第四章钢的合金化对组织和性能的影响.pptx

第四章第四章 钢的合金化对组织和性钢的合金化对组织和性能的影响能的影响第一节第一节 合金元素在钢中的存在形式和作用合金元素在钢中的存在形式和作用第二节第二节 合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响第三节第三节 合金元素对钢加工性能的影响合金元素对钢加工性能的影响第四节第四节 钢中杂质对钢性能的影响钢中杂质对钢性能的影响第五节第五节 钢的分类简介钢的分类简介合金钢的概念合金钢的概念n所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。特意地加入一些合金元素的钢。n常用的合金元素：常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、M。V、Ti、Nb、Zn及稀土及稀土Re。返回返回发展合金钢的原因发展合金钢的原因n碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。受到一定限制。n（1）碳钢的淬透性低碳钢的淬透性低n碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺栓等。连杆螺栓等。返回返回（2 2）回火抗力差）回火抗力差）回火抗力差）回火抗力差碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过其回火温度超过其回火温度超过其回火温度超过200200，其硬度就显著下降。即回，其硬度就显著下降。即回，其硬度就显著下降。即回，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200200的刀具就不能采用碳钢制作。的刀具就不能采用碳钢制作。的刀具就不能采用碳钢制作。的刀具就不能采用碳钢制作。（3 3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求）碳钢不能满足一些特殊性能的要求）碳钢不能满足一些特殊性能的要求）碳钢不能满足一些特殊性能的要求如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用了合金钢材料。工业上广泛发展和使用了合金钢材料。工业上广泛发展和使用了合金钢材料。工业上广泛发展和使用了合金钢材料。1）合金元素在钢中的主要存在形式：）合金元素在钢中的主要存在形式：合金元素加入钢中合金元素加入钢中,与铁与铁形成固溶体，或与碳形形成固溶体，或与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物中，在高合金钢成碳化物，少量存在于夹杂物中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。中还可能形成金属间化合物。n（1）形成固溶体）形成固溶体n（2）形成碳化物）形成碳化物n（3 3）游离状态）游离状态第一节第一节 合金元素在钢中的存在形式和作用合金元素在钢中的存在形式和作用（1 1）形成固溶体）形成固溶体n几乎所有的几乎所有的合金元素合金元素(除除PbPb外外)都可都可溶于铁中溶于铁中,形成形成合金铁素体或合金奥氏体。合金铁素体或合金奥氏体。n通常与碳的亲和力很弱通常与碳的亲和力很弱合金元素合金元素，主要固溶于，主要固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，如：如：NiNi、SiSi、AlAl、CoCo。返回返回（2 2）形成碳化物）形成碳化物n碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳化物化物nA A 合金渗碳体合金渗碳体nB B 特殊碳化物特殊碳化物A A 合金渗碳体合金渗碳体 n合金元素合金元素与碳的亲合力较弱，它们大部分与碳的亲合力较弱，它们大部分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，如（如（Fe，Mn）3C。返回返回B B 特殊碳化物特殊碳化物n合金元素与合金元素与碳的亲合力很强，主要以特殊碳化碳的亲合力很强，主要以特殊碳化物形式存在，如物形式存在，如V、Ti、Nb、Zr。特殊碳化物。特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高，稳定性最高。熔点、硬度、耐磨性最高，稳定性最高。n合金元素（合金元素（Cr、Mo、W）与）与碳的亲合力较强，碳的亲合力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。返回返回与碳作用形成合金碳化物与碳作用形成合金碳化物 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强v 弱碳化物元素弱碳化物元素:Fe、Mn。v 中强碳化物元素中强碳化物元素:Cr、Mo、W。v 强碳化物元素强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。碳化物形成元素在周期表中都是位于碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素铁元素的左边的过渡族金属元素的左边的过渡族金属元素,它们都有它们都有一个未填满一个未填满的的d d电子亚层电子亚层,当形成碳化物时当形成碳化物时,碳原子首先将其碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的价电子填入金属原子未填满的d d电子亚层电子亚层,使形成使形成的碳化物具有的碳化物具有金属键金属键结合的性质结合的性质,金属原子的金属原子的d d电子亚层愈不满电子亚层愈不满(周期表中周期表中,在铁左边离铁愈远在铁左边离铁愈远),),则其则其与碳的亲和力愈强与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大形成碳化物的能力愈大,愈稳定愈稳定,而且不易分解。而且不易分解。（3 3）游离状态）游离状态n对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少数元素，如数元素，如Pb、Cu、（、（0.8)等，常以游离等，常以游离态存在态存在。返回返回1.溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金F或合金或合金A1.溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金F或合金或合金A 第二节第二节 合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响 合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。合金元素对钢的热处理的影响。1 合金元素对铁碳相图的影响（1）改变改变A相区相区 扩大扩大A相区元素相区元素缩小缩小A相区元素相区元素使使A1，A3，Acm线线使使A1，A3，Acm线线（2）改变改变S、E点位置点位置多数元素使多数元素使S点左移点左移 0.77%C的钢中可能的钢中可能 出现出现过共析过共析组织组织多数元素使多数元素使E点左移点左移 2.11%C的钢中可能的钢中可能 出现出现莱氏体莱氏体组织组织1)影响影响A和和F存在的范围存在的范围（1 1）扩大）扩大相区相区（2 2）缩小）缩小相区相区(1)(1)扩大扩大相区相区使使A3A3点点(-Fe-Fe(-Fe-Fe的转变点的转变点)下降下降,A4,A4点点(-Fe(-Fe的转变点的转变点)上升上升,从而扩大从而扩大-相的存在范围。相的存在范围。完全扩大完全扩大相区元素相区元素(室温下单相室温下单相A)MnMn，NiNi1Cr18Ni91Cr18Ni9（奥氏体不锈钢）和（奥氏体不锈钢）和ZGMn13ZGMn13（高锰钢）（高锰钢）部分扩大部分扩大相区的元素相区的元素C C、N N、CuCu下页下页扩大扩大相区示意图相区示意图返回返回(2)(2)缩小缩小相区相区使使A3A3点上升点上升,A4,A4点下降点下降(铬除外铬除外,铬含量小于铬含量小于7%7%时时,A3A3点下降点下降;大于大于7%7%后后,A3,A3点迅速上升点迅速上升),),从而缩小从而缩小相区存在的范围相区存在的范围,使铁素体稳定区域扩大。使铁素体稳定区域扩大。完全封闭完全封闭相区的元素相区的元素(如如CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等等)。如。如Cr17Cr17、Cr25Cr25、Cr28Cr28等铬不锈钢均属铁素体等铬不锈钢均属铁素体钢。钢。部分缩小部分缩小相区的元素相区的元素(如如B B、NbNb、ZrZr等等)。下页下页缩小缩小相区示意图相区示意图返回返回(2)使使S、E点左移点左移 无论是扩大无论是扩大区的合金元素，还是缩小区的合金元素，还是缩小区的区的合金均使合金均使E点和点和S点左移，即降低共析点的含碳量及点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。碳钢和合金钢具有不同的显微组织。如含碳如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为，而是变为0.3%C了，另外，由于了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工的高速工具钢，含具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏，其铸态组织中出现了莱氏体。体。Mn 元素对S、E点的影响图Cr 元素对S、E点的影响图 合金元素对合金元素对 S 点成分的影响点成分的影响(3)对对A点的影响点的影响扩大扩大相区元素，使相区元素，使A1下降下降缩小缩小相区元素，使相区元素，使A1上升上升临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热加工工艺参数都与碳钢明显不同。加工工艺参数都与碳钢明显不同。返回返回合金元素对合金元素对A1线线的影响的影响2.2.合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响（1 1）对钢加热时奥氏体形成的影响对钢加热时奥氏体形成的影响 （2 2）对过冷奥氏体的转变的影响对过冷奥氏体的转变的影响 （3 3）对淬火钢回火的影响对淬火钢回火的影响 合金元素对热处理的影响1 对加热的影响对加热的影响 多数元素减缓多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大形成，阻碍晶粒长大合金钢需要合金钢需要 加热温度，加热温度，保温时间保温时间 保证保证A均匀化均匀化 2对冷却的影响对冷却的影响 多数元素溶入多数元素溶入A后后 过冷过冷A稳定性稳定性 Vc 淬透性淬透性 Ms点点 残余残余A量量 （看后图）合金钢可以制造大截面的零件，淬火不易变形合金钢可以制造大截面的零件，淬火不易变形3 对回火的影响对回火的影响 回火稳定性回火稳定性 抗回火软化的能力抗回火软化的能力 产生二次硬化产生二次硬化 HRC（1 1）对钢加热时奥氏体形成的影响对钢加热时奥氏体形成的影响对奥氏体形成速度的影响对奥氏体形成速度的影响 对奥氏体晶粒大小的影响对奥氏体晶粒大小的影响钢加热时对奥氏体形成速度的影响钢加热时对奥氏体形成速度的影响 奥氏体化过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏奥氏体化过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Co和和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。Si、Al、Mn等元素，对等元素，对C的扩散速度影响不大。因而的扩散速度影响不大。因而对奥氏对奥氏体的形成速度影响不大。体的形成速度影响不大。碳化物形成元素：碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍阻碍C的扩散，的扩散，缓减奥氏体的形成速度。缓减奥氏体的形成速度。合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。返回返回钢加热时对奥氏体晶粒大小的影响钢加热时对奥氏体晶粒大小的影响碳化物形成元素：碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr阻阻碍晶粒长大碍晶粒长大非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Cu、Si、Ni阻止阻止晶粒长大的作用不大；晶粒长大的作用不大；Mn、P、B促进晶粒长大。促进晶粒长大。返回返回（2 2）对过冷奥氏体的转变的影响）对过冷奥氏体的转变的影响实质上是对实质上是对C曲线的影响曲线的影响除除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使稳定性，使C曲线右移，且：曲线右移，且：非碳化物形成元素非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变等不改变C曲线的形状，只使其右移；曲线的形状，只使其右移；碳化物形成元素碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使等除使C曲线右移外，还改变其形状。曲线右移外，还改变其形状。下页下页合金元素对合金元素对C C曲线的影响曲线的影响碳化物形成元素碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等将等将C曲线曲线分裂为珠光体转变和贝氏体转变两个分裂为珠光体转变和贝氏体转变两个C曲线，曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区定区下页下页合金元素对合金元素对C C曲线的影响图曲线的影响图对过冷奥氏体的转变影响的实际意义对过冷奥氏体的转变影响的实际意义 合金元素使合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要曲线位置和形状的改变，有重要的实际意义，由于合金元素使的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因而使曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂。另一方面由于形状的改变，使某起的变形和开裂。另一方面由于形状的改变，使某些钢些钢28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。返回返回（3 3）对淬火钢回火的影响对淬火钢回火的影响(1)提高回火稳定性提高回火稳定性(2)产生二次硬化产生二次硬化现象现象(3)增大回火脆性增大回火脆性(1)提高回火稳定性提高回火稳定性 合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度。力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度。即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢好。其塑性和韧性比碳钢好。返回返回(2)产生二次硬化产生二次硬化现象现象 若钢中若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，等元素超过一定量时，除了提高回火抗力外，在除了提高回火抗力外，在400以上还会形成弥散以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500600硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。聚集长大的结果。二次硬化现象对高合金工具钢二次硬化现象对高合金工具钢 十分重要，通过十分重要，通过500500600回火可使其硬度比淬火态硬度高回火可使其硬度比淬火态硬度高 HRC5HRC5以上。以上。返回返回Mo对钢对钢(0.35%C)淬火回火后硬度的影响淬火回火后硬度的影响(3)增大回火脆性增大回火脆性第一类回火脆性第一类回火脆性第二类回火脆性第二类回火脆性第二类回火脆性的消除方法第二类回火脆性的消除方法第一类回火脆性第一类回火脆性第一类回火脆性：第一类回火脆性：结构钢回火时在结构钢回火时在250-400250-400出现出现的的冲击韧性下降冲击韧性下降的现象。这类回火脆性无论是在碳的现象。这类回火脆性无论是在碳钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加热到此温度范围内回火，都无法避免，故热到此温度范围内回火，都无法避免，故又称又称“不不可逆回火脆性可逆回火脆性”。但合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较但合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，高的温度。一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及残余奥氏体的分解及FeFe3 3C C析出有关，析出有关，防止方法就是防止方法就是避开这一温度范围回火。避开这一温度范围回火。返回返回第二类回火脆性第二类回火脆性第二类回火脆性：第二类回火脆性：500-650500-650回火后缓慢冷却出回火后缓慢冷却出现的现的冲击韧性下降冲击韧性下降现象。这类回火脆性如果在回现象。这类回火脆性如果在回火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完全消除，因这类回火脆性则可完全消除，因这类回火脆性又称为又称为“可逆回可逆回火脆性火脆性”。返回返回Cr-Ni 钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图第二类回火脆性的消除方法第二类回火脆性的消除方法并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含CrCr、MnMn或或Cr-NiCr-Ni、Cr-SiCr-Si的合金钢中出现，发生了这类回的合金钢中出现，发生了这类回火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低且韧脆转化温火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低且韧脆转化温度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是P P、MnMn、S S、SiSi等元素在晶界偏聚。等元素在晶界偏聚。消除方法：（消除方法：（1 1）自回火温度快冷消除）自回火温度快冷消除P P、MnSMnS、SiSi元元素的偏聚。素的偏聚。（2）在钢中加入）在钢中加入0.2-0.3%Mo或或0.4-0.8%W来减缓来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。返回返回第三节第三节 合金元素对钢加工性能的影响合金元素对钢加工性能的影响第四节第四节 钢中杂质对钢性能的影响钢中杂质对钢性能的影响基本元素：基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素非合金钢中的常存元素非合金钢中的常存元素 冷脆性冷脆性有害有害矿石中矿石中P 热脆性热脆性有害有害矿石中矿石中S 溶入溶入F 固溶强化固溶强化有益有益炼钢时残留炼钢时残留Mn 溶入溶入F 固溶强化固溶强化有益有益炼钢时残留炼钢时残留Si作用作用来源来源 Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度和硬度。但生成的但生成的MnS夹杂在钢中，影响钢的性夹杂在钢中，影响钢的性能。能。Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,能脱氧。能脱氧。但生成的但生成的SiO2SiO2夹杂在钢中，影响钢的夹杂在钢中，影响钢的性能。性能。1.有益元素有益元素2.有害元素有害元素:P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,低温韧低温韧性差性差 (冷脆冷脆 )。S 能引起钢在热加工时或高温工作能引起钢在热加工时或高温工作下开裂下开裂 (热裂热裂 )。n n硫硫硫硫 n n 钢中的硫来源于炼钢时的生铁和燃料。钢中的硫来源于炼钢时的生铁和燃料。钢中的硫来源于炼钢时的生铁和燃料。钢中的硫来源于炼钢时的生铁和燃料。n n 硫不溶于铁，而与铁生成熔点为硫不溶于铁，而与铁生成熔点为硫不溶于铁，而与铁生成熔点为硫不溶于铁，而与铁生成熔点为1190 1190 左右的左右的左右的左右的FeSFeS，且，且，且，且FeSFeS常与常与常与常与FeFe一一一一起形成低熔点起形成低熔点起形成低熔点起形成低熔点 (约约约约989989)的共晶体，分布在奥氏体晶界上。当钢进行热的共晶体，分布在奥氏体晶界上。当钢进行热的共晶体，分布在奥氏体晶界上。当钢进行热的共晶体，分布在奥氏体晶界上。当钢进行热加工时加工时加工时加工时(如在如在如在如在90090012001200锻造或轧制、焊接等锻造或轧制、焊接等锻造或轧制、焊接等锻造或轧制、焊接等)，共晶体将熔化，使钢，共晶体将熔化，使钢，共晶体将熔化，使钢，共晶体将熔化，使钢的强度尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。因此，的强度尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。因此，的强度尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。因此，的强度尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。因此，必须严格控制钢中的硫质量分数。必须严格控制钢中的硫质量分数。必须严格控制钢中的硫质量分数。必须严格控制钢中的硫质量分数。n n热脆的减轻或防止措施有二：热脆的减轻或防止措施有二：热脆的减轻或防止措施有二：热脆的减轻或防止措施有二：n n其一是采用精炼方法降低钢中的硫质量分数，但此举会增加钢的生产成其一是采用精炼方法降低钢中的硫质量分数，但此举会增加钢的生产成其一是采用精炼方法降低钢中的硫质量分数，但此举会增加钢的生产成其一是采用精炼方法降低钢中的硫质量分数，但此举会增加钢的生产成本；本；本；本；n n其二是通过适当增加钢中的锰质量分数，使其二是通过适当增加钢中的锰质量分数，使其二是通过适当增加钢中的锰质量分数，使其二是通过适当增加钢中的锰质量分数，使s s与与与与MnMn优先生成高熔点优先生成高熔点优先生成高熔点优先生成高熔点(约约约约1620(1620(：)的的的的MnSMnS，从而避免热脆，这是降低硫的有害作用的主要手段。，从而避免热脆，这是降低硫的有害作用的主要手段。，从而避免热脆，这是降低硫的有害作用的主要手段。，从而避免热脆，这是降低硫的有害作用的主要手段。n n磷磷n n钢中的磷来源于炼钢时的生铁。钢中的磷来源于炼钢时的生铁。钢中的磷来源于炼钢时的生铁。钢中的磷来源于炼钢时的生铁。n n磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显提高强度、硬磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显提高强度、硬磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显提高强度、硬磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显提高强度、硬度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性、尤度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性、尤度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性、尤度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性、尤其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此外，过其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此外，过其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此外，过其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此外，过多的磷也会生成极脆的多的磷也会生成极脆的多的磷也会生成极脆的多的磷也会生成极脆的FeFe3 3P P化合物，且易偏析于晶化合物，且易偏析于晶化合物，且易偏析于晶化合物，且易偏析于晶界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。因此，必须界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。因此，必须界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。因此，必须界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。因此，必须严格控制钢中磷质量分数。严格控制钢中磷质量分数。严格控制钢中磷质量分数。严格控制钢中磷质量分数。3.气体元素气体元素:O：钢中的氧化物易成为钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源疲劳裂纹源。N：钢中过饱和钢中过饱和N在常温放置过程中会发生在常温放置过程中会发生时时 效脆化效脆化。加加Ti、V、Al等元素可消除时效等元素可消除时效 倾向。倾向。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起引起氢氢 脆脆。当氢在缺陷处以当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产分子态析出时，会产 生很高内压，形成微生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色，裂纹，其内壁为白色，称称白点白点或或发裂发裂。钢中白点钢中白点1.氧的影响氧的影响 由于氧在固态钢中的溶解度远低于在钢液中的由于氧在固态钢中的溶解度远低于在钢液中的溶解度溶解度(氧在低碳钢液中溶解度为氧在低碳钢液中溶解度为0.03%0.08%，在室温下，在室温下的溶解度小于的溶解度小于0.0003%)，所以液态钢中溶解的氧在温度降低，所以液态钢中溶解的氧在温度降低和凝固时将会以氧化物夹杂的形式析出。炼钢过程是一个高和凝固时将会以氧化物夹杂的形式析出。炼钢过程是一个高温氧化和还原的过程，因此在冶炼过程中要向炉内供氧，用温氧化和还原的过程，因此在冶炼过程中要向炉内供氧，用来氧化钢中的杂质元素。但是所产生的氧化产物，会部分地来氧化钢中的杂质元素。但是所产生的氧化产物，会部分地残留在钢中成为夹杂物，降低钢的塑性、韧性、强度、疲劳残留在钢中成为夹杂物，降低钢的塑性、韧性、强度、疲劳强度等力学性能，并且提高钢的脆性转变温度；降低不锈钢强度等力学性能，并且提高钢的脆性转变温度；降低不锈钢的抗腐蚀性能；氧还会与碳反应生成的抗腐蚀性能；氧还会与碳反应生成CO气泡，形成气孔缺陷，气泡，形成气孔缺陷，因此炼钢过程中必须充分脱氧和排除脱氧的产物。因此炼钢过程中必须充分脱氧和排除脱氧的产物。目前，生产中采用的合金脱氧、保护浇注、炉外精炼、目前，生产中采用的合金脱氧、保护浇注、炉外精炼、真空冶炼等技术，目的就是尽量减少钢中的氧，这就是氧在真空冶炼等技术，目的就是尽量减少钢中的氧，这就是氧在炼钢过程中所具有的二重性。炼钢过程中所具有的二重性。2.氮的影响氮的影响 钢中的氮主要来自炉料和炉气，碳素钢中的氮钢中的氮主要来自炉料和炉气，碳素钢中的氮含量一般在含量一般在0.001%0.02%之间。氮能溶于铁中，之间。氮能溶于铁中，591时在时在-Fe中的溶解度为中的溶解度为0.1%，而在室温时只有，而在室温时只有0.001%。因此，。因此，氮氮能固溶于钢中，也能以氮化物和气体形式存在于钢中能固溶于钢中，也能以氮化物和气体形式存在于钢中。钢材在室温长时间放置时，溶于钢中过饱和的氮会以钢材在室温长时间放置时，溶于钢中过饱和的氮会以Fe4N形形式析出，从而使钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降，式析出，从而使钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降，这种现象叫这种现象叫时效时效。钢中含氮量越高，这种时效倾向就越大。钢中含氮量越高，这种时效倾向就越大。如果在浇注前向钢液中加入少量的铝如果在浇注前向钢液中加入少量的铝(每每1t钢加钢加0.51.0kgAl)，可以形成，可以形成AlN而大大降低固溶于铁素体中的氮化物，从而降而大大降低固溶于铁素体中的氮化物，从而降低氮的时效作用。低氮的时效作用。氮以氮化物质点形式存在于钢中，能阻碍奥氏体晶粒长大，氮以氮化物质点形式存在于钢中，能阻碍奥氏体晶粒长大，细化钢的晶粒，从而改善钢的力学性能。细化钢的晶粒，从而改善钢的力学性能。氮还能以气体形式存在于钢中，使钢中产生气泡和疏松。氮还能以气体形式存在于钢中，使钢中产生气泡和疏松。3.氢的影响氢的影响 钢中的氢主要是由锈蚀或潮湿的炉料，炉气和浇钢中的氢主要是由锈蚀或潮湿的炉料，炉气和浇注系统的水分带入。氢一般是以间隙原子形式固溶在钢中，所注系统的水分带入。氢一般是以间隙原子形式固溶在钢中，所以氢在固态钢中的溶解度很小，一般在以氢在固态钢中的溶解度很小，一般在0.0005%0.0025%之之间，并随温度降低而降低。间，并随温度降低而降低。氢会使钢的塑性、韧性降低，易于脆断，引起氢会使钢的塑性、韧性降低，易于脆断，引起“氢脆氢脆”；氢还；氢还会使钢的内部产生显微裂纹，使钢基体的连续性遭到破坏。会使钢的内部产生显微裂纹，使钢基体的连续性遭到破坏。由氢而造成的微裂纹有两类：由氢而造成的微裂纹有两类：一类是所谓的一类是所谓的“白点白点”，即将含氢量高的钢材打断口，在断口，即将含氢量高的钢材打断口，在断口上可观察到呈银亮色的斑点。上可观察到呈银亮色的斑点。另一类是氢气泡及显微孔隙在加工时沿轧制方向上被拉长而形另一类是氢气泡及显微孔隙在加工时沿轧制方向上被拉长而形成的成的微裂纹微裂纹，通常称为，通常称为“发纹发纹”，它们通常是进行塔形检验时，它们通常是进行塔形检验时才能检测到。才能检测到。为防止钢中微裂纹的产生，在炼钢和浇注过程中应采取各种工为防止钢中微裂纹的产生，在炼钢和浇注过程中应采取各种工艺措施，尽可能地降低钢中的氢含量。艺措施，尽可能地降低钢中的氢含量。钢中气体常造成钢的一些缺陷如白点、气孔、钢中气体常造成钢的一些缺陷如白点、气孔、裂纹等，氮还促使低碳钢发生时效硬化和蓝脆，裂纹等，氮还促使低碳钢发生时效硬化和蓝脆，所以在炼钢时要尽量降低钢中气体。只有极特殊所以在炼钢时要尽量降低钢中气体。只有极特殊情况下，利用氮能扩大奥氏体区这一特点，把氮情况下，利用氮能扩大奥氏体区这一特点，把氮作为奥氏体化合金元素来利用，例如锰氮奥氏体作为奥氏体化合金元素来利用，例如锰氮奥氏体不锈钢。不锈钢。蓝脆：钢在蓝脆：钢在300上下时，由于应变时效，其上下时，由于应变时效，其塑性及韧性降低或基本上消失的现象。塑性及韧性降低或基本上消失的现象。钢的应变时效定义为在塑性变形时或变形后，固溶状钢的应变时效定义为在塑性变形时或变形后，固溶状态态 的间隙溶质（的间隙溶质（C、N）与位错交互作用，钉扎位错阻止变）与位错交互作用，钉扎位错阻止变 形，导致强度提高，韧性下降的力学冶金现象。由于可以形，导致强度提高，韧性下降的力学冶金现象。由于可以导导 致钢材塑性急剧下降，脆性增加，所以常常需要防止其致钢材塑性急剧下降，脆性增加，所以常常需要防止其发生。发生。由于氮是导致应变时效的最主要元素，一般为抵抗应由于氮是导致应变时效的最主要元素，一般为抵抗应变时效的发生采用添加固氮元素的做法。常见的固氮和固变时效的发生采用添加固氮元素的做法。常见的固氮和固碳元素有：钒碳元素有：钒V、钛、铝、铌等等。可根据应变时效原理，、钛、铝、铌等等。可根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷轧将钢板在冲压之前先进行一道微量冷轧(如如12的的 压下压下量量)工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型。工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型。蓝脆：钢在蓝脆：钢在300上下时，由于应变时效，其塑性及韧上下时，由于应变时效，其塑性及韧性降低或基本上消失的现象。性降低或基本上消失的现象。氢和氮在大气中都以双原子的气体存在，高温下则氢和氮在大气中都以双原子的气体存在，高温下则都分解成单原子溶解。气体接触到固态或液态的表都分解成单原子溶解。气体接触到固态或液态的表面后产生物理吸附，当气体和钢的表面分子结合力面后产生物理吸附，当气体和钢的表面分子结合力大于气体内部分子的结合力时发生化学吸附，吸附大于气体内部分子的结合力时发生化学吸附，吸附的分子可以分解成原子，由钢的表面扩散到内部。的分子可以分解成原子，由钢的表面扩散到内部。钢中气体很易偏析，氢气的偏析最大，对钢品质的钢中气体很易偏析，氢气的偏析最大，对钢品质的影响也最严重，是形成钢中白点、发纹、气孔等缺影响也最严重，是形成钢中白点、发纹、气孔等缺陷的主要原因。微孔隙中的氢在低温时产生很大的陷的主要原因。微孔隙中的氢在低温时产生很大的氢气分压力，致使孔隙周边钢中溶解了大量的氢，氢气分压力，致使孔隙周边钢中溶解了大量的氢，故钢的韧性显著降低，再加上低温时钢本身的相变故钢的韧性显著降低，再加上低温时钢本身的相变应力，使钢产生不同方位的细微裂纹，在轧制、锻应力，使钢产生不同方位的细微裂纹，在轧制、锻造材的纵向断口上呈现白点。造材的纵向断口上呈现白点。第五节第五节 钢的分类简介钢的分类简介一、碳钢的分类与牌号一、碳钢的分类与牌号一、碳素钢的编号及用途一、碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢:Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度普通普通碳素结构钢一般都在供货状态下使用，不作热碳素结构钢一般都在供货状态下使用，不作热处理。处理。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢*45-Wc=45%00*较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn-Wc=45%00;WMn=0.7%1.0%优质优质碳素结构钢制作的零部件一般都使要经过热碳素结构钢制作的零部件一般都使要经过热处理后使用。处理后使用。3.碳素工具钢碳素工具钢T 12 A高级优质高级优质 Wc=12%0碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢一般都是一般都是优质优质钢，如果是高级钢，如果是高级优优质质钢，则在钢号后加钢，则在钢号后加“A”。4.铸造碳钢铸造碳钢ZG 200-400b 400MPas 200MPa铸钢铸钢二、合金钢的分类二、合金钢的分类合金结构钢用数字用数字+化学元素化学元素+数字的方法表示数字的方法表示前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用汉字前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用汉字或化学符合表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以或化学符合表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%时，相应地以时，相应地以2、3、4等表示，如含等表示，如含0.370.44%C，0.81.10%Cr的钢的钢40Cr，含，含0.570.65%C，1.52.0%Si，0.60.9%Mn的钢用的钢用60Si2Mn表示，对于滚珠轴承表示，对于滚珠轴承钢，在钢号前注明钢，在钢号前注明“滚滚”或或“G”，后面的数字则表示铬含量，后面的数字则表示铬含量的千分数，如的千分数，如GCr15的平均含的平均含Cr量量1.5%（含（含C%为为1%左右）左右）含含S、P量较低（量较低（S0.02%,P0.03%）的高级优质钢，则在）的高级优质钢，则在钢号加钢号加“高高”或或“A”。易切削钢，在钢号前加易切削钢，在钢号前加“易易”或或“Y”如如Y12（Mn、Si、C、P）返回返回合金工具钢与合金结构钢大致相同，只是含碳量的表示方法不同。与合金结构钢大致相同，只是含碳量的表示方法不同。含碳量：平均含量含碳量：平均含量1.0%时不标出；时不标出；1.0%时用千分时用千分之几表示。高速钢例外，其平均含碳量之几表示。高速钢例外，其平均含碳量1.0%时也时也不标出。不标出。合金元素表示方法与结构钢相同。合金元