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。

这类钢可制作在 350℃～400℃温度下承受重载的较大弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等

对轴承钢性能的要求 1、具有高的接触疲劳强度和抗压强度；2、轴承钢经热处理后，一般硬度要求为 HRC 61~65）；3、高的弹性极限；4、一定的韧性；5、良好的尺寸稳定性；6、一定的抗腐蚀性能；7、良好的工艺性能，如冷、热成型性能、切削性能、磨削性能、热处理工艺性能等

轴承钢的合金化特点1、高碳为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。2、铬为基本合金元素铬含量为0.40％～1.65％。铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度3、加入硅、锰、钒等 Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。

典型钢种和牌号1、铬轴承钢最常用的是GCr15。使用量占轴承钢的绝大部分。除制造轴承外也常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。2、添加 Mn、Si、Mo、V的轴承钢

在铬轴承钢中加入 Si、Mn可提高淬透性，例如， GCrl5SiMn、GCr15SiMnMoV等

二、低合金工具钢

1、常用的低合金工具钢有Cr、Cr

2、9SiCr、9Mn2V、CrMn、CrWMn等。其特点如下：（1）

工作温度低于300℃。（2）高碳（0.90~1.10％C）：保证高硬度与高耐磨性；（3）加入铬、硅、锰、钒等元素提高淬透性和回火稳定性。 M+残余A+C

二、高速钢的主要特点是：

（1）工作温度可达500~600℃，有很高的热硬性（593℃HRC＞55）（2）高碳（0.70~1.10％C），保证硬度和耐磨性。（3）加入较多的钨、钼、钒、铬等元素。钨、钼、可产生“二次硬化”以保证热硬性，同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性。V部分溶于奥氏体中，淬火后使马氏体抗回火稳定性增高，阻碍马氏体分解，并弥散析出VC产生次生硬化。铬可提高淬透性。

冷作模具钢按性能可分为：

（1）淬透性低的碳素工具钢T8～T12；（2）淬透性较高的9Mn2V、9SiCr、CrWMn等；（3）高韧性的4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si等；（4）高淬透性、高耐磨性和淬火变形小的 Cr12、Cr12V、Cr12MoV、Cr6WV等钢种

热作模具钢的合金化特点：热作模具钢的含碳量大多是中碳（0.30~0.50％C）范围。钢中加入铬、镍、钨、钼、钒、硅、锰等合金元素。铬、硅、锰提高淬透性。镍可提高钢的韧性，并与铬、钼一起提高耐热疲劳性能。钨、钼、钒可产生二次硬化效果，钼还能防止第二类回火脆性、提高高温硬度和回火稳定性。铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性

热锻模钢对韧性要求高，而对热硬性要求不太高，典型的有：5CrMnMo钢适于制造中小型锻模；5CrNiMo 和5CrMnSiMoV适于制造形状复杂、冲击负荷重的大型锻模。

铝合金根据相图可分为两大类：

1、铸造铝合金：合金元素总量约为8～25%，为共晶组织。

2、变形铝合金：常用的变形铝合金，合金元素总量小于5%，加热时为单相固溶体组织。

变形铝合金按其成分和性能特点又可分为不能热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。不锈耐蚀钢钢种:铁素体不锈钢铁素体不锈钢有以下三种类型：

（1）Crl3型。如0Crl3、0Cr13Al等，常用于耐热零件，如汽车排气阀等。

（2）Cr17型。如Crl7、Crl7Ti等，可耐大气、淡水、稀硝酸等介质腐蚀。

（3）Cr25-Cr28型。如Cr25、Cr25Ti、Cr28、Cr28Mo4等，是耐强腐蚀介质的耐酸钢。

马氏体不锈钢可分为三类：

（l）低碳及中碳Crl3型钢，如1Cr13。（2）高碳Cr18型钢，如9Cr18MoV。（3）低碳17％

Cr－2％Ni型钢，如1Cr17Ni2。奥氏体不锈钢主要用于含钛或铌的钢1Cr18Ni9Ti、

00Cr18Ni10。奥氏体不锈钢是应用最广的耐酸钢

铁素体一珠光体耐热钢退火后的组织是铁素体+珠光体。一般在正火+高温回火后使用

马氏体耐热钢这类钢一般经过淬火+高温回火后使用2Cr12WMoV钢

合金元素对铝的强化作用，主要表现在以下几方面。固溶强化二、时效强化三、过剩相强化。四、细晶强化

高温强度的指标有下列三种蠕变极限持久强度持久寿命

1.高碳钢，高合金材料导热性能不好，预热可防止变形和开裂，缩短高温时间防止脱碳和氧化②高温淬火含大量合金元素的碳化物难以溶解，高温加热是为了使碳化物溶解。③预冷减小M转变的剧烈程度以减小应力和变形。④深冷减少残余A量⑤多次高温回火：⒈产生二次硬化提高材料的热硬性，耐磨性和组织稳定性⒉减小材料应力，稳定组织。⒊减少材料内部的残余奥氏体量。