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1、金属材料学金属材料学一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 l二、金属材料的分类二、金属材料的分类 l三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况 l四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史 l五、五、金属材料的发展现状及趋势金属材料的发展现状及趋势 l六、关于本课程六、关于本课程绪绪 论论主要内容主要内容: :一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料是衡量人类社会文明程度的标志之一。材料是衡量人类社会文明程度的标志之一。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基础。2.2.目前，人类还处在金属器时期。目前，人类还处在金属器时期。l比高分子材料更高的强度
2、、模量、耐热性；比高分子材料更高的强度、模量、耐热性； l比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；导电性；石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色黑色金属金属有色有色金属金属金金属属材材料料铸铁铸铁钢钢工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢工具钢工具钢特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛钛) )重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,镍镍)贵重金属贵重金属(金金,银银,铜铜)稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) 放射金属放
3、射金属(镭铀钍镭铀钍)三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况1.1.总产量：钢铁材料占世界金属总产量的总产量：钢铁材料占世界金属总产量的9595，用量最大，且价格低廉。用量最大，且价格低廉。 l2. 2. 世界金属矿产储量：铁世界金属矿产储量：铁:5.1:5.1，非铁金属中，非铁金属中铝铝:8.8:8.8镁镁:2.1:2.1，钛，钛:0.6:0.6。3.3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，生产成非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。本高，限制了生产总量的增长幅度。l4.4.非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备的非铁金属所创造的价值高，且
4、有钢铁所不具备的特殊性能，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产量仍特殊性能，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产量仍在迅速增长。在迅速增长。z钢铁仍将是钢铁仍将是2121世纪中国结构材料的支柱世纪中国结构材料的支柱 生产能源消耗低生产能源消耗低可大批量生产可大批量生产丰富的矿产资源丰富的矿产资源低廉的生产成本和销售价格低廉的生产成本和销售价格优异的使用性能和良好的加工性能优异的使用性能和良好的加工性能 公元前公元前43004300年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺公元前公元前28002800年：铁的熔炼年：铁的熔炼四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史公元前公元
5、前38003800年：人工冶炼的铜器；年：人工冶炼的铜器；公元前公元前30003000年：我国出现锡青铜年：我国出现锡青铜甘肃东乡马家甘肃东乡马家 窑文化的青铜刀（含窑文化的青铜刀（含6 61010SnSn）。）。公元前公元前20002000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）春秋战国）东汉时：反复锻打钢东汉时：反复锻打钢最原始形变热处理工艺。最原始形变热处理工艺。淬火技术淬火技术: :“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” 现代的水淬、油淬。现代的水淬、油淬。我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，发明了我国冶铁技术在春秋末期有很大
6、的突破，发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。 现代冶金技术的发展自现代冶金技术的发展自1919世纪中叶的转炉炼钢和世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。平炉炼钢开始。1919世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和2020世纪中叶的氧气顶吹世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。代化。l2020世纪世纪4040年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛
7、应用得以实现。的广泛应用得以实现。非铁金属冶金方面非铁金属冶金方面: :1919世纪世纪8080年代发电机的发明，使电解法提纯铜的年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；l同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。l2020世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合
8、材料、金属间化合物结构材料、合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。金属纳米材料等。1919世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在2020世纪发展为门世纪发展为门类众多的合金钢体系。类众多的合金钢体系。铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。及合金等也先后形成工业规模生产。上图：吴王夫差矛和越王勾践剑上图：吴王夫差矛和越王勾践剑右上：青铜鼎右上：青铜鼎右下：商代青铜纵目人面像右下：商代青铜纵目人面像 上图上
9、图 沧州铁狮子沧州铁狮子 铸于铸于953953年，重年，重4040余吨。余吨。 右图右图 当阳铁塔当阳铁塔 铸于铸于10611061年，八棱年，八棱1313层，层， 塔体分段铸造塔体分段铸造擂鼓礅二号墓编钟复制件擂鼓礅二号墓编钟复制件 19811981年年湖湖北北擂擂鼓鼓墩墩二二号号墓墓出出土土战战国国编编钟钟一一套套，音音律律准准确确，音音色色优优美美。其其件件数数和和规规模模仅仅次次于于曾曾侯侯乙乙编编钟钟，总总音音域域达达5 5个个8 8度度以以上上，可可自自己己转转调调，奏奏出出五五声声、六六声声、七七声声音音阶阶构构成成的的各各种种乐乐曲曲。须须五五人人合合作演出，众声齐发，交响叠鸣
10、。无愧为古代音乐之绝响。作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。 水陆两用汽车水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车轻型吊轨磁悬浮列车 MX-400MX-400空中汽车空中汽车 美国莫勒潜心研究美国莫勒潜心研究. .被誉为被誉为“汽车演变汽车演变的里程碑的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用2 2年多来，它最高飞行时速超过了年多来，它最高飞行时速超过了600600多公里，比直升机快多公里，比直升机快2 2倍，可载倍，可载4 4人，飞
11、行最大高度人，飞行最大高度90009000米，航程米，航程15001500公里。公里。 材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变 机身材料的变迁机身材料的变迁: :钢钢-铝合金铝合金-钛材料钛材料-各种复合材料各种复合材料世世 界界 贸贸 易易 大大 厦厦 基基 本本上是用铝合金贴面的上是用铝合金贴面的.在在“9.11”事事件件中中，该该双双 子子 大大 楼楼 遭遭 到到 袭袭 击击 ，毁毁 于于 一一 旦旦 。 但但 它它 作作 为为一一 个个 大大 量量 使使 用用 铝铝 合合 金金贴贴 面面 的的 的的 雄雄 伟伟 建建 筑筑 将将永远载入史册。永远载
12、入史册。五、金属材料的发展现状及趋势五、金属材料的发展现状及趋势1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料高强度及超高强度金属材料高强度及超高强度金属材料超易切削钢和超高易切削钢超易切削钢和超高易切削钢高温合金与难熔合金高温合金与难熔合金 有序金属间化合物有序金属间化合物硬质合金与金属陶瓷硬质合金与金属陶瓷 金属基复合材料金属基复合材料共晶合金定向凝固材料共晶合金定向凝固材料l3 3材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。l2 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材
13、料日益受到重视 超细纳米颗粒金属材料超细纳米颗粒金属材料快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝金属非晶及微晶材料本课程的目的、内容及学习要求本课程的目的、内容及学习要求1.1.目的：目的：讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成规律；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。分设计、生产、热处理和使用中的问题。 金属材料的合金化基础理
14、论，在论述常用类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。选择材料与使用材料的原则和方法。2.2.本课程的内容本课程的内容3.3.学习要求学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相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。变、组织、性能影
15、响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，正确确定热处理技术役条件，合理选用材料，正确确定热处理技术条件。条件。能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预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。防热处理缺陷的措施。5. 5. 参考书目录参考书目录 戴起勋编著。戴起勋编著。金属材料学金属材料学，化学工业出版，化学工业出版社，社，20052005。 王
16、笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，19871987。 王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，19991999。1 1 钢铁中的合金相钢铁中的合金相1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论1.2 1.2 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素1.3 1.3 合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号（掌握掌握）主主要要内内容容碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质（掌握掌握） 碳钢的分类碳钢的分类（掌握掌握） 碳钢的用途碳钢的用途( (了解）了解）铁基固溶体铁基固溶体（掌握掌握） MeMe与钢中晶体缺陷的相互作用与钢中晶体缺陷的相互作用
17、（了解）（了解） 钢铁中的碳化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物（掌握掌握） 钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物（了解）（了解）MeMe对对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响 （掌握掌握） MeMe对钢的热处理的影响对钢的热处理的影响（掌握掌握） MeMe对钢性能的影响对钢性能的影响( (了解了解) )1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质- -MnMn和和SiSi（1 1）炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入。炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入。固溶于铁。固溶于铁。固溶强化固溶强化，钢的强硬度。钢的强硬度。MnMn和和S S可形成高熔
18、点可形成高熔点(1600)MnS(1600)MnS夹杂物，在夹杂物，在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中在加工过程中MnSMnS呈条状沿轧向分布。呈条状沿轧向分布。uMn0.8%。MnSMnS、SiOSiO2 2使钢的疲劳强度和塑韧性使钢的疲劳强度和塑韧性。当含。当含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会分层。有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会分层。uSi1100)1100)，共晶体熔化，共晶体熔化，引起轧制或锻造时晶界碎裂引起轧制或锻造时晶界碎裂( (热脆热脆) )。不能除尽的不能除尽的有害杂质有害杂质, , 固态铁中的溶解度极小。固态铁中的
19、溶解度极小。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-S和和P（2）uS：若钢液脱氧不良，含有较多的若钢液脱氧不良，含有较多的FeOFeO，形成熔，形成熔点更低（点更低（940940）的（）的（Fe+FeO+FeS）三相共）三相共晶体，危害更大。晶体，危害更大。铸钢件含铸钢件含S量高时会引起铸件在铸造应力作用量高时会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。下发生热裂。S导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，生成导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。uP P：不能除尽的元素。固溶于不能除尽的元素。固溶于-Fe-Fe。但。但钢钢的韧性，特别是
20、低温韧性，称为的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆冷脆。P-Fe合金的结晶范围很宽，合金的结晶范围很宽，P具有严重的偏具有严重的偏析倾向。析倾向。可提高钢在大气中的抗腐蚀性能。可提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和和P可改善钢的切削加工性能。可改善钢的切削加工性能。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质N、H、O（3）N：冶炼时由炉料及炉气进入。：冶炼时由炉料及炉气进入。含过饱和含过饱和N的钢在室温长时间放置或稍微加热的钢在室温长时间放置或稍微加热时时, ,N逐渐以氮化铁的形式从铁素体（逐渐以氮化铁的形式从铁素体（F) )中弥散中弥散析出析出. .使低碳钢的强硬度使低碳钢的强硬度，塑韧性，塑韧性（
21、时效时效硬化硬化）（）（有害有害）。）。时效硬化：随时间的进展使屈服强度和抗拉强时效硬化：随时间的进展使屈服强度和抗拉强度提高，伸长率和冲击韧性降低的现象。度提高，伸长率和冲击韧性降低的现象。n应变时效应变时效含过饱和含过饱和N的钢经受冷变形后析的钢经受冷变形后析出氮化物，使低碳钢的强硬度出氮化物，使低碳钢的强硬度，塑韧性，塑韧性的的现象。现象。N还会使低碳钢产生还会使低碳钢产生应变时效应变时效( (不利不利) ) ；N是钢产生是钢产生蓝脆蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指钢在现象的主要原因。蓝脆是指钢在加热到加热到150150300300时产生的硬度时产生的硬度，塑韧性，塑韧性的的现象，因为钢在空
22、气中加热到现象，因为钢在空气中加热到150150300300时，由时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。（于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。（有害有害），但），但截断钢材时可加以利用。截断钢材时可加以利用。H和应力的联合作用产生和应力的联合作用产生氢脆氢脆。在钢中产生裂纹，。在钢中产生裂纹，塑韧性；容易在焊缝处产生裂纹。塑韧性；容易在焊缝处产生裂纹。O：在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复或复合氧化物合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3等等非金属夹杂物非金属夹杂物，对钢的质量有重要影响。对钢的质量有重要影响。H：由含水的炉料及潮湿的大气带入。：由含水的炉料及潮湿
23、的大气带入。N可以与可以与V、Ti、Nb等形成稳定的氮化物，细化晶粒等形成稳定的氮化物，细化晶粒和沉淀强化，和沉淀强化，N也可也可钢的耐热性能。钢的耐热性能。( (有利有利) )。二、碳钢的分类二、碳钢的分类1 1按钢中按钢中碳含量碳含量分为分为: :低碳钢，低碳钢，WC0.25%;中碳钢，中碳钢，0.25%WC0.6%;高碳钢，高碳钢，WC0.6%。2 2按钢的按钢的质量（品质）质量（品质）分为分为: : 普通碳素钢：普通碳素钢：wS0.05%，wP0.045%。 优质碳素钢：优质碳素钢：wS0.035%，wP0.035%。 高级优质碳素钢：高级优质碳素钢：wS0.02%，wP0.03%。
24、特级优质碳素钢：特级优质碳素钢：wS0.015%，wP0.025%。 3 3按钢的按钢的用途用途分类分类: :碳素工具钢：碳素工具钢：主要用于制造主要用于制造各种工具各种工具，如刃具、模，如刃具、模具、量具等。具、量具等。一般工程用铸一般工程用铸造碳素钢：造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。塑性和韧性零件。优质碳素结优质碳素结构钢：构钢：主要用于制造各种主要用于制造各种机器零件机器零件，如轴、，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。齿轮、弹簧、连杆等。碳素结构钢：碳素结构钢：主要用于各种主要用于各种工程构件工程构件，如桥梁、船，如桥梁、船舶、建筑构
25、件等。也可用于不太重要舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。的机件。4 4按钢按钢冶炼时的脱氧程度冶炼时的脱氧程度分类分类: :沸腾钢：沸腾钢：脱氧不彻底的钢，代号为脱氧不彻底的钢，代号为F。镇静钢：镇静钢： 脱氧彻底的钢，代号为脱氧彻底的钢，代号为Z。半镇静钢：半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为间，代号为b。特殊镇静钢：特殊镇静钢： 进行特殊脱氧的钢，代号为进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。三、碳钢的用途三、碳钢的用途（2 2）供货状态：热轧后空冷。一般不需再进行）供货状态：热轧后空冷。一般不需再进行热处理而直接使用。热处理而直接使用。1-1-普通碳素
26、结构钢普通碳素结构钢（1 1）C%：0.060.38%，主要用于一般工程结主要用于一般工程结构和普通零件构和普通零件，轧制成钢板、钢带、钢管、盘，轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的构件使用。应用量很大（钢总产量的70%70%以上）。以上）。 Q Q：屈服点的汉语拼音字头；屈服点的汉语拼音字头； 屈服点数值屈服点数值共分共分195195、215215、235235、255255、275275五个五个强度等级；强度等
27、级；（3 3）牌号表示方法）牌号表示方法由代表屈服点的字母（由代表屈服点的字母（Q Q）、屈服点数值、质）、屈服点数值、质量等级符号（量等级符号（A A、B B、C C、D D）及脱氧方法符号）及脱氧方法符号（F F、b b、Z Z、TZTZ）等）等四个部分四个部分按按顺序顺序组成组成。质量等级符号质量等级符号：按：按S S、P P杂质多少来分杂质多少来分，以，以A A、B B、C C、D D四个符号代表四个等级，其中：四个符号代表四个等级，其中： lA A级级w wS S0.05%, 0.05%, w wP P0.045%0.045%， lB B级级w wS S0.045%, 0.045%,
28、 w wP P0.045%0.045%，lC C级级w wS S0.04%, 0.04%, w wP P0.04%0.04%， lD D级级w wS S0.035%, 0.035%, w wP P0.035%0.035%。（质量等级最高，（质量等级最高，优质级）优质级）(普通级普通级)Q195Q195、Q275Q275不分质量等级，不分质量等级，Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255，当质量等级为，当质量等级为“A A”、“B B”时，在保证时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。作适当调整。脱氧方法符号脱氧方法符号在
29、镇静钢和特殊镇静钢的牌号中在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。可省略。 （4 4）典型牌号、性能与用途）典型牌号、性能与用途Q195Q195、Q215Q215：含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑韧含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑韧性和焊接性能，用作铁钉、铁丝、钢窗及各性和焊接性能，用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。种薄板等强度要求不高的工件。Q235AQ235A、Q255AQ255A：用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于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；建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235BQ235B、Q255BQ255B：用作建筑工程中质量要
30、求较高的焊接结构件，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；机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；强度较高，其中强度较高，其中Q275Q275属于中碳钢，可用作制造属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。摩擦离合器、刹车钢带等。Q235CQ235C、Q235DQ235D：质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255Q255、Q275Q275：牌号中的牌号中的A A级钢，一般用于不经锻压加工和热处级钢，一般用于不经锻压加工和热处理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器中理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器
31、中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。制造不重要的渗碳件。B B级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢板，级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。n（1 1）硫、磷等杂质含量相对较低，夹杂物也较）硫、磷等杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。钢好。用于较为重要的机件用于较为重要的机件，可以通过各种热处，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。理调整零件的力学性能。 n（2 2）
32、供货状态：）供货状态：热轧后空冷，退火、正火等状热轧后空冷，退火、正火等状态，一般随用户需要而定。态，一般随用户需要而定。 n（3 3）牌号：）牌号：一般用一般用两位两位数字表示。表示钢中数字表示。表示钢中平均碳的质量分数的万倍平均碳的质量分数的万倍, ,如如4545钢。钢。2-2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢专用优质碳素结构钢专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为为0.2%0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为的锅炉用钢，其牌号表示为“20g20g”等。等。优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾
33、钢优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们，它们是是08F08F、10F10F、15F15F。半镇静钢标。半镇静钢标“b b”，镇静钢一，镇静钢一般不标符号。般不标符号。 高级优质碳素结构钢高级优质碳素结构钢在牌号后加符号在牌号后加符号“A A”，特，特级碳素结构钢加符号级碳素结构钢加符号“E E”。 优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量锰量(Mn%=0.25(Mn%=0.250.8%)0.8%)和较高含锰量和较高含锰量(Mn%= (Mn%= 0.70.71.2%)1.2%)两组。含锰量较高的一组在其数字两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加的尾
34、部加“MnMn”，如，如15Mn15Mn、45Mn45Mn等。等。 注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。和低合金高强度结构钢混淆。10102525等钢：等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制造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、摩损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。擦片、水泥钉等。（4 4）优质碳素结构钢共有）优质碳素结构钢
35、共有3131个钢号。个钢号。 08F08F钢：钢：碳的质量分数低、塑性好，强度较碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。低。可用于各种冷变形加工成型件。 4545等中碳钢等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的经适当热处理后可获得高的e e和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造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
36、、铁锹、钢丝绳小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。等。3-3-碳素工具钢碳素工具钢n（1 1）C%:C%:0.650.651.35%1.35%; ;n主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为可分为优质碳素工具钢优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，（简称碳素工具钢，其其w wS S0.03%0.03%，w wP P0.035%0.035%）和）和高级优质碳高级优质碳素工具钢素工具钢（w wS S0.02%0.02%，w wP P0.03%0.03%）两类。）两类。 n（2 2）牌
37、号）牌号一般用标志性符号一般用标志性符号“T T”（碳字的汉语拼音字头）加上（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分碳的质量分数的千倍数的千倍表示。如表示。如T10T10，T12T12等。一般优质等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A A”字，如字，如T8AT8A，T12AT12A等。等。T7T7、T8T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较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、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低温回火后的
38、硬度为484854HRC54HRC（工作部分）；（工作部分）；（3 3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%0.6%，这时，在牌号的尾部标以，这时，在牌号的尾部标以MnMn，如，如T8MnT8Mn，T8MnAT8MnA。 （4 4）典型的碳素工具钢）典型的碳素工具钢T9T9、T10T10、T11T11钢用于制造冲击较小而要求高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等，淬火、低温回火后的硬度为606062HRC62HRC，T10AT10A钢还可用于制造一些
39、形状简单、工作负荷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；不大的冷作模具、量具；T12T12、T13T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，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，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淬火、低温回火后的硬度为626265HRC65HRC。 T12AT12A也也可用于制造量具。可用于制造量具。 T7T7T12T12、T7AT7AT12AT12A还可用于还可用于形状简单的塑料模具。形状简单的塑料模具。（1 1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂
40、，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于含量一般小于0.65%0.65%。 n（2 2）牌号）牌号用标志性符号用标志性符号“ZGZG”（铸钢两个（铸钢两个字的汉语拼音字头）加上字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值最低屈服点值- -最低最低抗拉强度值抗拉强度值表示。如表示。如ZG340-640ZG340-640表示其屈服强表示其屈服强度不小于度不小于340MPa340MPa，抗拉强度不低于，抗拉强度不低于640MPa640MPa的的铸钢。铸钢。 4-4-一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢n（3 3）典型的碳素铸钢）典型的碳素铸钢ZG200-400Z
41、G200-400：有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如机不大、要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱壳等；座、变速箱壳等；ZG230-450ZG230-450：有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好。用于受力不大、要求韧性好的各性良好。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体、犁柱等板、阀体、犁柱等ZG270-500ZG270-500：有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊
42、接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、焊接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等（4）其他类型的铸钢件还有：）其他类型的铸钢件还有：焊接结构用碳素铸钢件焊接结构用碳素铸钢件n（GB/T7659-1987），如），如ZG230-450H；低合金铸钢件低合金铸钢件n（GB/T14408-1993），如），如ZGD535-720；耐热铸钢件耐热铸钢件n（GB/T8492-1987），如），如ZG40Cr30Ni20；不锈耐酸钢铸件不锈耐酸钢铸件n（GB2100-1980），如），如ZG1Cr18Ni9Ti；中、高强度不锈钢铸件中、高强度不
43、锈钢铸件n（GB6967-1986），如），如ZG10Cr13Ni1Mo等。等。1.2 1.2 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 特别添加特别添加到钢中为了保证获得所要求的到钢中为了保证获得所要求的组组织结构织结构从而得到一定的物理、化学或机械从而得到一定的物理、化学或机械性能性能的的化学元素化学元素。( (常用常用MeMe来表示）来表示） p 如：如：B, C, N; Al, Si, P, S; B, C, N; Al, Si, P, S; p Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; p Y, Zr, Nb, Mo; W,
44、Ta, La Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La系系一一. . 几个概念几个概念1. 1. 合金元素合金元素如：当如：当H H，S S，P P等元素在钢中一般都为杂质元素，等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：但当其作为合金元素时：H H储氢合金；储氢合金； S S易易切削钢；切削钢；P P耐磨钢。耐磨钢。 2. 2. 杂质元素杂质元素由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作由冶炼时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。等所带入钢中的化学元素。注意注意: :同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决
45、定钢的组织与性能；若属于后若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。者，则影响钢的质量。在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。合金。 3. 3. 合金钢合金钢Me5Me10Me10, , 称为高合金钢；称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定不过这种划分并没有严格的规定。4. 4. 微合金元素与微合金化钢微合金元素与微合金化钢 微合金元素微合金元素有些合金元素如有些合金元素如V V，NbNb，Ti, ZrTi, Zr和和B B等，当其含
46、量等，当其含量只在只在0.1%0.1%左右（如左右（如B 0.001%B 0.001%，V 0.2%V 0.2%）时，会显）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金元素。微合金钢微合金钢加入了微合金元素加入了微合金元素, , 使钢的组织或性能有明显改使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。变的这类钢则称为微合金钢。1.2.1 1.2.1 铁基固溶体铁基固溶体-Fe-Fe-Fe铁的多型性转变：铁的多型性转变：1 1合金元素与合金元素与FeFe的相互作用的相互作用p奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：p在在-Fe-Fe中有
47、较大的溶解度中有较大的溶解度, ,且能且能稳定稳定-Fe-Fe；如如 Mn, Ni, Co, C, N, CuMn, Ni, Co, C, N, Cu； v铁素体形成元素：铁素体形成元素： p在在-Fe-Fe中有较大的溶解度并中有较大的溶解度并使使-Fe -Fe 不稳定不稳定的元素。如：的元素。如：V V，Nb, TiNb, Ti 等。等。1.1.铁素体铁素体 (Ferrite)碳溶于碳溶于Fe中形成中形成的间隙固溶体的间隙固溶体。bcc。强度和硬度低，塑性强度和硬度低，塑性和冲击韧性好。常用和冲击韧性好。常用或或F表示。表示。2.2.奥氏体奥氏体( (Austenite)碳溶于碳溶于-Fe中
48、形成的中形成的间隙隙固溶体。固溶体。fcc。硬度较低，。硬度较低，塑性好。常用塑性好。常用或或A表示。表示。（1 1）相稳定化元素相稳定化元素 使使A A3 3降低，降低，A A4 4升高，在较宽的成分范围内，促升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了使奥氏体形成，即扩大了相区。相区。开启开启相区相区( (无限扩大无限扩大相区相区) )MeMe与与-Fe-Fe形成无限固溶体形成无限固溶体，与，与-Fe-Fe形成有限形成有限固溶体。如：固溶体。如：MnMn、NiNi、CoCo等。等。图图1-1 1-1 扩大扩大相区并与相区并与-Fe-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-MeFe-Me相图相图
49、(a)(a)及及Fe-NiFe-Ni相图相图(b)(b)如果加入足够量的如果加入足够量的NiNi，可完全使，可完全使bccbcc的的相从相从相图上消失，相图上消失，相保持到室温（即相保持到室温（即A A1 1点降低），点降低），故而由故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。元素。图图1-2 1-2 扩大扩大相区并与相区并与-Fe-Fe有限互溶的有限互溶的Fe-MeFe-Me相相图图(a)(a)及及Fe-CFe-C相图相图(b)(b)扩展扩展相区相区( (有限扩大有限扩大相区相区)
50、 )MeMe也使也使A A3 3降低，降低，A A4 4升高；升高；相区也随相区也随MeMe的加的加入而扩大，但入而扩大，但MeMe与与 -Fe和和 -Fe均形成有限均形成有限固溶体固溶体，最终不能使，最终不能使相区完全开启。相区完全开启。这类这类MeMe主要有主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。相相区借助区借助C C及及N N而扩展，当而扩展，当C C含量在含量在0 02.11%2.11%范围范围内，均可以获得均匀化的固溶体（内，均可以获得均匀化的固溶体（A A），这构），这构成了钢的整个热处理的基础。成了钢的整个热处理的基础。（2 2）相稳定化元素相稳定化元素 Me Me使使A A3 3
51、， A A4 4，在较宽的成分范围内，促，在较宽的成分范围内，促使使F F形成，即形成，即了了相区。相区。图图1-3 1-3 封闭封闭相区并与相区并与-Fe-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-MeFe-Me相相图图(a)(a)及及Fe-CrFe-Cr相图相图(b)(b)封闭封闭相区相区( (无限扩大无限扩大相区相区) )MeMe使使A A3 3，A A4 4，达到某一含量时，达到某一含量时，A A3 3与与A A4 4重重合，合，相区被封闭，或者说相区被封闭，或者说MeFMeF的形成，使的形成，使相与相与 相区连成一片。相区连成一片。当当MeMe超过一定含量超过一定含量时，合金不再有时，合金不再有
52、 -相变，与相变，与-Fe形成无限形成无限固溶体固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。（这类合金不能用正常的热处理制度）。这类这类MeMe有：有：SiSi、AlAl和强和强K K形成元素形成元素CrCr、W W、MoMo、V V、TiTi及及P P、BeBe等。含等。含CrCr量量7.5%7.5%时，时，A A3 3才才。CrCr、V V与与 -Fe完全互溶，完全互溶，W W、MoMo、TiTi等部等部分溶解分溶解. .MeMe使使A A3 3，A A4 4，使，使相区相区但不能使其完全封闭。但不能使其完全封闭。这类这类MeMe有：有：B B、NbNb、ZrZr等。等。图图1-4 1-4
53、缩小缩小相区的相区的Fe-MeFe-Me相图相图(a)(a)及及Fe-NbFe-Nb相图相图(b)(b)缩小缩小相区相区( (但不能使但不能使相区封闭相区封闭) )l可以利用可以利用MeMe扩大和缩小扩大和缩小相区作用，获得单相组织，相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。 l合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。性能。 生产中的意义生产中的意义如发展如发展A A钢时，需要往钢中加入钢时，需要往钢中加入NiNi、MnMn、N N等等A A形成元形成元素；欲发展素；欲发展F
54、 F钢时，需要往钢中加入大量的钢时，需要往钢中加入大量的CrCr、SiSi、AlAl、MoMo、TiTi等等F F形成元素。形成元素。同时向钢中加入两类同时向钢中加入两类MeMe时，其作用往往相互有所抵时，其作用往往相互有所抵消。消。例外：例外：CrCr是是F F形成元素，在形成元素，在Cr18%Cr18%与与NiNi同时加入时同时加入时却促进了却促进了A A的形成。的形成。MeMe扩大或缩小扩大或缩小相区的作用与该元素在周相区的作用与该元素在周期表中的位置有关，与它们的点阵结构、期表中的位置有关，与它们的点阵结构、电子因素和原子大小有关。有利于扩大电子因素和原子大小有关。有利于扩大相区的相区
55、的MeMe，其本身具有，其本身具有fccfcc点阵或在其多点阵或在其多型性转变中有一种型性转变中有一种fccfcc点阵，与铁的电负点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。性相近，与铁的原子尺寸相近。决定组元在代位固溶体中的溶解度因素是决定组元在代位固溶体中的溶解度因素是点阵结点阵结构、原子半径和电子因素构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些，无限固溶必须使这些因素相同或相似因素相同或相似. .（1 1）代位固溶体）代位固溶体( (Hume-RotheryHume-Rothery规律规律) )表表1-1 1-1 常用常用MeMe点阵结构、电子结构和原子半径点阵结构、电子结构和原子半径第四
56、第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3d3d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值（1 1）NiNi、MnMn、CoCo与与-Fe-Fe的点阵结构、原子半的点阵结构、原子半径和电子结构相似径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2 2）CrCr、V V与
57、与-Fe-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3 3）CuCu和和-Fe-Fe点阵结构、原子半径相近，但点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4 4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：RR8%8%，可，可以形成无限固溶；以形成无限固溶；15%15%，形成有限固溶；，形成有限固溶； 15%15%，溶解度极小。，溶解度极小。（2 2）间隙固溶体）间隙固溶体1 1、间隙固溶体的形成条件：、间隙固溶体的形成条件：间隙固溶体总是间隙固溶体总是有限固溶体有限固溶体，并且间隙原，并且间隙原子仅占据溶剂
58、金属的部分间隙位置，即总子仅占据溶剂金属的部分间隙位置，即总有部分间隙没有被填满。有部分间隙没有被填满。2 2、间隙固溶体的溶解度取决于、间隙固溶体的溶解度取决于溶剂金属点阵溶剂金属点阵 结构和间隙原子的原子尺寸结构和间隙原子的原子尺寸。（1 1）同一溶剂金属的不同点阵结构，溶解度）同一溶剂金属的不同点阵结构，溶解度 是不同的是不同的 如如-Fe与与-Fe 。（2 2）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按减小而增加，即按B B、C C、N N、O O、H H 的顺序的顺序而增加。而增加。3 3、间隙原子总是优先占据有利的间隙位置，、间隙原子总是优先
59、占据有利的间隙位置，畸变为最小。畸变为最小。对对 -Fe，是八面体间隙；对，是八面体间隙；对 -Fe，是八面体或四面体间隙。，是八面体或四面体间隙。钢中晶体缺陷钢中晶体缺陷：晶界、亚晶界、位错、相界等，缺：晶界、亚晶界、位错、相界等，缺陷处能量高。陷处能量高。MeMe与晶体缺陷有交互作用，会产生吸与晶体缺陷有交互作用，会产生吸附或偏聚现象。附或偏聚现象。 1.2.2 1.2.2 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用MeMe偏聚偏聚缺陷处浓度缺陷处浓度 基体平均浓度。基体平均浓度。晶界脆性晶界脆性当当P P，AsAs，SnSn，BiBi，SbSb在晶界发生偏在晶界发生
60、偏聚时；聚时；晶界迁移与晶界扩散晶界迁移与晶界扩散晶间腐蚀晶间腐蚀相变成核相变成核相变时晶体缺陷处优先成核。相变时晶体缺陷处优先成核。晶界强化晶界强化耐热钢中加入耐热钢中加入B B，ZrZr等，提高晶界强度；等，提高晶界强度；n 对组织与性能影响很大对组织与性能影响很大 淬透性淬透性硼钢中的硼钢中的B B在在A A体晶界上吸附，体晶界上吸附，钢的淬透性；钢的淬透性；缺陷处原子排列疏松，不规则，缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子处在晶界溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多；n 偏聚机理偏聚机理v结构学结构学: :原子在缺陷处偏
61、聚，使系统自由能原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然，符合自然界最小自由能原理。界最小自由能原理。v能量学能量学: :该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。缺陷和晶内处的畸变能之差。v热力学：热力学：n 影响因素：影响因素：缺陷处溶质浓度缺陷处溶质浓度Cg：C Cg g：溶质原子在缺陷处的浓度；：溶质原子在缺陷处的浓度；C C0 0：溶质原子在钢中的平均浓度；：溶质原子在钢中的平均浓度；E E：缺陷与溶质的结合能，即溶质原子在晶内和：缺陷与溶质的结合能，即溶质原子在晶内和缺陷处引起的畸变能之差。缺陷处引起的畸变能之差。 从
62、溶质和基体原子尺寸差引起的畸变能估计从溶质和基体原子尺寸差引起的畸变能估计E E值。值。E=0E=020KJ/Mol20KJ/Mol温度温度T T：TT，内吸附强烈；，内吸附强烈；偏聚是一个扩散过程，溶质原子只有在能够偏聚是一个扩散过程，溶质原子只有在能够扩散的温度范围内才能产生偏聚。扩散的温度范围内才能产生偏聚。H H原子：原子：00左右扩散就比较显著并形成左右扩散就比较显著并形成柯柯氏气团；氏气团；C C、N N原子：在室温左右即可产生偏聚；原子：在室温左右即可产生偏聚；MoMo、NbNb、V V等高熔点溶质原子：在等高熔点溶质原子：在500500以以上才能发生明显的偏聚现象。上才能发生明
63、显的偏聚现象。时间时间t t：偏聚需要原子扩散：偏聚需要原子扩散需要一定时间；需要一定时间；可控制时间因素来控制吸附。可控制时间因素来控制吸附。缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，EE，吸附也越强烈，吸附也越强烈; ;其它元素：其它元素：其它元素对偏聚元素的作用主要有其它元素对偏聚元素的作用主要有 间接作用和直接作用两类。间接作用和直接作用两类。间接作用：优先吸附问题间接作用：优先吸附问题, ,引起引起E E值大的溶质值大的溶质元素优先发生偏聚，如元素优先发生偏聚，如B B与与C C。直接作用：影响吸附元素的直接作用：影响吸附元素的D D。MnDMnDP P，使，使P P扩散扩散，了钢
64、的回火脆性；了钢的回火脆性；MoMo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：点阵类型：对置换式溶质原子的内吸附无影响；对置换式溶质原子的内吸附无影响；对间隙溶质原子有影响；间隙溶质原子在对间隙溶质原子有影响；间隙溶质原子在bccbcc结构中将产生强烈的吸附；结构中将产生强烈的吸附；如如C C、N N原子在原子在F F中的吸附比在中的吸附比在A A中更显著。中更显著。只有与完整晶体内原子间距偏差在一定临界值只有与完整晶体内原子间距偏差在一定临界值的晶体点阵，才能接纳大的或小的代位溶质原的晶体点阵，才能接纳大的或小的代位溶质原子。子。一、钢中常见的
65、碳化物一、钢中常见的碳化物K K的的类型、数量、大小、形状及分布类型、数量、大小、形状及分布对钢的性对钢的性能有极重要的影响。能有极重要的影响。 非非K K形成元素：形成元素：NiNi、SiSi、CoCo、AlAl、CuCu等，与碳不等，与碳不能形成能形成K K，但可固溶于，但可固溶于FeFe中形成固溶体，或者形中形成固溶体，或者形成其它化合物，如氮化物等。非成其它化合物，如氮化物等。非K K形成元素均处形成元素均处于周期表于周期表FeFe的右侧的右侧。K K形成元素：形成元素：TiTi、ZrZr、NbNb、V V、MoMo、W W、CrCr、MnMn、FeFe等。它们都是过渡族元素；等。它们
66、都是过渡族元素；K K形成元素均位形成元素均位于于FeFe的左侧的左侧。1.2.3 1.2.3 钢铁中的碳化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物M M6 6C C： ( (W W，MoMo，Fe)Fe)6 6C C，不是一种金属不是一种金属K K。复杂。复杂立方点阵。常在含立方点阵。常在含W W、MoMo的合金钢中出现。的合金钢中出现。 钢中常见钢中常见K K的类型：的类型：M M3 3C C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵；M M7 7C C3 3：CrCr7 7C C3 3，复杂六方；可形成复合，复杂六方；可形成复合K K, , 如如 (Cr,Fe,Mo(Cr,Fe,Mo，) )7 7C
67、C3 3M M2323C C6 6：CrCr2323C C6 6，复杂立方；多为复合，复杂立方；多为复合K KM M2 2C C：MoMo2 2C C、W W2 2C C。密排六方；。密排六方；MCMC：VCVC、TiCTiC，简单面心立方点阵；，简单面心立方点阵；复杂点阵结构：复杂点阵结构：M M2323C C6 6 、M M7 7C C3 3 、M M3 3C C。 特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：简单点阵结构：M M2 2C C、MCMC。又称间隙相。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M M6
68、6C C型不属于金属型的碳化物型不属于金属型的碳化物, , 复杂结构，复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。 在钢中，铁的在钢中，铁的K K与合金与合金K K相比，是最不稳定的。相比，是最不稳定的。渗碳体中渗碳体中FeFe的原子可以被若干的原子可以被若干MeMe的原子所取代。的原子所取代。如如(Fe,Mn)(Fe,Mn)3 3C C、(Fe,Cr)(Fe,Cr)3 3C C等。等。 Fe-M-CFe-M-C形成的三元形成的三元K K M M6 6C C型型 p 复杂立方，复杂立方，W W、MoMo的的K K： p FeFe3 3MoMo3 3C, FeC, Fe4 4
69、MoMo2 2C, C, p Fe Fe3 3W W3 3C, FeC, Fe4 4W W2 2C C。 M M2323C C6 6型型 p 复杂立方，复杂立方，W W、MoMo的的K K： p FeFe2121MoMo2 2C C6 6，FeFe2121W W2 2C C6 6。 二、碳化物形成的一般规律二、碳化物形成的一般规律各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下：的值如下： MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.531 1、碳化物碳化物类型的形成类型的形成碳化物碳化物类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径
70、有关。rc/rMe0.59复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K；rc/rMe0.59简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型。Me量少时，形成复合量少时，形成复合碳化物碳化物，如，如(Cr,M)23C6型型。2 2、相似者相溶、相似者相溶 完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电子因素均相完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电子因素均相似。似。pTi, Zr, Nb, V, TaTi, Zr, Nb, V, Ta的同类的同类K K之间可以溶解之间可以溶
71、解 p (V, Nb(V, Nb）C C；（；（Nb, V, TaNb, V, Ta）C C； pW W与与MoMo的同类的同类K K之间；之间； pFe, MnFe, Mn同类之间同类之间, , （Fe, MnFe, Mn）3 3C C vCr23C6可溶解可溶解25%的的Fe，还可溶解，还可溶解Mo、W、Mn、Ni等。等。有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复都能溶解其它元素，形成复合合K，但都有一定的溶解度。，但都有一定的溶解度。v如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等.最最大值为大值为28%Cr，2%W， ZrNbV W,Mo CrMn Fe Ti
72、 ZrNbV W,Mo CrMn Fe 各种各种K K相对稳定性如下：相对稳定性如下： p MCMMCM2 2CMCM6 6CMCM2323C C6 6 M M7 7C C3 3MM3 3C C p （高（高-低）低） 三、氮化物及其形成规律三、氮化物及其形成规律基本性能特点：高硬度、脆性、高熔点。基本性能特点：高硬度、脆性、高熔点。氮化物一般形成间隙相。氮化物一般形成间隙相。强氮化物形成元素：强氮化物形成元素：TiTi、ZrZr、NbNb、V V；中强氮化物形成元素：中强氮化物形成元素：MoMo、W W；弱氮化物形成元素：弱氮化物形成元素：CrCr、MnMn、FeFe氮原子比碳原子小，氮原子
73、半径氮原子比碳原子小，氮原子半径r rN N和金属原和金属原子半径子半径r rM M之比之比r rN N/r/rM M均小于均小于0.590.59，所以氮化物，所以氮化物都呈简单密排结构。都呈简单密排结构。 例如：例如： (1)(1) NaCl NaCl型简单立方点阵：型简单立方点阵：TiNTiN，VNVN，CrNCrN，Fe4NFe4N（）等）等(2)(2) 简单密排立方点阵：简单密排立方点阵：WNWN，MoNMoN，CrCr2 2N N，FeFe2-32-3N N（）等）等氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化物相类似。物相类似。 p 合金钢中由于合金
74、钢中由于MeMe间以及间以及MeMe与与FeFe之间产生相之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物，保持金属互作用，可能形成各种金属间化合物，保持金属的特点。的特点。 p 合金钢中比较重要的金属间化合物有：合金钢中比较重要的金属间化合物有： 相（相（ABAB） 拉维斯相（拉维斯相（ABAB2 2） 有序相（有序相（ABAB3 3） 1.2.4 1.2.4 钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物高高CrCr不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，会出现金耐热钢及耐热合金中，会出现相。相。一、一、相相伴随着伴随着相的析出，钢和合金的塑性和韧性显
75、相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。著下降，脆性增加。周期表中第一长周期的第七族和第八族过渡族周期表中第一长周期的第七族和第八族过渡族金属与周期表中第五族和第六族能形成金属与周期表中第五族和第六族能形成相。相。如：如：Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co、Mo-Mn等。等。第二长周期的第八族与第五族和第六族也能形第二长周期的第八族与第五族和第六族也能形成成相。相。ABAB2 2相相是尺寸因素起主导作用的化合物，两组元是尺寸因素起主导作用的化合物，两组元原子直径之比为原子直径之比为d dA A: :d dB B =1.2:1.=1.2:1.二、ABAB2 2相相在含在含W W、MoM
76、o、NbNb和和TiTi的复杂成分耐热钢和耐热合的复杂成分耐热钢和耐热合金中存在。是现代耐热钢和耐热合金中的强化金中存在。是现代耐热钢和耐热合金中的强化相。相。p如（如（W,Mo,NbW,Mo,Nb）（）（Fe,Ni,Mn,CrFe,Ni,Mn,Cr）2 2NiNi3 3AlAl、NiNi3 3TiTi、FeFe3 3AlAl、NiNi3 3FeFe，三、三、ABAB3 3相相l各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于无序无序固溶固溶体到化合物的过渡状态。体到化合物的过渡状态。 l有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体，有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体， 如如NiNi3 3Fe, NiFe, Ni3 3MnMn等；等； l有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如NiNi3 3Al, NiAl, Ni3 3Ti, NiTi, Ni3 3NbNb。 lNiNi3 3AlAl是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的强化相是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的强化相 。
