工程材料學(xué) 課件ppt 773P

工程材料學(xué)大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院參考書《金屬材料學(xué)》戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》文九巴主編，機(jī)械工業(yè)出版社2011年《金屬材料學(xué)》吳承建機(jī)械工業(yè)出版社2001年《金屬材料學(xué)》王笑天機(jī)械工業(yè)出版社1987年《合金鋼》章守華冶金工業(yè)出版社1981年WilliamF.Smith.StructureandPropertiesofEngineeringAlloys–2ndedition.McGraw-HillEducation,1993.Schweitzer,PhilipA.，MetallicMaterials.NewYork：MarcelDekker,Inc，2003本課的特點(diǎn)

核心課程――專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中占很重要位置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識(shí)最多最直接的課程―――課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗(yàn)性的特點(diǎn)。本課的特點(diǎn)綜合性是內(nèi)容涉及知識(shí)面比較廣，涉及所有以前學(xué)過的專業(yè)知識(shí)；應(yīng)用性是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正在廣泛使用的材料和技術(shù)；經(jīng)驗(yàn)性是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中可變性還比較大。本課的目的掌握金屬合金化的原理，合金元素對(duì)鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律；理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點(diǎn)、組織形貌和力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能之間的關(guān)系；經(jīng)過對(duì)常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合理選用材料，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識(shí)來解決金屬材料使用過程中的實(shí)際問題。

本課的內(nèi)容:緒論（2學(xué)時(shí)）鋼鐵材料（34學(xué)時(shí)）（包括工程構(gòu)件用鋼、機(jī)器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼）鑄鐵（4學(xué)時(shí)）（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）有色金屬及合金(8學(xué)時(shí))（鋁合金、銅合金、鈦合金）0金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來△0.1金屬材料發(fā)展簡史

0.2現(xiàn)代金屬材料

0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)0．1金屬材料發(fā)展簡史?0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(chǎn)0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)0.1.3第三階段――微觀理論大發(fā)展0.1.4第四階段――微觀理論的深入研究世界上最早使用鐵是小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前1400年左右。古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前1000年。中國最早在春秋戰(zhàn)國－晉國（大致公元前700年）。0.1.1第一階段――原始金屬材料的生產(chǎn)

鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會(huì)發(fā)展到奴隸社會(huì)，也推動(dòng)了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進(jìn)入了封建社會(huì)。

東漢時(shí)期出現(xiàn)鍛打―――原始形變熱處理，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”―――水淬和油淬我國從春秋戰(zhàn)國時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中就記載了古代的煉鋼和熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。

宋應(yīng)星高爐鐵水流入煉鋼爐（方塘），人急速攪動(dòng)，利用空氣氧化鐵水中的碳，用潮濕泥灰做氧化劑加速脫碳（低碳鋼，高碳鋼）

0.1.2第二階段―――金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)

1803年—原子學(xué)說

1830年--32種晶體類型

1839年--Miller指數(shù)

1861年--鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度

1864年--金相照片

1888年--滲碳體

1891年--點(diǎn)陣?yán)碚撌攀兰o(jì)末—相律、固溶體、平衡相圖1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀

0.1.3第三階段――微觀理論大發(fā)展

1900－1940年Tammann建立相圖，Vonlaue發(fā)現(xiàn)X射線，Bragg證實(shí)α、β、γ相的存在，

Wever發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大縮小奧氏體區(qū)元素，Laves發(fā)現(xiàn)金屬間化合物。Strauss發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，Brinell布氏硬度計(jì)，Griffith斷裂理論等。AusteniteBainiteSorbiteMartensiteTroostiteLedeburite英美英德法德0.1.4第四階段――微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）

透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。金屬鈦中的位錯(cuò)1938年，提出TTT曲線、擴(kuò)散、位錯(cuò)滑移、第二相沉淀析出理論，Cottrell氣團(tuán)。發(fā)明了TEM、SEM、STM（掃描隧道顯微鏡）、AFM（原子力顯微鏡）、EPMA等。緒論——金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來

0.1金屬材料發(fā)展簡史?0.2現(xiàn)代金屬材料

0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。0.2.1材料材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手錘銼刀“神舟”四號(hào)飛船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料。前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭材料是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑和劃時(shí)代的標(biāo)志。材料和能源、信息被稱為人類社會(huì)的“三大支柱”。第一次工業(yè)革命（18世紀(jì)）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命（20世紀(jì)中頁以來）：單晶硅材料對(duì)電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片波音客機(jī)在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片0.2.2.材料科學(xué)?材料科學(xué)主要是研究材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。

材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。使用性能成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)合成與加工MSE四要素使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工0.2.4現(xiàn)代金屬材料傳統(tǒng)金屬材料:Fe、Cu、Al、Ni、Mg、Ti。金屬間化合物:NiAl、AlNi3、AlFe3、AlFe、Al3Ti、AlTi、AlTi3等?，F(xiàn)代金屬材料:（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料（3）新型工具鋼（4）金屬功能材料（1）先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料我國鋼鐵世界第一，但27％依賴進(jìn)口，8％不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。需要高比強(qiáng)度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化的鋼，超細(xì)鋼、純、均、細(xì)組織。低合金高強(qiáng)度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金。9.11之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。(2)高溫合金材料耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達(dá)到750-850℃，對(duì)于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他難熔金屬為基體的合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤

（3）新型工具鋼

HIP（熱等靜壓），CPM（坩堝粉末冶金法），CVD、PVD、離子滲入法涂覆TiC、TiN、TiCN、Al2O3等高速鋼。（4）金屬功能材料

光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫材料、電性材料、智能材料等。緒論——金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來

0.1金屬材料發(fā)展簡史

0.2現(xiàn)代金屬材料0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)0.3.1結(jié)構(gòu)材料的高性能化(超級(jí)鋼)日本1997年出臺(tái)了超級(jí)鋼研究工程(STX-21)項(xiàng)目。其目的是開發(fā)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響最大的新型結(jié)構(gòu)材料,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)和通過將超級(jí)鋼的強(qiáng)度和壽命提高1倍來降低超級(jí)鋼的總成本。1998年10月我國在“九七三”項(xiàng)目中批準(zhǔn)了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目,并作為我國第一批“九七三”啟動(dòng)的項(xiàng)目之一。1998年3月,在國際鋼鐵協(xié)會(huì)(IISI)主持下,由歐洲和北美35家鋼廠和汽車廠聯(lián)合的“超輕鋼車身”項(xiàng)目出籠(ultralightsteelbodyproject,ULSAB),它要求車身強(qiáng)度提高80%,車重減輕25%,車重可由平均1300kg/輛降至900kg/輛,達(dá)到百公里燃耗可降0.17L/輛,這項(xiàng)計(jì)劃預(yù)計(jì)2003年底結(jié)束,實(shí)際鋼材面板屈服強(qiáng)度提高1倍。中國超級(jí)鋼的研究

國家973項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項(xiàng)目由國家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項(xiàng)目的有五個(gè)大專院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個(gè)研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽金屬所等），九個(gè)鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠），三個(gè)汽車廠。涉及品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等。鋼類組織現(xiàn)有強(qiáng)度（MPa）目標(biāo)強(qiáng)度（MPa）超細(xì)晶尺寸（mm）低碳鋼鐵素體＋珠光體200400(a)5低（微）合金鋼低碳貝氏體或針狀鐵素體400800(a)1-2合金結(jié)構(gòu)鋼回火馬氏體或貝/馬復(fù)相鋼8001500(g)5研究目標(biāo)0.3.2我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢(shì)

鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入衰退階段，原因就是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。而鋼鐵在我國還在成熟階段，2012年我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破7億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由2004年的26.3%上升到2012年的48.7%。萬元GDP能耗20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的10倍。2003年中國消耗全球30%原材料和能源，GDP占世界4％。我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢(shì)世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢(shì)我們?nèi)匀幻媾R諸多問題，最明顯的有三個(gè)一，每年我們需要進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼2000萬噸以上。二、每年鐵礦石價(jià)格定價(jià)上，中國缺乏發(fā)言權(quán)。三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大。我國每萬元的工業(yè)增加值中取水量是90立方，是發(fā)達(dá)國家的3－7倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52％，比發(fā)達(dá)國家低35％，單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達(dá)國家水平（2003年CO2

世界第二；有機(jī)污水全球第一）每百萬美元GDP的能耗（1）開發(fā)高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度、高使用要求的鋼材，如轎車用面板、家電外用板、彩電電子儀器用板、不銹鋼光亮板、石化用板、國防軍工用板、橋梁用板、耐候鋼板、海洋與石油用板。0.3.3我國材料的發(fā)展對(duì)策(2)盡量采用地球儲(chǔ)量豐富或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境影響小的元素。(3)盡量降低強(qiáng)韌化元素的含量或減少合金元素種類，盡量采用同類元素，作為強(qiáng)韌化的元素。(4)開發(fā)通用型、簡單型及節(jié)約型合金鋼。微合金調(diào)質(zhì)鋼。(5)空間金屬Ti合金比強(qiáng)度高、高低溫強(qiáng)度高、耐蝕性高。TiAl、Ti3Al金屬間化合物代替Ni、Nb基高溫合金。作業(yè)：1.現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由材料的（）、（）、（）和（）四個(gè)基本要素組成。2.金屬材料學(xué)課程具有（）、（）和（）的特點(diǎn)。工程材料導(dǎo)論講義曹志強(qiáng)教授電話：84706169手機(jī)-mail:caozq@大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第1篇鋼鐵材料重點(diǎn)及基本要求2

第1章是本課程基礎(chǔ)和重點(diǎn)，要求全面掌握了解鋼中的常見合金元素對(duì)鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握合金元素的加入對(duì)鋼的基本強(qiáng)化機(jī)制的影響。難點(diǎn)是合金元素對(duì)鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響第1章鋼的合金化概念

foundamentalofalloysteel概述合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力學(xué)性能要求的鐵基合金合金元素：是指特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機(jī)械性能的化學(xué)元素。（主動(dòng)加入）雜質(zhì)：由冶煉時(shí)原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學(xué)元素。第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)一、鋼中的雜質(zhì)P、S、Mn、Si、Al、H、O、N、Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。P（礦石）、S（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含S，焦炭水洗可降硫）。1.1合金元素和鐵的作用

1.1.1鋼中的元素

熱脆性——S——FeS(Fe-FeS熔點(diǎn)989℃)；？

冷脆性——P——Fe3P（Fe-Fe3P硬脆1050

℃

）？

Mn、Si、Al是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)生了鎮(zhèn)靜鋼，用Mn、Si脫氧的為沸騰鋼。Mn、Si脫氧劑:FeO＋Mn＝Fe＋MnOFeO＋Si＝Fe＋SiO2FeS＋Mn＝MnS＋Fe（防止熱脆）復(fù)雜氧化物

MgO.Al2O3，MnO.Al2O3鋼中氧化物夾雜*特點(diǎn)：性脆，易斷裂，一般無塑性。因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布二、雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）（1）氧化物簡單氧化物

FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等鋼中的MnS夾雜（2）硫化物常見：MnS，F(xiàn)eS特點(diǎn)：MnS有較高的塑性，熱加工時(shí)沿加工方向呈帶狀、纖維狀或線狀分布三、我國的資源情況及合金系統(tǒng)儲(chǔ)量豐富，可大量開采：

Si，V，Ti，Nb，B，稀土等Mn的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約W，Mo的資源豐富，用途廣泛Ni，Cr，Co資源很少*一般情況下，奧氏體形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。1.奧氏體形成元素

C,N,Cu,Mn,Ni,Co2.鐵素體形成元素

Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al（一）

按與Fe相互作用分類2.碳化物形成元素

Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，F(xiàn)e

1.非碳化物形成元素

Ni，Cu，Si，Al，P等中強(qiáng)（二）按與C相互作用（親和力大小）分類最強(qiáng)弱（三）按對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類（1）層錯(cuò)能的概念：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的能量。（2）奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼的組織和性能的影響。一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成位錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)增大。1.提高奧氏體層錯(cuò)能元素

Ni，Cu，C等2.降低奧氏體層錯(cuò)能元素

Mn，Cr，Ru（釕），Ir（銥）等1.擴(kuò)大奧氏體(γ)區(qū)元素1.1.2鐵基二元相圖圖1-1合金元素和Fe的作用形態(tài)

（a)Ni,Mn,Co使A3↓，A4↑，γ區(qū)擴(kuò)大a)與γ區(qū)無限固溶——

Ni、Mn、Co

開啟γ區(qū)——

量大時(shí)，室溫為γ相；圖1-2合金元素和Fe的作用形態(tài)

（b)C,NCub)與γ區(qū)有限固溶

——

C、N、Cu

——

擴(kuò)大γ區(qū)。2.縮小奧氏體(γ)區(qū)元素圖1-3合金元素和Fe的作用形態(tài)

（c)Cr,V使A3↑，A4↓，γ區(qū)縮小完全封閉γ區(qū)—Cr、VCr、V與α-Fe完全互溶，量大時(shí)→α相?

Ti，W，Mo，Al，Si，Be,B，Nb，Ta，Zr等與α-Fe形成有限固溶體。圖1-4合金元素和Fe的作用形態(tài)

Mo,W,Tib)縮小γ區(qū)——W、Mo、TiNb等部分溶解。穩(wěn)定γ相——A形成元素，穩(wěn)定α相——α形成元素。元素?cái)U(kuò)大或縮小γ相區(qū)，一般認(rèn)為是以下幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果(1)合金元素的點(diǎn)陣類型（與γ-Fe相同還是α-Fe相同）(2)原子尺寸因素（與Fe原子半徑之比）3.合金元素?cái)U(kuò)大、縮小γ相區(qū)的影響因素第四周期TiVCrMnFeCoNiCu3d層電子數(shù)235567810第五周期ZrNbMo4d層電子數(shù)245第六周期HfTaW（Re）5d層電子數(shù)2345次電子層，電子數(shù)<5，縮小γ區(qū)，次電子層，電子數(shù)＞5(Mn=5)，擴(kuò)大γ區(qū)。

(3)電子層結(jié)構(gòu)因素Ni，Mn，Co能在γ－Fe中形成無限固溶體，Cr，V在α-Fe中形成無限固溶體。

通過控制鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整鋼的組織：為了得到室溫奧氏體組織，可加Ni，Mn，N等為了得到室溫鐵素體組織，可加Cr，Si，Al，Ti等如：1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼

1Cr17鐵素體不銹鋼4.合金元素與Fe相互作用理論在工程實(shí)際中的意義思考題1.擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素有哪些？縮小奧氏體區(qū)元素有哪些？碳化物形成元素有哪些？非碳化物形成元素有哪些？增加奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？降低奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？

Fe－C相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對(duì)鋼相變的影響，首先要了解合金元素對(duì)Fe－C相圖的影響。合金元素對(duì)鋼相變的影響加熱(奧氏體化)

冷卻(奧氏體分解)

淬火鋼回火轉(zhuǎn)變影響1.1.3合金元素對(duì)Fe－C相圖的影響3附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖對(duì)S、E點(diǎn)成分的影響圖1-5Cr元素對(duì)γ區(qū)的影響圖1-6Mn元素對(duì)γ區(qū)的影響A形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，

F形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。

圖1-7常見合金元素對(duì)共析碳含量的影響S點(diǎn)左移，意味著共析C量減??；意味著鋼中含碳量小于0.77％時(shí)，就會(huì)變?yōu)檫^共析鋼而析出二次滲碳體。

E點(diǎn)左移意味著出現(xiàn)萊氏體組織的含碳量降低，這樣鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2％時(shí)就可以出現(xiàn)共晶萊氏體。保持到室溫時(shí)高速鋼W18Cr4V鋼（含碳0.7－0.9％）中會(huì)出現(xiàn)萊氏體。4Cr13不銹鋼，由于含Cr13％，致使共析點(diǎn)移至0.4％C附近，從而使4Cr13變?yōu)檫^共析鋼。合金元素對(duì)臨界溫度點(diǎn)的影響

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動(dòng)；

F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動(dòng)對(duì)γ-Fe區(qū)的影響

A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe區(qū)擴(kuò)大→鋼在室溫下也為A體—奧氏體鋼；

F形成元素Cr、Si等使γ-Fe區(qū)縮小→鋼在室溫下仍為F體—鐵素體鋼。合金元素對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變速度的影響碳化物形成元素使奧氏體過程大大減緩，除Co（Al）外（不易分解擴(kuò)散，↑T、t升高），Mo、W、Cr、V等阻礙奧氏體長大，細(xì)化晶粒。圖1-8常見合金元素對(duì)共析溫度的影響對(duì)C曲線和淬透性的影響除Co外，C曲線全部右移，臨界冷卻速度減小，淬透性提高。淬透性由強(qiáng)到弱

Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si、V多元少量有利于提高淬透性，使Ms、Mf不至降低太多。碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)致C曲線出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域。第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.2合金鋼中的相組成合金元素在鋼中的分布合金元素在鋼中的存在形式固溶體化合物游離態(tài)固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物金屬間化合物非金屬夾雜物合金滲碳體特殊碳化物如Pb、Cu等1.2.1形成鐵基置換固溶體金屬元素易溶入F，A，M中，以固溶體形式存在。

△r/r鐵

<8%可形成無限固溶體（Cr，V，Mn，Ni，Co等）

8%<△r/r鐵

<15%有限固溶體Mo，10％；W，11％△r/r鐵＝15%較窄的固溶體Ti，Ta，Nb△r/r鐵

>15%很小的固溶度，Zr，Hf合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固溶情況

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)無限無限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*無限無限無限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與C量有關(guān)

不同元素的固溶情況是不同的。為什么?

常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR/R%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

合金元素的固溶規(guī)律，即Hume-Rothery規(guī)律：

決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（3）Cu和γ-Fe點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大——有限固溶；（4）原子半徑對(duì)溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。結(jié)論

①有限固溶C、N、B、O等

②溶解度溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的——

如γ-Fe與α-Fe。溶質(zhì)原子大?。簉↓，溶解度↑。

N溶解度比C大:RN=0.071nm，

RC=0.077nm。

③間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置——

畸變?yōu)樽钚?。間隙位置總是沒有被填滿——

最小自由能原理。

1.2.2間隙固溶體1.2.3.形成強(qiáng)化相（化合物相）一、鋼中常見的碳化物

K類型、大小、形狀和分布對(duì)鋼的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等

K形成元素：

Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe

（由強(qiáng)到弱排列）鋼中常見的K類型有：

M3C：滲碳體，正交點(diǎn)陣；

M7C3：例Cr7C3，復(fù)雜六方；

M23C6：例Cr23C6，復(fù)雜立方；

M2C：例Mo2C、W2C，密排六方；

MC：例VC、TiC，簡單面心立方點(diǎn)陣；

M6C：不是一種金屬K。復(fù)雜六方點(diǎn)陣。

K也有空位存在；可形成復(fù)合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6

、M7C3

、M3C。特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差；簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。

M6C型不屬于金屬型的碳化物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)，性能特點(diǎn)接近簡單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。1、K類型

K類型與Me的原子半徑有關(guān)。各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

二、K形成的一般規(guī)律

rc/rMe>0.59—復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；

rc/rMe<0.59—簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。

Me量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（Cr,M）23C6型。2、相似者相溶

完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)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，形成復(fù)合K

如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.

最大值為<20%Cr，<2%W，<0.5%V；

MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入強(qiáng)者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓3、強(qiáng)者先，依次成

K形成元素中，強(qiáng)者優(yōu)先與C結(jié)合，隨C↑，依次形成K。如：在含Cr、W鋼中，隨C↑，依次形成Fe3C，Cr7C3,Cr23C6

，M6C。如果鋼中C量有限，則弱的K形成元素溶入固溶體。如：在低碳含Cr、V的鋼中，大部分Cr都在基體固溶體中。4、NM/NC比值決定了K類型

形成什么K主要決定于當(dāng)時(shí)的NM/NC比值。

退火態(tài):在Cr鋼中，隨NM/NC↑，先后形成順序?yàn)椋篗3C→M7C3→M23C6

?；鼗饝B(tài):基體中的NM/NC↑，則析出的K中

NM/NC也↑。如W鋼回火時(shí)，析出順序?yàn)椋?/p>

Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，隨NW/NC不斷↑。5、強(qiáng)者穩(wěn)，溶解難，

析出難，聚集長大也是難

MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時(shí)，在500~700℃才析出，并且不易長大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強(qiáng)化方法。6.Me在鋼中的存在形式

1、退火、正火態(tài)非K形成元素基本上固溶于基體中，而K形成元素視C和本身量多少而定。優(yōu)先形成K，余量溶入基體。

2、淬火態(tài)Me分布與淬火工藝有關(guān)。溶入A體的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。

3、回火態(tài)低回:Me不重新分布；>400℃，Me開始重新分布。非K形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進(jìn)入析出的K中，其程度決定于回火溫度和時(shí)間。思考題1.合金元素對(duì)相變臨界成分點(diǎn)如何影響？合金對(duì)相變臨界溫度點(diǎn)有何影響？2.合金元素在鋼中有哪5種存在方式？3.碳化物有哪3種形式？第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)偏聚現(xiàn)象

Me偏聚→缺陷處C’>基體平均C

這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。

偏聚現(xiàn)象對(duì)鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，如晶界擴(kuò)散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等都與此有關(guān).

Me+⊥：溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處吸附，形成柯氏氣團(tuán)；

Me+≡：溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處吸附形成鈴木氣團(tuán)；

Me+◎：溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)吸附形成Snoek氣團(tuán).1.3合金元素在鋼中的偏聚4

B的偏聚有利于改善晶界強(qiáng)度，抑制其他元素偏聚；微量B在晶界吸附時(shí)，抑制F形核，使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移。從而增加奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼淬透性。但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。Mo使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移，0.5%Mo+微量B鋼正火時(shí)則可以得到貝氏體組織。偏聚機(jī)理

溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能↓，符合自然界最小自由能原理。結(jié)構(gòu)學(xué)：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原子容易存在；能量學(xué)：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能↓，符合自然界最小自由能原理。（在沒有強(qiáng)制外力作用下，事物總是朝著能量↓的方向發(fā)生。即使暫時(shí)不發(fā)生，也存在潛在的趨勢(shì)。熱力學(xué)：該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。影響因素

缺陷處溶質(zhì)濃度溫度T：T↓，內(nèi)吸附強(qiáng)烈；時(shí)間t：偏聚需要原子擴(kuò)散→需要一定時(shí)間；缺陷本身：缺陷越混亂，E↑，吸附也越強(qiáng)烈;其它元素：①間接作用:優(yōu)先吸附問題，B↓C②直接作用:影響吸附元素Dp；Mn↑DP，使P擴(kuò)散加快，促進(jìn)了鋼的回火脆性；Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。

點(diǎn)陣類型：bcc點(diǎn)陣內(nèi)吸附較fcc強(qiáng)烈第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.4合金元素對(duì)鋼相變的影響1.4.1、合金鋼的加熱A化1.4.2、合金鋼過冷A體的分解1.4.3、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變1、K在A中的溶解規(guī)律

基本規(guī)律

1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越??；

2）溫度↓，溶解度↓，→彌散強(qiáng)化；

3）K穩(wěn)定差的先溶解

;

4）A中有弱K形成元素，則會(huì)↓C活度ac，→↑K的溶解；非K形成元素（如Ni）則相反,↑ac，↓K的溶解。如：較多Mn的存在使VC的溶解溫度從1100℃降至900℃。1.4.1合金鋼的加熱奧氏體化

圖1-9碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系

2、A體均勻化

A體剛形成時(shí)，C和Me的分布是不均勻的.

合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別?3、A體晶粒長大

1）Ti、Nb、V↓↓，W、Mo↓晶粒長大；

2）C、N、B↑晶粒長大；

3）Ni、Co、Cu作用不大。1.4.2合金元素對(duì)過冷γ分解的影響

過冷A體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。1）Ni、Si和Mn，大致保持C鋼的“C”線形狀，使“C”線向右作不同程度的移動(dòng)；2）Co不改變“C”線，但使“C”線左移；3）K形成元素，使“C”線右移，且改變形狀。

Me不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)不同形狀，大致有五種。圖1-10“C”曲線五種形狀圖1-11常用合金元素對(duì)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響(上左)強(qiáng)K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素主要是對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響，即Ms和Mf點(diǎn)的影響Ms=538-474C-33Mn-17Cr-17Ni-11Si-21Mo-11W。每1%合金含量引起馬氏體溫度下降值除Co，Al外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，均使Ms點(diǎn)下降，增加殘余奧氏體的含量，其中C的影響最強(qiáng)烈。順序：C，Mn，Mo，Cr，Ni，Si，W含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響圖1-12含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響圖1-13含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響圖1-14合金元素對(duì)1.0%C碳鋼Ms點(diǎn)的影響圖1-15合金元素對(duì)1.0%C碳鋼1150℃淬火后殘余奧氏體含量的影響

思考題：

W、Mo等元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解?

對(duì)一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其MS點(diǎn)不能太低，為什么?1.4.3.合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響回火穩(wěn)定性：淬火鋼對(duì)回火過程中發(fā)生的各種軟化傾向（如馬氏體的分解，殘余奧氏體分解、碳化物的析出與鐵素體的再結(jié)晶）的抵抗能力。

合金鋼回火穩(wěn)定性優(yōu)于碳素鋼，因此回火溫度可高，時(shí)間可長?；鼗疬^程馬氏體的分解殘余奧氏體的分解碳化物的形成、聚集和長大α－Fe的回復(fù)和再結(jié)晶

鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會(huì)發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：1、M分解低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大中溫以上：Me活動(dòng)能力增強(qiáng)，對(duì)M分解產(chǎn)生不同程度影響:

1）Ni、Mn的影響很??；

2）K形成元素阻止M分解，其程度與它們與C的親和力大小有關(guān)。這些Me↓ac，阻止了滲碳體的析出長大；

3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和Fe的結(jié)合力>Fe和C的結(jié)合力,↑ac

↓ε-FeXC的形核、長大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要從ε中出去↓ε→Fe3C

效果:含2%Si能使M分解溫度從260℃提高到350℃以上基本規(guī)律

①滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)；

②含非碳化物形成元素（Si除外）的合金鋼（線2）和C鋼（線1）規(guī)律相同；

③在相同回火溫度T1下，合金鋼馬氏體中含C量要比C鋼的高，如圖中的C3>C1，2；

④不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物的溫度TK是不同的，線3的下降幅度也是不同的。4）合金鋼回火時(shí)M中含C量變化規(guī)律5低溫Tc以下（150～200℃）回火時(shí)，由于溫度低，不僅合金元素?cái)U(kuò)散困難，連C擴(kuò)散也困難，只能發(fā)生偏聚和短距離擴(kuò)散，沉淀析出與α相保持共格的ε碳化物。合金元素仍均勻分布在α相和ε碳化物中不作重新分配。所以合金元素對(duì)馬氏體分解影響不大。圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化溫度升高到TC－Tk，碳元素活動(dòng)能力增加，碳鋼含碳量顯著降低，而由于合金元素對(duì)M分解的阻礙作用較大，結(jié)果合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線3）。溫度高于Tk后合金鋼的合金元素?cái)U(kuò)散能力顯著增加，二者差距縮小。碳化物形成元素強(qiáng)烈阻礙馬氏體分解和碳化物析出長大，推遲C從M中析出，使得：含碳化物形成元素的鋼中C從M中析出的溫度從一般碳鋼250～300℃提高到400～500℃，有時(shí)即使到550℃或更高溫度也難以使C完全從α相中析出，表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化

中、高碳鋼（C>0.5％）及合金鋼淬火后，組織都有殘余γ’，特別是合金元素量大時(shí)，更是如此。殘余γ’在高于200℃開始分解，于300℃完成。合金元素一般使殘γ’的分解溫度升高。其中Cr，Mn，Si作用最大。高合金鋼合金元素比較多，殘余γ’穩(wěn)定性更大，所以回火溫度一般在500～600℃，盡管回火溫度比較高，殘余γ’也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時(shí)高合金鋼為了消除殘γ’，往往需要二次或更多次的高溫回火或深冷處理消除。2.對(duì)殘余奧氏體分解的影響

高合金鋼在500－600℃回火過程中，從殘γ’中析出碳化物，使得殘γ’中C和合金元素含量下降，使得Ms點(diǎn)升高，并達(dá)到室溫以上，因而在冷卻過程中，殘余γ’會(huì)轉(zhuǎn)變成M，而使鋼回火后的硬度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為“二次淬火”（如高速鋼的回火）。硬度升高原因，一方面殘余γ’在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體，另一方面在回火時(shí)將產(chǎn)生合金碳化物的沉淀硬化，所以有時(shí)將后者稱為“二次硬化”。3.對(duì)回火過程中碳化物析出的影響

各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：

MeSiMnCrMoW\VT,℃>300>350>400~500>500>500~550

1）K長大聚集溫度：M3C型，350~400℃；其它K，450~600℃；

2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變?chǔ)?FeXC→Fe3C→M3C→亞穩(wěn)特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500

能否形成特殊K，取決于:①M(fèi)e性質(zhì)、NM/NC比值；②T和t。圖1-17釩鋼（0.3C,2.1V）在1250℃淬火不同溫度回火2h，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化3）特殊K的形成原位析出：αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)異位析出：αM→αP+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出→二次硬化，異位直接析出→貢獻(xiàn)最大4、回火脆性

1)第1類回火脆性

脆性特征

①不可逆；②與回火后冷速無關(guān)；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界；↓晶界強(qiáng)度。

Mn、Cr↑脆性；

Si↑脆性溫度區(qū)；

V、Al、Mo等改善脆性。

2)第2類回火脆性

脆性特征

①可逆；②回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因

①雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成網(wǎng)狀或片狀化合物,↓晶界強(qiáng)度。高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑；

Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑；

Cr促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑；

Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑圖1-19回火后冷速對(duì)30CrMnSi

鋼沖擊韌度的影響圖1-1837CrNi3鋼回火時(shí)硬度與沖擊韌度的變化偏聚元素（產(chǎn)生脆性的元素）：

H，N，O，P，Si，S，As，Sn，Bi等；對(duì)偏聚起促進(jìn)作用（本身也偏聚）：Mn，Ni本身不偏聚，但促進(jìn)別的元素偏聚：Cr抑制偏聚：Mo、Ti表1-1周期表中各種元素對(duì)第二類回火脆性的作用族周期ⅠAⅣBⅥBⅦBⅧBⅣAⅤAⅥA1H2CNO3SiPS4TiCrMnNiGeAsSe5MoSnSbTe6Bi備注：FeCoNi同為ⅧB元素①避免高溫回火脆性，回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過大時(shí)，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生；②加入合金元素Mo、W以抑制第二類回火脆性；③提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。采用高純凈鋼、細(xì)晶粒鋼或經(jīng)細(xì)化晶粒的預(yù)備熱處理3)防止合金鋼中第二類回火脆性的方法Me對(duì)相圖的影響

Me與C的作用

Me在材料處理各過程中的行為表現(xiàn)加熱冷卻回火溫度時(shí)間一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律;另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響.為理解Me的作用→要了解鋼的基本強(qiáng)化機(jī)理.第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響強(qiáng)化本質(zhì)：各種強(qiáng)化途徑↑塑變抗力↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力

↑鋼強(qiáng)度畸變應(yīng)力場(chǎng)；位錯(cuò)密度；位錯(cuò)塞積；釘扎位錯(cuò)。固溶強(qiáng)化；位錯(cuò)強(qiáng)化；細(xì)晶強(qiáng)化；彌散強(qiáng)化。1.5.1鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理合金元素的固溶強(qiáng)化表達(dá)式對(duì)于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對(duì)于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0機(jī)理效果提高強(qiáng)度，降低塑韌性

原子固溶→晶格發(fā)生畸變

→產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)，與位錯(cuò)交互作用→↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力圖1-20合金元素對(duì)低碳鐵素體強(qiáng)度和塑性的影響

Si、Mn的固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，但Si>1.1%，Mn>1.8%時(shí)，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強(qiáng)化效應(yīng)最大。

圖1-21合金元素對(duì)Cr18Ni9型不銹鋼的強(qiáng)化效應(yīng)(R.P.Reed.JOM.(1989):16)位錯(cuò)強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑↑位錯(cuò)交割、纏結(jié)，→有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→↑鋼強(qiáng)度。對(duì)bcc晶體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果較好?效果

在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK

細(xì)晶強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→

有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化。效果

↑鋼的強(qiáng)度，又↑塑性和韌度這是最理想的強(qiáng)化途徑.

著名的Hall-petch公式式中，d為晶粒直徑，KG為系數(shù)圖1-22晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理

微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)化效果主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主要是繞過機(jī)制。兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化，淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。效果有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑韌性。沉淀強(qiáng)化（位錯(cuò)切過第二相粒子）第二相粒子的特點(diǎn)是可變形，并與母相具有共格關(guān)系，這種強(qiáng)化方式與淬火時(shí)效密切相關(guān)，故有沉淀強(qiáng)化之稱。沉淀強(qiáng)化的基本途徑是合金化加淬火時(shí)效。合金化的目的是為造成理想的沉淀相提供成分條件。例如在馬氏體時(shí)效鋼中加入Ti和Mo，形成NiTi、Ni3Mo理想的強(qiáng)化相，以獲得良好的沉淀強(qiáng)化效果。（b）Al-Li合金中位錯(cuò)切割A(yù)l3Li相的電鏡照片（a）位錯(cuò)切割第二相粒子的機(jī)制可變形微粒的強(qiáng)化作用（位錯(cuò)切過機(jī)制）圖1-23位錯(cuò)切過強(qiáng)化顆粒示意第二相粒子不參與變形，與基體有非共格關(guān)系。當(dāng)位錯(cuò)遇到第二相粒子時(shí)，只能繞過并留下位錯(cuò)環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不溶于基體，故有彌散強(qiáng)化之稱。

位錯(cuò)繞過第二相粒子這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成強(qiáng)化。

2.彌散強(qiáng)化（位錯(cuò)繞過第二相粒子）

彌散強(qiáng)化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到通過時(shí)效方式得到不可變形微粒的強(qiáng)化作用——奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制）（a）位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制（b）Ni合金中位錯(cuò)繞過Ni3Ai相的電鏡照片圖1-24位錯(cuò)繞過強(qiáng)化顆粒示意第二相粒子的大小，數(shù)量，分布，性能都影響強(qiáng)化效果（1）第二相的間距越小強(qiáng)化效果越好；（2）第二相彌散度越大強(qiáng)化效果越好；（3）第二相粒子體積分?jǐn)?shù)越大強(qiáng)化效果越好沉淀強(qiáng)化效果大于彌散強(qiáng)化

3.第二相強(qiáng)化的影響因素鋼強(qiáng)度表達(dá)式圖1-25在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖1.5.2合金鋼強(qiáng)化的有效性最終強(qiáng)化有效性取決于強(qiáng)化和弱化的綜合結(jié)果。1、強(qiáng)化的有效性

圖1-26強(qiáng)化和弱化的演變

1-M分解2-彌散析出3-綜合效應(yīng)強(qiáng)化:彌散析出ΔRPH>|-ΔRS|弱化:M分解ΔRPH<|-ΔRS|RsRPH2、Me對(duì)強(qiáng)化有效性的影響

強(qiáng)化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。

Me量↑→彌散相量↑(有足夠的C)→二次硬化↑

例：含0.1~0.15%C鋼，需0.1~0.2%V；0.08~0.12%Nb；

2.5~3.0%Cr強(qiáng)化≥弱化Me最小濃度臨界值K類型含C量圖1-27V含量對(duì)40鋼回火硬度的作用不同含C量的V鋼，如產(chǎn)生二次硬化，V的臨界濃度是不同的，為什么?對(duì)結(jié)構(gòu)鋼，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)最大。合金鋼與C鋼的強(qiáng)韌性差異，主要不在于Me本身的強(qiáng)化作用，而在于Me對(duì)鋼相變過程的影響，并且Me的良好作用，只有在進(jìn)行合適的熱處理?xiàng)l件下才能充分得到發(fā)揮。需要充分理解

1.5.3合金元素對(duì)鋼韌性的影響

1、影響韌性的因素強(qiáng)化因素

一般情況，鋼強(qiáng)度↑→塑韌↓,稱為強(qiáng)韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細(xì)化組織強(qiáng)化外，其它強(qiáng)化因素都會(huì)程度不同地↓韌性。危害最大是間隙固溶；沉淀強(qiáng)化較小,但對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)較大。合金元素

Ni↑韌性；Mn在少量時(shí)也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韌性晶粒度

細(xì)晶既↑σS，又↓↓TK,即↑韌性

→最佳組織因素。第二相

K↓韌性。K小、勻、圓、適量

→

工藝努力方向。

雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，→提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)圖1-28合金元素對(duì)鐵素體沖擊韌度的影響圖1-29回火溫度和鋼強(qiáng)化機(jī)制的關(guān)系圖1-31晶粒大小對(duì)強(qiáng)度韌度的影響圖1-30組織因素對(duì)Tk的影響圖1-3220MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能2、提高鋼韌度的合金化途徑

1）細(xì)化晶粒、組織——如Ti、V、Mo；

2）↑回火穩(wěn)定性——如強(qiáng)K形成元素；

3）改善基體韌度——Ni；

4）細(xì)化K——適量Cr、V，使K小而勻；

5）↓回脆——W、Mo；

6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)↓含C量.7）↑冶金質(zhì)量。

思考題：

鋼中可能的性能主要矛盾是什么?

有些零件為什么要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)?第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.6Me對(duì)鋼工藝性的影響

一、冷成型性

冷成型性包括：深沖、拉延、彎曲等。

冷作硬化率是在冷變形過程中，材料變硬變脆程度的表征參量。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。需要冷成型的材料應(yīng)嚴(yán)格控制P、N量，盡可能↓Si、C等量。二、熱壓力加工性

熱壓力加工有鍛造、軋制、拉拔等。

Me溶入基體→產(chǎn)生畸變,↑熱變形抗力→熱壓力加工性能↓。如Mo、W、Cr、V等元素影響較大。C和Me量較多時(shí)，形成共晶K，熱壓力加工性更差。

合金鋼的熱壓力加工性能比碳鋼差。高速鋼等高合金鋼的熱壓力加工難度是較大的.三、切削加工性

不同情況側(cè)重點(diǎn)不同，如粗加工，主要考慮速度；精加工主要考慮表面粗糙度。

C鋼硬度在170~230HB，切削性能最好.對(duì)組織來說，P:F=1:1較佳。不同含C量的鋼要得到較好的切削性，其預(yù)處理是不同的：對(duì)C鋼:<0.1%C,宜淬火；

<0.5%C,宜正火；

<0.8%C,宜退火；

>0.8%C,宜球化退火思考題：為什么鋼的切屑是連續(xù)的，而鑄鐵的切屑是碎片狀斷開的?四、材料的熱處理工藝性6鋼號(hào)合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量

/%P轉(zhuǎn)變?cè)杏?/p>

/秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.38

3540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25

500淬透性

一般是指淬火時(shí)獲得M的能力。

合金元素復(fù)合作用大，不是簡單加和。圖1-33合金元素對(duì)鋼淬透強(qiáng)度因子的影響在結(jié)構(gòu)鋼中，↑M淬透性作用顯著的元素從大到小排列：（B）、Mo、Mn、Cr、Ni、Si。淬透性與化學(xué)成分、奧氏體化條件等因素有關(guān)。40Mn2/40Cr/40CrNiMo臨界淬透直徑30－60/25－60/≥100

淬透性好的作用

可以使工件得到均勻而良好的力學(xué)性能，滿足技術(shù)要求；

在淬火時(shí)，可選用較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向。采用提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Mo等）與強(qiáng)化鐵素體的元素（如Ni、Mn、Si等）的配合，可以在很大程度上提高馬氏體的淬透性。

+Mo→能有效↓P轉(zhuǎn)變，但不能完全↓先共析F的析出↑B淬透性

+B→偏聚晶界→有效抑制先共析F的析出0.40%CMo0.14%Mo0.35%Mo0.60%Mo析出5%F（600℃）1∶2∶4P開始轉(zhuǎn)變時(shí)間(min)

1∶3∶36貝氏體淬透性合金化基本元素是0.5%Mo+微量B。淬硬性

理想淬火條件下,形成M能達(dá)到的最高硬度。淬硬性主要與鋼的含碳量有關(guān)。亞共析鋼HRC=30+50C。圖1-34合金元素對(duì)馬氏體硬度的影響

（單獨(dú)加入Mn、Ni、Mo、Cr）變形開裂傾向

熱應(yīng)力→變形;組織應(yīng)力→開裂；附加應(yīng)力較復(fù)雜。影響因素比較復(fù)雜，要綜合分析。采用分級(jí)淬火、等溫淬火或雙液淬火可降低應(yīng)力，減小變形開裂傾向。采用調(diào)質(zhì)、球化退火等預(yù)先熱處理也可減小零件的變形。

過熱敏感性和氧化脫碳傾向

奧氏體晶粒急劇長大的敏感性，Mn↑。如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。

氧化和脫碳往往伴隨產(chǎn)生。Si↑。含硅鋼氧化脫碳傾向較大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。脫碳會(huì)降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，脫碳對(duì)于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的?；鼗鸱€(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)

合金鋼回火穩(wěn)定性要比碳鋼好。同樣回火硬度,合金鋼的回火溫度高,時(shí)間也可長些,應(yīng)力消除也大些；同樣塑韌性,合金鋼的強(qiáng)度比碳鋼高。第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.9合金鋼的分類與編號(hào)1.7微量元素在鋼中的作用1.7.1微量元素的作用常用微合金元素：B、N、V、Ti、Zr、Nb、RE。一般達(dá)到0.1%時(shí)就顯著影響鋼的組織性能。改善切削性能元素：S、Se、Bi、Pb、Ca等。凈化變質(zhì)控制夾雜物形態(tài)：Ti、Zr、RE、Ca1.凈化作用：B、RE脫氧、去氮、降氫。微量B，RE等元素使鋼凈化(1)B，RE與O或N，形成比重?。ㄒ咨细。┭趸锘虻?。(2)B，RE等能與As，Sb，Sn，Pb，Bi形成高熔點(diǎn)金屬間化合物。消除鋼的熱脆性，提高高溫強(qiáng)度。2.變質(zhì)作用：B、RE改變凝固過程和鑄態(tài)組織。形成非自發(fā)形核核心，降低晶體長大速率，細(xì)化晶粒。減少偏析。RE還可增大鋼的流動(dòng)性。3.改變性質(zhì)或形態(tài)。球形好于枝晶間共晶形態(tài)和不規(guī)則角狀。MnS-MnO，球形，F(xiàn)eS為網(wǎng)狀化合物1.7.2微合金鋼中的合金元素通過添加微量元素來提高鋼性能的技術(shù)叫微合金化在低碳鋼中加入微量Nb、Ti、V，通過控軋和控冷，生產(chǎn)量大面廣的微合金高強(qiáng)度鋼。在高速鋼、耐熱鋼中加入微量Nb、Zr、B，可改善鋼的高溫強(qiáng)度等。圖1-35釩、鈮、鈦對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度的影響非調(diào)質(zhì)鋼中V、Ti、Nb等通過碳化物沉淀析出，細(xì)化晶粒，細(xì)化珠光體組織及數(shù)量，提高強(qiáng)度。45V較45，σs提高190MPa；N從0.005%升高到0.03%，σs升高100～150MPa

VCTiCNbCVNTiNNbNAlN719℃1140℃1137℃1088℃1527℃1272℃1104℃表1-2各種碳化物析出溫度

V、Ti、Nb是微合金化主要元素，形成碳化物或氮化物，對(duì)雙相鋼（F+M）中鐵素體形態(tài)、精細(xì)結(jié)構(gòu)和沉淀相的形態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。VC是相變過程中析出，VN、TiC、TiN、NbC從奧氏體中析出，細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。阻止高溫形變?cè)俳Y(jié)晶。第1章鋼的合金化概念1.1合金元素和鐵的作用1.2合金鋼中的相組成1.3合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4合金鋼中的相變1.5合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7微量元素在鋼中的作用1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)1.8金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)

目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種?！牧系膹U棄物再生循環(huán)很困難

可再生循環(huán)設(shè)計(jì)已成為鋼鐵材料設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。傳統(tǒng)的思路和方法應(yīng)該更新。應(yīng)該發(fā)展少品種、泛用途、多目的的標(biāo)準(zhǔn)合金系列。所以就出現(xiàn)了通用合金和簡單合金的概念。通用合金

又稱為泛用性合金。這種通用合金能滿足通用性能，合金在具體用途中的性能要求則可以通過不同的熱處理等方法來實(shí)現(xiàn)。

Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn鋼。通過改變Fe、Cr、Ni（Mn）的相對(duì)含量，其組織結(jié)構(gòu)和性能也可以在很大范圍內(nèi)變化。

Cr-Mo耐熱鋼

簡單合金組元組成簡單的合金系就叫做簡單合金。簡單合金在成分設(shè)計(jì)上有幾個(gè)特點(diǎn)：合金組元簡單，再生循環(huán)過程中容易分選；原則上不加入目前還不能用精煉方法除去的元素；盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元素。兩個(gè)基本原則

（1）在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)；

（2）獲得合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為加入合金元素的替代方法。

這種設(shè)計(jì)合金的思路叫省合金化設(shè)計(jì)或最小合金化法。簡單合金的主要用途是代替大量消費(fèi)的金屬結(jié)構(gòu)件材料。

Si-Mn