金属材料学.docx

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金属材料学

第一章合金化原理

碳钢中的常存杂质

1.锰（Mn）和硅（Si）

炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。

Mn：

可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。

MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。

Si：

可固溶，也可形成SiO2夹杂物。

Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫（S）和磷（P）

S：

S和Fe能形成FeS，并易发生热脆（裂）。

P：

可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N）、氢（H）、氧（O）

N：

在α-铁中可溶解。

N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

H：

在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

O：

在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。

N、H、O是有害杂质。

碳钢的分类

1．按钢中的碳含量

1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢0.0218%≤wc≤0.77%共析钢wc=0.77%过共析钢：

0.77%＜wc≤2.11%

2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：

wc≤0.25%中碳钢：

0.25%＜wc≤0.6%高碳钢：

wc＞0.6%

2．按钢的质量（品质），碳钢可分为

（1）普通碳素钢

（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢（4）特级优质碳素钢

3．按钢的用途分类，碳钢可分为

（1）碳素结构钢

（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢

4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为

（1）沸腾钢F

（2）镇静钢Z（3）半镇静钢b（4）特殊镇静钢TZ

碳钢的用途

1-普通碳素结构钢

（1）主要用于一般工程结构和普通零件

（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。

（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法

由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。

屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；D级最高

2-优质碳素结构钢

（1）用于较为重要的机械零件

（2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。

（3）牌号一般用两位数字表示。

这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍，如20钢、45钢。

3-碳素工具钢

（1）主要用于制作各种小型工具。

（2）牌号“T”加上碳的质量分数的千倍表示。

如T10，T12等。

高级优质碳素工具钢加上“A”如T8A，T12等。

4-一般工程用铸造碳素钢

（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件

（2）牌号用符号“ZG”加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。

如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。

合金元素的存在形式

1．形成铁基固溶体

（1）形成铁基置换固溶体

①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。

其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。

②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。

如α-Fe（Mo）和α-Fe（W）等。

③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。

2）形成铁基间隙固溶体

2．形成合金渗碳体或碳化物

（1）合金渗碳体（碳化物）（Fe,Mn）3C、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相；（Fe,Mn）3C、TiN、Ti（C、N）等；

（2）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

3．形成金属间化合物γ（TiAl）、NiAl、NiTi、FeAl、

4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相

（1）钢中的非金属相有：

FeO、MnO、MnS、FeS、等。

非金属夹杂物一般都是有害的。

（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。

合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响

1．合金元素与铁的相互作用

（1）γ相稳定化元素（奥氏体形成元素）

使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。

根据Fe-Me相图的不同，可分为：

开启γ相区（无限扩大γ相区）这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等

扩展γ相区（有限扩大γ相区）这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等

（2）α相稳定化元素（铁素体形成元素）

合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。

根据Fe-Me相图的不同，可分为：

封闭γ相区（无限扩大α相区）；这类合金元素有：

Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti、P及Be等

缩小γ相区（不能使γ相区封闭）。

这类合金元素有：

B、Nb、Zr、Ta等。

2．合金元素与碳的相互作用

（1）形成碳化物

碳化物形成元素：

Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。

碳化物是钢中主要的强化相。

碳化物形成元素均位于Fe的左侧。

非碳化物形成元素：

Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。

非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。

（2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响

合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。

碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。

非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，增加碳的活度，同时将出现碳从固溶体中析出的倾向

（3）Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响（Si是个例外）

碳化物形成元素：

如Cr、Mo和W等降低C的活度，即提高了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：

如Ni、Co等提高C的活度，即降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

1．合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响

扩大γ相区的合金元素（如Ni、Co、Mn等）均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。

缩小γ相区的合金元素（如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等）均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。

2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响

Me对共析转变温度的影响扩大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。

Me对共析点（S）成分的影响几乎所有合金元素都使点S降低。

共晶点E的碳含量随合金元素增加而降低。

合金元素对钢的热处理的影响

1.Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响

合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。

（1）Me对奥氏体形成速度的影响

非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。

Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。

强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。

（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响

合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。

Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大；Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；Mn有助于奥氏体的晶粒长大。

2.Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响

主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。

具体可以分为以下几个方面：

（1）对高温转变（珠光体转变）的影响；除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移

Me的加入对钢还有固溶强化的作用；

合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。

（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响；合金元素对贝氏体转变的作用是通过对γ→α转变和碳原子的扩散的影响而起作用。

首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点的影响。

碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点

（2）对低温转变（马氏体转变）的影响。

合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。

除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降。

3．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响

主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。

冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。

如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70℃的低温。

合金钢的分类

1．按化学成分分类

（1）按钢中所含合金元素的种类分，可分为：

锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。

（2）按钢中合金元素总质量分数分，可分为：

低合金钢、中合金钢和高合金钢。

2．按钢的用途分类

（1）合金结构钢：

工程构件用钢和机械制造用钢。

（2）合金工具钢：

刃具钢、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。

（3）特殊性能钢：

抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易削钢等。

3．按金相组织分类

（1）按退火后的组织分：

亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。

（2）按正火后的组织分：

铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。

4．按冶金质量分类

（1）普通低合金钢

（2）优质低合金钢（3）高级优质合金钢（4）特高级优质合金

第二章工程构件用合金结构钢

普通低合金高强度结构钢的化学成分特点

（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。

（2）主加合金元素主要是Mn。

Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；

（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。

（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。

（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。

针状铁素体钢

1显微组织

低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其α片呈板条状，具有高密度位错。

2成分及性能

典型钢种：

Mn-Mo-Nb钢。

其成分范围：

C≤0.10%，Mn：

1.6-2.0%，Mo：

0.2-0.6%，Nb：

0.04-0.06%；有时还加0.06%V或0.01%Ti。

屈服强度＞470MPa，伸长率≥20%，室温冲击值≥80J，并具有好的低温韧性。

焊接性能良好。

抗H2S腐蚀性好。

3.合金元素的作用

碳：

低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。

锰：

Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低BS点固溶强化元素。

钼：

Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；Mo与Mn联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素

铌：

产生沉淀强化，细化晶粒。

低碳马氏体钢

显微组织、性能及处理工艺

锻轧后空冷：

贝氏体+马氏体+铁素体；

具有高强度、高韧性和高的疲