1、金属材料学习总结第一章钢铁中的合金元素 普通碳素结构钢（5个强度等级）Q195 Q215含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、 钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件Q235A Q255A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Q235B Q255B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Q235C Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255 Q275强度较高，其中 Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。优质碳素结构钢（31个钢号）。常用见下列表08F钢碳的质量分数低、塑性
2、好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件1025等钢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、摩擦片、水泥钉等。45等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能。可用于如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械 零件咼碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的弹性极限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、铁锹、钢丝绳等。碳素工具钢T7、T8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、低温 回火后的硬度为4854HRC（工作部分）；T9、
3、T10、T11 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、手锯条等，淬火、低温回 火后的硬度为6062HRCT10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负何不大的冷作模具、量具；T12、 T13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，淬火、 低温回火后的硬度为 6265 HRC。T12A也可用于制造量具。T7T12、T7AT12A还可用于形状简单的塑料模具。般工程用铸造碳素钢ZG340-640其他类型的铸钢件焊接结构用碳素铸钢件如 ZG230-450H低合金铸钢件如 ZGD535-720耐热铸钢件如 ZG40Cr30Ni20不锈耐酸钢铸件如 Z
4、G1Cr18Ni9Ti中、咼强度不锈钢铸件如 ZG10Cr13Ni1Mo1.2钢的合金化原理1.合金元素的存在形式形成铁基固溶体形成铁基置换固 溶体与Fe形成无限固溶体： Ni、Co、Mn Cr、V形成较宽溶解度的有限固溶体： Mo和W形成具有较窄溶解度的有限固溶体： Ti、Nb TaZr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度形成铁基间隙固 溶体间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按 B C N、OH的顺序而增加形成合金渗碳体过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W Mo Cr、Mn Fe形成金属间化合物分为正常价化
5、合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。形成非金属相（非碳化合物）钢中的非金属相有： FeO MnO TiO2、Si02、AI2O3、Cr2O3 MgO AI2O3、MnO AI2O3、MnS FeS、2MnO SiO2、CaO- SiO2 等。非金属夹杂物一般都是有害的非晶体相在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。2.合金元素与铁的相互作用丫相稳定化兀素开启丫相区（无限扩大丫相区）Mn Ni、Co,扩展丫相区（有限扩大丫相区）C、N Cu、Zn、Aua相稳定化元素封闭丫相区（无限扩大a相区） 含Cr量小于7%寸，A3下降；Si、Al和强
6、碳化物形成兀素 Cr、W Mo V、Ti及P、Be等 含Cr量大于7%寸，A3才上升。缩小丫相区（不能使丫相区封闭）：B、Nb Zr、Ta等3.合金元素与碳的相互作用形成碳化物碳化物形成兀素： Fe、Mn Cr、W Mo V、Nb Ti、Zr,均位于Fe的左侧:非碳化物形成兀素： Ni、Si、Co Al、Cu、N P、S。均处于周期表 Fe的右侧Me对C在A中的扩 散激活能和扩散系 数的影响碳化物形成兀素：降低 C的活度，提高了 C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数 下降:非碳化物形成兀素：降低了 C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高Si例外：升高扩散激活能，降低扩散系
7、数4.Me对丫层错能的影响层错能越低，位错的形成和扩展越容易，滑移越困难，加工硬化趋势越大、 提高丫层错能：Ni、Cu和C,易于变形加工降低丫层错能：Mn Cr、Ru和Ir，难变形加工5.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响丫相区扩大丫 相区：Ni, Co, Mn etc如: 1Cr18Ni9 and ZGMn 13（高锰耐磨钢等）缩小如：丫 相区:Cr, W, Mo, V, Ti, Si etc1Cr17Ti（高铬铁素体不锈钢）温度扩大丫相区的兀素使铁碳合金相图的共析转变温度下降共析点S缩小丫相区的兀素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。成分几乎所有合金兀素都使 S点左移，以强碳化物形成兀素的作
8、用最为强烈。共晶点 E的碳含量也随合金元素增加而左移6.合金元素对钢的热处理的影响奥 氏 体 化奥氏体形核和 长大阶段碳化物形成兀素：Cr, Mo, W , V妨碍C扩散，减慢奥氏体长大非碳化物形成兀素：Co Ni提高C在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。 Si, Al , Mn对C在奥氏体中的扩散速度影响不大碳化物的分解视碳化物的稳定性奥氏体成分均匀化C, Me的扩散。Me扩散缓慢奥氏体晶粒长大 倾向强烈阻止：Ti, V, Zr, Nb 宀 MCAI 宀 AIN, AI2O3作用中等：W, Mo, Cr作用轻微：Ni, Si, Cu, Co有助长大：Mn, P, B （ Mn钢有强烈
9、过热倾向，注意加热温度和时间）过 冷 奥 氏 体 分 解高温P转变使C曲线右移，提咼钢的淬透性（ Me淬火加热溶入 A才有效）：除Co外。提高钢的淬透性采用多元少量合金化原则推迟P转变，可在连续冷却的过程中得到 B组织的钢Me的加入对钢有固溶强化中温B转变降低Bs,使B和P转变温度间出现过冷 A的中温稳定区：C, Mn, Ni, Cr, Mo,V, Ti改变B转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度： C, Si, Mn, Ni, Ni,Cr作用较强，W,Mo,V,Ti作用较小低温M转变使Ms, Mf下降，室温下将保留更多的残留奥氏体量：除 Co, Al降低残留奥氏体含量的方法： 1淬火后
10、在负温下继续冷却 2多次回火，使合金碳化物析出，A中Me量减少，Ms Mf点升高，在二次淬火时即可减少残奥量M形态结 构Ms点高，滑移的临界分切应力低，形成位错亚结构的 MMs点低，孪生分切应力低，形成孪晶亚结构的 M7.Me对淬火钢回火转变的影响提高回火稳定性，即提高软化抵抗力，使各阶段转变速度大大减慢，将其推向更高温度。第二章 工程构件用合金结构钢特性服役静载荷，无相对运动特性一定温度和环境，耐高温和低温，抗腐蚀。如：锅炉 250度，北方承受低温，船舶桥梁受大气海水腐蚀力学高弹性模量，保证好的刚度性能高屈服，断裂极限，保证好的抗塑性变形和抗断裂的能力低裂纹敏感性，低冷脆性加工好的冷变形性能
11、性能好的焊接性能成份C%=0.25%设计Me提高强度：低合金钢(如低合金高强度钢，微合金钢)以F为基分布着少量 P;高合金钢为B,针状F或M供货状态大多数经轧制后空冷，有时也回火处理1低合金高强度钢(1)成份表丿元糸作用C%b于 0.2wt.%具有良好的塑性和韧性，良好的焊接性能主要兀素：Mn细化P和F晶粒1-15%Mn促进F多系滑移(有时考虑经济因素抑制Fe3C在晶界析出，减少裂纹源，提高冲击韧性使用Cr和Ni)使S点左移，增加P含量,提高强度辅加兀素： Al、V、Ti、Nb析出强化，细化晶粒，提高韧性Cu P增强在大气中的耐腐蚀性.1.Cu在钢表面聚集，正电位，阳极,形成钝化Cr Ni膜2
12、.P固溶,提高耐腐蚀性3.Ni Cr形成钝化膜稀有兀素脱S,除气,改善微观组织和杂质分布，提高机械使用性能2.微合金钢(1)成份丿元素作用Ti,V,Nb抑制A晶粒的长大阻止A在变形过程中再结晶析出强化具有F-P的低合金和微合金钢的屈服强度达 460MP相变强化能提高强度和韧性 ，如低碳B,低碳S,低碳M(2)主要强化机制：细晶强化，析出强化3低碳B(1)力学性能：与F-P相比,有更高的强度和韧性，屈服强度可达 490 780MP成份丿元素作用主加Mo,B显著推迟F和P的形成，对B相变的推迟作用较小Mn ,Cr,Ni进一步推迟先共析 F和P的形成并降低BsNb,V,Ti细化晶粒，沉淀强化(3)典
13、型钢种及热处理14MnMoV, 14MnMoVBRe屈服强度达490MP用于容器和其他部件的制造钢板厚度14mm热轧。钢板厚度14mm正火+高温回火14MnMoVBR在焊前必须预热至 150 C .4.针状F(1)显微结构低碳或超低碳针状 F (属于B),相变在上B转变温度区域，为板条状，有高密度位错(2)典型钢种Mn-Mo-Nb(3) 性能：屈服强度470MPa,延伸率20%,室温冲击功 80J，好的低温韧性，好的焊接性能，对 H2S有好的 抗腐蚀性能。(4)成分儿素作用CW 0.10%低碳含量形成NbC沉淀，增强韧性Mn 1.6-2.0%推迟F和P的形成，降低Bs点，使针状F的形成温度降到
14、450C,属固溶兀素Mo 0.2-0.6%:有效推迟F的形成，对B转变无影响Nb 0.04-0.06%形成沉淀强化相 Nb(C,N),轧制过程中细化晶粒c.应用：寒冷地区输油管道，天然气管道。5低碳M钢(1)显微组织和热处理热处理显微组织性能应用锻造或轧制+空冷B+ M+ Fd 0.2=828MPa； r b=1049MPa 室温冲 击功96J用于制造汽车的轮臂托架轧制或锻造+直接 淬火+回火低回火Md 0.2=935MPa d b=1197MPa;室温 冲击功50J-40 C冲击功 32J制造汽车操纵杆(2)性能及应用：高强度高韧性，高疲劳强度，用于运动部件，低温环境(3)成分低C加入Mo
15、Nb、V、B等与合理含量的 Mn和Cr配合。提高淬透性， Nb还细化晶粒6.F M双相钢显微组织铁素体+岛状马氏体+少量的残余奥氏体性能特点低的屈服强度，一般不超过 350MPad- 曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更没有锯齿形屈服现象高的均匀延伸率和总延伸率，其总延伸率在24%以上高的加工硬化指数，n值大于0.24 ; ( d =K n)高的塑性应变比(r )。(r= e w/ e bo w为宽度应变，e b为厚度应变)生产双相钢的方法热处理：Ac1与Ac3双相区加热，其组织为a + Y ,在冷却过程中，应保证转变产物为 a + M,而不是热轧双相钢：热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成 70
16、80%的多边形铁素体。未转变的奥氏体在以后冷却时转变成 M(2)双相钢优异性能(低屈服强度和高应变硬化率)原因a.马氏体区域存在残余应力，应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。b.体积和形状变化效应，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错c.伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变(3)典型组成和应用C 0.04%0.10,Mn 0.8%1.8%, Si 0.9%1.5, Mo 0.3%0.4%, Cr 0.4%0.6%, 和微量 V。用于汽车钢板7.新一代钢铁材料超级钢 超细晶粒钢 先进高强度钢关于超级钢技术路线的二种说法：三超和三化三超：
17、超洁净、超均质、超细晶三化：洁净化(炼钢)、均质化(连铸)、细晶化(轧制)第三章 机械制造结构钢第一节 调质钢一、化学组成1、 碳0.3%0.5% 碳过低，淬硬性不够；碳过高，韧性下降2、 合金元素：主加： Cr、 Mn、 Si、 Ni ；辅加： Mo、 W、 V、 Ti、 Al、 B 等。合金元素的作用：1Cr, Mn, Si ,Ni固溶于a相中，固溶强化，提高淬透性2Cr, Mo, W, V阻止渗碳体在回火过程中的聚集和长大，使具有高硬度3延缓a再结晶，保持细小晶粒，使具有高强度和韧性4Mo , W防止回火脆性5V, Ti, Al细化晶粒二、热处理1、 预备热处理 合金含量较少的钢在轧制和
18、锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在 AC3 线以上加热进行正火。合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在 AC3 线以上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由 HB380550 降至HB207240,可以顺利地进行切削加工。2、 最终热处理：淬火，回火，表面处理三、合金元素的机械性能1、 微观硬度：铁素体的晶粒大小,合金元素在铁素体中的固溶程度,碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质钢的硬度有着密切的关系。2、 回火温度与综合机械性能之间的关系 回火温度越高,硬度、断裂强度、屈服强度越低,延伸性、断面收缩率、延展性越高3、 高温回火后的
19、韧性合金元素对韧性的影响：碳：减小韧性锰： 2%提高脆性转变温度,降低韧性 镍：提高韧性,降低脆性转变温度 磷：降低韧性,提高脆性转变温度高温回火脆性1缓冷试样的冲击韧性却明显低于快速冷却的试样2500550 C之间回火脆性发生得最快；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高3碳素钢高温回火脆性是不敏感的； 钢中加入锰或铬后变敏感；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加增大； 单纯镍钢对高温回火脆性不敏感,而铬钢中加镍则明显促进回火脆性； 钼、钨是降低高温回火脆性的元素；4避免或减轻回火脆性的措施：a.避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；b.尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；c.回
20、火后采用快冷的工艺方法；d.采用含钼钢种,并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；e.对已感受回火脆的钢，用重新加热到 650 C后快冷的方法来恢复。表3-2常用调质钢的成分和用途钢号主要化学成分（%）用途CMnSiCrNiMo450.420.500.500.800.170.37主轴、40Cr0.37-0.50-0.20-0.80-重要轴0.450.800.401.1030CrMn0.27-0.80-0.90-0.80-高速Si0.341.101.201.1040CrNi0.37-0.50-0.20-0.80-1.25-0.15-航空Mo0.440.800.400.901.750.2 5-表3-3常
21、用调质钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火r.回火r毛坯尺寸ObMPMPaA5%aJ.C45850水600空W0a 海50迪50羽7迪8m 绍540Cr850油500油25羽000浇00为绍5马030CrMnSi880油520油25羽100边00羽0绍5冯040CrNiMo850油600油Q0羽100边00羽2冯5羽00四、合金调质钢的典型钢种1、 低淬透性：油淬临界直径最大为 30mm40mm40Cr 、40CrV、40MnB 40MnV 38CrSi、40MnVB等40MnB 、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差些2、 中淬透性：油
22、淬临界直径最大为 40mm60mm35CrMo 、40CrMn 40CrNi、30CrMnSi 等加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性3、 高淬透性：油淬临界直径最大为 60mm100mm37CrNi3A 、40CrMnMo 40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，加 Mo还可消除回火脆性第二节弹簧钢一、 弹簧钢的要求1、 高屈服强度和弹性极限，以及高屈强比2、 高疲劳极限3、 良好表面条件：喷丸处理可显著提高表面状态，提高使用寿命4、 好的加工性能：具有一定塑性和淬透性，过热敏感小，不易脱碳二、 化学成分1、 碳：碳素弹簧钢：0.8
23、%0.9%合金弹簧钢：0.45%0.7%2、 Si和Mn提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性，但 Si含量高时增大 C石墨化的倾向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热3、 Cr、W V、Nb:碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保 证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限4、 弹簧钢均为优质钢（PW 0.04%, SW 0.04%）或高级优质钢（PW 0.035%, PW 0.035%）。三、 热处理1、 冷成形弹簧：冷成形的弹簧在冷成形之后要进行 200C 400 C的去应力退火，冷成形弹簧在成形之前， 钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只
24、能制造小型弹簧。2、 热成形弹簧：热成形之后，进行淬火及中温回火，以获得所要求的性能，通常还要进行喷丸处理，使表面 强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。四、 典型弹簧钢的应用1、 碳素弹簧钢：65、70、75和85钢。较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。 65Mn,具有稍高的淬透 性，脱碳倾向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。2、 合金弹簧钢：160Si2Mn：主要用于制造汽车、 拖拉机和机车上的板簧 （1012mm厚）和螺旋弹簧（直径为2025mm等。硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使 Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧
25、化，但却促进脱碳倾向250CrV：用于制造350 C -400 C下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧。 Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。3-4典型弹簧钢的成分和用途钢号主要化学成分（）用途CMnSiCrV550.620.700.500.800.170.37截面小于12-15m m的小弹簧65Mn0.620.700.901.200.170.37截面小于25mm的各种螺 旋弹簧、板弹簧50Si2 Mn0.570.650.600.901.502.00截面小于25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧0.460.500.170.80
26、0.10截面小于30mm虽度要求50CrVA0.540.800.371.100.20较咼的弹簧表3-5典型弹簧钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火C回火Cd bMPad 0。2MPaS 10%75820480108088073065Mn83048098078083060Si2 Mn8704601270118052555SiM nMoV880520-580 1370 1270 7 3550CrV850520127010801045第三节滚动轴承钢一、 化学成分特点1.高碳：0.95%1.15%，部分存在于马氏体中以强化马氏体；另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要 求的耐磨性。但碳含量过高
27、会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物额降低其性能。2.主加合金Cr:提高淬透性和耐腐蚀性，0.40%1.65%, （Fe,Cr）3C可提高耐磨性和接触疲劳强度； 当1.65%时，残余A增加，硬度和尺寸稳定性下降，同时增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。3.Si, Mn , V进一步提高淬透性。4.降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐、夹杂物，提高冶金质量。二、 原始组织要求1、 无缩孔、皮下气泡、白点和过烧2、 严格控制非金属夹杂物3、 严格控制疏松级别4、 改善碳化物不均匀性（网状、带状和液析）三、 热处理特点1、预先热处理：通常采用球化退火， 770810C, 790C最佳。碳化物
28、的形状取决于加热温度，而碳化物的弥散度取决于冷却速度。冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。2、最终热处理：淬火+低温回火。温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和 疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。马氏体中的碳含量在 0.45%-0.5%时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。四、 应用实例1、常用轴承钢1） 铬轴承钢：GCr15,淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承2） 添加Mn Si、Mo V的轴承钢：GCr15SiMn钢，主要用于制造大型轴承。为了节约 Cr,可以加入 Mo V,得到不含铬的轴承钢，如 GSiMnMoV GSiMnMoVR钢等高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。2 、其他类型轴承钢1） 渗碳轴承钢2） 高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢第四节 渗碳钢一、服役条件及对性能的要求1、 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性2、 心部
