金属材料学复习资料.doc

1、第三章合金元素：合金元素是指为了保证获得所要求的组织、结构，物理-化学性能和力学性能，而特别添加到钢中的化学元素。杂质：冶炼时由原料以及冶炼方法和工艺操作等带入钢中的化学元素，称为杂质。合金钢:为了保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素的铁基合金。奥氏体相稳定化元素：使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了奥氏体相区。（1） 开启相区 用Ni和Mn合金化的重要钢种属于这一类。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的a相从相图上消失，g相保持至室温。所以Ni和Mn可使铁的ga转变抑制到较低温度，即A1和A3点降低，故由g区淬火

2、到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。（2） 扩大相区 虽然g相区也随合金元素的加入而扩大，但由于固溶度不大，不能使之完全开启。这类元素称为扩展g相区的元素。C和N是这种类型的最重要元素。Cu、Zn和Au具有相同的影响。g区借助C及N而扩展，当C含量达到2.0%，可以获得均匀化的固溶体(奥氏体)，它构成了钢的整个热处理的基础。相稳定化元素（1） 封闭相区 许多元素限制g-Fe的形成，使相图中g相区缩小到一个很小的面积，形成了相圈(图3-lc)。这意味着这些元素促进了体心立方铁(铁素体)的形成，其结果使a相与d相区连成一片。在生成a相的区域内合金不能用正常热处理制

3、度(即通过g/a转变区冷却进行热处理)。Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W，Cr均属于这一类元素。（2） 缩小g相区如图3-ld所示。这类合金元素虽然也使g相区缩小，但由于固溶度小，不能使之完全封闭，故称为缩小g相区元素。B是这一类型中最有影响的元素，还有碳化物形成元素Zr、Nb、Ta均使g相区显著缩小。改变奥氏体相区的位置Fe-C相图中的奥氏体区即NJESC区。合金元素以下列两种方式对奥氏体区(图3-2a和b)发生影响。Ni、Co、Mn以及其它扩大g相区的元素，均使S点左移，而GS线下沉。Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小g相区的元素，均使三元系中的g相逐渐呈楔形，如图3

4、-2b所示。由图可知，大多数元素均使ES线左移，E点左移，这就意味着钢中含碳量不到2%就会出现共晶莱氏体(例如高速钢和高碳高铬模具钢的铸态组织中就可能出现合金莱氏体)。改变了共析温度共析反应涉及a-g同素异晶转变和碳化物的析出或溶解。由于合金元素的存在，提高或降低A3，改变了GS线的斜度，例如Mn、Ni降低A3使GS线斜度变得比较平稳，S点左移，A1温度降低。而Cr、Mo、W、V、Si等提高A3，使GS斜度增大，也使S点左移，而A1却升高。因此，合金元素对共析温度的影响，多半与对铁的同素异晶转变温度的影响相一致，即降低A3的元素也降低A1，反之亦然。Ni、Co、Mn、Cr与V与铁形成无限固溶体

5、。其中Ni、Co和Mn形成以g-Fe为基的无限固溶体，而Cr和V则形成以a-Fe为基的无限固溶体碳化物、氮化物以及碳、氮化合物是钢中的基本强化相。过渡族金属按其与C和N的亲和力，碳化物和氮化物的强度和稳定性可以按如下顺序排列：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe (Co、Ni)。金属间化合物：在合金钢中，金属元素之间形成的化合物称之为金属间化合物。非金属相：铁及合金元素生成的氧化物、硫化物、硅酸盐等一般都不具有金属性，或者金属性极弱。正常金属生成的碳化物、氮化物也不具有金属性。AlN也是一种非金属夹杂物，呈密排六方点阵，不属于间隙相，熔点为1870C，在钢中有高的稳定性

6、，只有在1100C以上才大量溶于基体，在较低温度下又重新析出。有时利用AlN的弥散析出以改善钢的性能，此时AlN不应当看做是非金属夹杂物。合金元素对奥氏体形成的影响 加热时奥氏体的形成可以按两种相变机制进行，即晶体学无序机制和有序机制，或称无扩散和扩散机制。当按无序机制形成奥氏体g时，ag转变伴随着重结晶，即g相新晶粒的形成相对于原始的a相来说，改变了大小和取向，晶型转变通过扩散完成。当按有序机制过渡为奥氏体时，不伴随着重结晶，只发生切变式的晶型转变，并促进了一次再结晶(晶体的形成与生长)的发生，重结晶要在较高的温度下进行。组织遗传性:是指对粗晶有序组织加热温度高于Ac3，可能导致形成的奥氏体

7、晶粒与钢的原始晶粒具有相同的形状、大小和取向。合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响主要表现在合金元素对C曲线的影响，一般分为两种类型：非碳化物形成元素Ni、Al、Si、Cu和Co属于第一种类型。钢中加入这些元素以后，C曲线仍然保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。Ni、Si、Cu等使转变孕育期延长，即使C曲线右移；Al、Co则相反，使C曲线左移。Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素属于第二种类型。钢中加入这些元素以后，不仅使C曲线位置移动，而且也使C曲线的形状改变，出现两个鼻温，甚至使珠光体区域与贝氏体区域完全分开，出现二个过冷奥氏体极端稳定的温度区间。回火脆性一般有两种形式。一种是在高屈服强度钢

8、中发生的脆化，即马氏体在低温回火较短的时间后产生的，一般称为第一类回火脆性或回火马氏体脆性(TME)。另一类脆性发生在马氏体高温回火(600-700C)后、具有低屈服强度的钢中，其中马氏体已经完全分解为铁素体+碳化物。如果这时再经受附加的等温时效处理(接近500C)或在脆化温度范围内回火后缓慢冷却，就会发生脆化，称第二类回火脆性。第一类回火脆性的原因：对回火马氏体第一类回火脆性的产生，一般归结为三个基本原因：(a) 碳化物的消失和Fe3C薄膜在原奥氏体晶界和板条相界的形成；(b) 板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解；(c) 杂质元素偏聚于原奥氏体晶界和板条相界。特别是三者的综合作用。但对给定的钢

9、，这种脆性不能归结于一个简单的机理。大多数合金钢均可以用油甚至空气介质进行淬火，因而变形、开裂问题比碳钢要小得多。合金元素与淬裂倾向的关系，主要考虑钢的MS点，如果加入钢中的C和合金元素使MS点降得太低，那么组织应力太大，即使在油中淬火也有可能造成淬裂现象。钢中含C、Mn、Mo、Cr、Ni愈高，则MS下降愈强烈，因而设计或开发新钢种时，在保证必要的强韧水平的前提下，应该尽可能减少上述元素的含量，特别是C含量。课后习题：1 解释铁矿石，冶金工业常用的铁矿石有那几种，每种的特征？冶金工业常用的铁矿石有以下四种：赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿。 赤铁矿石中的铁是以不含水的Fe2O3形式存在的，它的理

10、论含铁量为70%。自然界开采的赤铁矿石，实际含铁量一般在30-60%的范围内。赤铁矿多为暗红色，也有浅灰色和黑色的，比重5.0-5.3g/cm3，质地较松，还原性很好，硫和磷的含量都很少，是最主要的工业铁矿石。磁铁矿石中的铁是以Fe3O4的形式存在的，其理论含铁量为72.4%。自然界开采的磁铁矿石含铁量在40-70%之间，矿石中脉石为石英和各种盐类，也有少量的粘土、黄铁矿、磷灰石、黄铜矿等，硫和磷的含量较高。磁铁矿石最显著的特点是具有磁性，其颜色从灰色到黑色，并有较暗的金属光泽。其比重为4.9-5.2 g/cm3，组织致密，颗粒微小，质地坚实，比较难还原。褐铁矿石中的铁是以2Fe2O33H2O

11、的形式存在的，它的理论含铁量为59.8%，在自然界中分布很广，是由其它铁矿石风化而成的，很少成为富矿。它常和粘土及石英等杂质混在一起，含铁量为37-55%，含较多的磷，有时还含有硫、砷等杂质。褐铁矿石成黄褐色，比重3.0-4.2 g/cm3，质地比较松软，易于开采，在高炉中受热后组织变得很松软，还原性好。以上三种矿石均为含铁的氧化物，是炼铁的主要矿石 菱铁矿石中的铁是以FeCO3形式存在的，理论含铁量为48.3%，比重3.9 g/cm3。在自然界中常见的菱铁矿石坚硬，带有黄褐的灰色，杂质较多必须经过焙烧才用于炼铁。2 如何理解“炼钢就是炼渣，炼好渣一定出好钢”这句话。高炉冶炼的目的，就是要把铁

12、从铁矿石中还原出来，同时去除其中所含的杂质。所以整个冶炼过程中，最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。1 比较炼铁和炼钢炼铁：高炉冶炼的目的，就是要把铁从铁矿石中还原出来，同时去除其中所含的杂质。所以整个冶炼过程中，最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。炼钢：直接用矿石冶炼而得的生铁，含碳量较高(2.08%)，而且含有许多杂质(如硅、锰、磷、硫等)。因此，生铁缺乏塑性和韧性，力学性能差，除熔化浇铸外，无法进行压力加工，因而限制了它的用途。为了克服生铁的这些缺点，使它在工业上能起到更大的作用，还必须在高温下利用各种来源的氧，把它里面的杂质氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性质的铁碳合

13、金钢。 这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢 2 如何改善球墨铸铁的力学性能正火的目的是为了获得珠光体基体组织，并可使晶粒细化，组织均匀，以提高铸件的力学性能。有时正火是为表面淬火作组织上的准备，正火工艺不完全相同，根据加热温度可分为高温正火(又称完全奥氏体化正火)和中温正火(又称不完全奥氏体化正火)。为了提高球墨铸铁件的力学性能，挖掘球墨铸铁的内在潜力，可将这类铸铁件进行淬火和回火。淬火是将铸件加热到Afc1以上30-50C(Afc1代表加热时由铁素体和石墨转变为奥氏体的终了温度)，使铸铁基体在高温下转变为均一的奥氏体，然后淬入油中，得到马氏体组织。回火是把淬火后的球墨铸铁件重新加热到

14、共析温度以下某一温度，其目的是适当地降低硬度和强度，从而提高塑性和韧性，并消除淬火后的残余应力。为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，采用表面淬火。灰口铸铁和球墨铸铁件均可进行表面淬火。3 何为合金钢、合金元素、杂质元素、合金钢分类合金钢：为了保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素的铁基合金。合金元素：合金元素是指为了保证获得所要求的组织、结构，物理-化学性能和力学性能，而特别添加到钢中的化学元素。杂质：冶炼时由原料以及冶炼方法和工艺操作等带入钢中的化学元素，称为杂质。合金钢分类：当钢中合金元素总含量小于或等于5%时，称为低合金钢；合金元素总含量

15、在5-10%范围内时，称为中合金钢；合金元素总含量超过10%时，称为高合金钢。4 奥氏体稳定化元素、铁素体稳定化元素奥氏体化稳定性因素：开启相区 用Ni和Mn合金化的重要钢种属于这一类。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的a相从相图上消失，g相保持至室温。所以Ni和Mn可使铁的ga转变抑制到较低温度，即A1和A3点降低，故由g区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。扩大相区 虽然g相区也随合金元素的加入而扩大，但由于固溶度不大，不能使之完全开启。这类元素称为扩展g相区的元素。C和N是这种类型的最重要元素。Cu、Zn和Au具有相同的影响。g区借助C及

16、N而扩展，当C含量达到2.0%，可以获得均匀化的固溶体(奥氏体)，它构成了钢的整个热处理的基础。铁素体稳定化因素：封闭相区 许多元素限制g-Fe的形成，使相图中g相区缩小到一个很小的面积，形成了相圈(图3-lc)。这意味着这些元素促进了体心立方铁(铁素体)的形成，其结果使a相与d相区连成一片。在生成a相的区域内合金不能用正常热处理制度(即通过g/a转变区冷却进行热处理)。Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W，Cr均属于这一类元素。缩小g相区如图3-ld所示。这类合金元素虽然也使g相区缩小，但由于固溶度小，不能使之完全封闭，故称为缩小g相区元素。B是这一类型中最有影响的元素，还有碳化物

17、形成元素Zr、Nb、Ta均使g相区显著缩小。5 Mo 、Nb、 Mn 、W、 Ti 、Cr 、V 、Fe等形成碳化物稳定性排序（不稳定到稳定）随着族数的增加，碳化物和氮化物中的原子结合强度降低。或者换句话说，碳化物和氮化物的稳定性降低。因此，过渡族金属按其与C和N的亲和力，碳化物和氮化物的强度和稳定性可以按如下顺序排列（从稳定到不稳定）：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe (Co、Ni)。 IVB VB VIB VIIB VIIIB6 奥氏体化时，何为有序转变和无序转变 加热时奥氏体的形成可以按两种相变机制进行，即晶体学无序机制和有序机制，或称无扩散和扩散机制。当按无

18、序机制形成奥氏体g时，ag转变伴随着重结晶，即g相新晶粒的形成相对于原始的a相来说，改变了大小和取向，晶型转变通过扩散完成。当按有序机制过渡为奥氏体时，不伴随着重结晶，只发生切变式的晶型转变，并促进了一次再结晶(晶体的形成与生长)的发生，重结晶要在较高的温度下进行。决定奥氏体形成机制的主要因素是原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。原始无序的组织(铁素体+碳化物)仅发生无序的形成机制；原始有序的组织(马氏体、贝氏体和魏氏组织铁素体)两种形成机制都可能发生，但这要取决于钢的合金化程度和加热速度。7 比较过冷奥氏体分解时三种转变的差别当钢在淬火、正火或退火时，过冷奥氏体的分解可能发生三种转

19、变：珠光体、贝氏体或马氏体转变。珠光体转变是典型的形核和长大过程，在合适的条件下，可以测定形核率N及长大速率G。合金钢中的贝氏体组织与珠光体显著不同，贝氏体中的碳化物往往不是该钢在平衡状态下所具有的碳化物，而是合金渗碳体，其中合金元素含量等于或接近于奥氏体中合金元素的平均含量。由此看来，在贝氏体转变时，只有碳原子的扩散，合金元素原子的扩散几乎没有进行。8 第一类回火脆性产生的原因及防止措施回火脆性一般有两种形式。一种是在高屈服强度钢中发生的脆化，即马氏体在低温回火较短的时间后产生的，一般称为第一类回火脆性或回火马氏体脆性(TME)。另一类脆性发生在马氏体高温回火(600-700C)后、具有低屈

20、服强度的钢中，其中马氏体已经完全分解为铁素体+碳化物。如果这时再经受附加的等温时效处理(接近500C)或在脆化温度范围内回火后缓慢冷却，就会发生脆化，称第二类回火脆性目前，对回火马氏体第一类回火脆性的产生，一般归结为三个基本原因：(a) 碳化物的消失和Fe3C薄膜在原奥氏体晶界和板条相界的形成；(b) 板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解；(c) 杂质元素偏聚于原奥氏体晶界和板条相界。特别是三者的综合作用。但对给定的钢，这种脆性不能归结于一个简单的机理。第四章常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢，显微组织是铁素体-珠光体。在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：1溶入铁素体起固溶强化

21、；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。铁素体-珠光体组织的冷脆性：具有铁素体-珠光体组织的工程结构钢在-50C到+100C间使用，因而要求有较低的韧-脆转化温度FATT50(C)。影响钢的冲击韧性和韧-脆转化温度的因素有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素弥散析出相和非金属夹杂物等。碳素工程结构钢中有五种常用元素，即碳、硅、锰、硫、磷，其中Mn1.0%，Si0.5%，它们是冶炼工艺中为了脱氧和稳定硫的需要而加入的；碳素工程结构钢因冶炼中脱氧程度不同而分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢国际上有的工程结构钢主要加入少量铬和镍，铬不超过0.8%，镍不超过0.7%，它们不

22、产生固溶强化作用。因加入合金元素而恶化工程结构钢焊接性的因素有：增加钢的淬透性，焊后冷却时发生马氏体相变，升高内应力；钢中含碳量增高马氏体的比容和硬度，引起内应力增加；降低MS点，使马氏体转变温度降低，此时钢的塑性较差；钢中含氢量高将使钢的塑性下降，引起氢脆。这些都将恶化钢的焊接性。碳是最有害的元素，其他如锰、铬、钼等提高钢的淬透性的元素也是有害的。第五章一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂钢中常用的合金元素对增大淬透性的能力按下列顺序依次增大：镍、硅、铬、钼、锰、硼。应该强调，碳是结构钢中最主要的元素，它决定了钢的淬硬性，即淬成马氏体的硬度，同时碳也是一个有效增加淬透性的元素。合金调质钢的

23、一个特殊问题是高温回火脆性，它表现在高温回火后的冷却速度严重地影响到钢的韧-脆转化温度，冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温度愈高。钢中的杂质元素磷、锡、锑、砷等，在原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆化，是产生高温回火脆性的直接因素。它们的含量超过十万分之几，就可能使钢产生高温回火脆化倾向。特别是在450-550C范围使用的钢，对此尤为敏感。合金元素铬、锰、镍、硅等是强烈促进钢的高温回火脆化倾向的元素，碳素结构钢对高温回火脆性是不敏感的。合金元素钼、钨和钛可减轻合金调质钢高温回火脆性。稀土元素能和杂质元素形成稳定的化合物，如LaP、LaSn、CeP、CeSb等金属间化合物，可大大降低甚至

24、消除钢的高温回火脆性。若稀土元素和钼进行复合合金化，则效果更佳，可解决长时间在450C-550C范围内使用的部件的高温回火脆化问题。淬火钢在250-350C范围有低温回火脆性，引起低温回火脆性有两个方面原因。首先，在这个温度范围内发生回火转变，e-Fe2C溶解，Fe3C在马氏体板条边界和原奥氏体晶界析出 。第二个原因是杂质元素磷、锡、锑等在淬火加热时在奥氏体晶界偏聚，经淬火后杂质元素被冻结在原奥氏体晶界。两者叠加起来就会加重原奥氏体晶界的脆性，造成沿晶脆断，因而产生低温回火脆性。 合金元素锰和铬加剧低温回火脆化倾向，锰的质量分数在2%以上，淬火态也可得到沿晶脆断，其低温回火脆化倾向也将进一步加

25、剧。这主要是淬火加热时奥氏体晶界有高浓度磷在晶界偏聚。钼能改善低温回火脆性，但不能消除。硅、铝推迟e-Fe2C向Fe3C转变，将低温回火脆化温度范围推向350C 以上。防止淬火钢的低温回火脆性的措施是：1）避免在250-350C温度范围回火；2）生产高纯钢，降低磷、锡、锑等杂质元素含量；3）加入硅推迟脆化温度范围，使钢的回火温度可提高到320C。为保证零件的高强度，充分保证碳的强化作用，钢必须有足够高的淬透性，使得整个截面上得到马氏体。这就需要加入一定量的合金元素，主要是铬、锰、硅、镍、钼、钒等，进行综合合金化来有效地提高钢的过冷奥氏体的稳定性。硅还可以增加钢的抗回火稳定性，并推迟低温回火脆性

26、，Si=1-2%可将其推迟到350C，使低合金高强度钢能在300-320C回火，得到强度和韧性的最佳配合。为了改善低合金超高强度钢的韧性，以提高其在服役条件下的安全可靠性，采取的措施是提高钢的纯净度，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素的含量。钢中氢溶解于基体，会引起氢脆；磷偏聚于晶界引起晶界脆性；氮、氧、硫等以夹杂物状态存在，降低韧性，提高韧-脆转化温度。课后习题:1. 在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性； 当温度超过150时，强碳化物形成元素可阻碍碳的扩散，因而提高了马氏体分解温度，与碳钢相比，合金钢中的残余奥氏体要在更高的回火温度才能转变。在高合金钢中残

27、余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600并保温一段时间仍不分解。合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散，阻碍了碳化物的聚集和长大，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性避比碳钢高，若要得到相同的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高，回火时间也更长。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度都比碳钢高。2 为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿上机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造？与碳钢比较，合金钢有何优缺点碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，比

28、较重要的大截面结构零件如重型运输和矿山机械的轴类等都必须用合金钢制造。（1） 合金钢的淬透性高（2） 合金钢的回火抗力高。（3） 合金钢能满足一些特殊性能的要求。如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性。3 .淬火冷却时，碳钢和合金钢哪一个更易获得马氏体，为什么？淬火后在相同温度下回火时，碳钢和合金钢哪一个具有更高的强度，为什么？合金钢更易获得马氏体。除Co、Al以外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使MS温度下降。所以合金钢更易获得马氏体。淬火后在相同温度下回火，合金钢的强度更高。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢

29、高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高第六章其中硅能提高抗回火稳定性及刃具的使用寿命。碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要质量指标之一。改善碳化物不均匀性的措施有：1）采用200-300kg小锭型，使钢锭凝固快，减少结晶时宏观偏析，莱氏体共晶也细小；2）采用扁锭加快凝固，一般用630kg型，减少集中偏析和使莱氏体共晶细小；3）增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗；4）大尺寸钢材可采用电渣重熔，钢液在水冷结晶器中径向结晶，共晶莱氏体细小。高速钢的热处理：高速钢经锻轧后，钢材需要退火。高速钢的A1在820

30、-860C范围，故退火温度为870-880C，保温2-3小时，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般冷却速度30C /h，冷到600C出炉空冷。高速钢导热率低，为减少工件在加热时变形开裂和缩短高温保温时间，减少脱碳，可采用预热。一次预热制度在800-850C，两次预热制度在800-850C前加一次500-600C预热。淬火温度采取在高温盐浴炉中短时保温，防止刃部脱碳和过热。 淬火方式一般用油淬或空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火，一般用580-620C一次分级或再在350-400C做第二次分级。淬火钢回火的目的是从马氏体中析出弥

31、散M2C和MC碳化物，产生二次硬化效应和消除残留奥氏体和淬火内应力淬火后的残留奥氏体合金度高，稳定性大，在较低温度的回火加热过程中不分解，在500-600C间保温时从中析出合金碳化物，使残留奥氏体合金度有所降低，因而MS点升高，在冷却到低温时，部分残留奥氏体发生马氏体转变，残留奥氏体量由20-25%减少到约10%左右。但还需要进一步降低，并且要消除新产生马氏体引起的内应力，所以高速钢需要在560C三次回火。钨是高速钢获得热硬性的主要元素高速钢中加钒是使钢具有良好热硬性的重要因素，含钒量的提高使热硬性有明显提高铬主要起增加钢的淬透性作用碳对高速钢的硬度影响很大，是高速钢的主要强化元素。钴在钢中为

32、非碳化物形成元素，淬火加热时溶于奥氏体，淬火后存在于马氏体中，提高马氏体回火稳定性，加强二次硬化效果，有较好的热硬性。第七章不锈钢一般指不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，而耐酸钢则指耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。应力腐蚀破裂和氢脆，指在静拉伸应力和腐蚀介质共同作用下，材料发生破裂的现象。应力腐蚀破裂是处于张应力状态下的合金在特定的腐蚀介质(主要是氯化物盐、碱的水溶液、某些硝酸盐和部分化合物的溶液以及蒸气介质)中，沿某种显微路径发生腐蚀而导致的破坏。腐蚀介质的作用是在钢内裂纹尖端处阳极溶解时促进裂纹的形成和扩展。氢脆破裂，是处于张应力状态的合金，由于腐蚀吸收

33、阴极的析氢(或其他氢)而产生的破裂。不锈钢中的合金元素:碳作为不锈钢中的合金元素，对各类不锈钢组织和性能都有重要影响。它的优点有两个，一是它能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力约为镍的三十倍。二是它能获得强度较高的马氏体不锈钢，而且又是不锈钢强化的主要元素。但它又有严重的缺点，那就是它能和不锈钢中重要元素铬形成一系列的碳化物镍是不锈钢中三个重要元素之一，镍除提高耐蚀性外，还是g稳定元素，是不锈钢获得单相奥氏体和促进奥氏体相形成的主要元素。单独使用镍的低碳镍钢，只有当镍的含量达到24%才能获得单相奥氏体，但镍和铬配合使用时，当低碳的17%铬钢含8%镍时就能获得单相奥氏体，镍还能有效地降低MS点使

34、奥氏体能保持到低温-50C以下。不锈钢要获得高强度，一般采用在马氏体基体上产生沉淀强化的方法沉淀硬化不锈钢分为两类：马氏体型沉淀硬化不锈钢、半奥氏体型沉淀硬化不锈钢。课堂作业1 高速钢的热加工及热处理工艺，高速钢中合金元素的作用。高速钢的热处理：高速钢经锻轧后，钢材需要退火。高速钢的A1在820-860C范围，故退火温度为870-880C，保温2-3小时，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般冷却速度30C /h，冷到600C出炉空冷。高速钢导热率低，为减少工件在加热时变形开裂和缩短高温保温时间，减少脱碳，可采用预热。一次预热制度

35、在800-850C，两次预热制度在800-850C前加一次500-600C预热。淬火温度采取在高温盐浴炉中短时保温，防止刃部脱碳和过热。 淬火方式一般用油淬或空冷，对细长件和薄片刃具采用分级淬火，一般用580-620C一次分级或再在350-400C做第二次分级。淬火钢回火的目的是从马氏体中析出弥散M2C和MC碳化物，产生二次硬化效应和消除残留奥氏体和淬火内应力淬火后的残留奥氏体合金度高，稳定性大，在较低温度的回火加热过程中不分解，在500-600C间保温时从中析出合金碳化物，使残留奥氏体合金度有所降低，因而MS点升高，在冷却到低温时，部分残留奥氏体发生马氏体转变，残留奥氏体量由20-25%减少

36、到约10%左右。但还需要进一步降低，并且要消除新产生马氏体引起的内应力，所以高速钢需要在560C三次回火。高速钢中合金元素的作用：2 合金元素对不锈钢性能和组织的影响。合金元素铬能强烈提高纯铁的钝化性能，因此铬是改善铁的耐蚀性的最有效的元素。碳作为不锈钢中的合金元素，对各类不锈钢组织和性能都有重要影响。它的优点有两个，一是它能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力约为镍的三十倍。二是它能获得强度较高的马氏体不锈钢，而且又是不锈钢强化的主要元素。但它又有严重的缺点，那就是它能和不锈钢中重要元素铬形成一系列的碳化物镍是不锈钢中三个重要元素之一，镍除提高耐蚀性外，还是g稳定元素，是不锈钢获得单相奥氏体和

37、促进奥氏体相形成的主要元素。单独使用镍的低碳镍钢，只有当镍的含量达到24%才能获得单相奥氏体，但镍和铬配合使用时，当低碳的17%铬钢含8%镍时就能获得单相奥氏体，镍还能有效地降低MS点使奥氏体能保持到低温-50C以下。镍和铬的配合对形成各类不锈钢组织的影响。图中表明，在镍含量高于8%后，铬含量可以在18-27%的范围内变化，使不锈钢获得单相奥氏体，当镍含最高于3%，铬含量高于18%以后，铬、镍按比例地增加，不锈钢可以获得铁素体-奥氏体的双相。当镍含量较低，铬含量高于13%以后，不锈钢可以获得单相铁素体。在单相铁素体中，随铬量的增加，镍量也可以有相应的增加，镍和铬配合形成单相铁素体成分范围和图7

38、-13中碳和铬的配合形成铁素体的成分范围具有完全相似的图形。3 比较铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢475度脆性原因。铁素体不锈钢存在475C脆性。当钢中铬含量高于15.5%，随铬含量增高，其脆化倾向也增加。因而要避免在400-500C范围停留。高铬铁素体不锈钢产生低温脆性的另一个原因，是钢中含有碳、氮、氧等杂质及夹杂物。第八章 在高温下工作的钢称为耐热钢。课后习题：1 合金元素对不锈钢基体组织的影响碳作为不锈钢中的合金元素，对各类不锈钢组织和性能都有重要影响。它的优点有两个，一是它能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力约为镍的三十倍。二是它能获得强度较高的马氏体不锈钢，而且又是不锈钢强化的主要元素。

39、但它又有严重的缺点，那就是它能和不锈钢中重要元素铬形成一系列的碳化物，在铬含量低于10%时，形成(Fe、Cr)3C，含铬量高时则形成(Fe、Cr)23C6或(Cr、Fe)7C3。这样，含碳量越高，钢中被消耗的铬量也就越多，由于铬成化合物析出，固溶体中的铬量被降低，甚至会低于n/8要求的含量，那么钢的耐蚀性就要受到严重的影响。不仅如此，碳还会使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏，使铁素体不锈钢变脆，所以在不锈钢的生产和开发中，碳的应用和控制是一项重要的工作。镍和铬的配合对形成各类不锈钢组织的影响。图中表明，在镍含量高于8%后，铬含量可以在18-27%的范围内变化，使不锈钢获得单相奥氏体，当镍含最高于

40、3%，铬含量高于18%以后，铬、镍按比例地增加，不锈钢可以获得铁素体-奥氏体的双相。当镍含量较低，铬含量高于13%以后，不锈钢可以获得单相铁素体。在单相铁素体中，随铬量的增加，镍量也可以有相应的增加，镍和铬配合形成单相铁素体成分范围和图7-13中碳和铬的配合形成铁素体的成分范围具有完全相似的图形。2 合金元素对铁的极化和电极电位的影响3 钢铁材料的腐蚀类型均匀腐蚀：均匀腐蚀又称一般腐蚀或连续腐蚀。在均匀腐蚀中，腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的整个工作面上，均匀腐蚀会使零件受力的有效面积不断减小，直到完全破坏。均匀腐蚀在工业设备管理中容易察觉或可预测到，故一般不致带来危险的失效事故。晶

41、间腐蚀：晶界较晶内一般具有较大的活性，当这种活性又被夹杂物或某一合金元素的减少或增多进一步活化时，晶界的电位进一步降低，晶界、晶内电位差加大，这时则会引起晶界的深腐蚀，称为晶间腐蚀。点腐蚀、缝隙腐蚀：是发生在局部区域上的腐蚀应力腐蚀和氢脆：应力腐蚀破裂和氢脆，指在静拉伸应力和腐蚀介质共同作用下，材料发生破裂的现象。磨损腐蚀:在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。4 化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀:金属和化学介质直接发生化学反应而造成的腐蚀称化学腐蚀.电化学腐蚀：电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式，它是由不同金属或金属的不同相之间，电极电位不同构成原电池而产生的。5 提

42、高钢抗氧化性的途径在高温下工作的钢件，氧化是一定要发生的。但是氧化的速度，继续氧化的问题是可以改变和控制的，通过加入合金元素，降低氧化膜中的扩散，提高氧化膜的稳定性，形成致密稳定的合金氧化膜，提高膜的保护性，从而提高钢的抗氧化性。合金化是研究发展抗氧化钢的主要途径。 1）加入合金元素降低氧化膜中的扩散 加入不同的合金元素会改变钢表面氧化膜的结构和性质，这方面的基本概念是当加入合金元素后，基体金属(A)、合金元素(B)在氧化时可能出现三种情况，形成A的氧化物中含有B离子；形成B的氧化物中含有A离子；A、B各自形成氧化物。当这些不同结构的氧化物形成时，氧化膜中的空位也发生变化。 2）加入合金元素，

43、提高钢氧化膜的稳定性 从物理化学原理来分析，根据Fe-O相图 9-1，当FeO开始形成的温度升高时(即Fe3O4+a相区扩大，Fe3O4稳定)，钢的抗氧化性增加，使用温度提高。 3）加入合金元素，形成致密、稳定的合金氧化膜 当钢中加入合金元素铬、钛、铝、硅等元素时，在氧化过程中，由于铁离子氧化消耗，而铬、铝、硅等氧化物稳定，会使氧化膜底层逐渐富集为稳定氧化物的膜，形成以合金元素氧化物为主的氧化膜，如Al2O3、 SiO2、Cr2O3(或Al2O3 FeO)等。当这些氧化膜形成时，铁、氧通过它的扩散严重受阻，钢的抗氧化性显著提高，如图9-4所示。失重实验表明，当铬含量达到18%，硅含量达到2.3

44、%时，在1000C仍具有很好的耐蚀性；在900C时，铝含量达到2.3%，钢即获得很高的抗氧化性。在实际中，铬、铝、硅等复合加入，形成互溶的氧化物，则抗氧化性还会更好。6 合金元素在提高钢抗氧化性方面的作用当以铬合金化提高抗氧化性时，铬还能提高基体电极电位，从而提高抗氧化性。铬在提高抗氧化性的同时还提高热强性。铬量高达18-28%时，钢仍有很好的工艺性，所以铬是抗氧化钢的主要合金化元素。铝、硅显著提高抗氧化性能，但会严重恶化工艺性能，使钢的脆性增大，因此很少单独使用，常常配合在Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Mo-Ni钢中使用。含硅的抗氧化钢在含硫气氛中具有稳定性且抗渗碳。在水气分压较高的气氛中，含

45、硅的钢抗氧化性不好。 镍、锰对钢的抗氧化性影响较弱，锰略降低抗氧化性。镍、锰的使用主要是为了获得工艺性良好的奥氏体，再利用奥氏体基体进行铬、铝、硅的抗氧化合金化。镍的含量高时，在含硫气氛中由于会生成Ni3S2，而Ni3S2和Ni能形成共晶，共晶温度为645C。由于硫一般是沿晶界渗入形成Ni3S2的，这样，低熔点共晶将沿晶界出现，会使钢产生严重破坏，所以高镍钢不宜用于含硫气氛中。碳、氮在抗氧化钢中，当溶于基体形成固溶体时，对钢的抗氧化性影响不大，当它们以化合物析出时，这种析出物会妨碍表面氧化膜的连续性，会降低钢中抗氧化元素的含量，从而降低钢的抗氧化性。钼、钒由于其氧化物熔点较低，MoO3(795

46、C)、V2O5(658C)，容易挥发，都使抗氧化性变坏。 近年来的研究还指出，当钢中加入镧系稀土元素时，氧化膜和基体之间结合力会增加，有利于抗氧化性的提高。 7 提高热强性的途径 提高钢和合金热强性的原理，在于提高金属和合金基体的原子间结合力，形成对抗蠕变有利的组织状态，其具体途径有：提高合金基体的原子间结合力，强化基体；强化晶界；弥散相强化等。1） 提高合金基体的原子间结合力和强化基体 表征金属原子间结合力大小的是金属的熔点。熔点愈高，金属原子间结合愈强。因此，耐热温度要求愈高，就要选用熔点愈高的金属作基体，工业上铁基、镍基、钼基耐热合金的熔点依次升高。 金属或合金的晶格类型也与原子间结合力

47、有关，对铁基合金来说，面心立方晶格的原子间结合力较强，体心立方的较弱，所以奥氏体型钢要比铁素体型钢、马氏体型钢、珠光体型钢的蠕变抗力高。在提高钢的热强性时就可运用合金化获得奥氏体基体，以利用面心立方晶格中原子间结合力较高这一特点。 对于已选用的基体，还可通过固溶强化提高原子间结合力，提高蠕变极限。这是因为固溶体使原子间结合力增强，同时，由于原子尺寸的不同，在晶体中造成了局部的点阵畸变和应力场，导致溶质原子在位错附近形成气团，从而增加了位错运动阻力，提高了蠕变抗力。合金元素使固溶体中原子间结合力的提高往往也使原子的扩散激活能提高。反映到合金的再结晶温度上，就是使其再结晶温度升高。2）晶界强化 由于晶界在高温下强度低，所以在耐热钢中采用和低温下相反的措施，不是细化晶粒强化，而是适当地粗化强化，以减少薄弱的晶界数量。与此同时，对现存的晶界再进一步强化，此种强化大致有两个方面：一方面是净化晶界，钢中的硫、磷等低熔点杂质易在晶界偏聚，并和基体铁形成易熔共晶物，削弱晶界强度，使高温强度降低。若在钢中加入象硼、稀土等化学性质活泼的元素，即可与那些易熔杂质化合，形成高熔点的稳定化合物；又可在结晶过程中作为晶核，使易熔杂质从晶界转入晶内，从而使晶界得到了净化，强化晶界。另一方面是填充晶界上的空位，晶