金属材料学习总结.docx
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金属材料学习总结
第一章钢铁中的合金元素
普通碳素结构钢（5个强度等级）
Q195、Q215
含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、
钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件
Q235A、Q255A
用于农机具中的拉杆、小轴、链等。
也用于建筑钢筋、钢板、型钢等
Q235B、Q255B
用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等
Q235C、Q235D
质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。
Q255、Q275
强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。
优质碳素结构钢（31个钢号）。
常用见下列表
08F钢
碳的质量分数低、塑性好，强度较低。
可用于各种冷变形加工成型件
10~25等钢
焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。
也可以经热处理制造表面硬度高、
心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。
如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。
45等中碳钢
通过适当热处理可获得良好的综合力学性能。
可用于如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械
零件
高碳碳素结构钢
经适当热处理后可获得高的弹性极限和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。
可制造小线径的
弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。
碳素工具钢
T7、T8
适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温
回火后的硬度为48~54HRC（工作部分）；
T9、T10、T11钢
用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回
火后的硬度为60~62HRC，
T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；
T12、T13钢
硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、
低温回火后的硬度为62~65HRC。
T12A也可用于制造量具。
T7~T12、T7A~T12A还可用于形状简单的塑料模具。
一般工程用铸造碳素钢
ZG340-640
其他类型的铸钢件
焊接结构用碳素铸钢件
如ZG230-450H
低合金铸钢件
如ZGD535-720
耐热铸钢件
如ZG40Cr30Ni20
不锈耐酸钢铸件
如ZG1Cr18Ni9Ti
中、高强度不锈钢铸件
如ZG10Cr13Ni1Mo
1.2钢的合金化原理
1.合金元素的存在形式
形成铁基固溶体
形成铁基置换固
溶体
与Fe形成无限固溶体：
Ni、Co、Mn、Cr、V
形成较宽溶解度的有限固溶体：
Mo和W
形成具有较窄溶解度的有限固溶体：
Ti、Nb、Ta
Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度
形成铁基间隙固
溶体
间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、
H的顺序而增加
形成合金渗碳体
过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
形成金属间化合物
分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。
金属间化合物通常仅指电子化合物。
形成非金属相
（非碳化合物）
钢中的非金属相有：
FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、
MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。
非金属夹杂物一般都是有害的
非晶体相
在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。
2.合金元素与铁的相互作用
γ相稳定化元素
开启γ相区（无限扩大γ相区）：
Mn、Ni、Co，
扩展γ相区（有限扩大γ相区）：
C、N、Cu、Zn、Au
α相稳定化元素
封闭γ相区（无限扩大α相区）：
Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等
含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于7%时，A3才上升。
缩小γ相区（不能使γ相区封闭）：
B、Nb、Zr、Ta等
3.合金元素与碳的相互作用
形成碳化物
碳化物形成元素：
Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr，均位于Fe的左侧
非碳化物形成元素：
Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S。
均处于周期表Fe的右侧
Me对C在A中的扩
散激活能和扩散系
数的影响
碳化物形成元素：
降低C的活度，提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数
下降
非碳化物形成元素：
降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高
Si例外:
升高扩散激活能，降低扩散系数.
4.Me对γ层错能的影响
层错能越低，位错的形成和扩展越容易，滑移越困难，加工硬化趋势越大、
提高γ层错能：
Ni、Cu和C，易于变形加工
降低γ层错能：
Mn、Cr、Ru和Ir，难变形加工
5.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
γ相区
扩大γ相区：
Ni,Co,Mnetc
如：
1Cr18Ni9andZGMn13（高锰耐磨钢等）
缩小γ相区：
Cr,W,Mo,V,Ti,Sietc
如：
1Cr17Ti（高铬铁素体不锈钢）
共析点S
温度
扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降
缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。
成分
几乎所有合金元素都使S点左移，以强碳化物形成元素的作用最为强烈。
共晶点E的碳含
量也随合金元素增加而左移
6.合金元素对钢的热处理的影响
奥
氏
体
化
奥氏体形核和
长大阶段
碳化物形成元素：
Cr,Mo,W，V妨碍C扩散，减慢奥氏体长大
非碳化物形成元素：
CoNi提高C在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。
Si,Al，Mn对C在奥氏体中的扩散速度影响不大
碳化物的分解
视碳化物的稳定性
奥氏体成分均匀化
C，Me的扩散。
Me扩散缓慢
奥氏体晶粒长大
倾向
强烈阻止：
Ti,V,Zr,Nb→MC,Al→AlN,Al2O3
作用中等：
W,Mo,Cr
作用轻微：
Ni,Si,Cu,Co
有助长大：
Mn,P,B（Mn钢有强烈过热倾向，注意加热温度和时间）
过
冷
奥
氏
体
分
解
高温P转变
使C曲线右移，提高钢的淬透性（Me淬火加热溶入A才有效）：
除Co外。
提高钢的淬透性采用多元少量合金化原则
推迟P转变，可在连续冷却的过程中得到B组织的钢
Me的加入对钢有固溶强化
中温B转变
降低Bs，使B和P转变温度间出现过冷A的中温稳定区：
C,Mn,Ni,Cr,Mo,
V,Ti
改变B转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度：
C,Si,Mn,Ni,Ni,
Cr作用较强，W,Mo,V,Ti作用较小
低温M转变
使Ms,Mf下降，室温下将保留更多的残留奥氏体量：
除Co，Al
降低残留奥氏体含量的方法：
1淬火后在负温下继续冷却2多次回火，使合金碳化
物析出，A中Me量减少，MsMf点升高，在二次淬火时即可减少残奥量
M形态结
构
Ms点高，滑移的临界分切应力低，形成位错亚结构的M
Ms点低，孪生分切应力低，形成孪晶亚结构的M
7.Me对淬火钢回火转变的影响
提高回火稳定性，即提高软化抵抗力，使各阶段转变速度大大减慢，将其推向更高温度。
第二章工程构件用合金结构钢
特性
服役
特性
静载荷，无相对运动
一定温度和环境，耐高温和低温，抗腐蚀。
如：
锅炉>250度，北方承受低温，船舶桥梁受大气海水腐蚀
力学
性能
高弹性模量，保证好的刚度
高屈服，断裂极限，保证好的抗塑性变形和抗断裂的能力
低裂纹敏感性，低冷脆性
加工
性能
好的冷变形性能
好的焊接性能
成份
设计
C%<=0.25%
Me提高强度:
低合金钢（如低合金高强度钢,微合金钢）以F为基分布着少量P;高合金钢为B,针状F或M
供货状态
大多数经轧制后空冷,有时也回火处理
1.低合金高强度钢
（1）成份表
元素
作用
C%小于0.2wt.%
具有良好的塑性和韧性,良好的焊接性能
主要元素:
Mn
（有时考虑经济因素
使用Cr和Ni）
细化P和F晶粒
1-15%Mn促进F多系滑移
抑制Fe3C在晶界析出,减少裂纹源,提高冲击韧性
使S点左移,增加P含量,提高强度
辅加元素:
Al、V、Ti、Nb
析出强化,细化晶粒,提高韧性
CuP
CrNi
增强在大气中的耐腐蚀性.1.Cu在钢表面聚集,正电位,阳极,形成钝化
膜2.P固溶,提高耐腐蚀性3.NiCr形成钝化膜
稀有元素
脱S,除气,改善微观组织和杂质分布,提高机械使用性能
2.微合金钢
（1）成份
元素
作用
Ti,V,Nb
抑制A晶粒的长大
阻止A在变形过程中再结晶
析出强化
具有F-P的低合金和微合金钢的屈服强度达460MP
相变强化能提高强度和韧性,如低碳B,低碳S,低碳M
（2）主要强化机制:
细晶强化,析出强化
3.低碳B
（1）力学性能:
与F-P相比,有更高的强度和韧性，屈服强度可达490－780MP
（2）成份
元素
作用
主加Mo,B
显著推迟F和P的形成,对B相变的推迟作用较小
Mn,Cr,Ni
进一步推迟先共析F和P的形成并降低Bs
Nb,V,Ti
细化晶粒,沉淀强化
（３）典型钢种及热处理
14MnMoV,14MnMoVBRe，屈服强度达490MP。
用于容器和其他部件的制造
钢板厚度<14mm，热轧。
钢板厚度>14mm，正火＋高温回火
14MnMoVBRe在焊前必须预热至150℃.
4.针状F
（1）显微结构
低碳或超低碳针状F（属于B），相变在上B转变温度区域，为板条状，有高密度位错
（2）典型钢种Mn-Mo-Nb
（3）性能：
屈服强度＞470MPa,延伸率≥20%,室温冲击功≥80J，好的低温韧性，好的焊接性能，对H2S有好的
抗腐蚀性能。
（4）成分
元素
作用
C≤0.10%
低碳含量形成NbC沉淀，增强韧性
Mn1.6-2.0%
推迟F和P的形成，降低Bs点，使针状F的形成温度降到450℃，属固溶元素
Mo0.2-0.6%
有效推迟F的形成，对B转变无影响
Nb0.04-0.06%
形成沉淀强化相Nb（C,N）,轧制过程中细化晶粒
c.应用：
寒冷地区输油管道，天然气管道。
5.低碳M钢
（1）显微组织和热处理
热处理
显微组织
性能
应用
锻造或轧制＋空冷
B＋M＋F
σ0.2=828MPa；σb=1049MPa；室温冲
击功96J
用于制造汽车的轮臂托架
轧制或锻造＋直接
淬火＋回火
低回火M
σ0.2=935MPaσb=1197MPa;室温
冲击功50J-40℃冲击功32J
制造汽车操纵杆
（2）性能及应用：
高强度高韧性，高疲劳强度，用于运动部件，低温环境
（3）成分
低C、加入Mo、Nb、V、B等与合理含量的Mn和Cr配合。
提高淬透性，Nb还细化晶粒
6.F－M双相钢
显微组织
铁素体+岛状马氏体+少量的残余奥氏体
性能特点
低的屈服强度，一般不超过350MPa
σ-ε曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更没有锯齿形屈服现象
高的均匀延伸率和总延伸率,其总延伸率在24%以上
高的加工硬化指数，n值大于0.24；（σ=Kεn）
高的塑性应变比（r）。
（r=εw/εb。
εw为宽度应变，εb为厚度应变）
生产双相钢的
方法
热处理：
Ac1与Ac3双相区加热,其组织为α＋γ，在冷却过程中,应保证转变产物为α＋M,而不是α＋P
热轧双相钢：
热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成70～80％的多边形铁素体。
未转变的奥氏体
在以后冷却时转变成M
（2）双相钢优异性能（低屈服强度和高应变硬化率）原因
a.马氏体区域存在残余应力，应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。
b.体积和形状变化效应，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错
c.伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变
（3）典型组成和应用
C0.04%~0.10,Mn0.8%~1.8%,Si0.9%~1.5,Mo0.3%~0.4%,Cr0.4%~0.6%,和微量V。
用于汽车钢板
7.新一代钢铁材料
超级钢超细晶粒钢先进高强度钢
关于超级钢技术路线的二种说法：
三超和三化
三超：
超洁净、超均质、超细晶
三化：
洁净化（炼钢）、均质化（连铸）、细晶化（轧制）
第三章机械制造结构钢
第一节调质钢
一、化学组成
1、碳0.3％～0.5％碳过低，淬硬性不够；碳过高，韧性下降
2、合金元素：
主加：
Cr、Mn、Si、Ni；
辅加：
Mo、W、V、Ti、Al、B等。
合金元素的作用：
Cr,Mn,Si,Ni固溶于α相中，固溶强化，提高淬透性
Cr,Mo,W,V阻止渗碳体在回火过程中的聚集和长大，使具有高硬度
延缓α再结晶，保持细小晶粒，使具有高强度和韧性
Mo，W防止回火脆性
V,Ti，Al细化晶粒
二、热处理
1、预备热处理合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火。
合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在AC3线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由HB380～550降至HB207～240，可以顺利地进行切削加工。
2、最终热处理：
淬火，回火，表面处理
三、合金元素的机械性能
1、微观硬度：
铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。
2、回火温度与综合机械性能之间的关系
回火温度越高，硬度、断裂强度、屈服强度越低，延伸性、断面收缩率、延展性越高
3、高温回火后的韧性
合金元素对韧性的影响：
碳：
减小韧性
锰：
<2%提高韧性；>2%提高脆性转变温度，降低韧性
镍：
提高韧性，降低脆性转变温度
磷：
降低韧性，提高脆性转变温度
高温回火脆性
1缓冷试样的冲击韧性却明显低于快速冷却的试样
2500～550℃之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高
3碳素钢高温回火脆性是不敏感的；钢中加入锰或铬后变敏感；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加增大；单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回火脆性；钼、钨是降低高温回火脆性的元素；
4避免或减轻回火脆性的措施：
a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；
b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；
c.回火后采用快冷的工艺方法；
d.采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；
e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到650℃后快冷的方法来恢复。
表3-2常用调质钢的成分和用途
表3-3常用调质钢的热处理和机械性能
四、合金调质钢的典型钢种
1、低淬透性：
油淬临界直径最大为30mm~40mm
40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等
40MnB、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差一些
2、中淬透性：
油淬临界直径最大为40mm~60mm
35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等
加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性
3、高淬透性：
油淬临界直径最大为60mm~100mm
37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA
较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，加Mo还可消除回火脆性
第二节弹簧钢
一、弹簧钢的要求
1、高屈服强度和弹性极限，以及高屈强比
2、高疲劳极限
3、良好表面条件：
喷丸处理可显著提高表面状态，提高使用寿命
4、好的加工性能：
具有一定塑性和淬透性，过热敏感小，不易脱碳
二、化学成分
1、碳：
碳素弹簧钢：
0.8%~0.9%
合金弹簧钢：
0.45%~0.7%
2、Si和Mn：
提高淬透性、固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性，但Si含量高时增大C石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热
3、Cr、W、V、Nb：
碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限
4、弹簧钢均为优质钢（P≤0.04%，S≤0.04%）或高级优质钢（P≤0.035%，P≤0.035%）。
三、热处理
1、冷成形弹簧：
冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200℃~400℃的去应力退火，冷成形弹簧在成形之前，钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。
2、热成形弹簧：
热成形之后，进行淬火及中温回火，以获得所要求的性能，通常还要进行喷丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。
四、典型弹簧钢的应用
1、碳素弹簧钢：
65、70、75和85钢。
较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。
65Mn，具有稍高的淬透性，脱碳倾向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。
故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。
2、合金弹簧钢：
160Si2Mn：
主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧（10～12mm厚）和螺旋弹簧（直径为20～25mm）等。
硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向
250CrV：
用于制造350℃-400℃下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧。
Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。
3-4典型弹簧钢的成分和用途
钢号
主要化学成分（%）
用途
C
Mn
Si
Cr
V
65
0.62
0.70
0.50
0.80
0.17
0.37
截面小于12-15mm的小弹簧
65Mn
0.62
0.70
0.90
1.20
0.17
0.37
截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧
60Si2Mn
0.57
0.65
0.60
0.90
1.50
2.00
截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧
50CrVA
0.46
0.54
0.50
0.80
0.17
0.37
0.80
1.10
0.10
0.20
截面小于30mm强度要求较高的弹簧
表3-5典型弹簧钢的热处理和机械性能
钢号
热处理
机械性能
淬火
℃
回火
℃
σb
MPa
σ0。
2
MPa
δ10
%
ψ
%
75
820
480
1080
880
7
30
65Mn
830
480
980
780
8
30
60Si2Mn
870
460
1270
1180
5
25
55SiMnMoV
880
520-580
≥1370
≥1270
≥7
≥35
50CrV
850
520
1270
1080
10
45
第三节滚动轴承钢
一、化学成分特点
1.高碳：
0.95%~1.15%，一部分存在于马氏体中以强化马氏体；另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要求的耐磨性。
但碳含量过高会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物额降低其性能。
2.主加合金Cr:
提高淬透性和耐腐蚀性，0.40%~1.65%，（Fe,Cr）3C可提高耐磨性和接触疲劳强度；当>1.65%时，残余A增加，硬度和尺寸稳定性下降，同时增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。
3.Si,Mn，V进一步提高淬透性。
4.降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐、夹杂物，提高冶金质量。
二、原始组织要求
1、无缩孔、皮下气泡、白点和过烧
2、严格控制非金属夹杂物
3、严格控制疏松级别
4、改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）
三、热处理特点
1、预先热处理：
通常采用球化退火，770～810℃，790℃最佳。
碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物的弥散度取决于冷却速度。
冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。
2、最终热处理：
淬火＋低温回火。
温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。
马氏体中的碳含量在0.45%-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。
四、应用实例
1、常用轴承钢
1）铬轴承钢：
GCr15，淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承
2）添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢：
GCr15SiMn钢，主要用于制造大型轴承。
为了节约Cr，可以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE钢等
高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。
2、其他类型轴承钢
1）渗碳轴承钢
2）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢
第四节渗碳钢
一、服役条件及对性能的要求
1、表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性
2、心部具有高强度和韧性
二、化学成分特点
1、低碳：
0.12%~0.25%保证心部有良好的韧性
2、合金化：
常加入Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si、V、Ti、Betc
1）提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性。
V、Ti可以细化晶粒。
2）根据渗碳工艺
碳化物形成元素对渗碳的作用：
a）增大钢表面吸收碳原子的能力
b）增大渗碳曾表面的碳浓度
c）阻碍碳在奥氏体中的扩散
总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。
碳化物形成元素过多，将在渗碳层中产生许多块状碳化物，造成表面脆性。
所以合金元素的含量要适量。
Mn是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的碳含量。
非碳化物形成元素对渗碳层的作用与碳化物形成元素相反：
总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的加厚。
三、热处理特点
1、预先热处理
第一步：
正火：
细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。
正火后的钢材具有等轴状晶粒。
第二步：
退火（对P型钢）：
通常在800℃左右的一次退火代替正火。
高温回火（对M型钢）：
必须在正火之后，再在Ac1以下温度进行高温回火，一获得回火索氏体组织，可以使马氏体钢的硬度降低，顺利进行切削加工
2、最终热处理
1）渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。
渗碳扩散层的厚度决定于：
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