《钢铁材料学》PPT课件.ppt

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1、钢铁结构 材 料11.1.11.1.钢的分类及编号钢的分类及编号用用 途途:结构钢、工具钢及特殊钢结构钢、工具钢及特殊钢化学成分：化学成分：碳素钢碳素钢 低碳钢低碳钢0.250.25，中碳钢，高碳钢，中碳钢，高碳钢0.60.6 合金钢合金钢 低合金钢（合金总量低合金钢（合金总量5 5），中合金钢（），中合金钢（5 51010），），高合金钢（高合金钢（1010）主要元素主要元素锰钢、铬钢、铬镍钢等锰钢、铬钢、铬镍钢等组组 织：织：平衡（退火）态平衡（退火）态 亚共析、亚共析、共析、过共析、莱氏体钢共析、过共析、莱氏体钢 正正 火火 态态 珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢珠光体钢、贝氏体钢

2、、马氏体钢、奥氏体钢品品 质：质：普普 通通 P0.045%P0.045%，S0.055%S0.055%优优 质质 P0.040%P0.040%，S0.040%S0.040%高级优质高级优质 P0.035%P0.035%，S0.030%S0.030%冶炼方法冶炼方法:炉别平炉钢、转炉钢和电炉钢。炉别平炉钢、转炉钢和电炉钢。脱氧程度和浇注制度沸腾钢、镇静钢和半镇静钢脱氧程度和浇注制度沸腾钢、镇静钢和半镇静钢1.1.钢的分类钢的分类2.2.钢的编号钢的编号 合金钢合金钢一般采用一般采用“数字元素数字数字元素数字”的方法的方法数数 字字碳量万分数碳量万分数元元 素素汉字或符号汉字或符号 数数 字字元

3、素含量百分数元素含量百分数合金结构钢合金结构钢 ：+1.5只标符号，不标含量只标符号，不标含量1.5至至2.5 22.5至至3.5 3 微微量量元元素素V、Ti、Al、B、RE只标符号，不标含量只标符号，不标含量40Cr40Cr、20CrMnTi20CrMnTi60Si2Mn60Si2Mn、40MnB40MnB高级优质钢加高级优质钢加“高高”或或“A”“A”合金工具钢合金工具钢:数数 字字碳含量碳含量元元 素素汉字或符号汉字或符号 数数 字字元素含量百分数元素含量百分数+1.01.0，不标，不标1.01.0，千分数，千分数含铬低的钢，千分数含铬低的钢，千分数表示，前加表示，前加“0”“0”。高

4、速钢高速钢:不标碳量不标碳量 如如 W18Cr4V W18Cr4V Cr06 9SiCr9SiCr、Cr12MoVCr12MoV、5CrMnMo5CrMnMo 滚动轴承钢滚动轴承钢：如如GCr15GCr15 不锈钢与耐热钢：不锈钢与耐热钢：数字元素数字数字元素数字0.080.08 前加前加“0”“0”0.030.03 前加前加“00”“00”00Cr18Ni10 00Cr18Ni10 2Cr13 2Cr13 1Cr171Cr179Cr189Cr18(滚滚)GCr数字数字用千分数表示用千分数表示铬含量铬含量含碳量的千分数含碳量的千分数C 0.03C 0.03合金元素百分数合金元素百分数碳素结构钢

5、：碳素结构钢：Q+Q+数字质量等级数字质量等级屈字拼音屈字拼音屈服点数值屈服点数值/MPa/MPa优质碳素结构钢优质碳素结构钢:碳素工具钢：碳素工具钢：Q 235 AQ 235 A2020、4545、6565、50Mn50MnT T+数字+符号碳量千分数碳量千分数 低合金高强度结构钢编号与此相似低合金高强度结构钢编号与此相似。Q345 Q345、Q390Q390S PA 0.050%0.045%B 0.045%0.045%C 0.040%0.040%D 0.035%0.035%T8T12AT8Mn锰量较高时标出锰量较高时标出Mn 高级优质钢，加符号高级优质钢，加符号A两位数符号两位数符号含碳量

6、的万分数含碳量的万分数锰量较高，标出锰量较高，标出 Mn Mn专用钢，标拼音专用钢，标拼音优质钢，标优质钢，标11.2.2.合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用（1 1）形成固溶体形成固溶体 合金元素溶入合金元素溶入F F、A A和和MM中。中。（2 2）形成强化相形成强化相 如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物。或金属间化合物。（3 3）形成非金属夹杂物形成非金属夹杂物 合金元素与氧、硫、氮等作用形成氧化物、合金元素与氧、硫、氮等作用形成氧化物、硫化物和氮化物及复合夹杂物等。硫化物和氮化物及复合夹杂物等。（4 4）游离态游离态

7、 某些元素既不溶于铁，也不形成化合物，而是以单质某些元素既不溶于铁，也不形成化合物，而是以单质状状 态存在。如态存在。如PbPb、CuCu等。等。1.1.合金元素在钢中分布合金元素在钢中分布（1 1）合金元素与铁的相互作用）合金元素与铁的相互作用a.a.无限扩大无限扩大 区型区型-Fe-Fe中无限固溶，中无限固溶，-Fe-Fe中有限固溶。中有限固溶。MnMn、CoCo、NiNi等等 b.b.有限扩大有限扩大 区型区型-Fe-Fe和和-Fe-Fe中均有限固溶。中均有限固溶。CC、N N、CuCu、ZnZn等等 A A3 3A A4 4A A3 3A A4 4.合金元素与铁和碳的相互作用合金元素与

8、铁和碳的相互作用c.c.封闭封闭 区、无限扩大区、无限扩大 区型区型 到到某某含含量量时时A A3 3与与A A4 4点点重重合合，区区被被封封闭闭 ，超超过过此此量量，合合金金不不再再有有 相变。相变。Si Si、CrCr7 7 、WW、MoMo、V V、Ti Ti、P P等。等。CrCr7 7时，时，A A3 3。A A3 3A A4 4d.d.缩小缩小 区，但不封闭区，但不封闭 区型区型 区缩小，但不封闭。区缩小，但不封闭。B B、NbNb、Zr Zr等。等。A A3 3A A4 4（2 2）合金元素与碳的相互作用）合金元素与碳的相互作用a.a.非碳化物形成元素非碳化物形成元素：A1A1

9、、Si Si、CoCo、NiNi、CuCu等等与铁形成固溶体，与铁形成固溶体，还有可能形成非金还有可能形成非金属夹杂物或金属间化合物属夹杂物或金属间化合物 。如。如AlAl2 2OO3 3、SiOSiO2 2、A1N A1N、FeSiFeSi、NiNi3 3A1A1等。等。b.b.碳化物形成元素碳化物形成元素：一部分可溶于一部分可溶于A和和F中，另一部分形成碳化物中，另一部分形成碳化物，形成碳化物由强到形成碳化物由强到弱为弱为Ti Ti、Zr Zr、Nb Nb、V V、WW、MoMo、CrCr、MnMn、FeFe等。等。碳化物分为两类：碳化物分为两类：r rc c/r/rMM 0.590.59

10、，间隙化合物，具有复杂的晶体结构，间隙化合物，具有复杂的晶体结构CrCr2323CC6 6、CrCr7 7CC3 3、MM6 6C(FeC(Fe3 3MoMo3 3CC、FeFe3 3WW3 3C)C)、FeFe3 3CC等等 r rc c/r/rMM0.590.59，间隙相，间隙相(特殊碳化物特殊碳化物)，具有简单的晶体结构，具有简单的晶体结构WCWC、VCVC、TiCTiC、WW2 2CC、MoMo2 2CC可溶于碳化物形成多元碳化物可溶于碳化物形成多元碳化物 MM6 6CC(Fe(Fe4 4MoMo2 2C)C)、MM2323CC6 6(Fe(Fe2121MoMo2 2CC6 6、FeF

11、e2121WW2 2CC6 6)、(FeM)(FeM)3 3CC(FeCr)(FeCr)3 3CC、(FeMn)(FeMn)3 3CC3.3.合金元素对合金元素对FeFeFeFe3 3CC相图临界点的影响相图临界点的影响MnMn对对 相区的影响相区的影响Si Si对对 相区的影响相区的影响1.对对相区的影响相区的影响扩扩大大 相相区区的的元元素素，如如NiNi、MnMn、CoCo不不仅仅使使A A3 3，且且使使S S点点、E E点点左左下下移移。NiNi、MnMn量量足足够够高高时时，相相区区可可扩扩展展到到室室温，得温，得A A钢。钢。缩缩小小 相相区区的的元元素素，如如CrCr、MoMo

12、、WW、V V、Ti Ti、Si Si等等，不不仅仅使使A A3 3，且且使使S S点、点、E E点左上移。点左上移。CrCr、Si Si等等限限制制 相相区区，甚甚至至可可使使其其消失，得消失，得F F钢。钢。扩大扩大 相区相区元素，元素，A A3 3、A A1 1缩小缩小 相区元素，相区元素，A A3 3、A A1 12.对共析温度的影响对共析温度的影响3.对共析点位对共析点位置的影响置的影响所有元素均使所有元素均使 S S 点左移，点左移，碳量不足碳量不足0.760.76时，就时，就变为过共析钢。变为过共析钢。4.合金元素对钢加热、冷却转变的影响合金元素对钢加热、冷却转变的影响 加热的目

13、的：加热的目的：获得成分均匀、细小的获得成分均匀、细小的A A晶粒晶粒。a.a.对奥氏体对奥氏体形成速度形成速度的影响的影响 多数元素均多数元素均减缓减缓A A形成速度，为加速碳化物溶解及形成速度，为加速碳化物溶解及A A成分均成分均匀化，必须提高合金钢的加热温度和延长保温时间。匀化，必须提高合金钢的加热温度和延长保温时间。b.b.对奥氏体对奥氏体晶粒大小晶粒大小的影响的影响 Ti Ti、V V、NbNb等碳化物熔点高，稳定性高，强烈阻止等碳化物熔点高，稳定性高，强烈阻止A A晶粒长晶粒长大，大，WW、MoMo、CrCr也有阻止长大作用；也有阻止长大作用；NiNi、CoCo、CuCu阻止长大作

14、阻止长大作用不大，用不大，MnMn、P P、CC、N N等元素则有助于晶粒长大。等元素则有助于晶粒长大。（1 1）合金元素对钢加热转变的影响）合金元素对钢加热转变的影响(2)(2)合金元素对珠光体转变的影响合金元素对珠光体转变的影响合合金金元元素素（CoCo、AlAl除除外外）均均显显著著推推迟迟奥奥氏氏体体向向珠珠光光体体的的转转变变，其原因是：其原因是：珠珠光光体体转转变变时时，碳碳及及合合金金元元素素需需要要在在铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体间间进进行行重重新新分分配配，由由于于合合金金元元素素的的自自扩扩散散慢慢，并并使使碳碳的的扩扩散散减减慢慢，因因此此使使奥奥氏氏体体的的形形核困难，

15、降低转变速度；核困难，降低转变速度；扩扩大大 相相区区的的元元素素如如NiNi、MnMn等等降降低低奥奥氏氏体体的的转转变变温温度度，从从而而影影响响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体的转变，到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体的转变，微微量量元元素素B B在在晶晶界界上上内内吸吸附附，并并形形成成共共格格硼硼相相，可可显显著著阻阻止止铁铁素素体体的的形核形核，增加奥氏体的稳定性。，增加奥氏体的稳定性。（）合金元素对贝氏体转变的影响（）合金元素对贝氏体转变的影响与珠光体转变相比，发生贝氏体转变时，奥氏体的过冷度进一步增大，与珠光体转变相比，发生贝氏体转变时，奥氏体的过冷度进一

16、步增大，此时铁与合金元素几乎不能进行扩散，只有碳可以进行短距离的扩散。因此，此时铁与合金元素几乎不能进行扩散，只有碳可以进行短距离的扩散。因此，合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对对转变速度和对碳扩散转变速度和对碳扩散速度的影响速度的影响上。上。CrCr、MnMn、NiNi等元素对贝氏体转变有等元素对贝氏体转变有较大的推迟较大的推迟作用，因为这三种作用，因为这三种元素都能降低元素都能降低转变的温度，减小奥氏体和铁素体的自由能差，降低了转变的温度，减小奥氏体和铁素体的自由能差，降低了相变驱动力。相变驱动力。CrCr、MnMn还阻碍碳的扩散，推迟贝氏体转变的作

17、用尤为强烈。还阻碍碳的扩散，推迟贝氏体转变的作用尤为强烈。Si Si 对贝氏体转变有对贝氏体转变有强烈的阻滞作用强烈的阻滞作用，可能与它强烈地阻止过饱和铁，可能与它强烈地阻止过饱和铁素体的脱溶有关。素体的脱溶有关。由于降低了碳原子的扩散速度，强碳化物形成元素由于降低了碳原子的扩散速度，强碳化物形成元素WW、MoMo、V V、Ti Ti对贝氏体转变对贝氏体转变有一定的延缓作用有一定的延缓作用，贝氏体转变孕育期短，铁素体，贝氏体转变孕育期短，铁素体珠光珠光体转变孕育期长，空冷时容易获得贝氏体组织。体转变孕育期长，空冷时容易获得贝氏体组织。5.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

18、影响 合金元素在回火时，推迟合金元素在回火时，推迟MM的分解和残余的分解和残余A A转变，提高转变，提高 F F 再结晶温度，使碳化物不易析出、聚集及长大，提高钢对再结晶温度，使碳化物不易析出、聚集及长大，提高钢对回火软化的抵抗能力。回火软化的抵抗能力。称其为称其为回火抗力回火抗力或或回火稳定性回火稳定性。这使合金钢比同碳量碳钢（在相同温度回火）有更高的强度和硬度，这使合金钢比同碳量碳钢（在相同温度回火）有更高的强度和硬度，或在保持同等强度下，可获得更高的韧性。或在保持同等强度下，可获得更高的韧性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有提高回火稳定性作用较强的合金元素有V V、WW、MoMo、Si

19、 Si、CrCr等。等。（1 1）提高回火稳定性）提高回火稳定性（2 2）产生二次硬化）产生二次硬化 含有含有V V、WW、MoMo、CrCr、Ti Ti、NbNb等元素的钢，等元素的钢，经淬火高温经淬火高温回火后，硬度不但不降低，反而升高的现象回火后，硬度不但不降低，反而升高的现象，称为，称为二次硬二次硬化化。原因是特殊碳化物从原因是特殊碳化物从MM中析出，产生的沉淀强化。中析出，产生的沉淀强化。当当残残余余A A中中析析出出特特殊殊碳碳化化物物后后，使使其其碳碳及及合合金金元元素素的的浓浓度度，使使MsMs点点，冷冷却却时时，残残余余AMAM，称称其其为为“二二次次淬淬火火”。二次淬火也会

20、造成硬化，但所产生的硬化不如沉淀硬化效果显著。二次淬火也会造成硬化，但所产生的硬化不如沉淀硬化效果显著。使使金金属属强强度度增增大大的的过过程程称称为为强强化化，既既然然塑塑性性变变形形是是由由于于位位错错滑滑移移运运动动造造成成的的，那那么么强强化化的的途途径径就就在在于于设设法法增增大大位位错错运运动动的的阻阻力力，从从组组织上造成位错运动的障碍。织上造成位错运动的障碍。固溶强化固溶强化间间隙隙原原子子的的强强化化作作用用比比置置换换原原子子大大1010010100倍倍，因因此此碳碳是是提提高高钢钢的的强强度度的的最最重重要要的的元元素素，但但因因为为在在铁铁素素体体中中溶溶解解度度有有限

21、限，固固溶溶强强化化作作用用受到限制；在置换原子中，受到限制；在置换原子中，Si Si、MnMn是强化作用较大的元素。是强化作用较大的元素。固固溶溶强强化化的的一一个个显显著著特特点点是是随随着着溶溶质质原原子子的的增增多多，强强度度、硬硬度度上上升升，塑塑性性韧韧性性下下降降。为为了了使使钢钢既既具具有有较较高高的的强强度度，又又有有适适当当的的塑塑性性，对溶质浓度应加以控制。对溶质浓度应加以控制。晶界强化晶界强化细细化化晶晶粒粒不不但但可可以以提提高高钢钢的的强强度度，而而且且可可以以提提高高钢钢的的塑塑性性和和韧韧性性。向向钢钢中中加加入入AlAl、Ti Ti、V V、Zr Zr、NbN

22、b等等元元素素形形成成难难溶溶的的第第二二相相粒粒子子细细化奥氏体化奥氏体晶粒。晶粒。6.6.合金元素对钢的强化作用合金元素对钢的强化作用第二相强化第二相强化运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，滑移运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，滑移变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外的能量，需要提高外加应力，变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所以造成强化。粒子越细小、弥散强化效果越好。所以造成强化。粒子越细小、弥散强化效果越好。合金元素的作用是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的合金元素的作用是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供

23、必要的成成分条件分条件。第二相粒子对钢的塑性有危害作用。首先，在断裂过程中，孔坑的萌第二相粒子对钢的塑性有危害作用。首先，在断裂过程中，孔坑的萌生与第二相质点有关；其次，钢的塑性与第二相的分布状态有关；再次，生与第二相质点有关；其次，钢的塑性与第二相的分布状态有关；再次，钢的塑性与第二相的形状有关。最后，第二相的种类对塑性也有影响。钢的塑性与第二相的形状有关。最后，第二相的种类对塑性也有影响。位错强化位错强化金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发生交割，形成割阶，金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发生交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金造成

24、位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。属的强度。合金元素的作用是在塑性变形时使位错合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖易于增殖。.3.工程构件用钢工程构件用钢构件用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、构件用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、锅炉、容器等工程构件。锅炉、容器等工程构件。工作特点是不做相对运动，承受长期静载荷；有一定的温度（高、低工作特点是不做相对运动，承受长期静载荷；有一定的温度（高、低温）要求；在野外或海水中使用，承受天然环境的腐蚀。温）要求；在野外或海水中使用，承受天然环境的腐蚀。1.1.工作条件工作

25、条件2.2.性能要求性能要求a.a.具有较高的刚度，保证静载荷长期工作下结构稳定；具有较高的刚度，保证静载荷长期工作下结构稳定；b.b.具有较高的屈服极限和抗拉强度，且塑性韧性较好；具有较高的屈服极限和抗拉强度，且塑性韧性较好；c.c.有较好的冷脆倾向和耐蚀性；有较好的冷脆倾向和耐蚀性；d.d.具具有有良良好好的的工工艺艺性性能能，如如冷冷变变形形性性和和焊焊接接性性。设设计计中中工工艺艺性性能能要要优优于使用性能考虑。于使用性能考虑。根根据据构构件件的的工工作作条条件件和和性性能能要要求求，构构件件用用钢钢多多采采用用低低碳碳钢钢和和低低合合金金钢钢在在热热轧轧空空冷冷状状态态下下使使用用，

26、其其基基本本组组织织为为大大量量铁铁素素体体加加少少量量珠珠光光体体组织。组织。3.3.成分特点成分特点合金化必须在保证构件工作安全可靠的前提下，尽可能地提高屈服强度合金化必须在保证构件工作安全可靠的前提下，尽可能地提高屈服强度和抗拉强度，从而达到减轻构件重量，节约钢材的目的。构件用钢是在热轧和抗拉强度，从而达到减轻构件重量，节约钢材的目的。构件用钢是在热轧空冷状态下使用的，所以合金元素提高强度的途径主要有：空冷状态下使用的，所以合金元素提高强度的途径主要有：a.a.固溶强化固溶强化 溶入铁素体中的合金元素均能产生固溶强化，提高硬度和强度，强化效溶入铁素体中的合金元素均能产生固溶强化，提高硬度

27、和强度，强化效果按果按Si Si、MnMn、NiNi、MoMo、V V、WW、CrCr顺序降低。顺序降低。b.b.细化晶粒细化晶粒 加加AlAl和碳化物形成元素和碳化物形成元素V V、Ti Ti、NbNb等，细化等，细化A A晶粒。还可加晶粒。还可加MnMn、NiNi等增等增加过冷加过冷A A的稳定性，在热轧空冷或正火时得细小的的稳定性，在热轧空冷或正火时得细小的F F晶粒和较多的细珠光体。晶粒和较多的细珠光体。c.c.增加珠光体数量增加珠光体数量 珠光体比铁素体强度高，所有合金元素均使珠光体比铁素体强度高，所有合金元素均使Fe-CFe-C相图的相图的 S S 点左移，碳量点左移，碳量相同时，

28、可使珠光体量增加。相同时，可使珠光体量增加。d.d.沉淀强化沉淀强化 强碳化物形成元素强碳化物形成元素V V、Ti Ti、NbNb在热轧空冷时，从在热轧空冷时，从A A析出弥散细小的析出弥散细小的VCVC、TiCTiC、NbCNbC，产生沉淀强化作用。，产生沉淀强化作用。合金化与机械性能合金化与机械性能合金化与焊接性能合金化与焊接性能 钢钢的的焊焊接接性性是是指指在在简简单单可可行行的的焊焊接接条条件件下下，钢钢材材焊焊接接后后不产生裂纹，并获得良好焊缝区的性能不产生裂纹，并获得良好焊缝区的性能。焊焊缝缝区区可可分分为为三三个个组组成成部部分分，即即熔熔化化区区、热热影影响响区区和和基基体体部

29、部分分。对对于于熔熔化化区区，如如钢钢材材或或焊焊条条中中的的S、P含含量量较较高高，在在凝凝固固过过程程中中将将产产生生热热裂裂纹纹。对对于于热热影影响响区区，由由于于受受熔熔化化区区的的加加热热作作用用，使使其其温温度度超超过过钢钢的的临临界界点点，奥奥氏氏体体晶晶粒粒显显著著长长大大，在在冷冷却却时时受受到到周周围围未未被被加加热热的的基基体体金金属属的的激激冷冷，造造成成极极大大的的过过冷冷度度，甚甚至至发发生生马马氏氏体体转转变变，造造成成很很大大的的热热应应力力和和组组织织应应力力，使使硬硬度度明明显显升升高高，塑塑性性韧韧性性明明显显下下降降，在热影响区经常在热影响区经常出现冷裂

30、纹出现冷裂纹。钢的焊接性主要取决于钢的钢的焊接性主要取决于钢的淬透性淬透性和和淬硬性淬硬性，钢中钢中碳及提高淬碳及提高淬透性的元素透性的元素含量越多，则钢的开裂倾向越大含量越多，则钢的开裂倾向越大。为了估计钢的焊接性，通常采用为了估计钢的焊接性，通常采用碳当量碳当量的概念，即的概念，即把单个合金把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中碳的质量分数加在一起碳的质量分数加在一起，来判断钢的焊接性。来判断钢的焊接性。Ceq=WCeq=WCC+W+WMnMn/6+W/6+WCrCr/5+W/5+WMoMo/4+W/4+WNiNi

31、/15+W/15+WSi Si/24+W/24+WCuCu/13+W/13+WP P/2/2实践证明，碳当量大于实践证明，碳当量大于0.40.5%0.40.5%时，钢就不具有良好的焊接性。为时，钢就不具有良好的焊接性。为了保证钢的焊接性，构件用钢只能是低合金化或微合金化，且含碳量要了保证钢的焊接性，构件用钢只能是低合金化或微合金化，且含碳量要低于低于0.20%0.20%。CrCr、NiNi、Ti Ti等元素可以提高铁素体的等元素可以提高铁素体的电极电位电极电位，从而提高耐，从而提高耐蚀性；蚀性；CrCr促进钢的表面形成致密的促进钢的表面形成致密的氧化膜氧化膜，将金属表面与腐蚀介质分，将金属表面

32、与腐蚀介质分开，从而阻碍其腐蚀过程；开，从而阻碍其腐蚀过程；CuCu有利于在钢的表面形成致密的有利于在钢的表面形成致密的保护膜保护膜，同时提高铁素体的，同时提高铁素体的电极电位，有利于提高钢的耐蚀性；电极电位，有利于提高钢的耐蚀性；0.50%0.50%时将导致热脆。时将导致热脆。P P也是提高耐蚀性的元素，也是提高耐蚀性的元素，P P与与CuCu共存时效果更好。共存时效果更好。P P加剧钢的加剧钢的冷脆，应限量。冷脆，应限量。合金化与耐大气腐蚀性能合金化与耐大气腐蚀性能中国的钢铁消费与面临的问题中国的钢铁消费与面临的问题19961996年年1 1亿吨亿吨20032003年年2 2亿吨亿吨200

33、42004年年3 3亿吨亿吨20062006年年4 4亿吨亿吨20072007年年5 5亿吨亿吨资金投入、资源供应资金投入、资源供应交通运输、环境保护交通运输、环境保护开发新一代钢铁材料是经济社会发展的迫切需要开发新一代钢铁材料是经济社会发展的迫切需要日本日本19971997年启动年启动“新世纪结构材料（超级钢铁材料）国家新世纪结构材料（超级钢铁材料）国家研究计划研究计划韩国韩国19981998年启动年启动“21“21世纪高性能结构钢世纪高性能结构钢”项目项目中国中国19981998年年“新一代钢铁材料的重大基础研究新一代钢铁材料的重大基础研究”新一代钢铁材料的强度指标新一代钢铁材料的强度指标

34、碳钢碳钢由由200MPa200MPa提高到提高到400MPa400MPa低合金钢低合金钢由由400MPa400MPa提高到提高到800MPa800MPa合金结构钢合金结构钢由由800MPa800MPa提高到提高到1500MPa1500MPa钢材的强化机制钢材的强化机制固溶强化、沉淀强化、位错及亚结构强化、细晶强化固溶强化、沉淀强化、位错及亚结构强化、细晶强化修正的修正的Hall-PetchHall-Petch公式：公式：s s（MPaMPa）=0 0+ss ss+p p+D D+Kd+Kd-1/2-1/2 0 0铁素体晶格摩擦力铁素体晶格摩擦力 s sss固溶强化增量固溶强化增量 p p沉淀强

35、化增量沉淀强化增量 D D位错以及亚结构强化增量位错以及亚结构强化增量KK常数常数dd晶粒直径晶粒直径各种强化机制对钢材强度的贡献 当低碳钢奥氏体化以后一极慢的速度冷却时，存在奥氏体和先共析铁当低碳钢奥氏体化以后一极慢的速度冷却时，存在奥氏体和先共析铁素体平衡的临界转变温度素体平衡的临界转变温度Ae3Ae3。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，其。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，其体积自由能低于铁素体的体积自由能；在临界转变温度以下，铁素体的体体积自由能低于铁素体的体积自由能；在临界转变温度以下，铁素体的体积自由能低于奥氏体的体积自由能，就要发生积自由能低于奥氏体的体积自由能，就要发生 平衡转

36、变，系统总的自平衡转变，系统总的自由能变化为：由能变化为：GG-V(G-V(GV V-G-GE E)+G)+GS S式中式中GG系统总的自由能变化系统总的自由能变化GGV V体积自由能变化体积自由能变化GGE E弹性应变能变化弹性应变能变化GGS S新相形成的表面自由能变化新相形成的表面自由能变化发生平衡转变时，铁素体晶核优先在奥氏体晶界形成，晶核形成以后吞并发生平衡转变时，铁素体晶核优先在奥氏体晶界形成，晶核形成以后吞并奥氏体晶粒而长大。因为转变的过冷度较低，相变的驱动力较小，铁素体奥氏体晶粒而长大。因为转变的过冷度较低，相变的驱动力较小，铁素体的形核率较低；同时因为转变温度较高，原子的扩散

37、能力较强，所以晶粒的形核率较低；同时因为转变温度较高，原子的扩散能力较强，所以晶粒尺寸较大。尺寸较大。钢材冷却过程中的组织转变向向奥奥氏氏体体施施加加变变形形时时，变变形形能能的的一一部部分分（5 510%10%）被被储储存存在在奥奥氏氏体体之之中中，使使奥奥氏氏体体的的体体积积自自由由能能提提高高，促促进进了了奥奥氏氏体体向向铁铁素素体体转转变变。形形变变储储能能GGD D转转变变为为相相变变自自由由能能的的一一部部分分，系系统总的自由能变化为：统总的自由能变化为：GG-V(G-V(GV V-G-GE E)+Gs-G)+Gs-GD D （2 2）形形变变储储能能以以位位错错、形形变变带带和和

38、变变形形晶晶界界的的形形式式增增加加了了奥奥氏氏体体内内的的缺缺陷陷密密度度，使使铁铁素素体体转转变变的的形形核核率率大大大大增增加加，随随着着变变形形量量的的增增加形核位置由奥氏体晶界扩展到晶粒内部，晶粒尺寸大大减小。加形核位置由奥氏体晶界扩展到晶粒内部，晶粒尺寸大大减小。热加工变形对铁素体相变的影响热加工变形对铁素体相变的影响奥氏体向先共析铁素体转变的临界转变温度奥氏体向先共析铁素体转变的临界转变温度Ar3Ar3随着随着冷却速度的增加而降低，冷却速度的增加而降低，过冷奥氏体和铁素体的体积自由能差过冷奥氏体和铁素体的体积自由能差GVGV随着过冷随着过冷度（度（TTAe3-Ar3Ae3-Ar3

39、）的增加而增大，系统总的自由能变化）的增加而增大，系统总的自由能变化GG也随之增大，也随之增大，铁素体的形核率增加，原子的扩散能力也因为温度的铁素体的形核率增加，原子的扩散能力也因为温度的降低而降低，所以铁素体的晶粒尺寸变小。降低而降低，所以铁素体的晶粒尺寸变小。冷却速度对转变产物显微组织的影响钢材的热加工轧制a.a.碳素结构钢碳素结构钢 碳素结构钢碳素结构钢易于冶炼、价格低廉，在工程上大量使用，产量约占钢易于冶炼、价格低廉，在工程上大量使用，产量约占钢总产量的总产量的7080%7080%，大部分用做钢结构。，大部分用做钢结构。牌号有牌号有Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、

40、Q255Q255、Q 275Q 275 。一般不经热处理强化，以热轧态（正火）使用。一般不经热处理强化，以热轧态（正火）使用。b.b.低合金高强度钢低合金高强度钢 含有少量合金元素，具有较高强度的构件钢。由于强度高，可以减含有少量合金元素，具有较高强度的构件钢。由于强度高，可以减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。牌号有牌号有Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q 460Q 460 。Q345 Q345（16Mn16Mn）是低合金高强度钢中生产和使用量最大的钢种，屈）是低合金高强度钢中生产和使用量最大的钢种，屈服强

41、度为服强度为345MPa345MPa，比，比Q235Q235高高2030%2030%，故结构重量可减轻，故结构重量可减轻2030%2030%。具。具有良好的综合机械性能、焊接性和冷变形性。有良好的综合机械性能、焊接性和冷变形性。MnMn的作用是使铁素体固溶强化，增加过冷奥氏体的稳定性以细化晶的作用是使铁素体固溶强化，增加过冷奥氏体的稳定性以细化晶粒。粒。4.常用的构件用钢常用的构件用钢Q390Q390（16MnNb 16MnNb、15MnV15MnV、15MnTi15MnTi）在在16Mn16Mn基基础础上上加加入入V V、Ti Ti、NbNb。V V、Ti Ti、NbNb的的作作用用是是细细

42、化化晶晶粒粒，及及沉沉淀淀强强化化，进进一一步步提提高高强强度度。可可用用于于制制造造万万吨吨远远洋洋巨巨轮轮等等大大型型金金属属结结构构、桥桥梁梁及高压容器等。及高压容器等。Q420Q420（15MnVN15MnVN、14MnVTiRE14MnVTiRE）加加入入N N、RERE进进一一步步提提高高其性能。用于造船、车辆大型焊接结构等。其性能。用于造船、车辆大型焊接结构等。热热轧轧空空冷冷后后获获得得贝贝氏氏体体组组织织的的贝贝氏氏体体钢钢的的强强度度可可以以达达到到500 500 MPaMPa以以上上。贝贝氏氏体体钢钢合合金金化化时时主主要要加加入入一一些些MoMo、B B等等推推迟迟珠珠

43、光光体体转转变变而而对对贝贝氏氏体体转转变变影影响响很很小小的的元元素素，再再加加入入MnMn、CrCr、V V、RERE等等元元素素进进一一步步提提高高钢钢的的强强度度和和综综合合性性能能。可可在在500500以以下下使使用用，多多 用用 于于 石石 油油、化化 工工 的的 中中 温温 高高 压压 容容 器器 等等。常常 用用 的的 钢钢 号号 有有14MnMoVBRe14MnMoVBRe和和18MnMoNb18MnMoNb等。等。工程构件用钢的最新进展工程构件用钢的最新进展汽车板用汽车板用IF IF钢钢集装箱用耐候钢集装箱用耐候钢管线钢管线钢贝氏体钢贝氏体钢DPDP钢钢TRIPTRIP钢钢

44、11.4.机器零件用钢（结构钢）机器零件用钢（结构钢）机器零件用钢指用于制造各种机器零件，如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。机器零件用钢指用于制造各种机器零件，如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。机器零件在工作时承受机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭状、冲击、震动、摩擦拉伸、压缩、剪切、扭状、冲击、震动、摩擦等等力作用，或几种力同时作用，在零件截面上产生拉、压、切应力。这些应力力作用，或几种力同时作用，在零件截面上产生拉、压、切应力。这些应力在数值上在数值上可以是恒定的或变化的；可以是恒定的或变化的；在方向上在方向上可以是单向的或反复的；可以是单向的或反复的；在加栽在加栽方式上方式上可以是逐渐的或突然

45、的。其工作环境也很复杂，有的在高温，有的在可以是逐渐的或突然的。其工作环境也很复杂，有的在高温，有的在低温，有的还有腐蚀介质。低温，有的还有腐蚀介质。因此要机器零件具有较高的因此要机器零件具有较高的疲劳强度疲劳强度；高的；高的屈服强度屈服强度、抗拉强度抗拉强度及较高及较高的的断裂抗力断裂抗力；具有良好的；具有良好的耐磨性耐磨性和和接触疲劳强度接触疲劳强度；具有较高的；具有较高的韧性韧性。机器零。机器零件用钢还要求有良好的件用钢还要求有良好的工艺性能工艺性能，一是切削加工性，二是热处理（包括预备，一是切削加工性，二是热处理（包括预备热处理和最终热处理）。热处理和最终热处理）。机器零件用钢根据不同

46、钢种对性能的不同要求，钢中含碳量有以下几个机器零件用钢根据不同钢种对性能的不同要求，钢中含碳量有以下几个级别：级别：渗碳钢渗碳钢和和低碳马氏体钢低碳马氏体钢（含碳量（含碳量0.20%0.20%）；）；调质钢调质钢（含碳量（含碳量0.40%0.40%）；）；弹簧钢弹簧钢（含碳量（含碳量 0.50.7%0.50.7%）；）；轴承钢轴承钢（含碳量（含碳量1.0%1.0%）。）。1.概概 述述 合金元素在钢中的主要作用是合金元素在钢中的主要作用是提高钢的淬透性提高钢的淬透性；降低钢的过热敏感降低钢的过热敏感性性；提高回火稳定性提高回火稳定性；抑制第二类回火脆性抑制第二类回火脆性；改善钢中非金属夹杂物的

47、改善钢中非金属夹杂物的形态形态和和提高钢的工艺性能提高钢的工艺性能。钢中加入一种合金元素，往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢钢中加入一种合金元素，往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢都含有多种合金元素。根据合金元素的作用，可以将其分为主加元素和都含有多种合金元素。根据合金元素的作用，可以将其分为主加元素和辅加元素。辅加元素。主加元素主加元素是指这些元素分别的或复合的加入钢中，对增大钢的淬透是指这些元素分别的或复合的加入钢中，对增大钢的淬透性和提高钢的综合机械性能起主导作用，性和提高钢的综合机械性能起主导作用，Si、Mn、Cr、Ni属于此种属于此种情况。情况。辅加元素辅加元素则是经常加入到

48、含有上述主加元素的钢中，起着降低钢的则是经常加入到含有上述主加元素的钢中，起着降低钢的过热敏感性与回火脆性，改善夹杂物形态，进一步提高钢的淬透性，改过热敏感性与回火脆性，改善夹杂物形态，进一步提高钢的淬透性，改善钢材性能的作用。辅加元素在钢中的质量分数通常在千分之几范围内善钢材性能的作用。辅加元素在钢中的质量分数通常在千分之几范围内变动。变动。Mo、W、V、Ti、B、RE 属于此类。属于此类。2.渗碳钢渗碳钢滲碳钢指经滲碳处理后使用的钢。主要用于制造汽车、拖拉机的滲碳钢指经滲碳处理后使用的钢。主要用于制造汽车、拖拉机的变速变速齿轮，内燃机凸轮、活塞销及部分量具齿轮，内燃机凸轮、活塞销及部分量具

49、。以齿轮为例的分析其工作条件对齿轮钢提出如下性能要求：要具有以齿轮为例的分析其工作条件对齿轮钢提出如下性能要求：要具有高的高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度，而且要有，而且要有较高的塑性和较高的塑性和韧性韧性。为此，为此，采用低碳（合金）钢渗碳（或碳氮共渗）后进行淬火及低温回火采用低碳（合金）钢渗碳（或碳氮共渗）后进行淬火及低温回火处理处理。经渗碳处理后，使经渗碳处理后，使零件表层零件表层为为高碳钢高碳钢（含碳量大于（含碳量大于0.8%），淬火并），淬火并低温回火后的组织为低温回火后的组织为回火马氏体和粒状碳化物回火马氏体和粒状碳化物，

50、具有高的硬度、耐磨，具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度；性和接触疲劳强度；零件的心部零件的心部仍为仍为低碳钢低碳钢，其组织为，其组织为位错马氏体位错马氏体（全淬透）或部分铁素体（未淬透），（全淬透）或部分铁素体（未淬透），具有很高的强度、塑性和韧具有很高的强度、塑性和韧性。此外，由于表层和心部含碳量不同，因而在表层形成压应力，显著提高性。此外，由于表层和心部含碳量不同，因而在表层形成压应力，显著提高钢的弯曲疲劳强度。钢的弯曲疲劳强度。工作条件及对性能的要求工作条件及对性能的要求合金化特点合金化特点a.a.若若含含碳碳量量过过低低，表表面面的的渗渗碳碳层层易易于于剥剥落落；含含碳碳量量过过高高，