工程材料学工程材料学上官晓峰上官晓峰1绪论绪论研究内容：研究内容：工程材料学是研究材料的成分、组织、性工程材料学是研究材料的成分、组织、性能之间的关系的一门学科，它对生产、使用和发展材能之间的关系的一门学科，它对生产、使用和发展材料起着重要的作用。料起着重要的作用。 基本矛盾：基本矛盾：科学技术、工业生产对材料所提出的性能科学技术、工业生产对材料所提出的性能要求与材料本身所能提供的性能之间的矛盾，则构成要求与材料本身所能提供的性能之间的矛盾，则构成了工程材料学的基本矛盾了工程材料学的基本矛盾。 2学习基本内容学习基本内容n钢的合金化基础理论（第钢的合金化基础理论（第1章）章）n合金钢（第合金钢（第26章）章）n铸铁（第铸铁（第7章）章）n有色金属材料（第有色金属材料（第8章）章）n非金属材料（第非金属材料（第912章）章）3n第第1章为钢的合金化基础理论部分，我们将着章为钢的合金化基础理论部分，我们将着重讨论钢和合金元素、合金钢中的相组成与相重讨论钢和合金元素、合金钢中的相组成与相变、合金元素对钢的强韧性和工艺性的影响及变、合金元素对钢的强韧性和工艺性的影响及微量元素在钢中的作用。微量元素在钢中的作用。n第第2第第8章通过对常用钢铁材料和有色金属材章通过对常用钢铁材料和有色金属材料的成分、组织结构、热处理工艺与性能之间料的成分、组织结构、热处理工艺与性能之间的关系及应用范围进行比较全面、系统地学习。的关系及应用范围进行比较全面、系统地学习。n非金属材料部分自学非金属材料部分自学 4例：入厂复验，某元素不合格例：入厂复验，某元素不合格分析：分析：n合金元素对材料各种性能的影响；合金元素对材料各种性能的影响；n零件受力情况零件受力情况(G、Z、一般件、一般件)；n使用环境使用环境n经济性经济性n最后决定此批材料是超差应用还是报废。最后决定此批材料是超差应用还是报废。5学习目标学习目标 n着重掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处着重掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。理工艺、组织、性能以及它们的应用。另外掌握有色金属的牌号、成份、热处理工另外掌握有色金属的牌号、成份、热处理工艺、组织及其应用。艺、组织及其应用。n熟悉铸铁的牌号、成份、热处理工艺、组织及熟悉铸铁的牌号、成份、热处理工艺、组织及其应用。其应用。一般了解铜合金的牌号、性能特点和应用一般了解铜合金的牌号、性能特点和应用6学习建议学习建议 1本学期介绍的金属材料是工程上最常用的工程材料。本学期介绍的金属材料是工程上最常用的工程材料。本课程的重点内容，需要认真学习，认真领会。一些本课程的重点内容，需要认真学习，认真领会。一些常用金属材料的牌号要熟记。常用金属材料的牌号要熟记。2学习每章内容均有相应的作业，以加深对内容的理解。学习每章内容均有相应的作业，以加深对内容的理解。3课堂会举例分析金属材料的应用情况。加深对课程内课堂会举例分析金属材料的应用情况。加深对课程内容的理解。容的理解。4浏览相关网站，收集金属材料应用有关资料，了解新浏览相关网站，收集金属材料应用有关资料，了解新的金属材料研究情况，拓宽知识面。的金属材料研究情况，拓宽知识面。5本课程的学时：本课程的学时：48H本课程的基础：本课程的基础：材料科学基础、材料加工基础、力学性材料科学基础、材料加工基础、力学性能、金属腐蚀与防护能、金属腐蚀与防护7教材及参考书教材及参考书教材：教材：工程材料学工程材料学哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社王晓敏王晓敏参考书：参考书：n合金钢合金钢机械出版社机械出版社合金钢合金钢编写组编写编写组编写n合金钢合金钢机械出版社机械出版社华中工学崔崑主编华中工学崔崑主编n有色金属材料及其热处理有色金属材料及其热处理国防工业出版社北航西工大合编国防工业出版社北航西工大合编8第一章第一章钢的合金化基础钢的合金化基础1.1钢中合金元素及其分类钢中合金元素及其分类一杂质元素（一杂质元素（impurityelement） 常存杂质：常存杂质：MnSiAlSP1分类分类隐存杂质：隐存杂质：OHN偶存杂质：偶存杂质：CuSnPbCr 2对钢性能的影响对钢性能的影响 热脆热脆: S冷脆冷脆: P氢脆氢脆: H9二合金元素（二合金元素（alloyingelement）1定义定义 合金元素合金元素合金钢合金钢 2钢中常用合金元素钢中常用合金元素第三周期：第三周期：Al、Si第四周期：第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、 Ni、Cu第五周期：第五周期：Nb、Mo、Zr第六周期：第六周期：W第二周期：第二周期：B、C第六、七周期：第六、七周期：Re103合金钢的分类合金钢的分类可按合金元素总的含量进行分类：可按合金元素总的含量进行分类：高合金钢：高合金钢：Me10%中合金钢：中合金钢：Me=510%低合金钢：低合金钢：Me5%微合金钢：微合金钢：Me=0.1%11三、三、Me和和Fe的作用的作用第一类：奥氏体稳定元素第一类：奥氏体稳定元素 Ni、Mn、Co C、N、Cu、Zn、Au 12奥氏体稳定元素奥氏体稳定元素奥氏体稳定元素奥氏体稳定元素开启开启相区：相区： Ni、Mn、Co 扩展扩展区：区：C、N、Cu、Zn、Au作用：使作用：使A3，A4，区扩大，促进区扩大，促进形成形成13第二类：铁素体稳定元素第二类：铁素体稳定元素（1）封闭）封闭相区：相区：Ti、V、Mo、 W、Cr（强（强K形成元素）、形成元素）、Si、Al （2）缩小）缩小相区：相区：B、Zr、Nb、Ta 14作用作用使使A3，A4，区缩小，促进区缩小，促进形成形成总结：总结：合金元素与铁的作用是由：合金元素的点合金元素与铁的作用是由：合金元素的点阵类型、尺寸因素、电化学因素（电负阵类型、尺寸因素、电化学因素（电负性）所决定的。性）所决定的。15以第四周期的合金元素为例说明以第四周期的合金元素为例说明：TiVCrMnFeCo NiCu结构结构BCC同素异构中有同素异构中有FCCFCC3d层电子数层电子数2、3、5567810尺寸因素尺寸因素V、Cr与与Fe相近相近Mn、Co、Ni与与Fe相近相近结果结果V、Cr与与Fe形成形成无限互溶的无限互溶的固溶体固溶体Mn、Co、Ni与与Fe形成形成无限互溶的固溶体无限互溶的固溶体161.2碳（氮）化物碳（氮）化物 合金元素分类合金元素分类非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu、Co、N、P等等K形成元素：形成元素：Ti、Nb、V、W、Mo、Cr；Mn、Fe17一、钢中常见的碳化物一、钢中常见的碳化物 碳化物类型碳化物类型复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、特点：硬度、熔点较低，稳定熔点较低，稳定性较差；性较差；简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间。又称间隙相。隙相。特点：硬度高，特点：硬度高，熔点高，稳定性好。熔点高，稳定性好。M6C型属于复合型属于复合碳化物碳化物,复杂结复杂结构构.性能特点接性能特点接近简单点阵结构近简单点阵结构18二二K形成的一般规律形成的一般规律1K类型类型 MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53M3C：渗碳体，正交点阵；：渗碳体，正交点阵；M7C3：例：例Cr7C3，复杂六方，复杂六方；M23C6：例：例Cr23C6，复杂立方，复杂立方；M2C：例：例Mo2C、W2C。密排六方。密排六方；MC：例：例VC、TiC，简单面心立方点阵，简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属：不是一种金属K。复杂六方点阵。复杂六方点阵。K也有空位存在也有空位存在；可形成复合；可形成复合K,如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 192K形成规律形成规律（1）rc/rMe0.59复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K。特点：特点：硬度低；硬度低；熔点低；熔点低；稳定性稳定性较差，加热时易溶入较差，加热时易溶入中。中。作用：作用：提高提高稳定性，增加钢的淬透性及稳定性，增加钢的淬透性及回火稳定性。回火稳定性。20（2）rc/rMe15%，溶解度极小。，溶解度极小。322合金元素的固溶规律，即合金元素的固溶规律，即HumeRothery规律规律 （1）晶体结构）晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件，而不是充分条件。的必要条件，而不是充分条件。（2）原子尺寸因素）原子尺寸因素结构相同，原子尺寸相近，溶解度大。结构相同，原子尺寸相近，溶解度大。（3）电负性因素）电负性因素（化学亲合力）（化学亲合力）33二、间隙固溶体二、间隙固溶体1溶质原子尺寸溶质原子尺寸 n溶质原子尺寸接近于溶剂晶体结构中某些间隙溶质原子尺寸接近于溶剂晶体结构中某些间隙尺寸尺寸n元素：元素：BCNOHn半径，半径，0.190.770.710.630.46n尺寸条件尺寸条件:溶质原子与溶剂原子直径之比溶质原子与溶剂原子直径之比0.59,符合间隙相。间隙固溶体总是有限固溶符合间隙相。间隙固溶体总是有限固溶体，总保持溶剂金属的点阵结构。体，总保持溶剂金属的点阵结构。342间隙形状、尺寸间隙形状、尺寸 C在在Fe中溶解度最大为中溶解度最大为0.0218%；C在在Fe中溶解度最大为中溶解度最大为2.11%（1）对于）对于Fe：八面体间隙（由各面心的原子构成）尺寸大于四面：八面体间隙（由各面心的原子构成）尺寸大于四面体间隙，故体间隙，故C存在于八面体间隙中。存在于八面体间隙中。C的原子半径的原子半径0.77，Fe八八面体间隙半径面体间隙半径0.53，C溶入后会引起畸变，使周围的间隙减小，溶入后会引起畸变，使周围的间隙减小，C的溶解度受到限制，远低于八面体间隙间隙个数。的溶解度受到限制，远低于八面体间隙间隙个数。（2）对于）对于Fe：720时：八面体间隙半径时：八面体间隙半径0.192；四面体间隙半径；四面体间隙半径0.364。虽然四面体间隙大于八面体间隙，但虽然四面体间隙大于八面体间隙，但C都存在于八面体间隙内。都存在于八面体间隙内。原因：因原因：因C堵塞于四面体间隙须四个堵塞于四面体间隙须四个Fe原子都被推开，需更高的应变原子都被推开，需更高的应变能，而八面体间隙只须能，而八面体间隙只须Z轴上的两个轴上的两个Fe原子都被推开，需应变能原子都被推开，需应变能低。低。35间隙固溶体的形成规律间隙固溶体的形成规律 有限固溶：有限固溶：C、N、B、O等等溶解度：溶解度：n溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的溶解度是不同的如如Fe与与Fe。n溶质原子大小：溶质原子大小：r，溶解度，溶解度。N溶解度比溶解度比C大大:RN=0.071nm，RC=0.077nm间隙位置：优先占据有利间隙位置间隙位置：优先占据有利间隙位置畸变为最小。畸变为最小。n间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满最小自由能原最小自由能原理。理。361.5Me在钢中的存在形式在钢中的存在形式 一、一、Me在不同状态下的分布在不同状态下的分布1退火、正火态退火、正火态非非K形成元素基本上固溶于基体中，而形成元素基本上固溶于基体中，而K形成元素视形成元素视C和本身量多少而定。优先形成和本身量多少而定。优先形成K，余量溶入基体。，余量溶入基体。2淬火态淬火态Me分布与淬火工艺有关。溶入分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于体的元素淬火后存在于M、B中或中或AR中；未溶者仍在中；未溶者仍在K中。中。3回火态回火态低温回火低温回火:Me不重新分布；不重新分布；温度温度400，Me开始重新分布。非开始重新分布。非K形成元素仍在基形成元素仍在基体中，体中，K形成元素逐步进入析出的形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定于中，其程度决定于回火温度和时间。回火温度和时间。37二二Me的偏聚（的偏聚（segregation） 1现象现象：偏聚：偏聚Me偏聚偏聚缺陷处缺陷处C基体平基体平均均C这种现象也称为吸附现象。这种现象也称为吸附现象。nMe+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；氏气团；nMe+：溶质原子在层错处吸附形成铃木气：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；团；nMe+：溶质原子在螺位错吸附形成：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团气团.382偏聚机理偏聚机理n溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符，符合自然界最小自由能原理。合自然界最小自由能原理。n结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子容易存在；原子容易存在；n能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。，符合自然界最小自由能原理。n热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。393影响因素影响因素n缺陷处溶质浓度：缺陷处溶质浓度：C=C0exp(E/RT)点阵类型：对置换式溶质原子无影响，但对间隙溶质原子，点阵类型：对置换式溶质原子无影响，但对间隙溶质原子，由于由于FCC、HCP间隙尺寸大于间隙尺寸大于BCC，故，故BCC点阵内吸附较点阵内吸附较FCC强烈。强烈。其它元素：其它元素：间接作用间接作用:优先吸附问题优先吸附问题,B与与C直接作用直接作用:影响吸附元素影响吸附元素D,MnDP，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；扩散加快，促进了钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。减轻回火脆性的有效元素。401.6合金钢中的相变合金钢中的相变一合金元素对相变基本因素的影响一合金元素对相变基本因素的影响n相变的驱动力是两相的自由能差相变的驱动力是两相的自由能差热力学热力学n相变的实现靠溶质原子的扩散完成相变的实现靠溶质原子的扩散完成动力学动力学 1合金元素对合金元素对、两相自由能的影响两相自由能的影响 AFAFAFMn、Cr Co、AlW、 Mo41二合金钢中的扩散和二合金钢中的扩散和C在铁中的在铁中的活度活度1扩散问题扩散问题1）置换原子比间隙原子扩散慢几个数量级；）置换原子比间隙原子扩散慢几个数量级；Fe中：中：D:1.5107Ni7.71013Fe中：中：D:1.5105Ni3.710112)在特定的温度下，间隙溶质原子和置换溶质原在特定的温度下，间隙溶质原子和置换溶质原子在子在中的扩散比中的扩散比中的扩散快；中的扩散快；Fe中：中：D:1.5107Q=135KJ/molFe中：中：D:1.5105Q=85KJ/mol423）K形成元素升高形成元素升高C的扩散激活能，降低的扩散激活能，降低C的扩的扩散系数，而非散系数，而非K形成元素降低形成元素降低C的扩散激活能，的扩散激活能，提高提高C的扩散系数，的扩散系数，Si例外，例外，Qc，Dc。4）MeCr、Mn、Mo、Ti等减慢等减慢Fe的自的自扩散速度，降低扩散速度，降低Fe原子的活度，增加原子的活度，增加Fe原子间原子间的结合能，使的结合能，使QFe，DFe。5）金属原子在晶界上扩散比在晶内快得多）金属原子在晶界上扩散比在晶内快得多 432碳在铁中的活度问题碳在铁中的活度问题 合金元素存在于固溶体中，会改变金属原合金元素存在于固溶体中，会改变金属原子与子与C的结合力或结合强度。的结合力或结合强度。n K形成元素增加固溶体中形成元素增加固溶体中C与与Me的结合的结合力，降低其活度。力，降低其活度。n而置换了固溶体中原子的非而置换了固溶体中原子的非K形成元素，形成元素，提高其活动性，即增加提高其活动性，即增加C的活度，同时将的活度，同时将出现从固溶体中析出的现象。出现从固溶体中析出的现象。44三合金钢的加热三合金钢的加热A化化n原始组织不同，转变机制不原始组织不同，转变机制不同同原始组织原始组织+Fe3C A原始组织原始组织有序：有序：B、M、W有序重结晶转变有序重结晶转变组织遗传组织遗传无序：无序：P型型无序重结晶转变，无序重结晶转变，即即过渡和过渡和重结晶是重合的，重结晶是重合的，晶粒细小晶粒细小 45组织遗传组织遗传n组织遗传与加热速度、合金化程度有关组织遗传与加热速度、合金化程度有关 快速快速中速中速慢速慢速高合金高合金钢钢+ +（有）（有）+ + +中合金中合金钢钢+ +- - -低合金低合金钢钢- -（无）（无）- - -碳碳钢钢- - - -避免的办法避免的办法焊接、锻造、铸造后进行退火或高温回火处理，使其焊接、锻造、铸造后进行退火或高温回火处理，使其组织变为组织变为F+K形式的无序组织；形式的无序组织；过热合金钢二次淬火前加一次回火或退火；过热合金钢二次淬火前加一次回火或退火；A化温度高于化温度高于A的再结晶温度，粗大的的再结晶温度，粗大的A晶粒发生再结晶粒发生再结晶，晶，A晶粒会出现反常细化。晶粒会出现反常细化。462K在在A中的溶解规律中的溶解规律 1）K稳定性越好，溶解度就越稳定性越好，溶解度就越小；小；2）温度）温度，溶解度，溶解度，沉淀析沉淀析出；出；3）K稳定性越好，溶解温度越稳定性越好，溶解温度越高，高，K稳定差的先溶解稳定差的先溶解;Fe3C、Cr23C6、W2C、TiC等等K的的溶解温度由低向高增加。溶解温度由低向高增加。4）A中的合金元素与中的合金元素与K溶解温度溶解温度的关系的关系473A体均匀化体均匀化4A体晶粒长大体晶粒长大1）K形成元素能阻止形成元素能阻止A晶粒长大，越强效果越好晶粒长大，越强效果越好2）Al、Si含量少量（仅以非金属夹杂形式存在时），细含量少量（仅以非金属夹杂形式存在时），细化化A晶粒；含量高时溶入晶粒；含量高时溶入A，则使，则使A粗化。粗化。3）形成间隙固溶体的元素（）形成间隙固溶体的元素（C、N、B），当其溶入），当其溶入A中，中，A晶粒长大；晶粒长大；4）Ni、Co、Cu作用不大作用不大。5）低碳钢中低碳钢中Mn可细化可细化A，但中、高碳钢中，但中、高碳钢中，Mn使使A粒粒化化。48总结总结n促进促进A晶粒长大：晶粒长大：C、P、Mn（中、高碳）；（中、高碳）；n阻止阻止A晶粒长大：晶粒长大：Ti、V、W、Mo、Cr、Mn（低碳）；（低碳）；n影响不大：影响不大：Co、Ni、Cu等。等。491.7过冷过冷A体的分解体的分解一、过冷一、过冷A体的稳定性体的稳定性n第一类：非第一类：非K形成元素，不改变形成元素，不改变“C”曲线的形曲线的形状，仅改变其位置，仍保持与碳钢相同的形式状，仅改变其位置，仍保持与碳钢相同的形式（一个（一个C）。）。1）Ni、Si和和Mn，大致保持，大致保持C钢的钢的“C”曲线形状，使曲线形状，使“C”曲线向右作曲线向右作不同程度的移动；不同程度的移动；2）Co不改变不改变“C”曲线形状，但使曲线形状，但使“C”曲线左移曲线左移n第二类：第二类：K形成元素，不仅改变其位置（上下、形成元素，不仅改变其位置（上下、左右移动），而且改变左右移动），而且改变“C”曲线的形状（两曲线的形状（两个个C）。）。 50五种类型的五种类型的C曲线曲线4Cr13、3Cr13、2Cr17 GCr15、9Cr、9Cr2、CrMn、CrW、CrWMn P在前20Cr、40Cr、30CrMo、12Co2Ni4W、40CrNi、30CrMnSiAB在前在前碳钢、含非碳钢、含非K元素元素Ni、Si和和弱弱K形成形成Mn1.5%低低合金钢合金钢51Mn13、45Cr14Ni14B2 0.150.25%C：CrNiMo、CrNiW钢 52合金元素对合金元素对C曲线的影响曲线的影响强强K形成元素形成元素弱弱K形成元素形成元素非非K形成元素形成元素53二过冷二过冷A体的体的P、B转变转变 热力学和动力学热力学和动力学n凡扩大凡扩大A区的元素：区的元素：Ni、Mn、Cu等，降低等，降低A1点，使点，使P相变区移向较低温度；相变区移向较低温度；n凡缩小凡缩小A区的元素：区的元素：Si、Al、Cr、W、Mo、V等，升等，升高高A1点，使点，使P相区变移向较高温度。相区变移向较高温度。n综合影响顺序（综合影响顺序（P)：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si、V n贝氏体转变贝氏体转变：C原子作短程扩散，原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。几乎没有扩散。n影响顺序（影响顺序（B）：）：Mn、Cr、Ni、Si，而，而W、Mo等影等影响很小。响很小。54四四Me对对Ms的影响的影响 nMn、Cr、Ni等，降低两相自由能差，故等，降低两相自由能差，故使使Ms；nSi、Cu作用不大；作用不大；nCo、Al增加自由能差，故使增加自由能差，故使Ms。nMe对对Mf的影响规律与的影响规律与Ms相似。相似。n使使Ms，增大，增大AR量。量。55五五Me对钢的淬透性的影响对钢的淬透性的影响n凡使凡使C曲线右移的元素均提高曲线右移的元素均提高A的稳定性，降低的稳定性，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，反之，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，反之，降低钢的淬透性。钢的淬透性。n影响强弱程度：影响强弱程度：Mn、Mo、Cr、Si、Nin思考题：思考题：1、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解?2、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太低，为什么点不能太低，为什么?561.8 合金钢的回火转变合金钢的回火转变 回火过程的四个阶段：回火过程的四个阶段：nM分解分解nK的形成及聚集长大的形成及聚集长大nAR的分解的分解n相的回复与再结晶相的回复与再结晶57合金钢回火时合金钢回火时M中含中含C量变化规律量变化规律渗碳体开始形成温渗碳体开始形成温度与合金化无关度与合金化无关含非碳化物形成元含非碳化物形成元素（素（Si除外）的合金钢除外）的合金钢（线（线2）和碳钢（线）和碳钢（线1）规）规律相同；律相同；在相同回火温度在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含C量要比量要比C钢的高钢的高不同合金中，马氏不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物的温体中析出特殊碳化物的温度度TK是不同的，线是不同的，线3的下的下降幅度也是不同的。降幅度也是不同的。M中含有两中含有两K形成形成元素，则可观察到第二次元素，则可观察到第二次强烈析出强烈析出C的温度的温度TK2，形成较强的形成较强的K形成元素的形成元素的特殊特殊K58Me对对M分解的影响分解的影响 1）非）非K形成元素形成元素Ni、Cu和弱和弱K形成元素形成元素Mn的影的影响很小；响很小；2）K形成元素强烈阻止形成元素强烈阻止M分解，其程度与它们与分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关的亲和力大小有关3）Si比较特殊：比较特殊：Fe和和C的结合力的结合力,ac；Si能溶于能溶于K，不溶于，不溶于Fe3C，K转变时转变时Si要从要从中扩散出去。中扩散出去。效果效果:提高提高M分解分解温度，如：含分解分解温度，如：含2%Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上。以上。 59二、回火时二、回火时K的形成的形成 1K长大聚集温度长大聚集温度nM3C型：型：350400；n其它其它K：450600 2K成分变化和类型转变成分变化和类型转变nK转变转变FeXCFe3CM3C亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊KnT,500n能否形成特殊能否形成特殊K，取决于，取决于:nMe性质、性质、NM/NC比值；比值；nT和和t 60例例613特殊特殊K的形成的形成 n原位形核原位形核n独立形核独立形核n二次硬化：在含有二次硬化：在含有K形成元素形成元素Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等的合金钢中，等的合金钢中，在在500600回火时回火时注意：注意：二次硬化是在一定的回火温度，一定的回火时间才能达到，二次硬化是在一定的回火温度，一定的回火时间才能达到，强强K形成元素形成元素V、Nb等二次硬化效果较明显，等二次硬化效果较明显，W、Mo次之，次之，Cr再次再次之之？如果回火温度过高，时间过长二次硬化效果会发生变化吗？为什么？如果回火温度过高，时间过长二次硬化效果会发生变化吗？为什么？（温度低、时间短？）（温度低、时间短？）例：例：AF1410钢（钢（16C014Ni10Cr2Mo）就是利用二次硬化高强高韧钢，）就是利用二次硬化高强高韧钢，0.21480MPa,b1620MPa,12%,60%(L),50%(T),K1c143MPam1/2。62三残余奥氏体分解三残余奥氏体分解n产物可为产物可为P、B、回火、回火M等等n注意二次淬火注意二次淬火63四四相的回复与再结晶相的回复与再结晶不同不同Me对对的再结晶温度的影响的再结晶温度的影响Me%Me%-Fe-Fe0.1%C0.1%C2%Ni2%Ni2%Si2%Si1%Mn1%Mn1.5%W1.5%W2%Mo2%Mo再再结结晶晶TT520520550550550550550550570570650650650650合金元素可提高合金元素可提高的再结晶温度，强弱顺序：的再结晶温度，强弱顺序：W、Mo、Co、Cr、Mn、Si、Ni 64五回火脆性五回火脆性 1第第类回火脆性（类回火脆性（250350）脆性特征：脆性特征：不可逆；不可逆；与回火后冷速无关；与回火后冷速无关；晶界脆断。晶界脆断。产生原因：产生原因：Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成；杂质元素杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界，晶界强度。晶界强度。Me作用：作用：Mn、Cr脆性；脆性；V、Al改善脆性；改善脆性；Si脆性温度区。脆性温度区。65防止措施：防止措施：推迟渗碳体的形核和长大；推迟渗碳体的形核和长大；减少杂质元素的含量或改变其分布；减少杂质元素的含量或改变其分布；增加增加AR稳定性；稳定性；具体方法：具体方法：细化晶粒细化晶粒减轻晶界断裂，加减轻晶界断裂，加W、V、Ti、Mo等或用等或用Al脱氧。脱氧。加加Si阻止渗碳体的形成，阻止渗碳体的形成，脆性脆性温度区。温度区。利用等温淬火得到利用等温淬火得到B下下。提高纯度。提高纯度。 662第第类回火脆性（类回火脆性（400650）脆性特征：脆性特征：可逆；可逆；回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制；晶界脆断晶界脆断产生原因：产生原因：杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界；形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。Me作用：作用：N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂等是脆化剂（脆化元素）（脆化元素）Mn、Ni与杂质元素共偏聚与杂质元素共偏聚（促进剂）；（促进剂）；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂促进其它元素偏聚，助偏剂（本身不偏聚）；（本身不偏聚）；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚（与杂质结合）抑制其它元素偏聚（与杂质结合），清除剂。，清除剂。67防止措施：防止措施：回火后快冷回火后快冷适用小件，大件快冷后会适用小件，大件快冷后会产生大应力；产生大应力；加加W、Mo清除剂；清除剂；细化晶粒，使晶界析出物不细化晶粒，使晶界析出物不能成为网状能成为网状提高冶金质量，尽可能降低提高冶金质量，尽可能降低有害杂质的含量。有害杂质的含量。681.9 Me对钢的强韧化作用对钢的强韧化作用一一Me对钢强化的形式及其机理的影响对钢强化的形式及其机理的影响 强化本质强化本质 各种强化途径各种强化途径塑变抗力塑变抗力位错运动阻位错运动阻力力钢强度钢强度 1.固溶强化：固溶强化：s=KiCin对于对于C、N等间隙原子：等间隙原子：n=0.332.0；对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子：n=0.51.0 69固溶强化固溶强化固溶强化效果：提高强度，降低塑韧性固溶强化效果：提高强度，降低塑韧性 C、N固溶强化最强，但强烈降低塑韧性固溶强化最强，但强烈降低塑韧性Si、Mn的固溶强化效应大，但的固溶强化效应大，但Si1.1%，Mn1.8%时，钢的塑韧性时，钢的塑韧性将有较大的下降将有较大的下降 70 2位错强化位错强化 d=Kd1/2 n效果：在强化的同时，同样也降低伸长效果：在强化的同时，同样也降低伸长率，提高韧脆转变温度率，提高韧脆转变温度TK，即降低塑韧，即降低塑韧性。性。n例：加工硬化、相变强化例：加工硬化、相变强化713细晶强化细晶强化Hall-petch公式 ：g=Kgd-1/2 效果：效果：钢的强度，钢的强度，塑性和韧度。这是最塑性和韧度。这是最理想的强化途径。理想的强化途径。4.第二相强化第二相强化表达式：表达式：p=Kp-1 效果：有效提高强度，但稍降低塑韧性效果：有效提高强度，但稍降低塑韧性钢强度表达式：钢强度表达式：0.2=0+s+d+g+p72二合金钢强化的有效性二合金钢强化的有效性1强化的有效性强化的有效性 强化强化弥散析出弥散析出P|s|出现硬度峰值出现硬度峰值弱化弱化M分解分解P|s|弱化缓慢弱化缓慢1M分解分解2弥散析出弥散析出3综合效应综合效应 732Me对强化有效性的影响对强化有效性的影响 强化强化弱化弱化Me最小浓度，临界最小浓度，临界值值K类型和类型和C量。量。例：含例：含0.10.15%C钢，钢，需需0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与C钢的强韧性差异，主要不在于钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响，并且对钢相变过程的影响，并且Me的良好作用，只有在的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥（需要充分理解）进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥（需要充分理解）74三三Me对钢韧性的影响对钢韧性的影响 1影响韧性的因素影响韧性的因素 n强化因素：钢强度强化因素：钢强度塑韧塑韧,称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地因素都会程度不同地韧性。合金元素：韧性。合金元素：Ni韧性；韧性；Mn在少量时也有效果；其它常在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上用元素都在不同程度上韧性。韧性。n晶粒度：细晶既晶粒度：细晶既S，又，又TK,即即韧性韧性最佳组织因素。最佳组织因素。n第二相：第二相：K韧性韧性n杂质：杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心杂质：杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心752提高钢韧度的合金化途径提高钢韧度的合金化途径 1）细化晶粒、组织细化晶粒、组织Ti、Nb、V、W、Mo；控制；控制A化温度，细化化温度，细化A晶粒、细化亚结构。晶粒、细化亚结构。2）回火稳定性回火稳定性强强K形成元素形成元素；3）改善基体韧度）改善基体韧度Ni；4）细化）细化K适量适量Cr、V，使，使K细小均布细小均布；当；当K尺寸小尺寸小于门槛值，不会引起裂纹扩展。于门槛值，不会引起裂纹扩展。5）回脆回脆W、Mo；6）在保证强度水平下，适当）在保证强度水平下，适当含含C量。量。冶金质量。冶金质量。7）形变热处理）形变热处理将塑性变形和相变强化结合起来将塑性变形和相变强化结合起来8）利用相变诱发塑性）利用相变诱发塑性76四合金化与强韧化机理的综四合金化与强韧化机理的综合运用合运用1低碳马氏体的强化因素低碳马氏体的强化因素n固溶强化固溶强化sn位错强化位错强化dn细晶强化细晶强化gn析出强化析出强化p2低碳马氏体的韧化低碳马氏体的韧化n板条板条M亚结构是位错型，且分布均匀，易动性高于孪晶型；亚结构是位错型，且分布均匀，易动性高于孪晶型；n板条板条M平行生长，裂纹敏感度低；平行生长，裂纹敏感度低；n板条束很细，板条束很细，A越细，板条束越窄，越细，板条束越窄，TK越低，越低，ak越高；越高；n板条间夹有连续或半连续的板条间夹有连续或半连续的AR薄膜薄膜77325Si2Mn2CrNiMoV低碳马氏体型超低碳马氏体型超高强度钢的合金设计思路高强度钢的合金设计思路（1）强化低碳）强化低碳M的考虑的考虑强化：强化：C：0.25%，同时加入合金元素，同时加入合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo等来强化，等来强化，它们对韧性的破坏比它们对韧性的破坏比C低。低。（2）韧化）韧化亚结构为位错型；亚结构为位错型；马氏体板条间存在马氏体板条间存在AR薄膜；薄膜；尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大恢复，但要避免回火脆。尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大恢复，但要避免回火脆。总结：总结：n强化作用：强化作用：C、Si、Mn、Ni、Mon增加增加AR：C、Mn、Nin防止第一类回火脆：防止第一类回火脆：Si、Nin细化晶粒：细化晶粒：Mo、Vn淬透性和耐蚀性：淬透性和耐蚀性：Cr781.10Me对钢工艺性能的影对钢工艺性能的影响响工艺流程是：冶炼工艺流程是：冶炼铸造铸造压力加工压力加工预备热处预备热处理理机加机加最终热处理最终热处理精加工精加工一冷成型性一冷成型性主要评定指标：应变硬化率主要评定指标：应变硬化率n和塑性应变的各向和塑性应变的各向异性异性=Kn二热压力加工性二热压力加工性三切削加工性三切削加工性四材料的热处理工艺性四材料的热处理工艺性淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、过热敏感性淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、过热敏感性和氧化脱碳倾向和氧化脱碳倾向、回火稳定性、回火稳定性79总结n淬透性：（淬透性：（B）、）、MnMoCrNiSi作用较大；作用较大；选择钢种，选择热处理工艺；选择钢种，选择热处理工艺；n冷成型性：冷成型性：Me加入加入，冷作硬化率，冷作硬化率，冷成型冷成型性。性。P、C、Si影响大；影响大；n可焊性：可焊性：Me加入加入，可焊性；可焊性；n切削加工性：切削加工性：S、Pb、Ca等为易切削元素，等为易切削元素，MnS是易切削化合物。是易切削化合物。n热成型性：热成型性：W、Mo、Cr等元素降低热压力加等元素降低热压力加工性，降低导热性。工性，降低导热性。801.11合金钢的分类及编号方合金钢的分类及编号方法法用途用途工程构件用钢工程构件用钢 机器零件用钢机器零件用钢工模具用钢工模具用钢 特殊性能钢特殊性能钢 812按金相组织分按金相组织分分类分类 平衡组织平衡组织亚共析钢、亚共析钢、共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢过共析钢和莱氏体钢正火组织正火组织珠光体钢珠光体钢贝氏体钢贝氏体钢马氏体钢和奥氏体钢马氏体钢和奥氏体钢相变和室温组织相变和室温组织铁素体钢铁素体钢马氏体钢马氏体钢奥氏体钢和双相钢奥氏体钢和双相钢823.按质量分类按质量分类分类分类普通质量钢普通质量钢质量钢质量钢优质钢优质钢高级优质钢高级优质钢83二合金钢的编号二合金钢的编号84二合金钢的编号二合金钢的编号1含碳量含碳量 （1）结构钢：万分之一单位（两位数字）结构钢：万分之一单位（两位数字）40、40CrNiMoA、30CrMnSiA（2）工具钢：千分之一为单位（一位数字），当）工具钢：千分之一为单位（一位数字），当C%大大于于1%，不标，不标C含量。含量。5CrNiMo、9SiCr、CrWMn、CrW5、W18Cr4V（特例：（特例：0.8%C）（3）不锈钢：与工具钢相同，以千分之一为单位）不锈钢：与工具钢相同，以千分之一为单位1Cr13、2Cr13、3Cr13、0Cr13（4）耐热钢：两种形式都有。）耐热钢：两种形式都有。C%大于大于1%，不标，不标C%，小于，小于1%，可以千分之一为单位或万分之一单位，可以千分之一为单位或万分之一单位40CrNiMo、4CrNiMo852合金元素含量合金元素含量n除铬轴承钢和低铬工具钢外，一律以百分之一为单位，除铬轴承钢和低铬工具钢外，一律以百分之一为单位，以整数标注。以整数标注。（1）平均含量小于）平均含量小于1.5%，仅表明元素符号，不标含量。，仅表明元素符号，不标含量。（2）平均含量为）平均含量为1.52.49%、2.53.49%、3.54.49%分别标注分别标注2、3、4。（3）铬轴承钢和低铬工具钢，含铬量以千分之一为单位。）铬轴承钢和低铬工具钢，含铬量以千分之一为单位。GCr15（1.5%Cr）、）、Cr06（0.6%Cr）。）。3牌号牌号+A高级优质钢，高级优质钢，20A、30CrMnSiA。4Y+牌号牌号易削钢易削钢Y125具体方法具体方法：30CrMnSiNi2A86作业及思考题作业及思考题1、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解转变的推迟作用大，如何理解?2、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太点不能太低，为什么低，为什么?3、举例说明合金钢与举例说明合金钢与C钢的强韧性差异，主要不在于钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响，并对钢相变过程的影响，并且且Me的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。能充分得到发挥。4.指出下列钢号和含碳量及带点合金元素的含量指出下列钢号和含碳量及带点合金元素的含量： 40CrNiMoA、30CrMnSiA、5CrNiMo、9SiCr、CrWMn、CrW5、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、1Cr17Ni287