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1、 第第1 1章章 钢的合金化基础钢的合金化基础 1.1.1 1钢中的合金元素及其分类依据钢中的合金元素及其分类依据一、一、钢中常存杂质元素钢中常存杂质元素 常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质常存杂质常存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。热脆、冷脆、氢脆热脆、冷脆、氢脆概念概念: :加入适当元素改变金属性能加入适当元素改变金属性能称称合金化。合金化。为合金为合金化化目的加入，其加入
2、量有一定范围的元素称为目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素合金元素。形成的钢称形成的钢称合金钢合金钢。低合金钢。低合金钢5%5%、中合金钢中合金钢5-10%5-10%、高合金钢高合金钢10%10%。二、钢中合金元素分类二、钢中合金元素分类 1)1) 按照与铁相互作用的特点分类按照与铁相互作用的特点分类稳定化稳定化( (形成形成) )元素元素使使A A3 3，A A1 1 ，区扩大区扩大a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 量大时，量大时， 室温为室温为相；相；b) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。稳定化稳定化( (形成形成) )元素元素使使A A3
3、 3，A A1 1 ，区缩小区缩小a) 完全封闭完全封闭区区 Cr、V、 W、Mo、Ti。 其中其中 Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相；相； W、Mo、Ti 等等与与-Fe部分溶解部分溶解b) 缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 F形成元素。形成元素。2)2)按照与碳相互作用的特点分类按照与碳相互作用的特点分类非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni,Cu,Si,Al,PNi,Cu,Si,Al,P碳化物形成元素碳化物形成元素Cr,Mo,W,B,Ti,Zr,NbCr,Mo,W,B,Ti,Zr,Nb 与与C的亲和力由强到弱：的亲和力由强到弱
4、：Zr,Ti,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe,Ni,Si,Co,Al(固溶固溶) 3 3）按照对奥氏体层错能的影响分类）按照对奥氏体层错能的影响分类提高奥氏体层错能提高奥氏体层错能:Ni、Cu、C降低奥氏体层错能降低奥氏体层错能: Cr,Mn,Ru,Ir等。等。钢中的MnO夹杂钢中的MnS夹杂钢中的硅酸盐球状夹杂钢中的Al2O3夹杂l形成非金属夹杂形成非金属夹杂l溶入固溶体溶入固溶体F、A、Ml形成化合物形成化合物如各种碳化物如各种碳化物l自由存在自由存在Cu、Pb三三 钢中合金元素的分布钢中合金元素的分布(a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu 1.2 1.2 合金元素与铁和碳的
5、相互作用合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响及其对奥氏体层错能的影响一、一、 合金元素和合金元素和FeFe的作用的作用 1）扩大扩大区元素区元素(d) Nb,B等等 (c) Cr，V 2）扩大扩大区元素（缩小区元素（缩小区元素）区元素）二、合金元素和二、合金元素和c c的作用的作用 碳化物类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用 l（1 1）形成）形成K K的规律性的规律性 a) Me的d层电子愈少，与C的亲和力（电负性）愈强，形成的K也愈稳定。 b) 碳化物的生成热越大，其稳定性越高。 c) 基本规律：当rc/rMe 0.59时，形成复杂点阵结构-间隙化合物；rc/rMe
6、 1.1%，Mn 1.8%时，时，钢的塑韧性将有较大的下降。钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。 合金元素对合金元素对Cr18Ni9Cr18Ni9型不锈钢的强化效应型不锈钢的强化效应-间隙元素，间隙元素，-F F形成元素，形成元素，-A A形成元素形成元素 合金元素对铁素体对冲击韧度的影响合金元素对铁素体对冲击韧度的影响表达式表达式机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。阻止位错运动，产生位错塞积强化。效果效果 钢的强度，钢的强度，塑性和韧度塑性和韧度这是最理想的强化途径这是最理想的强化途径.冷脆转变
7、温度冷脆转变温度TK 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，Ks为系数为系数2、晶界强化 晶粒大小对强度、韧脆转变温度晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响的影响3、第二相强化表达式表达式机理机理 微粒第二相微粒第二相钉扎钉扎位错运动位错运动强化效果。强化效果。 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。淬火时残留第二相强化。效果效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。钢强度表达式钢
8、强度表达式表达式表达式 机理机理 位错密度位错密度 位错交割、缠结，位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动有效地阻止了位错运动 钢强度。钢强度。 对对Fcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好效果效果 在强化的同时，同样也降低了伸长在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度率，提高了韧脆转变温度TK4、位错强化1.4 1.4 改善钢塑性和韧性的基本途径改善钢塑性和韧性的基本途径几个韧、塑性指标：几个韧、塑性指标：、a ak k、 K KICIC、 T TK Kl影响冷变形、疲劳、使用安全等影响冷变形、疲劳、使用安全等l成份、组织、夹杂物对此比强度敏感成份、组织、夹杂物对此比强
9、度敏感一、改善钢塑性的基本途径一、改善钢塑性的基本途径l钢的塑性包括钢的塑性包括: :颈缩前颈缩前均匀塑性变形均匀塑性变形u和颈缩和颈缩后变形后变形Pl提高途径提高途径: : u,和推迟和推迟导致颈缩的微孔坑导致颈缩的微孔坑的的形成。形成。二、影响钢的塑性因素二、影响钢的塑性因素l溶质原子溶质原子 形成单相固溶体，特别是形成单相固溶体，特别是fcc,fcc,塑性一般仍塑性一般仍然很好，但过量则不行。然很好，但过量则不行。l晶粒大小晶粒大小 d d 应力集中应力集中推迟微坑推迟微坑/ /微裂纹形微裂纹形成成极限塑性极限塑性。对。对均匀塑性变形均匀塑性变形u作用小。作用小。l第二相第二相 尺寸、形
10、状、分布、种类尺寸、形状、分布、种类 采用第二相强化时，改善钢的塑性的方法：采用第二相强化时，改善钢的塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状（片针粒）控制碳化物数量、尺寸、形状（片针粒）及分布及分布减少钢中夹杂物的数量，控制夹杂物形态减少钢中夹杂物的数量，控制夹杂物形态l位错强化与钢的塑性位错强化与钢的塑性 ，塑性，塑性 三、影响钢韧性的因素和提高钢韧性的途径三、影响钢韧性的因素和提高钢韧性的途径 l导致强化的组织因素导致强化的组织因素 除细晶外，均除细晶外，均韧脆转变温度韧脆转变温度T TK K l置换固溶元素置换固溶元素 Ni Ni基体韧性；基体韧性；MnMn在少量时也有效果；其它常在少量
11、时也有效果；其它常用元素用元素韧性韧性l晶粒度晶粒度l碳化物或其它脆性相碳化物或其它脆性相 K K或脆性相可自身开裂或与基体脱开或脆性相可自身开裂或与基体脱开 裂纹裂纹核心核心 韧性韧性 l杂质杂质 杂质往往是形变断裂过程中孔洞的形成核心杂质往往是形变断裂过程中孔洞的形成核心 （1 1）影响韧性的因素）影响韧性的因素 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 Ti、Nb、V、W、Mo； 2）回火稳定性回火稳定性 强强K形成元素形成元素 ； 3）改善基体韧度）改善基体韧度 Ni ； 4）细化细化K 适量适量Cr、V，使使K细小均布细小均布 ； 5）回脆回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当）在
12、保证强度水平下，适当含含C量量. 冶金质量。冶金质量。 7） 第二相数量第二相数量 和改善形态和改善形态 8)对延性断裂对延性断裂/解理断裂解理断裂/沿晶断裂沿晶断裂,提高韧性侧重点不同提高韧性侧重点不同.。思考：思考： 有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态正火态? ?（2 2）提高钢韧性的途径提高钢韧性的途径 作用：影响作用：影响FeC相图和热处理相变过程相图和热处理相变过程一、对一、对S S、E E点（点（FeFeC C相图）的影响相图）的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动， F形成元素使形成元素使S、E点
13、向点向左上方左上方移动。移动。 S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小 ； E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低 S点向点向上或下上或下移动移动意味着意味着A1和和A3升高或降低。升高或降低。 E点向点向上或下上或下移动移动意味着共晶转变温度升高或意味着共晶转变温度升高或 降低。降低。1.5 1.5 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响 铁碳锰相图铁碳铬相图 合金元素对共析体含碳量合金元素对共析体含碳量(S点点)的影响的影响二、合金元素对钢加热转变的影响二、合金元素对钢加热转变的影响 碳化物在碳化物在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律
14、 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越好，溶解度就越小； 2）温度）温度，溶解度，溶解度， 沉淀析出；沉淀析出； 3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解 ; 4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac ， K的溶解；如：较多的溶解；如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。但非但非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相反则相反,ac，K的溶解。的溶解。 a a、对奥氏体形成（形核、长大）的影响、对奥氏体形成（形核、长大）的影响 Co Co和和NiNi提高提高C C在在A A中的扩散速度，增大奥氏体形成速度；中的扩散速度，增大奥氏体形成
15、速度； SiSi、AlAl、MnMn对对C C在在A A中的扩散速度影响小；中的扩散速度影响小； K K形成元素与形成元素与C C的亲和力较大，妨碍的亲和力较大，妨碍C C在在A A中的扩散。中的扩散。 b b、对奥氏体均匀化的影响、对奥氏体均匀化的影响 合金元素本身扩散慢，多数延缓奥氏体均匀化；合金元素本身扩散慢，多数延缓奥氏体均匀化； K K稳定性越好，则要更高的温度使其分解和溶入稳定性越好，则要更高的温度使其分解和溶入A A中中。 c c、对奥氏体晶粒度的影响、对奥氏体晶粒度的影响 TiTi、V V、ZrZr、NbNb等强等强K K形成元素：强烈形成元素：强烈 阻碍奥氏体晶粒长大阻碍奥氏
16、体晶粒长大细化。细化。 W W、MoMo、CrCr：阻碍作用中等。：阻碍作用中等。 NiNi、SiSi、CuCu等非等非K K形成元素：作用微弱。形成元素：作用微弱。 MnMn、P P：促进奥氏体晶粒长大：促进奥氏体晶粒长大过热。过热。三、合金元素对过冷三、合金元素对过冷A A体分解转变的影响体分解转变的影响 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持 C钢
17、的钢的“C”线形状，使线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动；2） Co不改变不改变“C”线，但使线，但使“C”线左移；线左移；使使C C曲线右移，曲线右移，即提高钢的即提高钢的淬透性淬透性。3）K形成元素，使形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。4）K必须溶入必须溶入A中才能起到用，包括中才能起到用，包括C，否则因未溶，否则因未溶K可成为可成为A分解分解 的自发核心（的自发核心（P形核），而降低形核），而降低过冷过冷A体的稳定性。体的稳定性。5）Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致曲线出现不同形状，大致 有五种。有五种。对过冷
18、对过冷A A体的稳定性的影响体的稳定性的影响 “C C”曲线五种形状曲线五种形状碳钢、含非碳钢、含非K元素元素Ni、Si和和弱弱K形成形成Mn1.5%低合低合金钢金钢 20Cr、40Cr、30CrMo、12Co2Ni4W、40CrNi、30CrMnSiA B在前在前4Cr13、3Cr13、2Cr17 GCr15、 9Cr 、9Cr2、 CrMn、 CrW、 CrWMn P在前0.150.25%C：CrNiMo、CrNiW钢 Mn13、45Cr14Ni14B2 珠光体转变珠光体转变 ：需要：需要C和和Me都扩散都扩散 ； 综合影响顺序：综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变贝
19、氏体转变 ：C原子作短程扩散，原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。几乎没有扩散。影响顺序：影响顺序：MnMn、CrCr、NiNi、Si Si ，而而W W、MoMo等影响很小。等影响很小。l对对MsMs的影响的影响 除除Co、Al外，均降低外，均降低Ms和和Mf残余残余A体量增加。体量增加。 各种各种Me对对Ms位置的影响程度是不同的。位置的影响程度是不同的。 如何消除残余如何消除残余A体？体？l对过冷对过冷A A体的体的P P、B B转变影响转变影响注意：注意：加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性。加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性。两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影
20、响，比单一元两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强得多。素的影响强得多。四、四、合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响 低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不同程度影响同程度影响: 1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们与分解，其程度与它们与C的亲和力大的亲和力大小有关，小有关，V、Nb比比Cr、Mo、W更强。这些更强。这些Meac，阻止了阻止了渗碳体的析出长大，渗碳体的析出长大， M
21、分解由分解由250-350 提高到提高到400-500 。1 1、对、对M M分解的影响分解的影响 3）Si比较特殊：比较特殊： C 和和Fe的的结合力结合力 ,ac -FeXC的形核、长大的形核、长大Si能溶于能溶于，不溶于不溶于Fe3C，Si要从要从中出去中出去 Fe3C。 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上以上4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律基基本本规规律律渗碳体形成开始温度与合金化无关（渗碳体形成开始温度与合金化无关（SiAlSiAl除外）；除外）； 含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（Si
22、Si除外）的合金除外）的合金 钢（见下页图线钢（见下页图线2 2）和碳钢（线）和碳钢（线1 1）规律相同；）规律相同； 在相同回火温度在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含 C量要比量要比C钢的高，如图中的钢的高，如图中的C3 C1，2 ； 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度的温度TK是不同的，线是不同的，线3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律 回火时马氏体中回火时马氏体中C量的变化量的变化 2 2、对残、对残A A转变的影响转变的影响 合金元素大
23、都使残合金元素大都使残A的分解温度升高，的分解温度升高， Cr 、Mn 、Si 作用最显著。作用最显著。 钢中钢中W、Mo、V等含量较多时（高速钢中等含量较多时（高速钢中），残，残A回火回火中会析出中会析出K残残A中的中的C及及Me贫化贫化 Ms点升高于室温，点升高于室温， 回火冷却过程中残回火冷却过程中残A转变成转变成M 硬度不降反升硬度不降反升（称二次淬火）。（称二次淬火）。3 3、对回火时碳化物的形成影响、对回火时碳化物的形成影响 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）
24、K长大长大 聚集温度：聚集温度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ，450 600； 2）K成分变化和类型转变成分变化和类型转变K转变转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊K T, 500 能否形成特殊能否形成特殊K，取决于取决于: Me性质、性质、NM/NC比值（含量比）；比值（含量比）； T和和t 。 钒钢（钒钢（0.3C,2.1V）在在1250淬火不同温度回淬火不同温度回火火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化碳化物成分、结构和硬度的变化 3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 + M3C （就地转变）（就地转变） MXCY ( M7C3
25、, M23C6 ) 异位析出异位析出 ：M P + M3C （分立转变）（分立转变） 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊特殊K析出析出 二次硬化，直接（异位）析出二次硬化，直接（异位）析出 贡献最大贡献最大 4 4、对、对F F回复再结晶的影响回复再结晶的影响 合金元素大都使合金元素大都使F回复与再结晶的过程延缓，其中回复与再结晶的过程延缓，其中Co、Mo、W 、Cr 、V显著提高显著提高相的再结晶温度；相的再结晶温度； Si 、 Mn次之；次之；Ni最小。最小。 碳钢中，碳钢中，相高于相高于400 开始回复，开始回复，500 开始再结晶，开始再结晶，加入加入2%的的Co时，时，
26、相的再结晶温度可提高到相的再结晶温度可提高到630 。几中合金元素的综合效果更显著。几中合金元素的综合效果更显著。5 5、对回火脆性的影响、对回火脆性的影响 1）第）第1类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆；300 300 左右左右; ; 与回火后冷速无关；与回火后冷速无关； 晶界脆断。晶界脆断。 产生产生原因原因Me作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成； 杂质元素杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界， 晶界强度。晶界强度。 Mn、Cr脆性；脆性；V、Al改善脆性；改善脆性； Si 脆性温度区脆性温度区. 2 2）第）第2 2类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特
27、征特征 可逆；可逆； 400 550 ； 回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断晶界脆断 .产生产生原因原因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其
28、它元素偏聚，清除剂抑制其它元素偏聚，清除剂1.6 1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 一、冷成型性冷成型性 冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。性差。P、Si、C等元素等元素冷作硬化率。冷作硬化率。二、热压力加工性二、热压力加工性 Me溶入基体溶入基体热变形抗力热变形抗力 热压力加工性热压力加工性能能。 合金钢的热压力加工性能比碳钢差。合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的高速钢等高合金钢的热压力加工难度是
29、较大的三、切削加工性三、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑速度；精加工主要考虑表面光洁度。速度；精加工主要考虑表面光洁度。 C钢钢 硬度在硬度在170230HB，切削性能最好切削性能最好.对组织来说，对组织来说，P:F=1:1较佳。不同含较佳。不同含C量的钢要量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：得到较好的切削性，其预处理是不同的： 对对C钢钢: 0.1%C,宜淬火（但不能得到宜淬火（但不能得到M）；）； 0.5%C,宜正火；宜正火； 0.8%C,宜球化退火宜球化退火四四、材料的热处理工艺性材料的热处理工艺性钢号钢号合金元素质量分数含
30、量合金元素质量分数含量 / %P转变孕育期转变孕育期 / 秒秒35CrCr + Ni = 1.341235CrMoCr+Mo= 1.38 3540CrNiMoCr+Mo+Ni= 3.25 500淬透性淬透性 一般是指淬火时获得一般是指淬火时获得M的能力的能力. 合金元素复合作用大合金元素复合作用大,不是简单加和不是简单加和. 在结构钢中，在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大淬透性作用显著的元素从大到小排列：（到小排列：（B）、）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 。淬透淬透性好性好的作的作用用 可以使工件得到均匀而良好的力学可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；性能，满足技术要求；
31、在淬火时，可选用较缓和的冷却介在淬火时，可选用较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向质，以减小工件的变形与开裂倾向 +Mo 能有效能有效P转变，但不能完全转变，但不能完全先共先共析析F的析出的析出B淬淬透性透性 B 偏聚晶界偏聚晶界 有效抑制先共析有效抑制先共析F的析出的析出0.40%C析出析出5%F5%F（600） 0.14%Mo 0.35%Mo 0.60%Mo 1 2 4 ？P开始转变时间开始转变时间 1 3 36贝氏体贝氏体淬透性淬透性 合金化基本元素是合金化基本元素是0.5%Mo + 微量微量B。淬硬性淬硬性 理想淬火条件下理想淬火条件下,形成形成M能达到的最高硬度能达到的最高硬
32、度.淬硬性主要与钢的含碳量有关淬硬性主要与钢的含碳量有关。变形开裂倾向变形开裂倾向 热应力热应力变形变形;组织应力组织应力 开裂开裂;附加应力附加应力较复杂较复杂.影响因素比较复杂影响因素比较复杂,要综合分析要综合分析. 采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球低应力，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。化退火等预先热处理也可减小零件的变形。 过热敏感性和氧化脱碳倾向过热敏感性和氧化脱碳倾向 奥氏体晶粒急剧长大的敏感性奥氏体晶粒急剧长大的敏感性, Mn.如如40Mn2、50Mn2、35SiMn
33、、65Mn等。等。 氧化和脱碳往往伴随产生氧化和脱碳往往伴随产生. Si.含硅钢氧含硅钢氧化脱碳倾向较大，如化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。等。 脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，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脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有害的害的.回火稳定性回火稳定性( (热稳定性热稳定性) ) 合金钢回火稳定性要比碳钢好合金钢回火稳定性要比碳钢好. .同样回火硬同样回火硬度度, ,合金钢的回火温度高合金钢的回火温度高, ,时间也可长些时间也可长些, ,应力应力消除也大些消除也大些; ;
34、同样塑韧性同样塑韧性, ,合金钢的强度比碳合金钢的强度比碳钢高钢高. .五、金属材料的环境协调性设计五、金属材料的环境协调性设计 目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三千多种。千多种。 材料的废弃物再生循环很困难材料的废弃物再生循环很困难 可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所以就出现了通用合金和简单合金的概念。以就出现了通用合金和简单合金的概念。1
35、、通用合金与简单合金 通用通用合金合金 又称为泛用性合金。这种通用又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。的热处理等方法来实现。 Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn钢钢. 通过改通过改变变Fe、Cr、Ni（Mn）的相对含量，）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。围内变化。 Cr-Mo钢钢, 耐热钢耐热钢 简单简单合金合金 组元组成简单的合金系就叫组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设做简单合金。简单合金在成分
36、设计上有几个特点：计上有几个特点： 合金组元简单，再生循环过合金组元简单，再生循环过程中容易分选；程中容易分选； 原则上原则上不加入目前还不能用不加入目前还不能用精炼方法除去的元素；精炼方法除去的元素； 尽量不使用环境协调性不好尽量不使用环境协调性不好的合金元素。的合金元素。两个两个基本基本原则原则 （1 1）在维持合金高性能的前提）在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；下，尽量减少合金组元数； （2 2）获得合金高性能时，以控）获得合金高性能时，以控制显微组织作为加入合金元素的替制显微组织作为加入合金元素的替代方法。代方法。 这种设计合金的思路叫这种设计合金的思路叫省合金化设计或最小
37、省合金化设计或最小合金化法合金化法。简单合金的主要用途是代替大量消。简单合金的主要用途是代替大量消费的金属结构件材料。费的金属结构件材料。 合金钢合金钢Fe-C-Si-Mn就是目前重点开就是目前重点开发的一种普通的简单合金。可以通过各发的一种普通的简单合金。可以通过各种热处理获得不同的组织结构，如铁素种热处理获得不同的组织结构，如铁素体体+珠光体、铁素体珠光体、铁素体+贝氏体、贝氏体贝氏体、贝氏体+马氏体、贝氏体、马氏体等，从而可马氏体、贝氏体、马氏体等，从而可得到不同强度、塑性配比的性能，以满得到不同强度、塑性配比的性能，以满足各种要求和用途。足各种要求和用途。 Si和和Mn作为主要合金元素
38、，作为主要合金元素， Si和和Mn在地球上的储量相当大，并容易提取。在地球上的储量相当大，并容易提取。是一个有前途的环境材料系列。在汽车是一个有前途的环境材料系列。在汽车薄板和冲压件上得到了广泛的应用薄板和冲压件上得到了广泛的应用典典型型例例子子2、 环境协调性合金设计环境协调性合金的成分设计环境协调性合金的成分设计 尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素尽量不使用环境协调性不好的元素。即将枯竭性元素和对生态环境和对生态环境 人体有较大毒害作用的元素。人体有较大毒害作用的元素。 对人体毒害作用比较大的元素有对人体毒害作用比较大的元素有Cr、As、Pb、Ni、Hg等。含有这些元素的材料废
39、弃后，会造成空气、土壤等。含有这些元素的材料废弃后，会造成空气、土壤的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。的污染，直接危害人体或通过生物链对人体造成毒害。因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的因此，在材料设计过程中就要考虑到材料对生态环境的影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子影响，其中无铅钎焊合金的研究开发就是典型的例子性能环境负荷比性能环境负荷比 环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数环境负荷是一个资源、能源、三废的综合数据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是据。金属材料各种表面技术的环境影响差别也是较大的。表面技术处理涉及到表面处理过程中的较大的。表面技术
40、处理涉及到表面处理过程中的能源消耗、资源消耗和废弃物排放能源消耗、资源消耗和废弃物排放. 从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言，从总体趋势上说，对环境影响的强弱而言，按电子束表面处理按电子束表面处理电火花表面处理电火花表面处理激光表面激光表面处理处理加热处理加热处理气体表面渗碳处理气体表面渗碳处理火焰表面火焰表面处理处理离子化学热处理，从弱到强排列离子化学热处理，从弱到强排列.金属材料金属材料 FeAlTiZnCrNiCuMn环境负荷环境负荷（ELV） 1.33 9.04 15.518.216.7 19.4 24.0 5.0 比强度比强度（b b/ /） 4.194.089.981.694.1
41、75.612.466.78弹性比功弹性比功（e e2 2/E/E） 6.681.250.250.390.472.910.181.29（b/） / ELV 3.150.450.640.090.250.290.101.34（e2/E） / ELV 5.020.140.020.020.030.150.010.26 表表 常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比常见金属材料的环境负荷及其性能环境负荷比1.7 1.7 钢的冶金质量钢的冶金质量 一、钢的低倍缺陷一、钢的低倍缺陷 疏松、缩孔残余、偏析、气泡、发纹、白点疏松、缩孔残余、偏析、气泡、发纹、白点弱面弱面二、钢的高倍缺陷带状组织、液析、非金属夹杂物带状组织、液析、非金属夹杂物钢中的硫化锰钢中的硫化锰（MnS） 直接从钢液中结晶出直接从钢液中结晶出共晶碳化物或析出一次共晶碳化物或析出一次碳化物碳化物- -液析液析。三、断口分析三、断口分析 纤维状断口、结晶状断口、瓷状断口、纤维状断口、结晶状断口、瓷状断口、 层状断口、萘状断口、石状断口层状断口、萘状断口、石状断口35CrNiMo35CrNiMo钢过热石状断口钢过热石状断口石状断口的微观形态石状断口的微观形态 50005000
