金属材料学期末复习资料

1.合金钢性能：在使用性能方面，有高的强度与韧性的配合，或高的低温韧性，或高温下有高的蠕变强度、硬度及抗氧化性，或具有良好的耐蚀性。

2、在工艺性能方面，有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。

合金钢的分类方法

(1) 例如按合金元素质量分数多少，可分为：低合金钢（总量<5％）、中合金钢（总量为5％～10％）和高合金钢（总量>10％）。(2) 按所含的主要合金元素，可分为：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。(3) 按小试样正火或铸造状态的显微组织，可分为：珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。(4) 按用途来分类，可分为：合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢三大类。

3、对奥氏体晶粒大小的影响：（1）强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr等。Al在钢中易形成高熔点的AlN、Al2O3细质点，也强烈阻止晶粒长大（2）中等阻碍晶粒长大的元素：W、Mo、Cr。（3）对晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu。（4）促进晶粒长大的元素：Mn、P、B有此倾向。

合金元素对奥氏体形成速度的影响:（1）Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大，形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著阻碍碳的扩散，大大减慢奥氏体形成速度。（2）Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加3.Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。

合金元素对C曲线的影响：1.钛、铌、钒、钨、钼（Ti、Nb、V、W、Mo）等元素强烈推迟珠光体转变，对贝氏体转变推迟较少，同时升高珠光体最大转变速度的温度，降低贝氏体最大转变速度的温度。使C曲线分离开来，出现两个C曲线。2.铬和锰（Cr、Mn）都有强烈推迟珠光体和贝氏体转变的作用，而推迟贝氏体的作用更加显著。3、非碳化物形成元素硅、铝（Si、Al）都增加过冷奥氏体的稳定性，但推迟贝氏体转变的作用更强烈，并且将珠光体转变区和贝氏体转变区分开。4.非碳化物形成元素镍Ni有强烈推迟珠光体转变的作用。当镍含量高时，珠光体转变完全被抑制，仅在500℃以下发生贝氏体转变5.非碳化物形成元素镍Ni有强烈推迟珠光体转变的作用。当镍含量高时，珠光体转变完全被抑制，仅在500℃以下发生贝氏体转变6.钢中加入微量元素也有效地增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。如钢中加入0.0005～0.003％硼（B），硼是内吸附元素，主要存在于奥氏体晶界，它使过冷奥氏体转变的C曲线的位置向右移，但对曲线的形状影响不大

工程结构钢的主要性能要求是：1、承受各种载荷，要求有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性2、由于工作环境是暴露在大气中，温度可低到零下50℃，故要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀。3、要有良好的工艺性能，如冷弯、冲压、剪切，以及良好的焊接性等。

工程结构钢的合金化原理:低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。二、加入以锰为主的合金元素：锰除了产生较强的固溶强化效果外，还可细化铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高钢的强度和韧性。一般锰含量不超过2％。三、加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，阻碍钢热轧时奥氏体晶粒的长大，有利于获得细小的铁素体晶粒；另外，热轧时部分固溶在奥氏体内，而冷却时弥散析出，可起到一定的析出硬化作用，从而提高钢的强度和韧性。四、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。

工程结构钢中的合金元素对强化的贡献包括：1、溶入铁素体起固溶强化；2、细化晶粒起细晶强化；3、析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；4、增加珠光体含量。

三、对调质钢的性能要求：

以上零件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。为了保证零件整个截面机械性能的均匀性和高的强韧性，合金调

质钢要求有很好的淬透性。

1、中碳碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。碳量过低，不易淬硬，

回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。3加入防止第二类回火脆性的元素Mo、W

四、钢种及牌号： 1、低淬透性合金调质钢这类钢的油淬临界直径为30mm～40mm，最典型的钢种是40Cr，广泛用于制造尺寸较小的重要零件。此外45钢和45B钢等属最普通的碳素调质钢、中淬透性合金调质钢这类钢的油淬临界直径为40mm～60mm，含有较多的合金元素，典型钢种有42CrMo、40CrMnMo等，用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。高淬透性合金调质钢多半是铬镍钢。例如 40CrNiMo钢

渗碳钢机械性能要求表面具有优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时心部具有高的韧性和足够高的强度。渗碳之后淬火，得到从表面到中心的不同组织，例如形成高碳马氏体+低碳马氏体十珠光体十铁素体的金相组织。

2、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入 Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。

典型钢种及牌号：低淬透性合金渗碳钢典型钢种为20Cr 中淬透性合金渗碳钢典型钢种是20CrMnTi。用于制造承受高速中载、要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要零件。3）高淬透性合金渗碳钢典型钢种为18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A。这类钢具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性。用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件 4、热处理和组织性能渗碳后直接淬火+低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度为60～62HRC。

氮化钢表面氮化处理后，可显著提高其疲劳强度和耐磨性，还具有抗水、油等介质腐蚀的能力。氮化层在较高温度下仍能保持其硬度。零件在氮化前，要经过调质热处理，得到稳定的回火索氏体组织，保证使用过程中尺寸稳定。

2、氮化钢的合金化特点（1）如果要求表面硬度不超过HV900，可采用铬、钼、钨钢种；如果表面硬度需要在HV900以上，需要采用含强氮化物形成元素铝的钢种。（2）铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。（3）钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。

氮化钢典型牌号常用氮化钢是38CrMoAl。经调质和表面氮化处理后，钢表面可获得最高氮化层硬度，达到HV900～1000（HRC65≈HV800）。

弹簧钢 1、用途：合金弹簧钢主要用于制造各种弹簧和弹性元件。2、性能要求：（1）高弹性极限σe及其高的屈强比σS／σb。（2）高的疲劳强度σr。（3）足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。（4）较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型等。

3、弹簧钢的合金化特点：（1）中、高碳。一般为0.50％～0.70％。碳质量分数过低，强度不足。碳质量分数过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。（2）加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素。Si和Mn的作用主要是提高淬透性，同时也提高了屈强比，而以Si 的作用最突出，但Si在加热时促进表面脱碳，Mn则使钢易于过热。重要用途的合金弹簧钢必须加入Cr、V、W等元素。

钢种和牌号合金弹簧钢大致分两类。（1）以Si、Mn为主要合金元素的合金弹簧钢代表性钢种有65Mn和60Si2Mn等这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢。这类钢主要用于

（2）含Cr、V、W等元素的合金弹簧钢，典型钢种为50CrVA。汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。