《金属材料学》全册配套完整教学课件2.pptx

1、金属材料学全册配套金属材料学全册配套完整教学课件完整教学课件2金属材料学金属材料学Metallic Materials学学 时：时：48 一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 二、二、金属材料的分类金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料的发展热点四、金属材料的发展热点 五、关于本课程五、关于本课程Chapter 0 绪绪 论论一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料材料发展与社会进步有着密切关系发展与社会进步有着密切关系, ,它是衡量人它是衡量人类类社会文明程度社会文明程度的标志之一。的标志之一。 金属材料是现代文明的基础。金

2、属材料是现代文明的基础。 2.2.目前，金属材料在材料的应用中起主导地位。目前，金属材料在材料的应用中起主导地位。虽然无机非金虽然无机非金属材料、高分子属材料、高分子材料和复合材料材料和复合材料等等的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。仍不会改变这种状况。Chapter 0 绪绪 论论二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属金属材料铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢 工具钢工具钢 特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛

3、钛) ) 重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,镍镍) 贵重金属贵重金属(金金,银银)稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) 放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍)结构金属材料结构金属材料 功能金属材料功能金属材料Chapter 0 绪绪 论论三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(1)(1)1.从总产量来看，从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属材料总产量的占世界金属材料总产量的95，而且有许多良而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。低廉。 2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富在世界

4、金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占铁只占5.1，而非铁金属中铝为，而非铁金属中铝为8.8镁为镁为2.1，钛为钛为0.6。Chapter 0 绪绪 论论3. 非铁金属非铁金属冶炼较困难冶炼较困难，所需能源消耗大，因，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。而生产成本高，限制了生产总量的增长。 4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的不具备的特殊性能特殊性能，例如比强度高，耐低温、，例如比

5、强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。 Chapter 0 绪绪 论论三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况(2)(2)四、金属材料的发展热点四、金属材料的发展热点1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 l具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材料日益受到重视 l非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。 3特殊条件下应用的金属材料特殊条件下应用的金属材料 l低温、高压

6、、高温、外场以及辐照条件材料的结构、低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。组织和性能的研究。 4材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。Chapter 0 绪绪 论论五、关于本课程五、关于本课程(1)1. 本课程的目的本课程的目的是讲授是讲授金属结构材料金属结构材料的的物理冶物理冶金金问题，使学生问题，使学生l掌握合金中的掌握合金中的化学成分化学成分、组织结构组织结构、生产工生产工艺艺、环境环境对金属材料各种对金属材料各种性能性能影响的基本规影响的基本规律；律； l掌握

7、常用金属材料的掌握常用金属材料的化学成分设计化学成分设计、热处理热处理和使用中的问题。和使用中的问题。Chapter 0 绪绪 论论2.本课程的内容本课程的内容 金属材料的金属材料的合金化基础理论合金化基础理论碳钢、合金钢碳钢、合金钢铸铁铸铁有色金属及合金有色金属及合金Chapter 0 绪绪 论论六、关于本课程六、关于本课程(2)3. 学习要求学习要求 掌握金属材料的掌握金属材料的合金化原理合金化原理、合金元素对钢相变、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、有色金属等材料的掌握常用钢、铸铁、有色金属等材料的牌号、成牌号、成分、热处理规范、组

8、织、力学性能和用途。分、热处理规范、组织、力学性能和用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。 能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热处能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。理缺陷的措施。六、关于本课程六、关于本课程(3)Chapter 0 绪绪 论论4.成绩考核方式成绩考核方式 期末试卷期末试卷 （70%）+ 平时综合（平时综合（30%）5.教材与参考书教材与参考书 金属材料学金属材料学，吴承建，吴承建. 冶金工业出版社，冶金工业出版社，2010;

9、 金属材料学金属材料学，齐锦刚等，齐锦刚等. 冶金工业出版冶金工业出版社，社，2012; 金属材料学金属材料学，戴起勋，化学工业出版，戴起勋，化学工业出版社社, 2009. 六、关于本课程六、关于本课程(4)Chapter 0 绪绪 论论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理1.3 合金钢的分类与牌号合金钢的分类与牌号主主要要内内容容碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质 碳钢的分类碳钢的分类 碳钢的用途碳钢的用途Me在钢中的存在形式在钢中的存在形式 Me与铁和碳的相互作用

10、与铁和碳的相互作用 Me对对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 Me对钢的热处理的影响对钢的热处理的影响 Me对钢的性能的影响对钢的性能的影响重点及基本要求重点及基本要求1.了解了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类碳钢的分类与应用。与应用。 2.第二节是第二节是本章重点本章重点。要求。要求全面掌握全面掌握合金元素合金元素在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，对对Fe-Fe3C相图、相图、对钢的热处理及组织与性对钢的热处理及组织与性能的影响规律。能的影响规律。3.掌握掌握合金钢的分类与牌号。合金钢的分类与牌号。

11、Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 几个基本概念（几个基本概念（1） 合金元素：合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。化学元素。 杂质：杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。操作而带入的化学元素。 碳钢：碳钢：含碳量在含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳范围内的铁碳合金。合金。 合金钢：合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢的钢 。 Chapter 1 钢铁中的合金元素

12、钢铁中的合金元素 低合金钢：低合金钢：一般指合金元素总含量小于或一般指合金元素总含量小于或等于等于5%的钢。的钢。 中合金钢：中合金钢：一般指合金元素总含量在一般指合金元素总含量在510%范围内的钢。范围内的钢。 高合金钢：高合金钢：一般指合金元素总含量超过一般指合金元素总含量超过10%的钢。的钢。 微合金钢：微合金钢：合金元素合金元素(如如V,Nb,Ti,Zr,B)含量含量小于或等于小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性，而能显著影响组织和性能的钢。能的钢。 几个基本概念（几个基本概念（2）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1

13、钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 Steelmaking flowlines 1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 Steel Finishing flowlines 1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 一、碳钢中的常存杂质（一、碳钢中的常存杂质（1）1.锰（锰（ Mn ）和硅（）和硅（ Si ） 炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形。可固溶，也可形成高熔点成高熔点MnS（1600）

14、夹杂物。）夹杂物。 MnS在高温下具有在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。状沿轧向分布。 Si：在钢中的含量通常小于在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。夹杂物。 Mn和和Si是有益杂质，但夹杂物是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。劳强度和塑、韧性下降。1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 一、碳钢中的常存杂质（一、碳钢中的常存杂质（2） 2硫（硫（S）和磷（）和磷（P）S：在固态铁中的溶解

15、度极小，在固态铁中的溶解度极小， S和和Fe能形成能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。，并易于形成低熔点共晶。发生发生热脆热脆 (裂裂)。 P：可固溶于可固溶于-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为别是低温韧性，称为冷脆冷脆。磷可以提高钢在磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。大气中的抗腐蚀性能。 S和和P是是有害有害杂质杂质，但可以但可以改善改善钢的钢的切削加工性切削加工性能。能。 1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 一、碳钢中的常存杂质（一、碳钢中的常存杂质（3）3氮（氮（N）、氢（）、氢（H）、氧（）、氧（O）N

16、：在在-铁中可溶解，含铁中可溶解，含过饱和过饱和N的钢的钢经受冷变经受冷变形后析出氮化物形后析出氮化物机械时效或应变时效。机械时效或应变时效。N可可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化细化晶粒和沉淀强化。晶粒和沉淀强化。 H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生生氢脆氢脆。 O：在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复合氧化物或复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。 N、H、O是是有害有害杂质。杂质。1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素

17、二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（1）400 C 1400 C1200 C1000 C800 C600 C1600 CFe1% C2% C3% C4% C5% C6% C6.70% CLgadSteelCast Iron1按钢中的碳含量按钢中的碳含量（1）按）按Fe-Fe3C相图分类相图分类 亚共析钢：亚共析钢： 0.0218%wc0.77% 共共 析析 钢：钢： wc =0.77% 过共析钢：过共析钢： 0.77%wc2.11%1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 （2）按钢中碳含量的多少）按钢中碳含量的多少分类分类 低碳钢：低碳钢： wc 0.25%

18、中碳钢：中碳钢：0.25%wc0.6% 高碳钢：高碳钢： wc0.6% 2按钢的质量（品质），碳钢可分为按钢的质量（品质），碳钢可分为 （1）普通碳素钢：）普通碳素钢：wS0.05%，wP0.045%。 （2）优质碳素钢：）优质碳素钢：wS0.035%， wP0.035%。 （3）高级优质碳素钢：）高级优质碳素钢：wS0.02%， wP0.03%。 （4）特级优质碳素钢：）特级优质碳素钢：wS0.015%， wP0.025%。 1.1 碳钢概论碳钢概论二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（2）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 3按钢的用途分类，碳钢可分为按钢的用途分类，碳钢可分为

19、 （1）碳素结构钢：）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。重要的机件。 （2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 （3）碳素工具钢：）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。如刃具、模具、量具等。 （4）一般工程用铸造碳素钢：）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。

20、1.1 碳钢概论碳钢概论二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（3）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢：）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为指脱氧不彻底的钢，代号为F。 （2）镇静钢：）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为指脱氧彻底的钢，代号为Z。 （3）半镇静钢：）半镇静钢：指脱氧程度介于沸腾钢和镇指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代指进行特殊脱氧的钢，代号为号为TZ。 1.1 碳钢概论碳钢概论二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（4）

21、Chapter 1 金属材料的合金化金属材料的合金化原理原理 1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 （1）主要用于一般工程结构和普通零件）主要用于一般工程结构和普通零件，它通，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的应用量很大（钢总产量的70%以上）。以上）。 （2）热轧后空冷）热轧后空冷是这类钢通常的是这类钢通常的供货状态供货状态。用。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。户

22、一般不需要再进行热处理而是直接使用。wC =0.06%0.38%，当质量等级为，当质量等级为“A”、“B”时，时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。方要求作适当调整。三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（1）1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 （3）普通碳素结构钢的牌号表示方法）普通碳素结构钢的牌号表示方法 由代表屈服点的字母（由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、）、屈服点数值、质量等级符号（质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法）及脱氧方法符号（符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组）

23、等四个部分按顺序组成。成。 屈服点数值屈服点数值共分共分195、215、235、255、275五个强度等级；五个强度等级；1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2 ）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 等级符号等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，是指这类钢所独用的质量等级符号，也按也按S、P杂质多少来分，以杂质多少来分，以A、B、C、D四个四个符号代表四个等级，其中：符号代表四个等级，其中： lA级级wS0.05%, wP0.045%， lB级级wS0.045%, wP0.045%， lC级级wS0.04%, wP0.04%， lD级级wS0.035%,

24、 wP0.035%。 其中质量等级最高的是其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。三个等级均属于普通级范围。 脱氧方法符号脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。中可省略。 1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（3 ）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（4 ）（4）典型牌号、性能与用途（）典型牌号、性能与用途（表表1-1） Q195、Q215：含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、含碳量很低

25、，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。度要求不高的工件。 Q235A、Q255A：用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B：用作建筑工程中质量要求较高的焊接结用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D：质量较好，可作一些重要的焊接结构件质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。

26、及机件。 Q255、Q275：强度较高，其中：强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。制造摩擦离合器、刹车钢带等。Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢 （1）用于较为重要的机械零件）用于较为重要的机械零件，可以通过各种热，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。处理调整零件的力学性能。 （2）供货状态）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。正火等状态，一般随用户需要而定。 （3）牌号）牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示一般用两位数字

27、表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍，如钢中平均碳的质量分数的万倍，如2020钢、钢、4545钢。钢。1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（5）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（6）优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它，它们是们是08F、10F、15F。半镇静钢标。半镇静钢标“b”，镇静，镇静钢一般不标符号。钢一般不标符号。 高级优质碳素结构钢高级优质碳素结构钢在牌号后加符号在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号特级碳素结构钢加符号“E”。 专用优质碳

28、素结构钢专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”等。等。Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 优质碳素结构钢按含锰量的不同，分优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。为普通含锰量和较高含锰量两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如，如15Mn 、45Mn等。等。 注意：注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金

29、高强度结构钢混淆。不要和低合金高强度结构钢混淆。三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（7）1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论（4）优质碳素结构钢共有）优质碳素结构钢共有31个钢号个钢号（表表1-2）。 08F钢：钢：碳的质量分数低、塑性好，强度较低。碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。可用于各种冷变形加工成型件。 1025等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐

30、造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。摩擦片、水泥钉等。三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（8）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（9）45等中碳钢：通过适当热处理可获得良好的等中碳钢：通过适当热处理可获得良好的综合力学性能。综合力学性能。可用于可用于如传动轴、发动机连杆、如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械零件。机床齿轮等机械零件。 高碳碳素结构钢：高碳碳素结构钢：经适当热处理后可获得高经适当热处理后可获得高的弹性极限和屈强

31、比以及足够的韧性和耐磨性。的弹性极限和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。钢丝绳等。Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 3-碳素工具钢碳素工具钢 （1）主要用于）主要用于制作各种制作各种小型小型工具。可进行淬火、工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。 （2）牌号）牌号一般用标志性符号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分

32、数的千倍表示。如拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。一般优质碳素工具钢不加质量等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上后面再加上“A”字，如字，如T8A，T12等。等。1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（10）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（11）（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以，这时，在牌号的尾部标以Mn，如如T8M

33、n，T8MnA。 （4）典型的碳素工具钢（）典型的碳素工具钢（表表1-3） T7、T8：适合于制造承受一定冲击而要适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为凿子等，淬火、低温回火后的硬度为4854HRC（工作部分）（工作部分）；Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 T9、T10、T11钢：钢：用于制造冲击较小而要用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如求高硬度与耐磨的刃具，如小小钻头、丝锥、手钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为锯条等，淬火、低温回火后的硬度为6062HRC，T

34、10A钢钢还可用于制造一些形状还可用于制造一些形状简单、工作负荷简单、工作负荷不大不大的冷作模具、量具；的冷作模具、量具； T12、T13钢：钢：硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为淬火、低温回火后的硬度为6265 HRC。 T12A也可用于制造量具。也可用于制造量具。 T7T12、T7AT12A还可用于形状简单的塑料模具。还可用于形状简单的塑料模具。三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（12）1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金

35、元素 4-一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢（1）主要用于）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于量一般小于0.65%。 （2）牌号）牌号用符号用符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度最低抗拉强度值表示。如值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。的铸钢。 （3）典型的碳素铸钢）典型的碳素铸钢（表表1-4） 1

36、.1 碳钢概论碳钢概论三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（13）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 （4）其他类型的铸钢件还有：）其他类型的铸钢件还有： 焊接结构用碳素铸钢件焊接结构用碳素铸钢件 （GB/T7659-1987），如），如ZG230-450H； 低合金铸钢件低合金铸钢件 （GB/T14408-1993），如），如ZGD535-720； 耐热铸钢件耐热铸钢件 （GB/T8492-1987），如），如ZG40Cr30Ni20； 不锈耐酸钢铸件不锈耐酸钢铸件 （GB2100-1980），如），如ZG1Cr18Ni9Ti； 中、高强度不锈钢铸件中、高强度不锈钢铸件 （GB6

37、967-1986），如），如ZG10Cr13Ni1Mo等。等。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（14）1.1 碳钢概论碳钢概论Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 1形成铁基固溶体形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体形成铁基置换固溶体Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与等元素可与Fe形成无限固溶体。形成无限固溶体。其中其中Ni、Co和和Mn形成以形成以-Fe为基的无限固溶体，为基的无限固溶体，Cr和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。 Mo和和W只能形成较宽溶解度

38、的有限固溶体。如只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。 Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（1 ） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg B B B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni C

39、u Zn Ga Ge As Se Br Kr Pb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl PbBi Po At Rn 元素周期表Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 （2）形成铁基间隙固溶体形成铁基间隙固溶体对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。间隙。 对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。或四面体间隙。 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而间隙原子的

40、溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。的顺序而增加。1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（2 ） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 2形成合金渗碳体或碳化物形成合金渗碳体或碳化物（1）合金渗碳体（碳化物）合金渗碳体（碳化物） (Fe,Mn)3C 、氮化、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相；强化相； (Fe,Mn)3C 、 TiN、 Ti（C、N）等；）等；（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物

41、和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（3） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 其中：其中： n、族金属的碳化物与氮化物具有族金属的碳化物与氮化物具有简单的简单的点阵结构点阵结构，如，如TiC、VC、TiN、TaC等；等； n、金属的碳化物与氮化物具有金属的碳化物与氮化物具有复杂复杂的点阵结构的点阵结构，如，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。等。 n在

42、钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。等。 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（4） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 3形成金属间化合物形成金属间化合物 （1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指物通常仅指电子化合物电子化合物。 （2

43、）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是温合金中较为重要的金属间化合物是(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。等。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（5） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 4形成非金属相（非碳化合物）

44、及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金属等。非金属夹杂物一般都是有害的。夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。钢或其它有色金属合金。 （3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作

45、用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（6） Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 ）1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 （1）相稳定化元素（奥氏体形成元素）相稳定化元素（奥氏体形成元素） 使使A3降低，降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了氏体形成，即扩大了相区。根据相区。根据Fe-Me相

46、图的不同，相图的不同，可分为：可分为： 开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)； 扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2）开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)（图图1-1） 这类合金元素主要有这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入等。如果加入足够量的足够量的Ni或或Mn，可完全使体心立方的，可完全使体心立方的相从相相从相图上消失，图上消失，相保持到室温，故而由相保持到室温，

47、故而由相区淬火到相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢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。中常用作获得奥氏体的元素。Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 图图1-1 扩大扩大相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Ni相图相图(b)1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)（图图1-2） 虽然虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与合金元素与-Fe和和-Fe均形

48、成有限固溶体，并且均形成有限固溶体，并且也使也使A3（GS线）降低，线）降低，A4（JN线）升高，但最线）升高，但最终不能使终不能使相区完全开启。相区完全开启。 这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。相区借助相区借助C及及N而扩展，当而扩展，当C含量在含量在02.11%（重（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础体），这构成了钢的整个热处理的基础。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（

49、3）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 图图1-2 扩大扩大相区并与相区并与-Fe有限互溶的有限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-C相图相图(b)1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 （2）相稳定化元素（铁素体形成元素）相稳定化元素（铁素体形成元素） 合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升高升高，在较宽的成分，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了范围内，促使铁素体形成，即缩小了相区。根相区。根据据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为：封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)；缩小缩小相区相区

50、(不能使不能使相区封闭相区封闭)。 1.2 钢的合金化原钢的合金化原理理二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（4）Chapter 1 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（5）封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)（图图1-3） 当合金元素达到某一含量时，当合金元素达到某一含量时，A3与与A4重合，其结果使重合，其结果使相相与与相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有再有-相变