机械工程材料第四章

基本都溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。
§4-3 碳钢及合金钢概述
（二）合金元素的作用 1、固溶强化 除铅外，大多数合金元素（Me）都能溶于F 形 成合金F。由于Me与Fe的晶格类型和原子半径的差 异而引起F的晶格畸变，产生固溶强化，即使 F 的 HB 、 σb ↑。 Me与Fe的晶格类型和原子半径的差 异愈大，该Me对F的强化效果也愈大。而F 的δ 、 Ψ、Ak 与溶入F中的Me种类及数量有关。
用途： 制造各种刃具、模具、量具。 例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。 热处理：球化退火、淬火 + 低温回火 组织： P球状、回火M＋ Fe3C粒状+ A'
§4-3 碳钢及合金钢概述 （三）、 合金钢的编号
1.合金结构钢
原则：字母＋ 数字＋化学元素符号＋数字＋符号（A）
高级优质钢 Me平均含量（百倍） 合金元素（Me）的名称 钢的平均碳含量（实际碳含量的一万倍表示） 表示钢的用途 例 1 ：12 Cr Ni 3 A——12铬镍3高级优质钢 高级优质钢 Ni平均含量为3％ Cr平均含量小于1.5％
Me K 钉扎晶界 阻碍A晶粒长大
§5-3 碳钢及合金钢概述 K
M+A ´
高速钢W18Cr4V的淬火组织
§4-3 碳钢及合金钢概述 4、提高钢的淬透性 除Co外，所有Me当他们溶入A中后，均提高 钢的淬透性。因此，在获得同样淬硬层深度的情 况下，可用冷却能力较低的淬火介质，以减少工 件的淬火变形和开裂；在淬火条件相同的条件下， 合金钢可获得较深的淬硬层，从而使大截面的工 件获得均一的组织，高的力学性能。 淬透性：钢在淬火时获得淬硬层（淬透层） 深度的能力。
细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上
§5-3 碳钢及合金钢概述
碳化物 回火马氏体M（基体）
高速钢W18Cr4V淬火+回火组织
§4-3 碳钢及合金钢概述 3、细晶强化
大部分Me元素都抑制钢在加热时的A晶粒长大， 细化晶粒。尤其是强碳化物形成元素Mo、W、V、 Ti等与C形成高熔点、高硬度的合金碳化物（K）， 并呈细小、颗粒状的质点弥散分布在钢中，这些K 对A的晶界起到钉扎作用，强烈阻碍A晶粒长大，故 合金钢在淬火加热时易获得细小的A晶粒＋未溶的K 质点，淬火后可获得在硬度高、强韧性好的细小马 氏体的基体上弥散分布着K质点的组织。从而使合 金钢具有高的硬度、高的强韧性、高的耐磨性。
§5-3 碳钢及合金钢概述
K
回火M+A´
高速钢W18Cr4V 1280 ℃淬火+560 ℃三次回火组织
§4-3 碳钢及合金钢概述 6、抑制第二类回火脆性 回火脆性：淬火钢在250 ~350℃与550~650℃ 两个温度范围内回火时使钢的韧性显著降低的现 象。前者称为第一类回火脆性（不可逆），后者 称为第二类回火脆性（可逆）。 第二类回火脆性主要出现在Cr、Mn、Ni、 Si等的合金结构钢中。产生回火脆性的原因是 回火慢冷时Cr、Mn等Me以及钢中的杂质元素 P、Sb、Sn等向原A晶界偏聚有关。
低碳钢（wc ≤ 0.25%） 低合金钢（wMe ≤ 5%） 高合金钢（wMe ＞ 10%） 中碳钢（wc 0.25 ~ 0.60%） 中合金钢（wMe 5 ~ 10%）
高碳钢（wc ≥ 0.60%）
普通碳钢（ws ≤ 0.055%，wp ≤ 0.045%）
按质量分
优质碳钢（ws ≤ 0.040%，wp ≤ 0.040%）
1 b ×
2 c ×
3 a ×
4 a √
5 a √
1. 一种合金冷却时发生L→α+β转变，（ ）。 （a）这种合金称为共析合金 （b）这种合金称为共晶合金 （c）这种合金称为包晶合金 （d）这种合金称为包析合金 2. A、B两组元在固态时能形成无限固溶体，则（ ）。 （a）固溶体的熔点比A、B组元的熔点低 （b）固溶体的导电性比A、B组元的高 （c）A、B组元的晶体结构相同 （d）A、B组元的原子半径相差比较大 3. 在非平衡结晶情况下，在一个晶粒内部出现化学成分不均匀的现象 称为（ ）。 （a）晶内偏析 （b）不均匀结晶 （c）成分不均匀 （d）晶间偏析 4. 纯铁加热过程中，在912℃发生（ ）。 （a）吸热现象 （b）放热现象 （c）γ-Fe→α-Fe转变 （d）δ-Fe→γ-Fe转变 5. 已知某优质碳素钢经完全退火后铁素体的体积分数为52%，其钢 号是（ ）。 （a）35 （b）40 （c）45 （d）50
例1： 1Cr18Ni9Ti——奥氏体不锈钢
钢中平均wCr=18%, wNi＝9％,wTi < 1.5％ 钢中碳平均含量wC ≤ 0.12％
例2： 3Cr18 Ni25 Si2——耐热不起皮钢
钢中平均wCr=18%, wNi＝25％,wSi=2％ 钢中碳平均含量wC = 0.3 ~ 0.4％
§4-3 碳钢及合金钢概述 三、 合金元素在钢中的主要作用 （一）、 合金元素的分类
§4-3 碳钢及合金钢概述 2、弱碳化物形成元素 是指与碳亲和力较弱的合金元素。如Mn。 在钢中存在形式： 少量溶于渗碳体（Fe3C）内，形成合金渗碳体 （Fe，Mn）3C，大部分溶于铁素体（F）内， 形成合金铁素体。 3、非碳化物形成元素 与碳亲和力很弱,不和碳形成碳化物的 合金元素。如Ni、Si、Al、Co、Cu、B等。 在钢中存在形式：
钢的平均碳含量为0.12％
§4-3 碳钢及合金钢概述
例 2：Y 40 Mn——易切削40锰钢
表示钢中的碳平均含量为0.4％
表示易切削钢
特例： GCr钢中Cr后的数字表示的Βιβλιοθήκη Baidu千倍
例 ：G Cr 15——滚铬15钢
表示元素铬，平均含量为1.5％ 表示滚动轴承用钢
另外， 还有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等
§4-3 碳钢及合金钢概述
合金元素对铁素体硬 度的影响（退火态）
合金元素对铁素体 冲击韧性的影响
§4-3 碳钢及合金钢概述 2、第二相强化 某些Me加入钢中，增强Fe与C的亲和力，形成稳定 性较高的合金渗碳体（Fe,Cr）3C等。随Me及C的加 入量增多，能形成稳定性更高的合金碳化物Cr7C3、 Cr23C6等及稳定性特高的合金碳化物（WC、VC、 TiC等），其熔点、硬度高，难溶于A、难聚集长大， 这些碳化物（第二相）呈细小颗粒状、弥散分布在钢 的基体上，将使钢的HB 、σb↑，耐磨性增加，但δ、 Ψ、Ak↓。 加入Me 合金渗碳体、合金碳化物 强化
1、强碳化物形成元素 与碳亲和力较强的合金元素。如Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。
在钢中存在形式： 含量较低时一般倾向于置换Fe3C内的Fe原子而形成 合金渗碳体（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C等。而含 量较高时，除形成渗碳体型碳化物外，还可形成稳 定性更高的合金碳化物（Cr7C3、Fe4W2C等）和稳 定性特高的特殊碳化物（WC、VC等）。
高优碳钢（ws ≤ 0.030%，wp ≤ 0.035%） 结构钢（主要用于工程构件、机器零件）
按用途分
工具钢（主要用于刀具、量具、模具）
§4-3 碳钢及合金钢概述 （二）、 碳钢的分类和用途 1. 碳素结构钢
Q 235 — A • F
沸腾钢 质量等级、（A级）
235为屈服强度（MPa）
钢的屈服点 质量等级：A级、B级、C级、D级 S%、P% 下降，质量提高
§4-3 碳钢及合金钢概述 §4-3 碳钢及合金钢概述
碳钢——不加合金元素 合金钢——加合金元素
一、 钢中常存杂质元素的影响 （一）、 锰的影响 （二）、 硅的影响
Mn≤0.80%(杂质) Mn=1.0%~1.2%(合金)
脱氧 减轻S的有害作用 固溶强化 提高淬透性 （三）、 硫的影响
Si=0.1%~0.4% 固溶强化 提高淬透性
（四）、 磷的影响
P≤0.045%(普通) P≤0.040%(优质) P≤0.035%(高级优质)
S≤0.055%(普通) S≤0.040%(优质) S≤0.030%(高级优质)
FeS 增加脆性
§4-3 碳钢及合金钢概述 二、 钢的分类、编号及应用 （一）、 钢的分类 按碳和合金元 素含量分
1. 由于纯铝的强度低于纯铜的强度，所以，在铜中加入少量铝 形成固溶体时，固溶体的强度低于纯铜的强度。（ ） 2. 在相同溶质原子含量情况下，置换原子的强化效果大于间隙 原子的强化效果。（ ） 3. 晶体缺陷对材料的力学性能有害而无益。（ ） 4. 间隙化合物的晶体结构一般比纯金属的晶体结构复杂。（ ） 5. 一般来说，化合物的硬度比较高，耐磨性好。（ ） 6. 描述工业纯铁的组织参数主要是铁素体的晶粒大小和形状。 （ ） 7. 由于工业纯铁的强度低，所以无实用价值。（ ） 8. 通过冷变形可以提高工业纯铁的塑性变形能力。（ ） 9. 在退火状态下，随含碳量增加，钢的强度总是提高的。（ ） 10. 在退火状态下，随含碳量增加，钢的硬度总是提高的。（ ）
F—沸腾钢、Z—镇静钢、b—半镇静钢
§4-3 碳钢及合金钢概述
用途：钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。
热处理：热轧空冷
组织：S＋F
钢桥梁
建筑构件
§4-3 碳钢及合金钢概述
多边型角钢
钢筋、螺纹钢
螺钉、铆钉
§4-3 碳钢及合金钢概述
2. 优质碳素结构钢
分为普通锰含量钢和较高锰含量钢。
（a）普通锰含量钢： Mn=0.35%~0.65% 碳含量用两位数字表示，以0.01％为单位，如 45钢，C= 45 / 10000 = 0.45 % 。 （b）较高锰含量钢： 碳含量用两位数字表示，以0.01%为单位，后面 加汉字“锰”或化学符号“Mn”，如45锰或45Mn钢。
§4-3 碳钢及合金钢概述 5、提高钢的回火稳定性 Me能使淬火钢在回火过程中的M分解和A´的 转变速度减慢，提高了F再结晶温度，使碳化物不 易聚集长大而保持较大的弥散度。因此，提高了 钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 当钢中含有较多的强碳化物形成元素（如W、 Mo、V等）时，淬火后的A´十分稳定，加热至500 ~600 ℃仍不分解，尔后在回火冷却过程中部分转变 成M，反而使钢的硬度上升；此外，在此温度下回 火钢中将沉淀析出这些元素的特殊碳化物并呈弥散 分布，致使回火后钢的硬度不但不降反而再增加 ——“二次硬化”。
特例：高速钢平均碳含量< 1% 也不标。
W18 Cr4 V——钨18铬4钒（18-4-1）
钢中平均V含量wv < 1.5％，Cr含量 wCr＝ 4％，W含量ww＝18％ 含碳量未标，但平均wc 为0.7 ~ 0.8％
另外， 还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等
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3. 特殊性能合金钢 原则：钢中平均含碳量 wc 以千分之几表示。 合金元素平均含量wMe以百分几表示。
§4-3 碳钢及合金钢概述
40钢 平均Wc0.40%
40Mn钢 WMn0.7 ~1.0% 平均Wc0.40%
较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。
热处理：淬火、回火等。
§4-3 碳钢及合金钢概述
3.碳素工具钢 牌号 : “碳”或T＋碳含量（千分之几表示)+ 符号 T10A钢
平均Wc1.0% “碳”
第三、四章练习
6. 已知某优质碳素钢经完全退火后Fe3CⅡ的体积分数为 3.5%，其钢号是（ ）。 （a）30 （b）50 （c）T7 （d）T10 7. 在45钢中加入Mn形成45Mn，Mn起到的作用是（ ）。 （a）只有固溶强化作用 （b）固溶强化和提高淬透性 （c）细化晶粒 （d）二次硬化 8.属于非碳化物形成元素是（ ）。 （a）Mn、Si、V （b）B、Si、P、Cr （c）Si、B、Ni、Co （d）Si、Mn 9. 40Cr的含碳量约为（ ）。 （a）0.2% （b）0.4% （c）0.6% （d）0.8% 10.属于中碳钢的是（ ）。 （a）T10 （b）W18Cr4V （c）38CrMoAl （d）Cr12
§4-3 碳钢及合金钢概述
2. 合金工具钢 原则： 钢中平均含碳量wc ≥ 1.0%时不标， wc < 1% 时以千分之几表示。 合金元素含量为百分之几。 例1： 9 Si Cr——9硅铬（低合金工具）钢
钢中Si、Cr平均含量均小于1.5％ 钢中碳平均含量为Wc ＝0.9％
§4-3 碳钢及合金钢概述