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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金属材料学,Metallic Materials,学,时：,40,2022,年,2,月,25,日,一、金属材料的历史地位,二、,金属材料的分类,三、金属结构材料的应用情况,四、金属材料的发展热点,五、关于本课程,绪 论,一、金属材料的历史地位,1.,材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料,发展与社会进步行着密切关系。,生产力,-,三要素,-,生产工具,。,金属材料是现代文明的基础。,石器时代青铜器时代铁器时代 硅时代,2.,目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金,属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,二、金属材料的分类,黑色,金属,有色,金属,金属材料,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢,(,不锈钢及耐热钢,),轻金属,(,铝,镁,钛,),重金属,(,铜,锌,铅,镍,),贵重金属,(,金,银,铜,),稀有金属,(,钨钼钒铌钴,),放射金属,(,镭铀钍,),结构金属材料,功能金属材料,Chapter 0,绪,论,Fe/Cr/Mn,d,4.5g/cm,3,三、金属结构材料的应用情况,1.,从总产量来看，,钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的,95,，,而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。,2.,在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如,铁只占,5.1,，而非铁金属中铝为,8.8,镁为,2.1,，钛为,0.6,。,3.,但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，,因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。,4.,而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。,四、金属材料的发展热点,1,继续开发高性能的新型金属材料,超级钢,其晶粒直径仅有,1,微米,(1,级,1mm,10,级,10um,，,1-4,级粗晶，,5-8,细晶，,12,级,0.5um,),，为一般钢铁的,1/10,1/20,具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。,2,非晶（亚稳态）材料日益受到重视,非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。,3,特殊条件下应用的金属材料,低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。,4,材料的设计及选用科学化,按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。,五、关于本课程,1.,本课程的目的,是讲授金属结构材料，使学生,掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、加工工艺、力学材料关系及影响规律；,掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。,2.,本课程的性质,是材料科学与工程专业的一门主要专业课。它的主要内容是金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。,Chapter 0,绪,论,3.,本课程的内容,金属材料的合金化基础理论,，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用。,常用钢铁材料、有色金属及合金材料和新金属结构材料,（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、有色金属及合金、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属材料等）。,Chapter 0,绪,论,4.,学习要求,掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律,。,掌握常用钢、铸铁、有色金属等材料的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和用途,。,Chapter 0,绪,论,能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，具有,合理选用材料，正确确定热处理技术条件,的知识。,能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。,Chapter 0,绪,论,5.,作业及考核形式,平时每章需完成一定量的思考题和习题；,期末成绩,=,闭卷笔试,60%+,作业、考勤,30%+,小论文,10%,Chapter 0,绪,论,第1章 钢的合金化原理,1.1,钢中的合金元素,1.2,合金元素对铁碳相图及钢热处理的影响,1.3,合金元素对钢性能的影响,1.4,微量元素及钢的微合金化,1.1.1,概述,1.1,钢中的合金元素,合金元素,是指为了保证获得所要求的组织结构、物理性能、化学性能和力学性能而特别添加到钢中的化学元素。所获得的钢称为合金钢。,常见合金元素,（依其在周期表中的顺序排列）：,B,、,N,、,Al,、,Si,、,Ti,、,V,、,Cr,、,Mn,、,Co,、,Ni,、,Cu,、,Zr,、,Nb,、,Mo,、,RE,、,W,。,低合金钢,5%Me,；中合金钢,510%,；高合金钢,10%,在冶炼时由于所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素，称为,杂质。,最典型的杂质元素是,S,、,P,、,H,。,热脆性,SFeS,（低熔点,989,）,冷脆性,PFe,3,P,（硬脆相）,氢 脆,H“,白点”,此外，,H,、,O,、,Sn,、,Sb,、,As,、,Bi,也可能作为气体或杂质元素存在于钢中。,1.1.2,钢的分类和编号,1.,钢的分类,目前，国际上比较通用的分类方法有两种：,按化学成分分类(GB/T 13304.1-2008,ISO 4948-1)；,按主要质量等级和主要性能或使用特性分类(GB/T 13304.2-4948-2)。,1.,钢的分类,按,用,途,分,结构钢,工具钢,特殊性能钢,工程构件用钢,机器零件用钢,按,金相,组织,分,按平衡组织分类：,亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢,按正火组织分类：,珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢,按相变组织分类：铁素体钢、,奥氏体钢、半铁素体或半马氏体的复相钢,按,化学,成分,分,碳素钢,合金钢,按冶金质量分类,以,S,、,P,的限制,含量来划分,按冶炼方法分类,按钢液的脱氧程度：,碳素钢,沸腾钢,镇静钢,半镇静钢,图1.1所示为钢,按化学成分和显微组织的分类,图。该图将按成分或用途进行的分类与按组织的分类对应起来。,2.钢的编号方法,我国现行的钢铁材料表示方法，是按国家标准,（,GB/T221-2008,）规定，采用数字、化学元素符号,和作为代号的汉语拼音字母相结合的编排方法。,2.钢的编号方法,一、普通碳素结构钢和低合金结构钢,Q,屈服点值质量等级符号（,A,、,B,、,C,、,D,）,脱氧方法符号（,F,、,b,）,Q235AF,屈服强度,A,级,沸腾钢,二、优质碳素结构钢,钢号用两位数字表示。这两位数字表示平均,含碳量的万,分之几。,20,钢、,45,钢、,65,钢,Mn,在,0.70%,1.20%,的优质碳素钢，应将锰元素标出,沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加以符号“,F”,和“,b”,三、碳素工具钢,碳素工具钢以符号,T,（碳）标识，其后以,碳含量的千分,之几,的数字表示；含锰量较高的碳素工具钢，应将锰元素标,出；高级优质钢末尾加“,A”,。例如，,T8Mn,表示平均,C,为,0.80%,，,Mn,为,0.40%,0.60%,的碳素工具钢。,四、合金结构钢,含碳量合金元素化学符号含量值,36Mn2Si,含碳量以,万分之几,表示,合金元素含量,以百分之几表示,1.5%,2.5%,Si,含量,1.5%,不标含量,五、合金工具钢,合金工具钢的含碳量是以,千分之几,表示的，,而且当钢中的,C1.0%,时，不再标出含碳量，,高速钢平均含碳量,1.0%,时也不标出,其他合金元素表示方法与合金结构钢相同,9SiCr,、,CrWMn,、,W18Cr4V,六、特殊性能钢,特殊性能钢与合金工具钢的表示方法基本相同,c0.08,者，在钢号前加“,0”,1.1.3 合金元素在钢中的作用,只有那些作为提高钢的某些性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的化学元素，才被认为是,合金元素,碳钢,合金钢,淬透性低、,回火软化抗力,较差,较高的机械性能,良好的热处理工艺性能,特殊的物理、化学性能,一、合金元素与铁的相互作用,1,、扩大,相区,相稳定化元素,（奥氏体形成元素）,使,A3,，,A4,，,相区扩大,（,1,）与,-Fe,无限互溶,Ni,、,Mn,、,Co,开启,相区,量大时，室温为,相,（,2,）与,-Fe,有限互溶,C,、,N,、,Cu,扩大,相区,图,1-2,（,a),合金元素开启,相区类型,图,1-3(b),合金元素扩大,相区类型,2,、缩小,相区,相稳定化元素,（铁素体形成元素）,使,A3,，,A4,，,相区缩小,（,1,）封闭,相区,Cr,、,V,、,Ti,、,Mo,、,W,其中,V,与,-Fe,无限互溶，其余有限互溶,（,2,）缩小,相区,B,、,Zr,、,Nb,等,图,1-4,封闭,相区类型,图,1-5,缩小,相区类型,二、铁基固溶体的形成规律,1,、置换固溶体,Hume-Rothery,规律,点阵类型,：点阵类型相同，溶解度大；,Ni,Mn,Co,与,-Fe,无限固溶；,Cr,V,与,-Fe,无,限固溶；,无限固溶体，晶体结构相同，必要条件，但不充分。,原子尺寸,：有限固溶体，溶质与溶剂原子半径差,15%,；无限固溶体，,8%,原子半径差,15%,附近的元素,(Ti,Nb,Ta),只能形成具有较窄溶解度的有限固,溶体；原子半径差超过,15%,的元素（,Zr,Pb,Hf,）在,Fe,中具有很小的溶解度,电子结构,：即在周期表中的位置。,电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，,表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强,概括为：晶体结构相同时（,1,）无限固溶体 原子半径差,8%,（,2,）有限固溶体 原子半径差,15%,（,3,）电子结构相近，在,Fe,中的溶解度升高,表,1-4,合金元素点阵结构、电子结构,(d,层电子数,),和原子半径,表,1-3,合金元素在铁中的固溶度,(wt-%),铁基固溶体的形成规律是对,Fe-Me,二元系合金而言。对于多元体系，由于合金元素之间的交互作用，固溶体的形成规律要复杂得多,结,论,Ni,、,Co,、,Mn,与,-Fe,的点阵结构、原子,半径和电子结构相似,无限固溶,Cu,和,-Fe,点阵结构、原子半径相近，,但电子结构差别大,有限固溶,Cr,、,V,与,-Fe,点阵结构、原子半径和,电子结构相似,无限固溶体,原子半径对固溶度的影响：,R8,可以形成无限固溶；,R15,形成,有限固溶；,15,，溶解度极小,2,、,间隙固溶体,溶质元素与溶剂元素的原子半径之比,小于,0.59,有限固溶,C,、,N,、,B,、,O,等,溶,解,度,溶剂金属的晶体结构：同一溶剂金属不同,点阵结构，溶解度不同,如,-Fe,和,-Fe,间隙元素的原子尺寸：,r,溶解度。,如,N,比,C,溶解度大：,R,N,0.071nm,，,R,C,0.077nm,溶剂晶格的间隙位置：,优先占据有利间隙位置,畸变最小,间隙位置总是没有被填满,最小自由能,形成规律,：,（,1,）间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于：溶剂金属晶体结构、间隙原子尺寸,（,2,）间隙原子在固溶体中的位置，,-Fe,为八面体间隙,-Fe,为八面体间隙或四面体间隙,（,3,）间隙原子的溶解度随其原子尺寸的减小而增大,（,4,）间隙固溶体与所有的间隙相一样，须满足,r,X,/r,Me,0.59,三、,合金元素与碳的相互作用,碳化物形成元素,非碳化物形成元素,Ti,Zr,Nb,V,强,W,Mo,Cr,中等,Mn,Fe,弱,Ni,、,Co,、,Cu,、,Si,、,Al,、,N,、,P,、,S,1,、,碳化物稳定性,合金元素与碳的亲和力,取决于,强碳化物形成元素优先与碳结合，,弱碳化物形成元素溶入固溶体；,随碳含量增加，弱碳化物形成元素也将形成碳化物,强碳化物稳定、溶解难、析出难、聚集长大难,钢中各种碳化物的稳定性对碳化物的形成和转变、溶解、析出、聚集,长大都有着极大影响。,元素电负性数值越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强,2,、,碳化物类型,rc/rMe,0.59,，复杂间隙碳,化物，,M7C3,、,M23C6,、,M3C,硬度、熔点较低、稳定性差,Cr7C3,、,Cr23C6,、,Fe3C,rc/rMe,0.59,，具有简单晶体结构,的碳化物间隙相，简单间隙碳化物。,M2C,、,MC,；硬度高、熔点高、,稳定性好。,VC,、,TiC,、,W2C,、,Mo2C,3,、碳化物的溶解度,相似相容,完全互溶,TiC-VC,、,TiC-ZrC,有限互溶,(Fe,、,Cr)3C,溶入强者、稳定性；溶入弱者、稳定性,Fe3C,钢铁基本相，渗碳体，,合金渗碳体（,Fe,、,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,）,3C,表,1-6,合金元素的,d,层电子数，,r,c,/r,Me,和,r,N,/r,Me,的比值,表,1-7,钢中常见碳化物的类型及基本特性,4,、碳氮化物：,钢在冶炼时会形成铁或其它合金元素的氮化物；碳化物、氮化物互溶形成碳氮化物，如,Ti(C,、,N),，,V(C,、,N),等。,具有高硬度、高脆性和高熔点，,四、合金元素之间的相互作用,金属间化合物仍然保持着金属的特点,相,Cr46Fe54,AB,2,相,(,拉弗斯相）,TiFe2,WFe2,B,3,A,相,(,有序相,),Ni3Al,Al3Ti,一般而言，在钢中存在碳的条件下，碳化物形成元素,在钢中先形成碳化物，只有当其量超过生成碳化物,所需的量后，才能形成金属间化合物。,五、合金元素与非金属元素的相互作用,1,、氧化物,性脆易断裂，无可塑性,沿加工方向呈链状分布,FeO,MnO,TiO2,SiO2,Al2O3,Cr2O3,2,、硫化物,高的可塑性，热加工时沿钢,材加工方向强烈地伸长,MnS,FeS,3,、硅酸盐,易变形，,2MnOSiO,2,、,MnOSiO,2,等,不易变形，各种不同配比的,Al,2,O,3,、,SiO,2,和,FeO,等,非金属夹杂物差不多总是被看作有害的,六、,合金元素与晶界的相互作用,晶界吸附现象,自发过程，结构学考虑；弹性应变能考虑,空位与溶质金属形成的亚稳集团,碳原子与刃位错结合的柯氏气团,溶质原子在层错附近吸附形成铃木气团,溶质原子在螺位错吸附的,Snoek,气团,表面活性（偏聚）元素,非表面活性元素,晶界溶质浓度,C,g,=C,i,exp(E/RT),C,i,溶质平均浓度，,E,溶质与晶界结合,能，,T,越高,Cg,越小，趋近于,Ci,-,合金元素与晶界,(,晶体缺陷,),的相互作用,偏,聚,机,理,结构学,：,晶界处排列疏松，较溶剂原子,大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界,弹性应变能：,偏聚使系统自由能；,此外，晶内及晶界的原子组态不一样，,电子因素考虑的能量也不同，,晶界吸附使体系能量,。在一般相图中，,最大固溶度愈小，则晶界吸附的趋向愈大,热力学,：,偏聚自发进行，其驱动力是,溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差,Zr,、,Ti,、,P,、,B,、,Sn,、,C,、,N,、,Re,等元素易产生晶界吸附,表面,1.2,合金元素对铁碳相图及钢热处理的影响,1.2.1,合金元素对铁碳合金相图的影响,一、,改变奥氏体相区位置,A,形成元素,Ni,、,Mn,等使,相区扩大钢在,室温下得到单相奥氏体组织 奥氏体钢,F,形成元素,Cr,、,Ti,、,Si,等使,相区缩小钢在,室温获得单相铁素体组织 铁素体钢,图,1-6,（,a,）,Mn,对奥氏体范围的影响,（,b,）,Cr,对铁素体范围的影响,二、改变共析转变温度,A,形成元素,Ni,、,Mn,等使,Ac,1,和,Ac,3,；,F,形成元素,Cr,、,Ti,、,Si,等使,Ac,1,和,Ac,3,三、改变,S,和,E,等临界点的含碳量,几乎所有的合金元素都使,S,点和,E,点左移；,S,点左移共析体含碳量减小；,E,点左移出现莱氏体的含碳量降低,判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，应根据,Fe-C-X,三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。,1.2.2,合金元素对钢热处理的影响,一、合金元素对退火钢加热转变的影响,加热转变,A,形核与长大、碳化物溶解、,A,成分均匀化。合金元素影响,A,形成速度,和,A,晶粒大小。,1,、对奥氏体形成速度的影响,合金元素形成碳化物的倾向，奥氏体形成速度；,部分非碳化物形成元素，,Co,，,Ni,增加碳在奥氏体中的扩散，,加速奥氏体的形成。,Al,、,Si,等对碳在奥氏体中扩散影响不大；,2,、对奥氏体晶粒大小的影响,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,等和适量的,Al,强烈阻碍晶粒长大。,C,亲和力大，碳化物稳定,W,、,Mo,、,Cr,等也阻碍晶粒长大，其影响程度中等。,Si,、,Ni,、,Cu,等对奥氏体晶粒长大影响不大。,Mn,、,P,、,C,等含量在一定限度以下时促进晶粒长大。,二、合金元素对过冷奥氏体转变的影响,Ni,、,Si,、,Mn,，大致保持碳钢的,C,曲线形状，,使,C,曲线向右作不同程度的移动；,Co,不改变,C,曲线形状，但使,C,曲线向左移；,碳化物形成元素，使,C,曲线右移，且改变了形状,1,、,过冷奥氏体,等温转变曲线通常呈“,C”,型，故称为“,C,曲线”,图,1-9,合金元素对钢,“,C,”,曲线的影响,C,曲线右移意味着提高了钢的淬透性,;,加入的合金元素只有完全溶于奥氏体时才能提高淬透性,;,淬透性好的钢，多采用“多元少量”的合金化原则,合金元素的不同作用，使,C,曲线出现不同形状，大致有五种,65Mn 42CrMo 20Cr13,不锈钢,34CrNi3Mo 12Cr18Ni9,不锈钢,图,1-10,合金元素对奥氏体等温转变曲线（,C,曲线）的影响,除,Co,外，几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推迟奥氏体向珠光体组织的转变，使,C,曲线右移,2,、过冷奥氏体的,P,、,B,转变：,P,转变：需要,C,和,Me,都扩散；,Ni,、,Mn,等使珠光体转变移向较低温度（扩大,）；,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Si,、,Al,等使珠光体转变移向高温（扩大,）,贝氏体转变：,C,原子作短程扩散，,Me,几乎没有扩散；,除,Co,、,Al,外，其它延缓,B,形成：,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Si,显著，,W,、,Mo,、,V,影响较小。,3,、合金元素对马氏体转变的影响,除,Co,、,Al,外，多数,Me,使,Ms,、,Mf,降低，中碳钢：,Ms,（）,=539-423C-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo,三、合金元素对淬火钢回火转变的影响,钢淬火,马氏体、残余奥氏体亚稳相；回火,M,分解，铁素体再结晶，碳化物析出、长大；,1,、提高回火稳定性,合金元素,推迟,马氏体的分解,推迟残余奥氏体的转变,回火,提高铁素体的,再结晶,温度，,使碳化物难以,聚集长大,提高钢的,回火稳定性,提高回火稳定性作用较强的有：,V,、,Si,、,Mo,、,W,、,Ni,、,Co,等,2,、产生二次硬化与二次淬火,Mo,、,W,、,V,等,的高合金钢,硬度,400,，随温度而；,400,550,，随温度而；,550,，随温度而,二次硬化原因在于回火析出物的性质,二次淬火：,高合金钢,淬火组织中，残余奥氏体较多，加热不易分解,仅析出一些特殊碳化物，提高了,Ms,点温度,二次淬火,3,、对回火脆性的影响,（,1,）第一类回火脆性,脆性特征,产生原因,合金元素,作用,a,、不可逆,-,脆性,-,高温加热消除,-,再次回火,-,不再产生,b,、与回火后的冷速无关,c,、晶界脆断,a,、,Fe,3,C,薄膜在晶界上形成,b,、,P,、,S,、,Bi,等杂质偏聚于,晶界，降低了晶界的结合强度,Mn,、,Cr,、,Ni,促进脆性；,Mo,、,Ti,、,V,、,Al,改善脆性；,Si,推迟脆性温度区。,出现在,250-350,回火的马氏体中，并伴随冲击韧性和延性的下降。,（,2,）第二类回火脆性,脆性,特征,产生,原因,合金元素,作用,a,、可逆,消除后缓冷可再产生,b,、回火后慢冷产生、快冷抑制,c,、晶界脆断,a,、杂质锑、砷、锡或,N,、,P,、,O,等偏聚晶界,b,、形成网状或片状化合物，晶界强度；,高于回火脆性温度，杂质扩散离开晶界或,化合物分解；快冷抑制杂质元素的扩散。,P,、,Sn,、,B,、,S,、,As,、,Bi,等脆化剂；,Mn,、,Ni,、,Cr,、,Si,等促进剂；,Cr,助偏剂,Mo,或,W,消除这类脆性,钢在,450-650,加热或在冷却时缓慢通过这一温度区间时出现的一类回火脆性,1.3,合金元素对钢性能的影响,1.3.1,合金元素与钢的强韧化,一、钢的强化机制与合金元素的作用原理,能使材料强度（主要屈服强度）增大的过程称为强化,强化的基本出发点是制造障碍以阻碍位错的运动,强化途径：,固溶强化、细晶强化、,第二相强化、形变强化,1,、固溶强化,表达式,R,eL,=,对于,C,、,N,原子，,n,=0.332.0,（强化指数）；,对于,Mo,、,Si,、,Mn,等置换原子,n,=0.51.0,机理,效果,原子固溶晶格发生畸变产生弹性应力,场，与位错交互作用位错运动阻力,提高强度，降低塑韧性,C:,固溶度,n:,强化指数,R,m,（,b,）、,R,eH,、,R,eL,、,R,p,；,A,、,Z,图,1-15,合金元素对低碳铁素体强度和塑形的影响,Si,、,Mn,固溶强化效应大，但,Si,1.1%,，,Mn,1.8%,时，,钢的塑韧性有较大的下降。,C,、,N,固溶强化效应最大；,间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈,2,、细晶强化,表达式,机理,效果,y,=,o,+k d,-1/2,著名的,Hall-Patch,公式，,o,为派纳力,或摩擦阻力；,d,为基体晶粒平均直径,晶粒越细晶界、亚晶界越多有效,阻止位错运动，产生位错塞积强化,最理想的强化途径：,钢的强度，塑性和韧度,3,、形变强化,表达式,机理,效果,=Gb,1/2,剪切应力；,常数，取,0.2,；,G,剪切,模量；,b,柏氏矢量；,位错密度,位错密度,位错交割、缠结,有效阻止位错运动钢的强度,提高强度，降低伸长率,4,、第二相强化,表达式,机理,效果,c,=Af,1/2,r,1/2,微粒第二相钉扎位错运动强度,切过机制沉淀强化（,固溶体析出，可变性,）,绕过机制弥散强化（,外界植入，不可变形,）；,钢中以弥散强化为主。,有效提高强度，但稍降低塑韧性,f,为第二相的体积分数；,r,为第二相颗粒半径,5,、合金元素对强化有效性的影响,钢的强化有效性取决于强化和弱化的综合效果,强化：,弥散析出,弱化：,马氏体分解,R,eLp,R,eL,R,eLp,R,eL,硬度峰值,弱化缓慢,强化有效性取决于形成弥散相的合金元素,合金钢淬火回火时,图,1-16,回火过程中强化和弱化的演变,1-M,分解,2-,弥散分解,3-,综合效应,图,1-17 V,含量对,40,钢,淬火回火后硬度的影响,二、钢的韧化途径与合金元素的作用原理,1,、细化晶粒（,奥氏体晶粒,）,2,、提高钢的回火稳定性,3,、改善基体韧性,4,、细化碳化物,5,、调整化学成分,6,、形变热处理,7,、低碳马氏体强韧化,8,、提高冶金质量,金属材料,韧化,具体措施,1.3.2,合金元素对钢不同热处理状态下力学性能的影响,一、合金元素对退火状态下钢的力学性能的影响,结构钢在退火状态下基本组成相是铁素体和碳化物,合金元素对退火状态下钢的强度的影响，主要取决于,铁素体的强化程度；,合金元素按照对铁素体的强化程度（由强到弱）：,P,、,Si,、,Ti,、,Mn,、,Al,、,Cu,、,Ni,、,W,、,Mo,、,V,、,Co,、,Cr,强度,提高,原理,合金元素共析点的含碳量相对地,珠光体的数量强度,合金元素过冷奥氏体稳定性，,C,曲线,右移相同冷却条件，铁素体和碳化物,两相混合物的分散度强度,镍既能显著提高强度，又始终使塑性和韧性保持高水平,尽管合金元素可以改善退火钢的性能，但效果很小，,因此，退火处理通常不能作为合金钢最终热处理,图,1-20,合金元素对铁素体固溶强化的影响,图,1-18,合金元素对铁素体强度极限的影响,二、合金元素对正火状态下钢的力学性能的影响,合金钢空冷组织：,索氏体、屈氏体、,贝氏体或马氏体,合金元素提高过冷奥氏体稳,定性，合金钢正火（空冷）,得到索氏体、屈氏体、,贝氏体或马氏体,图,1-23,铬对正火和退火钢强度的影响,表,1-8,几种合金钢在正火状态下的显微组织和力学性能,对合金钢，虽然正火比退火更好地发挥了合金元素,的作用，钢的机械性能提高较大。但正火钢的性能,仍低于调质处理钢。因此，只有对淬透性小的低合金，,调质处理在技术上有困难或经济上不合理时，,才用正火作为合金钢的最终热处理,三、合金元素对淬火、回火状态下机械性能的影响,合金元素对钢的机械性能的最显著影响，主要表现在,它对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响上,改变,淬火,状态,钢的,组织,性能,1,、除钴外，合金元素均提高钢的淬透性,2,、大多合金元素都能阻止奥氏体晶粒,长大（除锰外），从而细化晶粒,3,、,除,Co,、,Al,外，合金元素含量较多时，,Ms,A,淬火钢硬度降低，塑性、韧性提高,4,、淬火钢的性能主要决定于含碳量，,合金元素的加入可起补充强化作用,合金元素对淬火回火状态下钢的机械性能影响的特点：,1,、淬火后两类钢,(,碳钢、合金钢,),硬度几乎相同，回火后,的变化不同,:,低温回火时，硬度基本相同,;,中、高温固火时，合金钢的硬度下降比碳钢慢，,即在相同温度回火，合金钢的硬度高于碳钢，抗回火,软化能力强,2,、合金钢在淬火及淬火加回火后，强度指标,（,R,el,，,R,m,）皆高于碳钢,3,、塑性指标（,A%,，,Z%,），淬火低温回火后，合金钢,高于碳钢；高温回火后，合金钢和碳钢没有显著差别,图,1-24,两种含碳量相近的,37CrNi3A,（,a,）和,40,（,b,）钢淬火回火后机械性能随回火温度的变化,4,、冲击韧性,k,，淬火低温回火后，合金钢高于碳钢；,中温回火后合金钢的,k,值显著降低，和碳钢不相上下，,甚至还低于碳钢；高温回火后，合金钢的,k,值又逐渐,升高，超过碳钢,合金钢的回火，人们总是习惯采用下述两种工艺：,一种是低温回火；另一种是高温回火。,对于中温回火，虽然可使钢获得最高的强度指标，,但由于回火脆性的产生，使,k,值降低。,因此，一般较少采用，只有弹簧为得到高的,弹性极限,R,p,时才采用。,合金元素对低温回火钢机械性能的影响,淬火钢低温回火时，绝大多数,Me,对钢组织转变影响甚微（,Si,、,Mn,、,Ni,除外）；,要使低温回火强度增高，只能提高碳量,合金元素对低温回火的作用在于提高塑韧性,镍含量，钢的塑性；,Si,、,Mn,、,Mo,1,1.5%,，,Cr,、,Co,2,3%,钢的塑性；,凡能同时提高钢的强度及塑性的元素均使冲击,韧性提高，其中镍的效果最好,几种元素复合比单一元素的作用的简单迭加要大,合金元素对中,/,高温回火钢机械性能的影响,调质结构钢淬火加高温回火（,500,550,）处理,回火索氏体良好的综合机械性能,碳素调质钢淬透性低工件尺寸，强度塑性韧性,；,合金钢淬透性高温回火后得到均匀的回火索氏体,1,、减缓钢的回火过程，阻碍碳化物聚集长大,2,、合金元素强化铁素体，提高其再结晶温度,3,、强碳化物形成元素提高钢的回火稳定性，,产生沉淀强化,4,、,Mo,、,W,等可防止或消除第二类回火脆性,Me,对,高温回火,组织转变,影响,调质合金结构钢的综合机械性能优于碳素结构钢：,V,、,W,、,Mo,等增加碳化物分散度强度塑性；,其它合金元素使铁素体的塑性,合金元素,对钢,机械性能,影响,1,、强度与碳钢相同，韧性却大大提高；,2,、韧性与碳钢相同，强度却大大提高；,3,、二者同时提高,合金元素含量不超过一定量强度提高和晶粒细化,韧性不显著下降，甚至有些提高,四、合金元素对低温力学性能的影响,低温性能的评定，目前最常用的是脆性转变温度,C,、,N,、,O,、,S,、,P,、,Sn,、,Si,脆化元素，细化晶粒的元素、,Ni,提高低温冲击韧性。,表,1-10,温度对两种钢力学性能的影响,五、合金元素对高温力学性能的影响,温度，晶粒和晶界的强度晶界强度下降比晶内快,一定温度，晶界强度低于晶粒本身的强度改善钢的,力学性能，特别是蠕变极限，要求使用粗晶粒钢,稀土、,B,使易熔杂质元素从晶界转移到晶内，强化晶界,提高钢高温力学性能的另一个有效途径是,强化基体,；,钢中加入能形成具有高温强度和高温稳定性的第二相,颗粒的,强碳化物形成元素,，对位错运动起阻碍作用，,可提高合金的高温性能,1.3.3,合金元素对钢工艺性能的影响,一、对热处理性能的影响,1,、淬透性,：,钢在淬火时能获得马氏体的能力,合金元素复合作用大，不是简单加和,Me,对淬透性的作用，,前提是,Me,溶入奥氏体,在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的合金元素从大到,小依次排列为：,B,、,Mn,、,Mo,、,Cr,、,Si,、,Ni,通常用临界淬透直径来比较各钢种的淬透性大小,未溶碳化物，不利于淬透性；,Si-Mn-Mo-V,组合,高淬透性,表,1-12,常用工模具钢的淬透性,淬透性好,作用,可以使工件得到均匀而,良好的力学性能，满足技术要求,淬火时，可选用较缓和的冷却介质，,以减小工件的变形与开裂倾向,2,、淬硬性：,理想的淬火条件下，以超过临界冷却速度,所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。,淬硬性主要与钢的碳含量有关。,Me,影响较小。,3,、变形开裂倾向：,热应力变形；组织应力开裂；附加应力较复杂；,影响因素较复杂，要综合分析。,采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低淬火应力，,减小变形开裂倾向；采用调质、球化退火等,预先热处理也可减小零件的变形。,合金元素对马氏体硬度的影响,（单独加入,Mn,、,Ni,、,Mo,、,Cr,）,4,、过热敏感性：,钢淬火加热时，奥氏体晶粒急剧长大的敏感性,Mn,促进晶粒长大，如,35SiMn,、,40Mn2,、,50Mn2,、,65Mn,等,5,、氧化脱碳倾向：,氧化和脱碳往往伴随产生,Si,，具有排碳性；,含硅钢氧化脱碳倾向较大，,如,9SiCr,、,38CrSi,、,42SiMn,、,60Si2Mn,、,30CrMnSi,等；,脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，,脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有害的,6,、回火稳定性：,合金钢比碳钢的回火稳定性好；,要达到同样的回火硬度，合金钢的回火温度,可比碳钢高，回火时间也可以长些，应力消除,也大些；同样塑韧性，合金钢的强度比碳钢高,7,、回火脆性（略）,8,、白点敏感性：,表示锻、轧钢件产生内裂纹的敏感程度；钢中氢含量高是产生白点的必要条件，,内应力的存在是产生白点的充分条件。,一般情况，奥氏体、铁素体钢中不会出现白点；,0.3%C,碳钢不易产生白点；,0.3%C,的,Cr-Ni,系、,Cr-Ni-Mo,系、,Cr-Ni-W,系合金钢白点敏感性最大。,如,40CrNi,5CrNiMo,20Cr2Ni4A,5CrMnMo,14Cr17Ni2,37CrNi3A,等,白点是由于钢中,氢和组织应力,共同作用的结果。,这里的组织应力主要指奥氏体转变为马氏体和珠光体时,形成的内应力。,没有一定数量的氢和较显著的组织应力，白点是不能,形成的。若只是含氢量较高，而组织应力不大，一般也,不会出现白点。例如，单相的奥氏体和铁素体类钢，因,没有相变的组织应力，就极少出现白点。,二、对焊接性能的影响,焊接性能指钢的可焊接性和焊接区的使用性能，,主要由焊后开裂敏感性和焊接区的硬度来评价,合金元素对焊接性能的影响，用焊接材料碳当量估算,碳当量,=C+(Mn+Si)/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5,式中，元素符号代表该元素的重量百分比,碳当量越低，钢的焊接性能越好；,一般，,合金元素都提高钢的淬透性，进而促进,脆性组织,(,马氏体,),的形成使焊接性能变坏；,Ti,、,V,晶粒细化，降低淬透性改善钢的焊接性能,HAZ,（,Heat Affect Zone,）,三、对切削性能的影响,不同情况下侧重点不同：对于粗加工，主要考虑,切削速度；而精加工主要考虑表面粗糙度,C,钢 硬度在,170,230HBW,，切削性能最好,对钢的组织来说，,珠光体和铁素体各占,50,为最佳,不同碳含量的钢得到较好的切削性，预处理是不同的：,0.1,C,，宜淬火；,0.5,C,，常采用正火；,0.8,C,，宜球化退火。,MnS,，易断切屑，,S,、,Se,（硒）、,Te,（碲）提高切削,性能,四、对铸造性能的影响,铸造性能主要由铸造时金属的流动性、收缩特点、,偏析倾向等来综合评定；它们与钢的固相线和液相线温度的高低,及结晶温度区间的大小有关；,固、液相线的温度越低、结晶温度区间越窄，铸造性能越好；结晶,温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析。,合金元素的作用主要取决于其对铁碳相图的影响,五、对塑性加工性能的影响,1,、热加工,：锻造、轧制、拉拔等,Me,溶入基体产生畸变，热变形抗力热加工性能,合金钢的热加工性能比碳钢差,2,、冷加工,：冷轧、冷冲、冷镦、冷弯等,冷加工硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度,的表征参量。冷加工硬化率高，材料的冷加工性能差；,碳、硅、磷、硫、镍、铬、钒、铜等元素,使钢材的冷态压延性能恶化,1.3.4,合金化与强韧化机理的综合运用,一、低碳马氏体型钢,20Cr,、,15MnVB,、,20CrMnTi,、,20SiMn2MoV;,淬火,+,低温回火,HRC43-45,；,R,m,1300-1500MPa;R,eL,1000-1200MPa;A10-13%;,Z36-60%;,强度高、韧性好,强化：淬火,位错型马氏体,（,1,）过饱和固溶体,固溶强化,（,2,）非扩散型切变，大量位错,位错强化,（,3,）细小板条、较大板条,晶界强化,（,4,）,Ms,较高，,M,自回火，细小碳化物析出,析出强化,2,韧化：,（,1,）位错型板条马氏体，不含或少含孪晶,（,2,）板条平行，显微裂纹少,（,3,）细晶奥氏体，马氏体板条束小,（,4,）残余奥氏体,二、,25Si2Mn2CrNiMoV,低碳马氏体型超高强度的开发（,1500MPa,级设计思路）,1,强化低碳马氏体,适当提高含碳量，,0.3%C,，出现孪晶，可能增加裂纹倾向，控制,0.25%C,；合金化，,Si,、,Mn,、,Ni,、,Mo,对铁素体较强的强化，优先选,2,改善韧性,从提高韧性考虑,保持马氏体亚结构位错型,使马氏体相界出现稳定的,A,薄膜,Ni,、,Mn,扩大,区，有利于板条相界产生,A,薄膜,另一方面，提高冶金质量，抑制回火马氏体脆性，,Mo,，固溶强化，拟制回脆,3,合金元素影响马氏体亚结构的考虑,缩小,区元素（,Cr,、,Mo,、,W,、,V,）形成位错马氏体,扩大,区元素（,C,、,Mn,、,Ni,）在含碳量低时，形成位错马氏体，,C,高时，形,成孪晶马氏体,综上所述：从强、韧、组织考虑，,Si,、,Mn,、,Ni,、,Mo,是主要考虑元素，从淬透性、耐蚀性考虑，加入,1%Cr,，而加入,V,可细化晶粒，改善强韧性，,因此设计,25Si2Mn2CrNiMoV,1.4,微量元素及钢的微合金化,1.4.1,钢中的微量元素及其作用,一、微量元素的种类,钢中存在的微量元素可以分成以下几类,:,常用微合金化元素：,B,、,N,、,Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,、,RE,；,偶用微合金化元素：,Ta,、,Hf,；,为净化、变质和控制夹杂物形态而加入的微量元素：,B,、,C