金属材料学全套课件.ppt

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1、1,金 属 材 料 学,2,考 核1.期末考试采用闭卷笔试。2.成绩评定：期末考试占70，平时成绩占30。3.平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题等部分组成。,3,绪 论一、本课程主要内容 1、钢铁材料(1)合金化原理 合金元素在钢中与Fe，C的相互作用。合金元素在相变中的作用。(2)各种钢铁材料2、有色金属材料,4,二、研究思路使用条件性能要求组织结构化学成分 生产工艺,5,三、金属材料的性能1、使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。主要包括：力学性能、化学性能、物理性能。2、工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接

2、性等。,6,使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。如含铜时效钢06MnNiCuNb。,7,四.钢铁材料的分类 非合金钢;低合金钢;合 金 钢 高温合金;铸 钢;铸 铁1、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其它元素的金属材料。2、铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，其杂质含量比钢高,8,3、高温合金：不以碳作为主要在强化元素，通常也不以铁作为基体。4、合金元素：为了提高钢的某些性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素。,9,5、杂质元素：由于冶炼工艺、

3、原料等原因，不可避免地存在于钢中的元素，含量要求低于某一标准值。(1)常存元素：Si，Mn，S，P，N，H，O(2)残余元素：Cr,Ni,Mo,W，Cu，V，Ti,10,6、非合金钢：不含合金元素的钢。主要包括“碳素钢”，还包括电工用纯铁（C0.02%称纯铁）、原料纯铁等。7、低合金钢 Mn，Cr，Cu，Mo，Ni，Si，Ti，V，W等元素含量在非合金钢和合金钢含量之间。,11,12,我国低合金钢从50年代开始研制，生产。目前标准牌号约100个，以Mn为主，重点牌号为16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb，Cu，N，Re等。如按照国际标准划类，16Mn等这类钢只能划为“非合金钢”，与我国历史

4、、现状和发展前途不适应。,13,五、合金钢分类1、按质量等级分类(1)优质钢：结构钢：S0.045%，P0.040%。工具钢：S0.030%，P0.035%。(2)高级优质钢：S0.020%，P0.030%。注：非合金钢，低合金钢中还含普通质量钢。,14,2、按金相组织分类(1)按退火组织亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢(2)按正火组织分类珠光体钢，贝氏体钢，马氏体钢，奥氏体钢,15,(3)按加热及冷却有无相变及室温组织分类铁素体钢：加热及冷却始终为铁素体组织。奥氏体钢：加热及冷却始终为奥氏体组织。半铁素体钢：加热时只部分发生奥氏体相变，其余部分始终为铁素体组织。半奥氏体钢：冷却时只部分发

5、生相变，其余部分始终为奥氏体组织。,16,3、按合金元素总量分类 低合金：总量10%,17,4、按用途分类(1)结构钢 工程结构用合金钢 机械制造用合金钢(2)工具钢(3)不锈钢、耐热钢,18,六、合金钢和低合金钢编号方法编号方法：碳含量合金元素种类和数量质量 碳含量：区分不同钢种的主要标志。,19,1、合金元素种类和数量：种类：用化学符号表示 数量：1.5%，不表示 1.52.5%，用2表示 2.53.5%，用3表示（以下类推）2、质量：高级优质钢加A，其余不表示。,20,3、碳含量：不同钢种有不同表示方法（区分不同钢种的主要标志）(1)低合金钢和合金结构钢含C量以0.01%为单位，用两位数

6、字表示。如：40Cr，42CrMo，09CuPTi，15MnVN，15MnVB。,21,有时两个钢种，其中一个主要合金元素含量不同，但都小于1.5%，其余成分相同，此时含量较高的在元素后面标“1”来加以区别。如:12CrMoV，Cr：0.40.6%12Cr1MoV，Cr：0.91.2%,22,(2)轴承钢前面标以G，表示滚动轴承钢。含C量1%，故不表示。含Cr量以0.1%为单位，其余合金元素方法不变。如：GCr15，GCr15SiMn，GCr9。,23,(3)不锈、耐蚀和耐热钢含碳量以0.1%为单位。如：1Cr13，2Cr13。含碳量很低时，用0，00表示。0：0.08%；00：0.03%。如

7、：0Cr18Ni9，00Cr18Ni10。,24,(4)工具钢 含碳量以0.1%为单位，用1位数字表示。当1%时不表示。如：9CrSi，CrWMn。含Cr量低于1%的铬合金工具钢，Cr含量以0.1%为单位，并在前面加一个“0”字表示。如：Cr06,Cr,Cr2。,25,高速钢含碳量小于1时，通常也不标注含碳量。如：W18Cr4V：含碳量 0.7-0.8%W6Mo5Cr4V2：含碳量 0.8-0.9%合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，如9W18Cr4V。,(复习)绪论重点内容：一、研究思路 二、合金元素与杂质元素三、合金钢分类：1、质量。2、组织（退火、正火、加热及冷却时的组织转变）四、合

8、金钢及低合金钢编号方法,27,第一章 钢中的合金元素,28,11 铁基固溶体 铁基固溶体：铁素体（F）；奥氏体（A）。一、合金元素对铁基固溶体的影响1、奥氏体形成元素 使A3温度下降，A4温度上升，扩大相区。,29,(1)开启相区：Mn，Co，Ni：与Fe可以无限固溶。Ni含量高时，可使稳定到室温。(2)扩大相区：C，N，Cu：与Fe有限固溶。,30,2、铁素体形成元素 使A3温度上升，A4温度下降，缩小相区。(1)封闭相区（V，Cr，Ti，W，Mo，Al，P）A3和A4在一定浓度时汇合形成圈。Cr，V：与Fe无限固溶；其余元素为有限固溶。(2)缩小相区（B，Zr，Nb，S）出现了金属间化合物

9、，破坏了圈。,31,3.热力学讨论 用C，C分别表示在温度T时某元素在相和相的平衡浓度，在平衡状态下得：,32,H：热焓的变化 HHH H、H：单位溶质元素溶于相、相的溶解热。铁素体形成元素：H0,CC,相区缩小。奥氏体形成元素：HH，H0，CC，相区扩大。,33,二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度1、间隙固溶体：Fe中间隙尺寸大，故溶解度较大。Fe中间隙尺寸小，故溶解度较小。2、置换固溶体：铁素体形成元素在Fe中溶解度大；在Fe中小。奥氏体形成元素在Fe中溶解度大；在Fe中小。,34,影响置换固溶体溶解度的因素：(1)尺寸因素：d：810%，无限溶解。(2)晶体结构因素：(3)化学亲和力因素

10、：负电性差x0.40.5，有利于形成固溶体。(4)电子轨道因素：,35,说明：1.Nb,Zr在Fe 和Fe中的溶解度都较小，并且后者比前者稍大。Nb：1.8%()2.0%()Zr：0.3%()0.7%()2.B原子半径为0.97A，在Fe 和Fe中的溶解度都非常小。0.008%()0.018%(),36,12 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用一、相互作用合金元素和杂质元素在晶体缺陷处偏聚。1、晶界内吸附（晶界偏聚）：溶质原子在晶界、相界、亚晶界等处的浓度远远超过在基体中的平均浓度。,37,2.柯垂耳气团 溶质原子在刃型位错处的吸附。3.铃木气团 溶质原子在层错处的吸附。二、产生相互作用的原因

11、溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很大。因此，溶质原子在晶体缺陷处偏聚，可使点阵畸变松弛，从而降低系统的内能。,38,三、影响相互作用的因素 Cg：溶质原子在缺陷区的吸附浓度。C0：溶质原子在基体晶格内的浓度。Q：单位溶质原子在晶格未畸变区和晶体缺陷处引起的畸变能之差。,39,1.畸变能差（Q）QCg/C0，偏聚严重。Nb：原子半径和Fe相差大，在铁素体和奥氏体中均在晶界和位错处强烈富集。如在层错富集析出NbC沉淀相。B：在550950时在奥氏体晶界产生强烈的内吸附。含0.0010.005%时可显著增加淬透性。,40,2.温度（T）(1)温度升高使偏聚浓度下降 T Q/RTCg/C0（设Q不变）

12、TEQCg/C0 B：1100加热时，内吸附基本消失，不增加淬透性。P：400600回火，产生内吸附，空冷时出现脆性。重新加热到650，内吸附大大降低。,41,(2)低于临界温度时不发生显著内吸附 不同原子都有一个发生显著内吸附的临界温度：H：0以下；C，N：室温附近。P：350；Nb，Mo：500。3.原始浓度（C0）C0越低，产生显著晶界偏聚的时间也越长。,42,4.多种溶质原子之间的相互作用(1)畸变能差大的元素优先发生偏聚。（如铈的晶界偏聚倾向大于磷）(2)影响晶界偏聚速度。（如铈减慢锑的晶界偏聚速度）(3)影响在晶内的溶解度。（镧与磷和锡在晶界偏聚，降低了磷和锡在晶内的浓度）(4)发

13、生共偏聚。（镍、铬、锰与磷、锡、锑共偏聚，促进了高温回火脆性）,43,四、对合金组织和性能的影响 晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、相变时晶体缺陷处形核、高温回火脆性等都与此有关。,44,11 铁基固溶体重点内容：一、奥氏体形成元素1.定义2.元素：Mn，Co，Ni，C，N，Cu。3.与-Fe无限固溶：Mn，Co，Ni。二、铁素体形成元素1.定义2.元素：其它 3.与-Fe无限固溶：Cr，V。,45,1-2合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用重点内容：一、基本概念1、晶界内吸附；2、柯垂耳气团；3、铃木气团二、产生相互作用的原因 畸变能差：溶质原子在完整晶体内的畸变能大，在晶体缺陷处的畸变能小。,46

14、,三、硼对淬透性的影响1、硼提高亚共析钢的淬透性。（畸变能差大的元素硼在晶界偏聚强烈，阻碍先共析铁素体形核。）2、淬火温度过高，硼钢淬透性反而下降。（温度过高，硼的偏聚减弱。）四、NbC在层错处析出。（畸变能差大的元素铌在晶界偏聚强烈。）,47,五、高温回火脆性1、含Ni、Cr的合金钢有高温回火脆性。（Ni、Cr促进杂质元素在晶界发生共偏聚，促进高温回火脆性。）2、高温回火具有可逆性。（已具有回火脆性的钢重新回火时，因温度升高使偏聚减弱，再快冷到室温，不发生偏聚。,48,13 钢中碳化物形成规律一、合金元素与钢中碳的相互作用1.非碳化物形成元素 在钢中不与碳结合形成碳化物。Co，Ni，Cu，A

15、l，Si，P，S，N等 2.碳化物形成元素 在钢中可以与碳结合形成碳化物。,49,13 钢中碳化物形成规律一、合金元素与钢中碳的相互作用1.非碳化物形成元素 在钢中不与碳结合形成碳化物。Co，Ni，Cu，Al，Si，P，S，N等 2.碳化物形成元素 在钢中可以与碳结合形成碳化物。,50,3碳化物的稳定性碳化物稳定性越高，其硬度、熔点也越高，晶体结构也越简单。强碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V。中强碳化物形成元素：W，Mo，Cr。弱碳化物形成元素：Mn。,51,二、碳化物的结构间隙相(1)形成面心立方点阵的碳化物（Ti，Zr，Nb，V）MC型：TiC，ZrC，NbC，VC。(2)形成六方点阵

16、的碳化物（W，Mo）MC型：简单六方点阵。WC，MoC。M2C型：密排六方点阵。W2C，Mo2C。,52,53,54,2.间隙化合物 rC/rM0.59，形成复杂点阵的碳化物(1)复杂立方点阵：（Cr，Mn）M23C6型：Cr23C6，Mn23C6。(2)复杂六方点阵（Cr，Mn）M7C3型：Cr7C3，Mn7C3。(3)正交晶系点阵 M3C型：Mn3C，Fe3C。,55,3.三元碳化物,（W、Mo）FeC，均为间隙化合物。,(1)复杂立方点阵(M6C型碳化物),Fe3W3C，Fe4W2C，Fe3Mo3C，Fe4Mo2C，,(2)复杂立方点阵(M23C6型碳化物)Fe21W2C6，Fe21Mo

17、2C6。,56,三、碳化物的相互溶解1.完全互溶 只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶格类型的碳化物之间。(1)Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物 除了ZrC和VC之间因原子尺寸相差大，不能完全互溶外，其余碳化物之间均可完全互溶。,57,(2)W和Mo形成的碳化物 相同结构的碳化物之间可完全互溶。(3)Fe和Mn形成的碳化物 Fe3C和Mn3C之间可完全互溶。,58,2.有限互溶(1)Fe3C中：可溶解一定量的Cr，Mo，W，V等，形成合金渗碳体。超过溶解度后，将由合金渗碳体变为特殊碳化物。(2)Cr的碳化物中：可溶解一定量的Fe，Mn，Mo，W，V等。,59,(3)W和Mo的碳化物中：可溶解较

18、多的Cr。(4)Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物中：可溶解较多的W和Mo，可溶解较少量的Cr，Mn。,60,3.相互溶解对稳定性的影响(1)强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中，可提高其稳定性。如42CrMo钢：生成的（Fe,Cr,Mo)3C，稳定性比Fe3C，淬火温度升高。如奥氏体耐热钢4Cr14Ni14W2Mo：生成的（Cr,W,Mo,Fe,Ni)23C6稳定性比Cr23C6高，可以作为强化相。,61,(2)较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物中，可降低其稳定性。如15MnV钢，形成的（V，Mn）C稳定性比VC低，溶入奥氏体中的温度也随之降低，当Mn=1.47%时，由1100降至900。,

19、62,四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向,63,五、钢中的碳化物1.强碳化物形成元素即使在钢中含量很低（0.1%）时，也要优先形成MC型碳化物。2.中强碳化物形成元素在钢中含量较高时，可形成特殊碳化物;含量较低时只能溶入Fe3C中，形成合金渗碳体。3.弱碳化物形成元素Mn在钢中只形成合金渗碳体。,64,14 钢中的氮化物一、钢中氮的来源1.冶炼时来自大气中的氮。2.作为合金元素加入钢中的氮。3.表面渗氮。,65,二、钢中氮化物的结构1.过渡族金属的氮化物 rC/rM0.59,均为间隙相。(1)面心立方点阵的氮化物 TiN，NbN，ZrN，VN，Mo2N，W2N，CrN，MnN，Fe4N，M

20、n2N。(2)密排六方点阵的氮化物 WN，MoN，Nb2N，Cr2N，Mn2N。,66,2、铝的氮化物 AlN：正常价非金属化合物，密排六方点阵。三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物 如含Ti钢中，可形成Ti(C，N)。TiN为金黄色，Ti（C，N）的颜色随含碳量增加由桔红变为紫色。,67,四、氮化物的稳定性 1.强氮化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V 几乎不溶于奥氏体。2.中强氮化物形成元素：W，Mo 稳定性较高。3.弱氮化物形成元素：Cr，Mn，Fe 高温时溶于奥氏体，低温时析出。4.AlN：稳定性很高。,68,五、氮化物的作用细化晶粒2.提高表面耐磨性和疲劳强度3.提高表面耐蚀性,6

21、9,15 钢中的硼化物一、钢中硼的来源1.作为合金元素加入 微硼钢(0.0010.005%B)：提高淬透性。高硼钢(0.14.5%B)：吸收中子，用于核反应堆。2.表面渗硼,70,二、钢中硼化物的结构1.Fe2B(1)具有复杂结构。(2)硬度较高，HV12001700。(3)在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。,71,2.FeB(1)具有复杂结构。(2)硬度高，HV18002000，脆性大。(3)表面渗硼时在渗层表面得到。3.Fe23（C，B）6(1)碳硼化物，其结构和Cr23C6相同。(2)在微硼钢中出现，一般位于晶界，使钢脆性增大，形成硼脆。(3)可溶入其他元素，形成复杂硼化物。,72,1

22、6 钢中的金属间化合物一、相1.相为正方晶系，a=bc。单位晶胞有30个原子。2.二元系中相的形成条件(1)原子尺寸相差不大，d12%。(2)平均族数在5.77.6范围内。,73,3、第三种元素会影响相形成的浓度和温度范围如FeCr相，在820以下稳定。加入Ni把稳定温度提高到850。加入Si把稳定温度提高到900950。加入Mn，Mo把稳定温度提高到1000。,74,4、在高Cr，高Cr、Ni的不锈钢，耐热钢中出现相。因为相硬度很高，使钢的塑性、韧性显著下降，脆性增加。当相沿晶界形成网状时，更为严重。,75,二、AB2相（拉维斯相）1.合金钢中出现的AB2相主要是复杂六方点阵的MgZn2型。

23、如MoFe2，WFe2，NbFe2，TiFe2。2.多元合金钢中出现复合的AB2相，尺寸较小的Cr，Mn，Ni可置换Fe，尺寸较大的W，Mo，Nb处于A的位置。3.耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相。,76,三、AB3相（有序相）1.钢和合金中使用着相当数量的有序相 一部分有序相接近无序固溶体。另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。2.Ni3Al是耐热钢和耐热合金中重要的强化相,77,13 钢中碳化物形成规律重点内容：一、强碳化物形成元素（V，Ti，Nb，Zr）1、即使在钢中含量很低（0.1%）时，也要优先形成MC型碳化物（TiC，ZrC，NbC，VC。）2、MC型碳化物是具有面心立方点阵的

24、间隙相。3、MC型碳化物的稳定性很高。,78,二、中强碳化物形成元素（Mo，W）1、含量较高时可形成间隙相MoC和Mo2C；间隙化合物Fe3Mo3C和Fe21Mo2C6。稳定性高。2、含量较低时只能溶入Fe3C中，形成合金渗碳体。稳定性低。,79,17 合金元素对铁碳相图的影响一、合金元素对临界点的影响1、对S，E点成分的影响 使S，E点向左移动，使S，E点碳含量下降。2.对A1，A3点的影响 奥氏体形成元素：使A1，A3点下降。铁素体形成元素：使A1，A3点上升。,80,亚共析钢平衡组织中珠光体增多。当合金元素含量高时，对钢的组织影响很大：如：3Cr13：0.3%C、13%Cr，组织为共析钢

25、。4Cr13：0.4%C、13%Cr，组织为过共析钢。如：W18Cr4V：0.7-0.8%C，组织中有大量莱氏体存在。,81,二、对奥氏体相区的影响1、扩大或缩小奥氏体相区2、奥氏体钢 镍、锰含量高的钢，可以使奥氏体稳定到室温，成为室温组织。3、铁素体钢 铬含量高的钢，奥氏体相区完全消失，使铁素体成为高温组织。,82,18合金元素对钢在加热时转变的影响一、合金元素对奥氏体形成的影响 相的形成依赖于碳化物的溶解和碳的扩散。强和中强碳化物形成元素阻碍奥氏体形成(1)形成特殊碳化物或合金渗碳体，稳定性比Fe3C高，难以溶解。(2)增加碳的扩散激活能，阻碍碳扩散。,83,2.弱碳化物形成元素锰，对奥氏

26、体形成影响不大。3.非碳化物形成元素Ni，Co促进奥氏体形成。降低碳的扩散激活能，促进碳的扩散。,84,二、合金元素对奥氏体成分均匀化的影响1.奥氏体形成时，奥氏体中碳化物形成元素和碳的分布不均匀。2.碳化物形成元素均匀化是奥氏体成分均匀化的控制因素。(1)碳化物形成元素扩散系数小。(2)碳化物形成元素对碳有吸引力。,85,三、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响1.V，Ti，Nb，Zr，Al强烈阻止奥氏体晶粒长大。2.C，P，Mn（高碳）促进奥氏体晶粒长大 C，P在晶界内吸附，改变了晶界原子扩散激活能。锰促进碳的扩散,86,19合金元素对过冷奥氏体转变的影响V，Ti，Nb，Zr，W，Mo：强烈推迟

27、P转变，P转变温度上升。推迟B转变较少，B转变温度下降。Cr，Mn：强烈推迟P转变，推迟B转变更显著。B转变温度下降。Si：推迟B转变更显著。Ni：推迟P转变更显著。,87,一、合金元素对珠光体转变的影响 P（K）Fe：扩散型转变重建晶格。C，Me：扩散重新分布。1.合金元素对珠光体转变时碳化物形成的影响,88,(1)碳化物中合金元素的含量 K形成元素在特殊K和合金渗碳体中的含量远高于奥氏体中的平均含量。非K形成元素Si，Al只存在于相中。(2)合金元素的影响 合金元素在形成碳化物时要重新分配，而合金元素的扩散系数比碳小5个数量级，因而大大推迟碳化物的形成。,89,2.合金元素对珠光体转变时转

28、变的影响(1)转变是扩散型转变，受相形核功和Fe自扩散激活能的控制。(2)合金元素的影响Mn，Ni：增加相形核功，在过冷度小时作用显著。Cr，Mo，W，Si：增加Fe自扩散激活能，在过冷度大时作用显著。以上两类元素同时加入时，作用显著增加。,90,3.合金元素对先共析铁素体析出的影响(1)碳的扩散是先共析铁素体析出的控制因素 相中析出先共析时，C原子要从相界面向相中扩散，由于扩散距离长，所以碳的扩散已成为先共析析出的控制因素。(2)W，Mo，Cr等中强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，因而推迟先共析铁素体的析出。,91,4.相间沉淀(1)形态 含V，Ti，Nb，W，Mo，Cr等亚共析钢中，过冷奥氏体

29、转变为铁素体时，特殊碳化物在铁素体中呈平行列状分布。(2)形成机理 当相界面前沿相中碳原子浓度达到临界值后，特殊碳化物在相界面形核析出。因碳化物在相界面析出，故称为相间沉淀。,92,B：产生内吸附，降低奥氏体晶界能。推迟低碳钢作用显著。推迟先共析铁素体开始析出时间，对珠光体转变终了时间影响不大。,94,1.多元合金化 采用多种合金元素，发挥各自不同的作用，大大提高过冷奥氏体的稳定性。35Cr Me:1.75%F-P孕育期20S 35CrMo Me:1.38%F-P孕育期35S40CrNiMo Me:3.25%F-P孕育期500S18Cr2Ni4Mo Me:6.34%500-700不发生P转变。

30、,95,2.SiMnMoV系列钢 采用中国富产的合金元素Mo、V，研制的系列钢种,用于替代Cr，Ni钢，得到广泛使用。如:35SiMn2MoV 55SiMnMoV,96,二、合金元素对贝氏体转变的影响 K半扩散转变：C：扩散重新分布。Me：不扩散。Fe：切变重组晶格。转变的控制因素：C的扩散 转变的形核功,97,1.Cr，Mn，Ni：降低相的自由能，因而增加了相形核功，减慢转变，推迟贝氏体转变。2.W，Mo，V，Ti：增加C在相中的扩散激活能，降低扩散系数，推迟贝氏体转变，但作用比Cr，Mn，Ni小。,98,3.以上两类元素均降低Bs点，含量高时会在贝氏体转变和珠光体转变之间出现一个过冷奥氏体

31、稳定区。4.W、Mo、V、Ti推迟B转变的作用比推迟P转变作用弱，在空冷时易获得贝氏体组织。,99,三、合金元素对马氏体转变的影响特点：非扩散转变，合金元素对Ms，Mf及马氏体精细结构有影响。1.对Ms点的影响 降低Ms：C最强烈，Mn，Cr，Ni次之，V，Mo，W，Si再次之。升高Ms：Co，Al。,100,2.对残余奥氏体的影响 Ms点越低，室温中残余奥氏体越多。3.对马氏体形态和亚结构的影响 合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。,101,110 合金元素对淬火钢回火转变的影响一、合金元素对马氏体分解的影响马氏体分解：MC在晶体缺陷处偏聚（0.25%C）FexC Fe3C 1.碳化物形

32、成元素阻碍马氏体分解，提高马氏体分解温度。原因：和碳有强烈的相互吸引作用,102,2.非碳化物形成元素Si，Al，明显阻碍马氏体分解Si：分解温度可由260提高到350。原因：FexC中可以含Si，为钢中平均含量，但Fe3C中不含Si，故必须发生Si的扩散才能形成Fe3C。（即马氏体分解）,103,二、合金元素对回火时残留奥氏体转变的影响1.残留奥氏体转变规律基本遵循过冷奥氏体恒温转变规律。2.如高合金钢过冷奥氏体分解在P和B转变之间有一个中温奥氏体稳定区，则残留奥氏体回火时在此温度间也有一个稳定区。3.“二次淬火”：高合金钢残留奥氏体在中温稳定区（500600）保温一段时间后，冷却时将发生残

33、留奥氏体向马氏体转变。,104,原因：残留奥氏体在加热时析出部分碳化物，使残留奥氏体中碳和合金元素含量降低，Ms点升高，冷却时发生马氏体相变。(2)残留奥氏体并未析出碳化物，而是发生反稳定现象，使Ms上升，冷却时发生马氏体相变。作用：用以消除高速钢，高合金模具钢等钢种的残留奥氏体。,105,三、合金元素对碳化物析出的影响 1.碳化物形成元素提高了形成合金渗碳体的温度。Me在相中开始显著扩散的温度：Mn：350，Cr：400450，Mo：500，W，V：500550。,106,2.强和中强碳化物形成元素阻碍合金渗碳体的聚集和长大(1)增加合金渗碳体的稳定性，减慢了溶解。(2)增加C在相的扩散激活

34、能，减慢碳的扩散。,107,3.强和中强碳化物形成元素在钢中M/C较高时，能析出特殊碳化物。(1)原位析出（Cr）：回火时碳化物形成元素在渗碳体中富集，当浓度超过溶解度后，合金渗碳体在原位转变为特殊碳化物。（Fe,Cr）3C（Cr,Fe）3C（Cr,Fe）7C3 由于原合金渗碳体较粗大，原位析出的特殊碳化物颗粒也较粗大，二次硬化作用较弱。,108,(2)离位析出（V，Ti，Nb）：回火时直接从过饱和相中析出特殊碳化物，同时伴随有渗碳体的溶解。离位析出的碳化物与基体共格，且颗粒细小，有强的二次硬化作用。(3)两种析出方式均存在（W，Mo):高于500回火时，W，Mo向渗碳体中富集，在原位转变为M

35、2C型碳化物，同时在相基体中也直接析出M2C型碳化物。,109,4.碳化物类型的转变 Cr，W，Mo能形成多种碳化物，在回火时随着温度升高和时间延长，会发生碳化物类型转变。Cr：（Fe，Cr）3C（Cr，Fe）7C3（Cr，Fe）23C6W，Mo：（Fe，Mo）3CMo2CMo6C,110,四、合金元素对析出金属间化合物的影响 低碳和微碳的合金马氏体回火时，从基体中析出金属间化合物，并可产生沉淀强化作用。如在Fe-Ni系马氏体中加入Ti和Nb，在450550 析出Ni3Ti、Ni3Mo金属间化合物。,111,第四章 工具钢按用途分为：刃具钢、模具钢、量具钢三大类。刃具钢具有高的硬度、耐磨性、热

36、硬性和一定的塑性、韧性，用于制造车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、锯条等。,112,模具钢按工作温度可分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢具有高的硬度、耐磨性和一定的韧性，用于制作冲切模、冷镦模、搓丝模、拉伸模等。热作模具钢具有高的高温强度、高温硬度、抗热疲劳性和足够的塑性与韧性，用于制作热锻模、挤压模等。,113,量具钢具有高的硬度、耐磨性、尺寸稳定性和一定的耐蚀性。在使用上，同一钢种往往可兼作不同用途，可根据使用条件，钢的性能，经济效益等合理使用。按成分分为：碳素及低合金工具钢（刃、冷模、量具）合金工具钢（冷、热模具）高速钢（刃具）,114,41 碳素及低合金工具钢特点：含碳量较高，热处理后

37、具有高碳的回火马氏体和未溶碳化物，因而硬度高、耐磨性好。一、碳素工具钢 T7T13，T8Mn，共8种。T：表示工具钢。含碳量：以0.1%为单位表示。含碳量：0.651.35%。,115,质量：优质钢，不表示。高级优质钢：用A表示。锰量较高时，用Mn表示，如T8Mn（0.4-0.8%Mn）2、热处理工艺及性能 淬火：760800，盐水冷却。回火：150250。HRC5864，但韧性，耐磨性不同。,116,T7-T8：韧性较好，耐磨性较差。用途：承受冲击负荷的工具如冲头，凿子。切削软材料的工具如木工工具。T9-T10：韧性，耐磨性较适中。用途：承受少许振动的工具如板牙，丝锥，手锯条。T11-T13

38、：韧性差，耐磨性高。用途：不受振动的工具如锉刀，刮刀。,117,3.优点 成本低，冷热加工性好。4.缺点 只宜作尺寸较小，形状简单，受热温度不高的工件。原因：(1)淬透性差。（油冷5mm)(2)组织稳定性差。（200）,118,二、低合金工具钢1.合金化 常用合金元素：Cr、Si、Mn、V、W。(1)提高淬透性 Cr、Mn、Si、V、W(加热时溶入奥氏体的部分）。,119,(2)提高回火稳定性 Cr、W、V、Si(加热时溶入奥氏体的部分)(3)提高耐磨性 Cr、V、W(淬火加热时未溶碳化物)(4)细化晶粒 V、W(淬火加热时未溶碳化物),120,2.常用钢种(1)Cr钢 如：Cr06、Cr、C

39、r2、9Cr2等。Cr的作用：部分溶于，增加淬透性，回火稳定性。部分未溶（Fe，Cr）3C，增加耐磨性。减轻脱C和石墨化倾向。,121,(2)9SiCr 在Cr钢的基础上加入1.2-1.6%Si。特点：淬透性好。40-50mm可油淬。回火稳定性好在低合金工具钢中最好。(250300回火后，HRC60)碳化物分布均匀，不易崩刃。脱C倾向大。,122,(3)CrWMn：在Cr钢的基础上加入Mn、W。淬透性，耐磨性较好。变形较小（Mn降低Ms，AR增多，抵消马氏体的体积膨胀）。(4)CrW5：在Cr钢基础上加入5%W，生成M6C碳化物，淬火加热时未溶K多。淬透性差；高硬度，高耐磨性。,123,三、碳

40、素和低合金工具钢的热处理工艺特点1.热加工 特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。(1)入炉温度不宜太高（A1以下），加热速度不宜太快。(2)变形量足够大，终轧温度较低，冷速较快，控制碳化物形态。(3)轧后缓冷，避免开裂。,124,2.球化退火有一般退火和等温退火两种。特点：T7，T8，T9：因C含量在共析点附近，难得到满意的球化组织，需控制加热温度在740750，保温时间尽可能短。低合金工具钢：因组织中合金碳化物稳定性较高，易获得均匀的球化组织。,125,3.淬火及回火采用不完全淬火加低温回火。金相组织为：回火马氏体基体上均匀分布细颗粒碳化物。淬火：碳素工具钢采用水淬油冷的双液淬火法 低合

41、金工具钢采用油冷或熔盐分级淬火回火：低温回火，一般小于200。,126,42 高速工具钢1910年开始应用W18Cr4V。1932年到1937年，应用钼系，W2Mo9Cr4V和钨钼系，W6Mo5Cr4V2。1939年出现高碳高钒，超硬高速钢。,127,一、高速钢的合金化及常用钢号1、高速钢的性能要求(1)高的热（红）硬性。在600时，HRC55，保证高速切削。高的热硬性是高速钢最重要的特点。(2)高的耐磨性。保证使用寿命长。,128,2、高速钢的显微组织 高碳高合金回火马氏体基体上分布着弥散的特殊碳化物沉淀相，及多量的未溶特殊碳化物。,129,3、高速钢的合金化(1)碳 作用：形成足够数量的碳

42、化物。保证马氏体中固溶碳量。数量：（定比碳公式）C0.033W0.063Mo0.2V0.06Cr 符合此公式时，红硬性作用强。,130,影响：C%过高产生下列缺陷AR增多。红硬性下降。（含碳量升高使钢熔点降低，导致淬火温度降低，奥氏体中Me%降低）韧性降低。,131,(2)W、MoW：造成红硬性的主要元素。退火时主要以M6C型碳化物存在。淬火加热时：一部分M6C型碳化物溶入奥氏体 一部分M6C型碳化物未溶入奥氏体,132,溶入奥氏体的 W、Mo：强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在600回火时，仍为过饱和固溶体，具有高的红硬性。回火时在马氏体中弥散析出M2C，造成二次硬化，具有

43、高的红硬性和耐磨性,133,未溶入奥氏体的 M6C型碳化物：强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用12201310的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高的红硬性。提高耐磨性。,134,Mo：代替W，1%Mo代替2%W。优点：合金总量减少；碳化物不均匀性减少；弯曲强度及韧性好；淬火加热温度低。缺点：红硬性稍差。脱碳倾向严重。淬火加热温度窄，易过热。,135,(3)V 退火时以VC形式存在。作用机理与W相同。（当含量超过1时，耐磨性显著提高）,136,(4)Cr 所有高速钢都含有4%Cr。主要作用：提高淬透性。退火时主要形成Cr23C6，淬火加热时全部溶入中。少量Cr溶入M6C中，淬火加热

44、时促进M6C溶解。,137,138,(5)Co 提高红硬性使莱氏体熔化温度升高，淬火温度也升高，使A中Me%升高，红硬性升高。降低W在-Fe中扩散系数，使W2C不易析出和长大。,139,4、常用钢号(1)W系高速钢；W18Cr4V（1841）型。1910年开始应用。(2)W-Mo系高速钢；W6Mo5Cr4V2（6542）型。,140,(3)Co系高速钢；在前二者基础上增加5-15%Co。如：W18Cr4VCo5，W6Mo5Cr4V2Co8。优点：HRC6870，红硬性高，切削性好。缺点：脆性大，容易脱碳。(4)超硬高速钢 高V：W6Mo4Cr4V5Si。加Al：W10Mo4Cr4V3Al。,1

45、41,以W18Cr4V为例：开始结晶时析出。1400发生包晶反应，L+。1345发生包共晶反应，L+M6C13301300发生共晶反应，L（M6C）。,142,M6C为鱼骨状，基体为。继续冷却时中析出MC和M23C6。800发生三元共析转变，（M6CFe3C）。,143,二、高速钢的铸态组织1.高速钢的平衡结晶过程 平衡组织为：Ld+K+P。2.高速钢的实际铸态组织 实际铸态组织：大量鱼骨状Ld和黑色屈氏体及白亮马氏体和残余奥氏体。,144,(1)黑色组织 由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使达到所需C和Me，才能转变为，所以不能充分进行。部分被保留，随后发生共析转变，K，称为共析。因为在金相

46、组织中呈黑色，又称黑色组织。,145,(2)白亮组织 的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为MAR，在金相组织中呈白色，称白色组织。(3)共晶组织增多 由于包晶和包共晶转变不彻底，没有完全消失，L相对增加，使Ld增多。,146,三、高速钢的热处理1.退火：采用球化退火。2.淬火(1)两次预热；(560，840)(2)淬火温度；W18Cr4V：12701310。W6Mo5Cr4V2：12101240。,147,要求：奥氏体中溶有足够的C和Me。保留相当多的未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。(3)冷却 特点：淬透性好，空冷可得马氏体。在650-350有过冷奥氏体稳定区。,148,方式：油冷至300出油

47、；分级淬火：560（2倍淬火加热时间）等温，等温淬火：240-280，2-4h。,149,3.回火 淬火后组织：淬火MAR（20%以上）回火工艺：560三次回火。每次回火后需冷至室温。,150,(1)560回火后硬度反而升高，有二次硬化现象。弥散硬化作用 560回火析出弥散的M2C和VC。二次淬火 AR在回火后的冷却过程中转变为马氏体，故每次回火后必须冷至室温。,151,(2)二次淬火所得到的淬火马氏体还需要回火，因为AR需要两次回火才能完全转变，所以需要三次回火。,152,3 冷作模具钢一、冷作模具钢的概况1.用途 制造使金属在常温状态下变形的模具。2.性能要求(1)高硬度、高强度、高耐磨性

48、。(2)一定的韧性。(3)淬透性高。(4)淬火变形小。,153,3.常用钢种(1)碳素及低合金工具钢。(2)高铬及中铬冷作模具钢。(3)基体钢及低碳高速钢。(4)新型冷作模具钢。,154,二、高铬及中铬冷作模具钢1.高铬冷作模具钢(1)主要钢号 Cr12：2-2.3%C，12%Cr。Cr12MoV：1.45-1.7%C，12%Cr，0.5%Mo，0.2%V。,155,(2)主要特点 铸态组织为高碳亚共晶组织。淬火加热时有大量Cr7C3未溶碳化物,耐磨性好。淬透性好，空冷可淬硬。650-350有过冷奥氏体稳定区,156,(3)热处理 一次硬化法(低温淬火加低温回火)980-1030淬火，150-

49、170回火。HRC61-63 特点：未溶碳化物多，耐磨性好。变形小。,157,二次硬化法（高温淬火加高温回火）1120-1130淬火，AR多，HRC40-50。510-520回火(23次)，HRC60-61。二次硬化的原因主要是ARM，和高速钢不完全相同。适用于需要化学热处理的模具。,158,2、中铬冷作模具钢(1)主要钢号：Cr6WV：1.1%C，6%Cr，1.3%W，0.6%V。Cr4W2MoV：1.2%C，4%Cr，2.3%W，1%Mo，1%V。,159,(2)主要特点 碳低，铬低，共晶碳化物量少且分布均匀，是替代Cr12型的节铬钢。均属过共析钢，铸态下由于偏析有少量共晶碳化物。碳化物以

50、M7C3型为主，少量M6C型和MC型。,160,(3)性能Cr6WV：采用一次硬化法，耐磨性比Cr12稍低。Cr4W2MoV：因细化奥氏体晶粒能力强，可采用一次硬化法和二次硬化法，耐磨性，回火稳定性比Cr6WV强。,161,三、基体钢及低碳高速钢1、基体钢 根据高速钢淬火后基体成分设计的钢种，既有高速钢基体的强度和热硬性，又因不含大量碳化物而使韧性，疲劳强度优于高速钢。,162,2、50Cr4Mo3W2V(1)相当于W6Mo5Cr4V2高速钢基体成分。C：0.5，W：2%，Mo：2.75%，、Cr：4.5%，V：1%。(2)过共析钢。(3)1110-1120淬火后，未溶碳化物为5%，AR较多。