次硬化 强化的有效性 强化 弥散析出（P） P |-S| 出现硬度峰值 弱化 M分解（-S） P 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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6166HRC 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology l 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 l 有色金属材料 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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（6066HRC）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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 工具钢（1）刃具钢 成分 组织 （1）0.61.3%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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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180200） 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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: 0.51.5%，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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 刃具钢高速钢成分特点 C保证钢的硬度、耐磨性和热硬性 W Mo 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， 1Mo可取代1.52.0W，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； 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology V V 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） Cr Cr 加热时全溶，保证钢淬透性， 4Cr改善抗氧化能力、切削能力 材料工程学院 Nanjing Institute of Technology 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