《工程材料》配套PPT,工程材料,工程,材料,配套,PPT 2022/10/11工程材料學(xué)工程材料學(xué)曹志強教授曹志強教授電話：電話：84706169手機：手機：13941191184E-mail:大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022/10/11參考書參考書金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社戴起勛主編，化學(xué)工業(yè)出版社2011年年金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)文九巴主編，機械工業(yè)出版社文九巴主編，機械工業(yè)出版社2011年年金屬材料學(xué)金屬材料學(xué) 吳承建吳承建 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 2001年年 金屬材料學(xué)金屬材料學(xué) 王笑天王笑天 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社 1987年年 合金鋼合金鋼 章守華章守華 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 1981年年William F.Smith.Structure and Properties of Engineering Alloys 2nd edition.McGraw-Hill Education,1993.Schweitzer,Philip A.，Metallic Materials.New York：Marcel Dekker,Inc，20032022/10/11本課的特點本課的特點核心課程核心課程專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中占很重要位專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中占很重要位置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識最多最直置，是學(xué)生走上工作崗位使用知識最多最直接的課程接的課程課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗性的特點。課程具有綜合性、應(yīng)用性和經(jīng)驗性的特點。2022/10/11本課的特點本課的特點綜合性綜合性是內(nèi)容涉及知識面比較廣，涉及所是內(nèi)容涉及知識面比較廣，涉及所有以前學(xué)過的專業(yè)知識；有以前學(xué)過的專業(yè)知識；應(yīng)用性應(yīng)用性是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正是指課程的內(nèi)容是生產(chǎn)或科研中正在廣泛使用的材料和技術(shù)；在廣泛使用的材料和技術(shù)；經(jīng)驗性經(jīng)驗性是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗總結(jié)，是指某些內(nèi)容是長期的經(jīng)驗總結(jié)，在實際應(yīng)用中可變性還比較大。在實際應(yīng)用中可變性還比較大。2022/10/11本課的目的本課的目的掌握金屬掌握金屬合金化的原理合金化的原理，合金元素對鋼相，合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律；變、組織、性能影響的一般規(guī)律；理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點、理解各類金屬材料的化學(xué)成分、熱處理特點、組織形貌和力學(xué)性能組織形貌和力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能、化學(xué)性能和物理性能之間的關(guān)系；之間的關(guān)系；經(jīng)過對常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面經(jīng)過對常用鋼鐵材料以及有色金屬材料的較全面和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何依據(jù)服役條件合理理選用材料選用材料，引導(dǎo)學(xué)生運用比較成熟的基礎(chǔ)理論，引導(dǎo)學(xué)生運用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識來解決金屬材料使用過程中的實際問題。知識來解決金屬材料使用過程中的實際問題。2022/10/11 本課的內(nèi)容:緒論（緒論（2學(xué)時）學(xué)時）鋼鐵材料（鋼鐵材料（34學(xué)時）學(xué)時）（包括工程構(gòu)件用鋼、機器零件用鋼、工模（包括工程構(gòu)件用鋼、機器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強度鋼）具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、超高強度鋼）鑄鐵（鑄鐵（4學(xué)時）學(xué)時）（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄（灰口鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵）鐵、可鍛鑄鐵）有色金屬及合金有色金屬及合金(8學(xué)時學(xué)時)（鋁合金、銅合金、鈦合金）（鋁合金、銅合金、鈦合金）2022/10/110金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料 0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/1101金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史0.1.1第一階段第一階段原始金屬材料的生產(chǎn)原始金屬材料的生產(chǎn)0.1.2第二階段第二階段金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)0.1.3第三階段第三階段微觀理論大發(fā)展微觀理論大發(fā)展0.1.4第四階段第四階段微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究2022/10/11世界上最早使用鐵是小亞細亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細亞的赫梯人在公元前世界上最早使用鐵是小亞細亞的赫梯人在公元前14001400年左右。年左右。年左右。年左右。古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前古希臘和古羅馬開始普遍使用在公元前10001000年。年。年。年。中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前中國最早在春秋戰(zhàn)國晉國（大致公元前700700年）年）年）年）。0.1.1第一階段第一階段原始金屬材料的生產(chǎn)原始金屬材料的生產(chǎn)2022/10/11 鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進入了一個鐵器的廣泛使用，使人類的工具制造進入了一個全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。全新的領(lǐng)域，生產(chǎn)力得到極大的提高。鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會鐵器的使用，導(dǎo)致了世界上一些民族從原始社會發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸發(fā)展到奴隸社會，也推動了一些民族脫離了奴隸制的枷鎖而進入了封建社會。制的枷鎖而進入了封建社會。東漢時期出現(xiàn)東漢時期出現(xiàn)鍛打鍛打原始形變熱處理，原始形變熱處理，“浴浴以五牲之溺，淬以五牲之脂以五牲之溺，淬以五牲之脂”水淬和油淬水淬和油淬2022/10/11我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在在天工開物天工開物一書中就記載了古代的一書中就記載了古代的煉鋼和熱處理煉鋼和熱處理等工藝。等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在煉鋼和熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。經(jīng)有了較高的成就。宋應(yīng)星宋應(yīng)星高爐鐵水流入煉鋼爐高爐鐵水流入煉鋼爐（方塘），人急速攪動，（方塘），人急速攪動，利用空氣氧化鐵水中的利用空氣氧化鐵水中的碳，用潮濕泥灰做氧化碳，用潮濕泥灰做氧化劑加速脫碳（低碳鋼，劑加速脫碳（低碳鋼，高碳鋼）高碳鋼）2022/10/11 0.1.2第二階段第二階段金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ) 1803年年原子學(xué)說原子學(xué)說 1830年年-32種晶體類型種晶體類型 1839年年-Miller指數(shù)指數(shù) 1861年年-鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度 1864年年-金相照片金相照片 1888年年-滲碳體滲碳體 1891年年-點陣理論點陣理論 十九世紀末十九世紀末相律、固溶體、平衡相圖相律、固溶體、平衡相圖2022/10/111863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織共晶組織人類對材料的認識是逐步深入的。人類對材料的認識是逐步深入的。2022/10/111912年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。Si表面的重構(gòu)圖象表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀射線衍射儀2022/10/11 0.1.30.1.3第三階段第三階段微觀理論大發(fā)展微觀理論大發(fā)展 19001940年年Tammann建立相圖，建立相圖，Von laue 發(fā)發(fā) 現(xiàn)現(xiàn)X射線，射線，Bragg證實證實、相的存在，相的存在，Wever發(fā)現(xiàn)擴大縮小奧氏體區(qū)元素，發(fā)現(xiàn)擴大縮小奧氏體區(qū)元素，Laves發(fā)現(xiàn)金發(fā)現(xiàn)金 屬間化合物。屬間化合物。Strauss發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，發(fā)現(xiàn)了不銹鋼，Brinell布氏布氏 硬度計，硬度計，Griffith斷裂理論等。斷裂理論等。AusteniteAusteniteBainiteBainiteSorbiteSorbiteMartensiteMartensiteTroostiteTroostiteLedeburiteLedeburite英英美美英英德德法法德德2022/10/110.1.4第四階段第四階段微觀理論的深入研究微觀理論的深入研究1938年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（界的更深層次（10-7m）透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 2022/10/111934年位錯理論的提年位錯理論的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對于人們認識材料的對于人們認識材料的力學(xué)性能及設(shè)計高強力學(xué)性能及設(shè)計高強度材料具有劃時代的度材料具有劃時代的意義。意義。金屬鈦中的位錯金屬鈦中的位錯2022/10/111938年，提出TTT曲線、擴散、位錯滑移、第二相沉淀析出理論，Cottrell氣團。發(fā)明了TEM、SEM、STM（掃描隧道顯微鏡）、AFM（原子力顯微鏡）、EPMA等。2022/10/11緒論緒論金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來 0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料 0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/11哥哥哥哥倫倫倫倫比比比比亞亞亞亞號號號號航航航航天天天天飛飛飛飛機機機機材料是指人類用以制造材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。各種有用器件的物質(zhì)。0.2.1 材料材料2022/10/11材料是人類生產(chǎn)和生活材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手手錘錘銼刀銼刀“神舟神舟神舟神舟”四號飛船成功返四號飛船成功返四號飛船成功返四號飛船成功返回回回回國產(chǎn)渦噴國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機2022/10/11前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)在1957年把年把第一顆人造衛(wèi)星第一顆人造衛(wèi)星送入太空，送入太空，令美國人震驚不已，認識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)令美國人震驚不已，認識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴展到了陶瓷和高分子其涉及的材料由金屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料。聚合物材料。前前蘇蘇聯(lián)聯(lián)第第一一顆顆人人造造衛(wèi)衛(wèi)星星及及其其運運載載火火箭箭2022/10/11材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人，是人類社會進步的里程碑和劃時代的標(biāo)志。材類社會進步的里程碑和劃時代的標(biāo)志。材料和能源、信息被稱為人類社會的料和能源、信息被稱為人類社會的“三大三大支柱支柱”。第一次工業(yè)革命（第一次工業(yè)革命（18世紀）：世紀）：制鋼工業(yè)制鋼工業(yè)的的發(fā)展為蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基發(fā)展為蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命（第二次工業(yè)革命（20世紀中頁以來）：世紀中頁以來）：單單晶硅材料晶硅材料對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。心作用。2022/10/11材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標(biāo)志。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標(biāo)志。龍芯龍芯聯(lián)想計算機聯(lián)想計算機沒有沒有沒有沒有半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術(shù)。機技術(shù)。機技術(shù)。機技術(shù)。2022/10/11沒有沒有高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。航工業(yè)。飛機發(fā)動機葉片飛機發(fā)動機葉片波音客機波音客機在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片2022/10/110.2.2.材料科學(xué)材料科學(xué)主要是研究材料的材料科學(xué)主要是研究材料的組分、結(jié)構(gòu)與組分、結(jié)構(gòu)與性能性能之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。之間的相互關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)材料科學(xué)是一門介于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。2022/10/11使用性能使用性能成分與結(jié)構(gòu)成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)性質(zhì)合成與加工合成與加工MSEMSE四要素四要素使用性能使用性能材料的性質(zhì)材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分結(jié)構(gòu)與成分合成與加工合成與加工2022/10/110.2.40.2.4現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料傳統(tǒng)金屬材料傳統(tǒng)金屬材料:Fe、Cu、Al、Ni、Mg、Ti。金屬間化合物金屬間化合物:NiAl、AlNi3、AlFe3、AlFe、Al3Ti、AlTi、AlTi3等。等?，F(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料:（1）先進結(jié)構(gòu)材料）先進結(jié)構(gòu)材料（2）高溫合金材料）高溫合金材料（3）新型工具鋼）新型工具鋼（4）金屬功能材料）金屬功能材料2022/10/11（1）先進結(jié)構(gòu)材料）先進結(jié)構(gòu)材料我國鋼鐵世界第一，但我國鋼鐵世界第一，但27依賴進口，依賴進口，8不能生不能生產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。產(chǎn)。能耗高，污染環(huán)境。需要高比強度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、需要高比強度、比剛度、耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化的鋼，超細鋼、純、均、抗老化的鋼，超細鋼、純、均、細組織。細組織。低合金高強度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、低合金高強度鋼、耐磨鋼、耐蝕鋼、抗氧化鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金。不銹鋼、硬質(zhì)合金。9.11之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。之后耐熱耐候鋼引起關(guān)注。2022/10/11(2)高溫合金材料高溫合金材料耐熱鋼和鐵基耐熱合金在較高載荷下使用溫度只能達到750-850，對于更高溫度下使用的部件，一般采用Ni基、Co基及其他難熔金屬為基體的合金航空發(fā)動機渦輪盤航空發(fā)動機渦輪盤 2022/10/11（3）新型工具鋼）新型工具鋼 HIP（熱等靜壓），（熱等靜壓），CPM（坩堝粉末冶金（坩堝粉末冶金法），法），CVD、PVD、離子滲入法涂覆、離子滲入法涂覆TiC、TiN、TiCN、Al2O3等高速鋼。等高速鋼。（4）金屬功能材料）金屬功能材料 光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材光學(xué)材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、聲學(xué)材料、生物醫(yī)用材料、儲氫材料、電性材料、料、生物醫(yī)用材料、儲氫材料、電性材料、智能材料等。智能材料等。2022/10/11緒論緒論金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來金屬材料的過去、現(xiàn)在和將來 0.1金屬材料發(fā)展簡史金屬材料發(fā)展簡史 0.2現(xiàn)代金屬材料現(xiàn)代金屬材料0.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢2022/10/110.3金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢金屬材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢0.3.1 結(jié)構(gòu)材料的高性能化結(jié)構(gòu)材料的高性能化(超級鋼)日本1997 年出臺了超級鋼研究工程(STX-21)項目。其目的是開發(fā)對社會和經(jīng)濟影響最大的新型結(jié)構(gòu)材料,減輕環(huán)境負擔(dān)和通過將超級鋼的強度和壽命提高1 倍來降低超級鋼的總成本。1998 年10 月我國在“九七三”項目中批準(zhǔn)了“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”項目,并作為我國第一批“九七三”啟動的項目之一。2022/10/111998 年3 月,在國際鋼鐵協(xié)會(IISI)主持下,由歐洲和北美35 家鋼廠和汽車廠聯(lián)合的“超輕鋼車身”項目出籠(ultralight steel body project,ULSAB),它要求車身強度提高80%,車重減輕25%,車重可由平均1 300kg/輛降至900 kg/輛,達到百公里燃耗可降0.17L/輛,這項計劃預(yù)計2003 年底結(jié)束,實際鋼材面板屈服強度提高1 倍。2022/10/11中國超級鋼的研究中國超級鋼的研究 國家973項目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項目由國家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項目的有五個大專院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽金屬所等），九個鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠），三個汽車廠。涉及品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等。2022/10/11鋼類鋼類組織組織現(xiàn)有強度現(xiàn)有強度（MPa）目標(biāo)強度目標(biāo)強度（MPa）超細晶尺寸超細晶尺寸（m mm）低碳鋼低碳鋼鐵素體珠光體鐵素體珠光體200400(a a)5低（微）低（微）合金鋼合金鋼低碳貝氏體或針低碳貝氏體或針狀鐵素體狀鐵素體400800(a a)1-2合金結(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)鋼回火馬氏體或貝回火馬氏體或貝/馬復(fù)相鋼馬復(fù)相鋼8001500(g g)5研究目標(biāo)研究目標(biāo)0.3.2我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢我國材料的可持續(xù)發(fā)展與趨勢 鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達國家已進入衰退階段，原因就是有許多新鋼鐵工業(yè)，在發(fā)達國家已進入衰退階段，原因就是有許多新材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企材料來代替鋼鐵，并且鋼鐵生產(chǎn)污染環(huán)境，他們往往把這些企業(yè)放在第三世界國家。業(yè)放在第三世界國家。而鋼鐵在我國還在成熟階段，而鋼鐵在我國還在成熟階段，2012年年我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破我國的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破7億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比億噸，在全世界總產(chǎn)量中所占的比例由例由2004年的年的26.3%上升到上升到2012年的年的48.7%。萬元萬元GDP能耗能耗20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的標(biāo)準(zhǔn)煤，是西方的10倍。倍。2003年中國年中國 消耗全球消耗全球30%原材料和能源，原材料和能源，GDP占世界占世界4。我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢我國連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢世界連鑄坯產(chǎn)量發(fā)展趨勢2022/10/112022/10/11我們?nèi)匀幻媾R諸多問題，最明顯的有三個一，每年我們需要進口優(yōu)質(zhì)鋼一，每年我們需要進口優(yōu)質(zhì)鋼20002000萬噸以上。萬噸以上。二、每年鐵礦石價格定價上，中二、每年鐵礦石價格定價上，中國缺乏發(fā)言權(quán)。國缺乏發(fā)言權(quán)。三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大三、資源消耗使得環(huán)境壓力增大。我國每萬元的工業(yè)增加值中取水量是90立方，是發(fā)達國家的37倍；工業(yè)用水重復(fù)利用率為52，比發(fā)達國家低35，單位GDP的廢水、固體廢棄物的排放大大高于發(fā)達國家水平（2003年CO2 世界第二；有機污水全球第一）每百萬美元每百萬美元GDP的能耗的能耗2022/10/11（1）開發(fā)高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)難度、高使用要求的鋼材，如轎車用面板、家電外用板、彩電電子儀器用板、不銹鋼光亮板、石化用板、國防軍工用板、橋梁用板、耐候鋼板、海洋與石油用板。0.3.3我國材料的發(fā)展對策我國材料的發(fā)展對策2022/10/11(2)盡量采用地球儲量豐富或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境影響小的元素。(3)盡量降低強韌化元素的含量或減少合金元素種類，盡量采用同類元素，作為強韌化的元素。(4)開發(fā)通用型、簡單型及節(jié)約型合金鋼。微合金調(diào)質(zhì)鋼。(5)空間金屬Ti合金比強度高、高低溫強度高、耐蝕性高。TiAl、Ti3Al金屬間化合物代替Ni、Nb基高溫合金。2022/10/11作業(yè)：1.現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由材料的（）、（）、（）和（）四個基本要素組成。2.金屬材料學(xué)課程具有（）、（）和（）的特點。2022年10月11日工程材料導(dǎo)論講義工程材料導(dǎo)論講義曹志強教授曹志強教授電話：電話：84706169手機：手機：13941191184E-mail:大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022年10月11日第第1篇篇 鋼鐵材料鋼鐵材料2022年10月11日重點及基本要求重點及基本要求2 第第1章是章是本課程基礎(chǔ)和重點，要求本課程基礎(chǔ)和重點，要求全全面面掌握掌握了解了解鋼中的常見鋼中的常見合金元素合金元素對鋼對鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握掌握合金元素合金元素的加入對鋼的基本強化的加入對鋼的基本強化機制的影響。機制的影響。難點難點是是合金元素合金元素對鋼中基本合金相結(jié)對鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響構(gòu)的影響 第第1章章 鋼的合金化概念鋼的合金化概念foundamental of alloy steel2022年10月11日概概 述述合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力學(xué)性能要求的鐵基合金學(xué)性能要求的鐵基合金o合金元素：是指特別添加到鋼中為了保證獲得合金元素：是指特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機械性能的所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機械性能的化學(xué)元素?；瘜W(xué)元素。（主動加入）（主動加入）o雜質(zhì)：由冶煉時原材料以及冶煉方法、雜質(zhì)：由冶煉時原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學(xué)元素。工藝操作而帶入的化學(xué)元素。2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計2022年10月11日一、鋼中的雜質(zhì)一、鋼中的雜質(zhì)P、S、Mn、Si、Al、H、O、N、Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。等。P（礦石）、（礦石）、S（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含S，焦炭水洗可降硫）。，焦炭水洗可降硫）。1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.1.1鋼中的元素鋼中的元素 熱脆性熱脆性 S FeS(Fe-FeS熔點熔點989)；？冷脆性冷脆性 P Fe3P（Fe-Fe3P硬脆1050 ）？2022年10月11日Mn、Si、Al是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)生了鎮(zhèn)靜鋼，用生了鎮(zhèn)靜鋼，用Mn、Si脫氧的為沸騰鋼。脫氧的為沸騰鋼。Mn、Si脫氧劑脫氧劑:FeOMnFeMnO FeOSiFeSiO2 FeSMnMnSFe（防止熱（防止熱脆）脆）2022年10月11日復(fù)雜氧化物復(fù)雜氧化物 MgO.Al2O3，MnO.Al2O3鋼中氧化物夾雜鋼中氧化物夾雜*特點：性脆，易斷裂，一般無塑性。特點：性脆，易斷裂，一般無塑性。因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布二、二、雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）（1）氧化物）氧化物o簡單氧化物簡單氧化物 FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等等2022年10月11日鋼中的鋼中的MnS夾雜夾雜（2）硫化物硫化物常見：常見：MnS，F(xiàn)eS 特點：特點：MnS有較高有較高的塑性，熱加工時的塑性，熱加工時沿加工方向呈帶狀、沿加工方向呈帶狀、纖維狀或線狀分布纖維狀或線狀分布2022年10月11日三、我國的資源情況及合金系統(tǒng)我國的資源情況及合金系統(tǒng)o儲量豐富，可大量開采：儲量豐富，可大量開采：SiSi，V V，TiTi，NbNb，B B，稀土等，稀土等oMnMn的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約oW W，MoMo的資源豐富，用途廣泛的資源豐富，用途廣泛oNiNi，CrCr，CoCo資源很少資源很少2022年10月11日*一般情況下，奧氏體形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵一般情況下，奧氏體形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。1.奧氏體形成元素奧氏體形成元素 C,N,Cu,Mn,Ni,Co2.鐵素體形成元素鐵素體形成元素 Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al（一）（一）按與按與Fe相互作用分類相互作用分類2022年10月11日2.碳化物形成元素碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，F(xiàn)e 1.非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等等中強中強（二）（二）按與按與C相互作用（親和力相互作用（親和力大?。┓诸惔笮。┓诸愖顝娮顝娙跞?022年10月11日（三）按對奧氏體層錯能的影響分類（三）按對奧氏體層錯能的影響分類（1）層錯能的概念：晶體中形成層錯時增加的）層錯能的概念：晶體中形成層錯時增加的能量。能量。（2）奧氏體層錯能對鋼的組織和性能的影響。）奧氏體層錯能對鋼的組織和性能的影響。一般認為層錯能越低，越有利于位錯擴展和形一般認為層錯能越低，越有利于位錯擴展和形成位錯，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢成位錯，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢增大。增大。1.提高奧氏體層錯能元素提高奧氏體層錯能元素 Ni，Cu，C等等2.降低奧氏體層錯能元素降低奧氏體層錯能元素 Mn，Cr，Ru（釕），（釕），Ir（銥）等（銥）等2022年10月11日1.擴大奧氏體擴大奧氏體()區(qū)元素區(qū)元素 1.1.2鐵基二元相圖鐵基二元相圖圖圖1-1合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（a)Ni,Mn,Co使使A3，A4，區(qū)擴大區(qū)擴大a)與與區(qū)無限固溶區(qū)無限固溶 Ni、Mn、Co 開啟開啟區(qū)區(qū) 量大時，量大時，室溫為室溫為相；相；2022年10月11日圖圖1-2合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（b)C,N Cub)與與區(qū)有限固溶區(qū)有限固溶 C、N、Cu 擴大擴大區(qū)。區(qū)。2022年10月11日2.縮小奧氏體縮小奧氏體()區(qū)元素區(qū)元素圖圖1-3合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（c)Cr,V使使A3，A4，區(qū)縮小區(qū)縮小a)完全封閉完全封閉區(qū)區(qū) Cr、VCr、V與與-Fe完全互溶，完全互溶，量大時量大時相相?2022年10月11日Ti，W，Mo，Al，Si，Be,B，Nb，Ta，Zr等等與與-Fe形形成有限固溶體。成有限固溶體。圖圖1-4合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)Mo,W,Tib)縮小縮小區(qū)區(qū) W、Mo、TiNb等等部分溶解部分溶解。穩(wěn)定穩(wěn)定相相 A形成元素，穩(wěn)定形成元素，穩(wěn)定相相 形成元素。形成元素。2022年10月11日元素擴大或縮小元素擴大或縮小相區(qū)相區(qū)，一般認為是以下幾，一般認為是以下幾個因素共同作用的結(jié)果個因素共同作用的結(jié)果(1)合金元素的點陣類型（與合金元素的點陣類型（與-Fe相同還相同還是是-Fe相同）相同）(2)原子尺寸因素（與原子尺寸因素（與Fe原子半徑之比）原子半徑之比）3.合金元素擴大、縮小合金元素擴大、縮小相區(qū)的影響因素相區(qū)的影響因素2022年10月11日第四周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 3d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 3 5 5 6 7 8 105 6 7 8 10第五周期第五周期 Zr Nb Mo 4d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 4 5第六周期第六周期 Hf Ta W （Re）5d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 3 4 5次電子層，電子數(shù)5，縮小區(qū)，次電子層，次電子層，電子數(shù)電子數(shù)5 5(MnMn=5)=5)，擴大，擴大區(qū)。區(qū)。(3)電子層結(jié)構(gòu)因素電子層結(jié)構(gòu)因素Ni，Mn，Co能在能在Fe中形成無限固溶體，中形成無限固溶體，Cr，V在在-Fe中形成無限固溶體。中形成無限固溶體。2022年10月11日 通過控制鋼中擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧通過控制鋼中擴大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整鋼氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整鋼的組織：的組織：為了得到室溫奧氏體組織，可加為了得到室溫奧氏體組織，可加Ni，Mn，N等等為了得到室溫鐵素體組織，可加為了得到室溫鐵素體組織，可加Cr，Si，Al，Ti等等 如：如：1Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 1Cr17 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼4.合金元素與合金元素與Fe相互作用理論在工程實際中的意義相互作用理論在工程實際中的意義2022年10月11日思考題1.擴大奧氏體區(qū)元素有哪些？縮小奧氏體區(qū)元素有哪些？碳化物形成元素有哪些？非碳化物形成元素有哪些？增加奧氏體層錯能的元素有哪些？降低奧氏體層錯能的元素有哪些？2022年10月11日 FeC相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對鋼相變的影響，的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對鋼相變的影響，首先要了解合金元素對首先要了解合金元素對FeC相圖的影響。相圖的影響。合金元素對鋼相變的影響合金元素對鋼相變的影響 加熱加熱(奧氏體化奧氏體化)冷卻冷卻(奧氏體分解奧氏體分解)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變影響淬火鋼回火轉(zhuǎn)變影響1.1.3合金元素對合金元素對FeC相圖的影響相圖的影響32022年10月11日附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖2022年10月11日1.1.3.1對對S、E點成分的影響點成分的影響圖圖1-5Cr元素對元素對區(qū)的影響區(qū)的影響圖圖1-6Mn元素對元素對區(qū)的影響區(qū)的影響A形成元素均使形成元素均使S、E點向點向左下方左下方移動，移動，F(xiàn)形成元素使形成元素使S、E點向點向左上方左上方移動。移動。2022年10月11日圖圖1-7常見合金元素對常見合金元素對共析碳含量的影響共析碳含量的影響S點左移，意味著共析意味著共析C量減小量減??；意味著鋼中含碳量小于0.77時，就會變?yōu)檫^共析鋼而析出二次滲碳體。2022年10月11日 E點左移意味著出現(xiàn)萊氏體組織的含碳量降低，這樣鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)不足2時就可以出現(xiàn)共晶萊氏體。保持到室溫時高速鋼W18Cr4V鋼（含碳0.70.9）中會出現(xiàn)萊氏體。4Cr13不銹鋼，由于含Cr13，致使共析點移至0.4C附近，從而使4Cr13變?yōu)檫^共析鋼。2022年10月11日1.1.3.2合金元素對臨界溫度點的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）線向下移動；）線向下移動；F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）線向上移動）線向上移動對對-Fe區(qū)的影響區(qū)的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe區(qū)擴大區(qū)擴大鋼在室鋼在室溫下也為溫下也為A體體 奧氏體鋼；奧氏體鋼；F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe區(qū)縮小區(qū)縮小鋼在鋼在室室溫下仍為溫下仍為F體體 鐵素體鋼。鐵素體鋼。2022年10月11日1.1.3.3合金元素對奧氏體轉(zhuǎn)變速度的影響碳化物形成元素使奧氏體過程大大減緩，除碳化物形成元素使奧氏體過程大大減緩，除Co（Al）外（不易分解擴散，）外（不易分解擴散，T、t升高），升高），Mo、W、Cr、V等阻礙奧氏體長大，細化晶等阻礙奧氏體長大，細化晶粒。粒。圖圖1-8常見合金元素對常見合金元素對共析溫度的影響共析溫度的影響2022年10月11日1.1.3.4對C曲線和淬透性的影響除除Co外，外，C曲線全部右移，臨界冷卻速度曲線全部右移，臨界冷卻速度減小，淬透性提高。減小，淬透性提高。淬透性由強到弱淬透性由強到弱 Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si、V多元少量有利于提高淬透性多元少量有利于提高淬透性，使，使Ms、Mf不不至降低太多。至降低太多。碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)致致C曲線出現(xiàn)兩個獨立區(qū)域。曲線出現(xiàn)兩個獨立區(qū)域。2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計2022年10月11日1.2合金鋼中的相組成合金元素在鋼中的分布合金元素在鋼中的分布合合金金元元素素在在鋼鋼中中的的存存在在形形式式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等2022年10月11日1.2.1 形成鐵基置換固溶體形成鐵基置換固溶體 金屬元素易溶入金屬元素易溶入F，A，M中，以固溶體形中，以固溶體形式存在。式存在。r/r鐵 8%可形成無限固溶體（Cr，V，Mn，Ni，Co等）8%r/r鐵鐵 15%很小的固溶度，很小的固溶度，Zr，Hf2022年10月11日合金元素在鐵點陣中的固溶情況合金元素在鐵點陣中的固溶情況 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)無無限限無無限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*無無限限無無限限無無限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與注：有些元素的固溶度與C C量有關(guān)量有關(guān) 不同元素的固溶情況是不同的。為什么不同元素的固溶情況是不同的。為什么?2022年10月11日 常用合金元素點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑常用合金元素點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu點陣點陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子電子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)235567810原子半徑原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R/R%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、電子結(jié)構(gòu)是、電子結(jié)構(gòu)是3d3d層電子數(shù)；層電子數(shù)；2 2、原子半徑是配位數(shù)、原子半徑是配位數(shù)1212的數(shù)值的數(shù)值 2022年10月11日 合金元素的固溶規(guī)律，合金元素的固溶規(guī)律，即即Hume-Rothery規(guī)律：規(guī)律：決定組元在置換固溶體中的溶解決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是度因素是點陣結(jié)構(gòu)點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑原子半徑和和電電子因素子因素，無限固溶必須使這些因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似相同或相似.2022年10月11日（1）Ni、Mn、Co與與-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子的點陣結(jié)構(gòu)、原子 半徑和電子結(jié)構(gòu)相似半徑和電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；無限固溶；（2）Cr、V與與-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和 電子結(jié)構(gòu)相似電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；無限固溶；（3）Cu和和-Fe點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大但電子結(jié)構(gòu)差別大有限固溶；有限固溶；（4）原子半徑對溶解度影響：）原子半徑對溶解度影響：R8%，可以形成無限固溶；可以形成無限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶；15%，溶解度極小。，溶解度極小。結(jié)結(jié)論論2022年10月11日 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶劑金屬點陣結(jié)構(gòu)溶劑金屬點陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不：同一溶劑金屬不 同點陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的同點陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的 如如-Fe與與-Fe。溶質(zhì)原子大小溶質(zhì)原子大小：r，溶解度，溶解度。N溶解度比溶解度比C大大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。間隙位置間隙位置 優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置 畸變?yōu)樽钚　；優(yōu)樽钚?。間隙位置總是沒有被填滿間隙位置總是沒有被填滿 最小自由能原理。最小自由能原理。1.2.2間隙固溶體間隙固溶體2022年10月11日1.2.3.形成強化相（化合物相）形成強化相（化合物相）一、鋼中常見的碳化物一、鋼中常見的碳化物 K類型、大小、形狀和分布對鋼的性能類型、大小、形狀和分布對鋼的性能有很重要的作用。有很重要的作用。非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由強到弱排列）（由強到弱排列）2022年10月11日鋼中常見的鋼中常見的K類型有：類型有：M3C：滲碳體，正交點陣；滲碳體，正交點陣；M7C3：例例Cr7C3，復(fù)雜六方，復(fù)雜六方；M23C6：例例Cr23C6，復(fù)雜立方，復(fù)雜立方；M2C：例例Mo2C、W2C，密排六方，密排六方；MC：例例VC、TiC，簡單面心立方點陣，簡單面心立方點陣；M6C：不是一種金屬不是一種金屬K。復(fù)雜六方點陣。復(fù)雜六方點陣。K也有空位存在也有空位存在；可形成復(fù)合；可形成復(fù)合K,如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 2022年10月11日 復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)：M23C6、M7C3、M3C。特點：硬度特點：硬度、熔點較低，穩(wěn)定性較差；熔點較低，穩(wěn)定性較差；簡單點陣結(jié)構(gòu)簡單點陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。又稱間隙相。特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。M6C型型不屬于金屬型的碳化物不屬于金屬型的碳化物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)，性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。2022年10月11日1 1、K K類型類型 K K類型與類型與MeMe的原子半徑有關(guān)的原子半徑有關(guān)。各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下：Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 二、二、K K形成的一般規(guī)律形成的一般規(guī)律2022年10月11日 rc/rMe 0.59 復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K；rc/rMe 0.59 簡單結(jié)構(gòu)相，如簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型。Me量少時，形成復(fù)合量少時，形成復(fù)合K，如（，如（Cr,M）23C6型型。2022年10月11日2 2、相似者相溶相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。如如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiC VC。有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合都能溶解其它元素，形成復(fù)合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等.最大值為最大值為 20%Cr，2%W，400，Me開始開始重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基體中，形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進形成元素逐步進入析出的入析出的K中，其程度決定于回火溫度和時間。中，其程度決定于回火溫度和時間。2022年10月11日思考題1.合金元素對相變臨界成分點如何影響？合金對相變臨界溫度點有何影響？2.合金元素在鋼中有哪5種存在方式？3.碳化物有哪3種形式？2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的偏聚合金元素在鋼中的偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計2022年10月11日偏聚偏聚現(xiàn)象現(xiàn)象 Me偏聚偏聚 缺陷處缺陷處C 基體平均基體平均C 這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。偏聚現(xiàn)象對鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，偏聚現(xiàn)象對鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，如晶界擴散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等如晶界擴散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等都與此有關(guān)都與此有關(guān).Me+：溶質(zhì)原子在刃型位錯處吸附，形成柯氏氣團；：溶質(zhì)原子在刃型位錯處吸附，形成柯氏氣團；Me+：溶質(zhì)原子在層錯處吸附形成鈴木氣團；：溶質(zhì)原子在層錯處吸附形成鈴木氣團；Me+：溶質(zhì)原子在螺位錯吸附形成：溶質(zhì)原子在螺位錯吸附形成Snoek氣團氣團.1.3 1.3 合金元素在鋼中的偏聚合金元素在鋼中的偏聚4 42022年10月11日 B的偏聚有利于改善晶界強度的偏聚有利于改善晶界強度，抑制其他元素偏聚；，抑制其他元素偏聚；微量微量B在晶界吸附時，抑制在晶界吸附時，抑制F形核，使形核，使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移。轉(zhuǎn)變曲線右移。從而增加奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼淬透性。從而增加奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼淬透性。但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。MoMo使使使使F+PF+P轉(zhuǎn)變曲線右移，轉(zhuǎn)變曲線右移，轉(zhuǎn)變曲線右移，轉(zhuǎn)變曲線右移，0.5%Mo+0.5%Mo+微量微量B B鋼正火時則可以得到貝氏體組織。鋼正火時則可以得到貝氏體組織。2022年10月11日偏聚偏聚機理機理 溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原 子容易存在；子容易存在；能量學(xué)能量學(xué)：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能，符合自然界最小自由能原理。（在沒有強制外符合自然界最小自由能原理。（在沒有強制外 力作用下，事物總是朝著能量力作用下，事物總是朝著能量的方向發(fā)生。的方向發(fā)生。即使暫時不發(fā)生，也存在潛在的趨勢。即使暫時不發(fā)生，也存在潛在的趨勢。熱力學(xué)熱力學(xué)：該過程是自發(fā)進行的，其驅(qū)動力是溶質(zhì)：該過程是自發(fā)進行的，其驅(qū)動力是溶質(zhì) 原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。2022年10月11日影響影響因素因素 缺陷處缺陷處溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度 溫度溫度T：T，內(nèi)吸附強烈；，內(nèi)吸附強烈；時間時間t：偏聚：偏聚需要需要原子擴散原子擴散需要一定時間需要一定時間；缺陷本身：缺陷越混亂，缺陷本身：缺陷越混亂，E，吸附也越強烈，吸附也越強烈;其它元素：其它元素：間接作用間接作用:優(yōu)先吸附問題，優(yōu)先吸附問題，BC 直接作用直接作用:影響吸附元素影響吸附元素Dp；MnDP，使，使P擴散加快，促進了鋼的回火脆性；擴散加快，促進了鋼的回火脆性；Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。點陣類型：點陣類型：bcc點陣內(nèi)吸附較點陣內(nèi)吸附較fcc強烈強烈2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計2022年10月11日1.4合金元素對鋼相變的影響合金元素對鋼相變的影響1.4.1、合金鋼的加熱、合金鋼的加熱A化化1.4.2、合金鋼過冷、合金鋼過冷A體的分解體的分解1.4.3、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變2022年10月11日1、K在在A中的溶解規(guī)律中的溶解規(guī)律 基基本本規(guī)規(guī)律律 1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越?。环€(wěn)定性越好，溶解度就越小；2）溫度）溫度，溶解度，溶解度，彌散強化；彌散強化；3）K穩(wěn)定差的先溶解穩(wěn)定差的先溶解;4）A中有弱中有弱K形成元素，則會形成元素，則會C 活度活度ac，K的溶解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）則相）則相 反反,ac，K的溶解。如：較多的溶解。如：較多Mn的存在的存在 使使VC的溶解溫度從的溶解溫度從1100降至降至900。1.4.1合金鋼的加熱奧氏體化合金鋼的加熱奧氏體化2022年10月11日 圖1-9碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系 2022年10月11日2 2、A體均勻化體均勻化 A體剛形成時，體剛形成時，C和和Me的分布是不均勻的的分布是不均勻的.合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別?3 3、A體晶粒長大體晶粒長大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒長大；晶粒長大；2）C、N、B晶粒長大；晶粒長大；3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大。2022年10月11日1.4.2合金元素對過冷合金元素對過冷分解的影響分解的影響 過冷過冷A A體穩(wěn)定性實際上有兩個意義：孕育期和體穩(wěn)定性實際上有兩個意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持，大致保持 C鋼的鋼的“C”線形狀，使線形狀，使 “C”線向右作不同程度的移動；線向右作不同程度的移動；2）Co不改變不改變“C”線，但使線，但使“C”線左移；線左移；3）K形成元素，使形成元素，使“C”線右移，且改變形狀。線右移，且改變形狀。Me不同作用，使不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)不同形狀，大致曲線出現(xiàn)不同形狀，大致 有五種。有五種。2022年10月11日圖圖1-101-10“C C”曲線五種形狀曲線五種形狀2022年10月11日 圖1-11常用合金元素對奧氏常用合金元素對奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響 (上左上左)強強K形成元素形成元素 (上右上右)中、弱中、弱K形成元素形成元素 (下左下左)非非K形成元素形成元素 2022年10月11日主要是對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響，即主要是對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響，即Ms和和Mf點的點的影響影響Ms=538-474C-33Mn-17Cr-17Ni-11Si-21Mo-11W。每每1%合金含量引起馬氏體溫度下降值合金含量引起馬氏體溫度下降值除除Co，Al外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，均使均使Ms點下降，增加殘余奧氏體的含量，其中點下降，增加殘余奧氏體的含量，其中C的影響最強烈。的影響最強烈。順序：順序：C，Mn，Mo，Cr，Ni，Si，W2022年10月11日含含 碳碳 量量 對對 馬馬 氏體轉(zhuǎn)氏體轉(zhuǎn) 變變 溫溫 度度 的的 影響影響含碳含碳 量對殘余奧氏量對殘余奧氏體體 量的影響量的影響圖圖1-12含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫含碳量對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響度的影響圖圖1-13含碳量對殘余奧氏體量含碳量對殘余奧氏體量的影響的影響2022年10月11日圖圖1-14合金元素對合金元素對1.0%C碳碳鋼鋼Ms點的影響點的影響圖圖1-15合金元素對合金元素對1.0%C碳鋼碳鋼1150 淬火后殘余奧氏體含量的影響淬火后殘余奧氏體含量的影響 2022年10月11日思考題：思考題：W、Mo等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變等元素對貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對珠光體轉(zhuǎn)變的推影響不大，而對珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解遲作用大，如何理解?對一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計時，對一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計時，要考慮其要考慮其MS點不能太低，為什么點不能太低，為什么?2022年10月11日1.4.3.合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響變的影響回火穩(wěn)定性：淬火鋼對回火過程中發(fā)生的各種軟化傾向（如馬氏體的分解，殘余奧氏體分解、碳化物的析出與鐵素體的再結(jié)晶）的抵抗能力。合金鋼回火穩(wěn)定性優(yōu)于碳素鋼，因此回火溫度可高，時間可長?；鼗疬^程回火過程馬氏體的分解馬氏體的分解殘余奧氏體的分解殘余奧氏體的分解碳化物的形成、聚集和長大碳化物的形成、聚集和長大Fe的回復(fù)和再結(jié)晶的回復(fù)和再結(jié)晶 鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：同，淬火組織會發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：2022年10月11日1、M分解分解低溫回火：低溫回火：C和和Me擴散較困難，擴散較困難，Me影響不大影響不大 中溫以上：中溫以上：Me活動能力增強，對活動能力增強，對M分解產(chǎn)生不分解產(chǎn)生不同程度影響同程度影響:1）Ni、Mn的影響很?。坏挠绊懞苄?；2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度與它們分解，其程度與它們與與C的親和力大小有關(guān)。這些的親和力大小有關(guān)。這些Meac，阻止了，阻止了滲碳體的析出長大；滲碳體的析出長大；2022年10月11日 3）Si比較特殊：比較特殊：Fe和和C的的結(jié)合力結(jié)合力 ,a,ac c-FeXC的形核、長大的形核、長大Si能溶于能溶于，不溶于，不溶于Fe3C，Si要從要從中出去中出去 Fe3C 效果效果:含含2%Si能使能使M分解溫度從分解溫度從260提高到提高到350以上以上2022年10月11日基基本本規(guī)規(guī)律律 滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)；滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)；含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 鋼（線鋼（線2 2）和）和C C鋼（線鋼（線1 1）規(guī)律相同；）規(guī)律相同；在相同回火溫度在相同回火溫度T1下，合金鋼馬氏體中含下，合金鋼馬氏體中含 C量要比量要比C鋼的高，如圖中的鋼的高，如圖中的C3 C1，2；不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物 的溫度的溫度TK是不同的，線是不同的，線3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。4 4）合金鋼回火時）合金鋼回火時M M中含中含C C量變化規(guī)律量變化規(guī)律5 52022年10月11日低溫低溫Tc 以下（以下（150200）回火時，由于溫）回火時，由于溫度低，不僅合金元素擴散度低，不僅合金元素擴散困難，連困難，連C擴散也困難，擴散也困難，只能發(fā)生偏聚和短距離擴只能發(fā)生偏聚和短距離擴散，沉淀析出與散，沉淀析出與相保持相保持共格的共格的碳化物。合金元碳化物。合金元素仍均勻分布在素仍均勻分布在相和相和碳碳化物中不作重新分配。所化物中不作重新分配。所以以合金元素對馬氏體分解合金元素對馬氏體分解影響不大影響不大。圖圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化回火馬氏體中碳含量的變化2022年10月11日溫度升高到溫度升高到TCTk，碳元素活動能力增加，碳鋼含碳量顯，碳元素活動能力增加，碳鋼含碳量顯著降低，而由于合金元素對著降低，而由于合金元素對M分解的阻礙作用較大，結(jié)果分解的阻礙作用較大，結(jié)果合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線3）。溫度高于。溫度高于Tk后后合金鋼的合金元素擴散能力顯著增加，二者差距縮小。合金鋼的合金元素擴散能力顯著增加，二者差距縮小。碳化物形成元素強烈碳化物形成元素強烈阻礙馬氏體分解和碳化物析出長大，推遲推遲C從從M中析出，使得：含碳化物形成元素的鋼中中析出，使得：含碳化物形成元素的鋼中C從從M中析出的溫度從一般碳鋼中析出的溫度從一般碳鋼250300提高到提高到400500，有時即使到，有時即使到550或更高溫度也難以使或更高溫度也難以使C完全從完全從相中析相中析出，表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。出，表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。圖圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化回火馬氏體中碳含量的變化2022年10月11日 中、高碳鋼（C0.5）及合金鋼淬火后，組織都有殘余，特別是合金元素量大時，更是如此。殘余殘余在高于在高于200開始分解，于開始分解，于300完成。合完成。合金元素一般使殘金元素一般使殘的分解溫度升高。其中的分解溫度升高。其中Cr，Mn，Si作用最大。作用最大。高合金鋼合金元素比較多，殘余高合金鋼合金元素比較多，殘余穩(wěn)定性更大，穩(wěn)定性更大，所以回火溫度一般在所以回火溫度一般在500600，盡管回火溫度，盡管回火溫度比較高，殘余比較高，殘余也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時高合也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時高合金鋼為了消除殘金鋼為了消除殘，往往需要二次或更多次的，往往需要二次或更多次的高溫回火或深冷處理消除。2.對殘余奧氏體分解的影響對殘余奧氏體分解的影響2022年10月11日 高合金鋼在500600回火過程中，從殘回火過程中，從殘中析中析出碳化物，使得殘出碳化物，使得殘中中C和合金元素含量下降，和合金元素含量下降，使得使得Ms點升高，并達到室溫以上，因而在點升高，并達到室溫以上，因而在冷卻冷卻過程中，殘余過程中，殘余會轉(zhuǎn)變成會轉(zhuǎn)變成M，而使鋼回火后的硬，而使鋼回火后的硬度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為“二次淬火二次淬火”（如高速鋼的回火）。（如高速鋼的回火）。硬度升高原因，一方面殘余硬度升高原因，一方面殘余在冷卻過程中轉(zhuǎn)變在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體，另一方面在回火時將產(chǎn)生合金碳化物成馬氏體，另一方面在回火時將產(chǎn)生合金碳化物的沉淀硬化，所以有時將后者稱為的沉淀硬化，所以有時將后者稱為“二次硬化二次硬化”。2022年10月11日3.對回火過程中碳化物析出的影響對回火過程中碳化物析出的影響 各元素明顯開始擴散的溫度為：各元素明顯開始擴散的溫度為：Me Si Mn Cr Mo W V T,300 350 400500 500 500550 1）K長大長大 聚集溫度：聚集溫度：M3C型，型，350 400；其它；其它K，450 600；2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 -FeXC Fe3C M3C 亞穩(wěn)特殊亞穩(wěn)特殊K特殊特殊K T,500 能否形成特殊能否形成特殊K，取決于，取決于:Me性質(zhì)、性質(zhì)、NM/NC比值；比值；T和和t。2022年10月11日 圖1-17釩鋼（釩鋼（0.3C,2.1V）在）在1250淬火不同溫度淬火不同溫度回火回火2h，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化 2022年10月11日3）特殊）特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 +M3C MXCY (M7C3,M23C6)異位析出異位析出：M P+M3C 0+MXCY (MC,M2C)特殊特殊K析出析出 二次硬化，異位直接析出二次硬化，異位直接析出 貢獻最大貢獻最大 2022年10月11日4 4、回火脆性、回火脆性 1)第第1類回火脆性類回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆；與回火后冷速無關(guān)；與回火后冷速無關(guān)；晶界脆斷。晶界脆斷。產(chǎn)生產(chǎn)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；雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界；等偏聚晶界；晶界強度。晶界強度。Mn、Cr脆性；脆性；Si 脆性溫度區(qū)；脆性溫度區(qū)；V、Al、Mo等改善脆性。等改善脆性。2022年10月11日 2)2)第第2 2類回火脆性類回火脆性 脆性脆性特征特征 可逆；可逆；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；晶界脆斷。晶界脆斷。產(chǎn)生產(chǎn)生原因原因 雜質(zhì)雜質(zhì)Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界；形成網(wǎng)狀或片狀化合物形成網(wǎng)狀或片狀化合物,晶界強度。晶界強度。高于回脆溫度，雜質(zhì)擴散離開晶界或化高于回脆溫度，雜質(zhì)擴散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素擴散。合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素擴散。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑；等是脆化劑；Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進劑；與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進劑；Cr促進其它元素偏聚，助偏劑；促進其它元素偏聚，助偏劑；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑抑制其它元素偏聚，清除劑2022年10月11日圖圖1-19 回火后冷速對回火后冷速對30CrMnSi 鋼沖擊韌度的影響鋼沖擊韌度的影響圖圖1-18 37CrNi3鋼回火時鋼回火時硬度與沖擊韌度的變化硬度與沖擊韌度的變化2022年10月11日偏聚元素（產(chǎn)生脆偏聚元素（產(chǎn)生脆性的元素）：性的元素）：H，N，O，P，Si，S，As，Sn，Bi等；等；對偏聚起促進作用對偏聚起促進作用（本身也偏聚）：（本身也偏聚）：Mn，Ni本身不偏聚，但促本身不偏聚，但促進別的元素偏聚：進別的元素偏聚：Cr抑制偏聚：抑制偏聚：Mo、Ti表表1-1周期表中各種元素對第二類回周期表中各種元素對第二類回火脆性的作用火脆性的作用族周期A B BBB A A A1H2CNO3SiPS4TiCrMnNiGeAsSe5MoSnSbTe6Bi備注：備注：Fe Co Ni 同為同為B元素2022年10月11日避免高溫回火脆性，回火后快冷，一般小回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過大時，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生；大時，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生；加入合金元素加入合金元素Mo、W以抑制第二類回火以抑制第二類回火脆性；脆性；提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。素的含量。采用高純凈鋼、細晶粒鋼或經(jīng)細化晶粒的預(yù)備熱處理3)防止合金鋼中第二類回火脆性的方法防止合金鋼中第二類回火脆性的方法2022年10月11日Me對相圖的影響對相圖的影響 Me與與C的作用的作用 Me在材料處理各過在材料處理各過程中的行為表現(xiàn)程中的行為表現(xiàn) 加熱加熱 冷卻冷卻 回火回火溫溫度度 時間時間 一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律;另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響在各過程中的作用和影響.為理解為理解Me的作用的作用 要了解鋼的基本強化機理要了解鋼的基本強化機理.2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響1.6 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計2022年10月11日1.5 合金元素對鋼強韌化的影響合金元素對鋼強韌化的影響強化本質(zhì)：強化本質(zhì)：各種強化途徑各種強化途徑塑變抗力塑變抗力位錯運動阻力位錯運動阻力 鋼強度鋼強度 畸變應(yīng)力場；畸變應(yīng)力場；位錯密度；位錯密度；位錯塞積；位錯塞積；釘扎位錯。釘扎位錯。固溶強化；固溶強化；位錯強化；位錯強化；細晶強化；細晶強化；彌散強化。彌散強化。2022年10月11日1.5.1 鋼強化的形式及其機理鋼強化的形式及其機理1.5.1.1合金元素的固溶強化合金元素的固溶強化表達式表達式 對于對于C、N等間隙原子，等間隙原子，n=0.332.0；對于對于Mo、Si、Mn等置換式原子：等置換式原子：n=0.51.0 機理機理效果效果提高強度，降低塑韌性提高強度，降低塑韌性 原子固溶原子固溶 晶格發(fā)生畸變晶格發(fā)生畸變 產(chǎn)生產(chǎn)生彈性彈性應(yīng)力場應(yīng)力場，與位錯交互作用，與位錯交互作用位錯運動阻力位錯運動阻力2022年10月11日 圖1-20 合金元素對低碳鐵素體強度和塑性的影響合金元素對低碳鐵素體強度和塑性的影響 Si、Mn的固溶強化效應(yīng)大，但的固溶強化效應(yīng)大，但Si 1.1%，Mn 1.8%時，時，鋼的塑韌性將有較大的下降。鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強化效應(yīng)最大。固溶強化效應(yīng)最大。2022年10月11日 圖1-21合金元素對合金元素對Cr18Ni9型不銹鋼的強化效應(yīng)型不銹鋼的強化效應(yīng)(R.P.Reed.JOM.(1989):16)2022年10月11日1.5.1.2位錯強化位錯強化表達式表達式 機理機理 位錯密度位錯密度 位錯交割、纏結(jié)位錯交割、纏結(jié)，有效地阻止了位錯運動有效地阻止了位錯運動 鋼強度。鋼強度。對對bcc晶體，位錯強化效果較好晶體，位錯強化效果較好?效果效果 在強化的同時，同樣也降低了伸長在強化的同時，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK2022年10月11日1.5.1.3 細晶強化細晶強化表達式表達式機理機理 晶粒越細晶粒越細 晶界、亞晶界越多晶界、亞晶界越多 有效有效阻止位錯運動，產(chǎn)生阻止位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積強化位錯塞積強化。效果效果 鋼的強度，又鋼的強度，又塑性和韌度塑性和韌度這是最理想的強化途徑這是最理想的強化途徑.著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d為晶粒直徑，為晶粒直徑，KG為系數(shù)為系數(shù)2022年10月11日 圖1-22 晶界處位錯塞積現(xiàn)象晶界處位錯塞積現(xiàn)象2022年10月11日1.5.1.4第二相強化第二相強化表達式表達式機理機理 微粒第二相微粒第二相釘扎釘扎位錯運動位錯運動強化效果強化效果 主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主要是繞過機制。要是繞過機制。兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，淬火時殘留第二相強化。淬火時殘留第二相強化。效果效果有效提高強度，但稍降低塑韌性。有效提高強度，但稍降低塑韌性。2022年10月11日1.沉淀強化（位錯切過第二相粒子）沉淀強化（位錯切過第二相粒子）第二相粒子的特點是第二相粒子的特點是可變形可變形，并與，并與母相具有共格母相具有共格關(guān)系，這種強化方式與淬火時效密切相關(guān)，故有關(guān)系，這種強化方式與淬火時效密切相關(guān)，故有沉淀強化沉淀強化之稱。之稱。沉淀強化沉淀強化的基本途徑是合金化加淬火時效。合的基本途徑是合金化加淬火時效。合金化的目的是為造成理想的沉淀相提供成分條件。金化的目的是為造成理想的沉淀相提供成分條件。例如在馬氏體時效鋼中加入例如在馬氏體時效鋼中加入Ti和和Mo，形成，形成NiTi、Ni3Mo理想的強化相，以獲得良好的沉淀強化理想的強化相，以獲得良好的沉淀強化效果。效果。2022年10月11日（b）Al-Li合金中位錯切割合金中位錯切割A(yù)l3Li相的電鏡照片相的電鏡照片（a）位錯切割第二相粒子的機制）位錯切割第二相粒子的機制可變形微粒的強化作用（位錯切過機制）可變形微粒的強化作用（位錯切過機制）圖圖1-23位錯切過強化顆粒示意位錯切過強化顆粒示意2022年10月11日 第二相粒子第二相粒子不參與變形不參與變形不參與變形不參與變形，與基體有，與基體有非共格非共格非共格非共格關(guān)關(guān)系。當(dāng)位錯遇到第二相粒子時，只能繞過并系。當(dāng)位錯遇到第二相粒子時，只能繞過并留下位錯環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不留下位錯環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不溶于基體，故有溶于基體，故有彌散強化彌散強化之稱。之稱。位錯繞過第二相粒子這一過程要消耗額位錯繞過第二相粒子這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成強化。強化。2.彌散強化（位錯繞過第二相粒子）彌散強化（位錯繞過第二相粒子）彌散強化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到彌散強化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到通過時效方式得到通過時效方式得到2022年10月11日不可變形微粒的強化作用不可變形微粒的強化作用奧羅萬機制（位錯繞過機制）奧羅萬機制（位錯繞過機制）（a）位錯繞過第二相粒子的機制）位錯繞過第二相粒子的機制（b）Ni合金中位錯繞過合金中位錯繞過Ni3Ai相的電鏡照片相的電鏡照片圖圖1-24位錯繞過強化顆粒示意位錯繞過強化顆粒示意2022年10月11日 第二相粒子的大小，數(shù)量，分布，性第二相粒子的大小，數(shù)量，分布，性能都影響強化效果能都影響強化效果（1）第二相的間距越小強化效果越好；）第二相的間距越小強化效果越好；（2）第二相彌散度越大強化效果越好；）第二相彌散度越大強化效果越好；（3）第二相粒子體積分數(shù)越大強化效果越好）第二相粒子體積分數(shù)越大強化效果越好 沉淀強化效果大于彌散強化沉淀強化效果大于彌散強化 3.第二相強化的影響因素第二相強化的影響因素 鋼強度表達式鋼強度表達式2022年10月11日圖圖1-25在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強化效果示意圖在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強化效果示意圖2022年10月11日1.5.2合金鋼強化的有效性合金鋼強化的有效性最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結(jié)果。最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結(jié)果。1 1、強化的有效性、強化的有效性 圖圖1-26強化和弱化的演變強化和弱化的演變1-M分解分解2-彌散析出彌散析出3-綜合效應(yīng)綜合效應(yīng)強化強化:彌散析出彌散析出RPH|-RS|弱化弱化:M分解分解RPH|-RS|RsRPH2022年10月11日2、Me對強化有效性的影響對強化有效性的影響 強化有效性取決于形成彌散相的強化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。及其量。Me量量 彌散相量彌散相量(有足夠的有足夠的C)二次硬化二次硬化 例：含例：含0.10.15%C鋼，鋼，需需0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr強化強化 弱化弱化Me最小濃度最小濃度臨界值臨界值K類型類型含含C量量2022年10月11日圖圖1-27V含量對含量對40鋼回火硬度的作用鋼回火硬度的作用不同含不同含C量量的的V鋼，如鋼，如產(chǎn)生二次硬產(chǎn)生二次硬化，化，V的臨的臨界濃度是不界濃度是不同的同的，為什為什么么?2022年10月11日 對結(jié)構(gòu)鋼，細晶強化和沉淀強化貢對結(jié)構(gòu)鋼，細晶強化和沉淀強化貢獻最大。合金鋼與獻最大。合金鋼與C C鋼的強韌性差異，鋼的強韌性差異，主要不在于主要不在于MeMe本身的強化作用，而在于本身的強化作用，而在于MeMe對鋼相變過程的影響，并且對鋼相變過程的影響，并且MeMe的良好的良好作用，只有在進行合適的熱處理條件下作用，只有在進行合適的熱處理條件下才能充分得到發(fā)揮。才能充分得到發(fā)揮。需要充分理解需要充分理解2022年10月11日 1.5.3合金元素對鋼韌性的影響合金元素對鋼韌性的影響1、影響韌性的因素影響韌性的因素強化強化因素因素 一般情況，鋼強度一般情況，鋼強度塑韌塑韌,稱為稱為強韌強韌性轉(zhuǎn)變矛盾性轉(zhuǎn)變矛盾。除細化組織強化外，其它強。除細化組織強化外，其它強化因素都會程度不同地化因素都會程度不同地韌性。韌性。危害最大是間隙固溶；危害最大是間隙固溶；沉淀強化較小沉淀強化較小,但對強化貢獻較大。但對強化貢獻較大。合金合金元素元素 Ni韌性韌性；Mn在少量時也有效果；其它在少量時也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韌性韌性2022年10月11日晶粒晶粒度度 細晶既細晶既S，又，又TK,即即 韌性韌性 最佳組織因素。最佳組織因素。第二第二相相 K韌性。韌性。K 小、勻、圓、適量小、勻、圓、適量 工藝努力方向。工藝努力方向。雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)雜質(zhì)2022年10月11日圖圖1-28合金元素對鐵素體沖擊韌度的影響合金元素對鐵素體沖擊韌度的影響圖圖1-29回火溫度和鋼強化機制的關(guān)系回火溫度和鋼強化機制的關(guān)系2022年10月11日圖圖1-31晶粒大小對強度韌度的影響晶粒大小對強度韌度的影響圖圖1-30組織因素對組織因素對Tk的影響的影響2022年10月11日圖圖1-32 20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能2022年10月11日2 2、提高鋼韌度的合金化途徑、提高鋼韌度的合金化途徑 1）細化晶粒、組織）細化晶粒、組織 如如Ti、V、Mo；2）回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性 如強如強K形成元素形成元素；3）改善基體韌度）改善基體韌度 Ni；4）細化）細化K 適量適量Cr、V，使，使K小而勻小而勻；5）回脆回脆 W、Mo；6）在保證強度水平下，適當(dāng)）在保證強度水平下，適當(dāng)含含C量量.7）冶金質(zhì)量。冶金質(zhì)量。2022年10月11日思考題：思考題：鋼中可能的性能主要矛盾鋼中可能的性能主要矛盾是什么是什么?有些零件為什么要有些零件為什么要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)正火態(tài)?2022年10月11日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金