金属材料学习总结
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第一章 钢铁中的合金元素
普通碳素结构钢（5个强度等级）
Q195、Q215 含碳量很低，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及机件。
Q255、Q275 强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。
优质碳素结构钢（31个钢号）。常用见下列表
08F钢 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
10~25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、摩擦片、水泥钉等。
45等中碳钢 通过适当热处理可获得良好的综合力学性能。可用于如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械
零件
高碳碳素结构钢
经适当热处理后可获得高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、钢丝绳等。
碳素工具钢
T7、T8
适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温
回火后的硬度为48~54HRC（工作部分）；
T9、T10、T11钢
用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回
火后的硬度为60~62HRC，
T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；
T12、T13钢
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，淬火、
低温回火后的硬度为62~65 HRC。
T12A也可用于制造量具。
T7~T12、T7A~T12A还可用于形状简单的塑料模具。
一般工程用铸造碳素钢
ZG340-640
其他类型的铸钢件
焊接结构用碳素铸钢件 如ZG230-450H
低合金铸钢件 如ZGD535-720
耐热铸钢件 如ZG40Cr30Ni20
不锈耐酸钢铸件 如ZG1Cr18Ni9Ti
中、高强度不锈钢铸件 如ZG10Cr13Ni1Mo
1.2 钢的合金化原理
1.合金元素的存在形式
形成铁基固溶体
形成铁基置换固
溶体 与Fe形成无限固溶体：Ni、Co、Mn、Cr、V
形成较宽溶解度的有限固溶体：Mo和W
形成具有较窄溶解度的有限固溶体：Ti、Nb、Ta
Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度
形成铁基间隙固
溶体 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、
H的顺序而增加
形成合金渗碳体
过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
形成金属间化合物 分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。
形成非金属相
（非碳化合物） 钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、
MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。非金属夹杂物一般都是有害的
非晶体相 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。
2.合金元素与铁的相互作用
γ相稳定化元素
开启γ相区(无限扩大γ相区)：Mn、Ni、Co，
扩展γ相区(有限扩大γ相区)：C、N、Cu、Zn、Au
α相稳定化元素
封闭γ相区(无限扩大α相区)：Si、Al 和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 及P、Be 等
含Cr 量小于7%时，A3 下降；含Cr 量大于7%时，A3 才上升。
缩小γ相区(不能使γ相区封闭)：B、Nb、Zr、Ta 等
3.合金元素与碳的相互作用
形成碳化物
碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr，均位于Fe的左侧
非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S。均处于周期表Fe的右侧
Me对C在A中的扩
散激活能和扩散系
数的影响 碳化物形成元素：降低C的活度，提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数
下降
非碳化物形成元素：降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高
Si例外: 升高扩散激活能，降低扩散系数.
4.Me对γ层错能的影响
层错能越低，位错的形成和扩展越容易，滑移越困难，加工硬化趋势越大、
提高γ层错能：Ni、Cu和C，易于变形加工
降低γ层错能：Mn、Cr、Ru和Ir，难变形加工
5.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
γ相区
扩大γ相区：Ni, Co, Mn etc
如：1Cr18Ni9 and ZGMn13(高锰耐磨钢等)
缩小γ相区：Cr, W, Mo, V, Ti, Si etc
如：1Cr17Ti(高铬铁素体不锈钢)
共析点S 温度 扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降
缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。 成分 几乎所有合金元素都使S点左移，以强碳化物形成元素的作用最为强烈。共晶点E的碳含
量也随合金元素增加而左移
6.合金元素对钢的热处理的影响
奥
氏
体
化 奥氏体形核和
长大阶段 碳化物形成元素：Cr, Mo, W，V 妨碍C扩散，减慢奥氏体长大
非碳化物形成元素：Co Ni提高C在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。
Si, Al，Mn 对C在奥氏体中的扩散速度影响不大
碳化物的分解 视碳化物的稳定性
奥氏体成分均匀化 C，Me的扩散。Me扩散缓慢
奥氏体晶粒长大
倾向 强烈阻止：Ti, V, Zr, Nb → MC, Al→AlN, Al2O3
作用中等：W, Mo, Cr
作用轻微：Ni, Si, Cu, Co
有助长大：Mn, P, B （Mn钢有强烈过热倾向，注意加热温度和时间）
过
冷
奥
氏
体
分
解
高温P转变 使C曲线右移，提高钢的淬透性（Me淬火加热溶入A才有效）：除Co外。
提高钢的淬透性采用多元少量合金化原则
推迟P转变，可在连续冷却的过程中得到B组织的钢
Me的加入对钢有固溶强化
中温B转变 降低Bs，使B和P转变温度间出现过冷A的中温稳定区：C, Mn, Ni, Cr, Mo,
V, Ti
改变B转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度：C, Si, Mn, Ni, Ni,
Cr作用较强，W,Mo,V,Ti作用较小
低温M转变 使Ms, Mf下降，室温下将保留更多的残留奥氏体量：除Co，Al
降低残留奥氏体含量的方法：1淬火后在负温下继续冷却2多次回火，使合金碳化
物析出，A中Me量减少，Ms Mf点升高，在二次淬火时即可减少残奥量
M形态结
构 Ms点高，滑移的临界分切应力低，形成位错亚结构的M
Ms点低，孪生分切应力低，形成孪晶亚结构的M
7.Me对淬火钢回火转变的影响
提高回火稳定性，即提高软化抵抗力，使各阶段转变速度大大减慢，将其推向更高温度。
第二章 工程构件用合金结构钢
特性
服役
特性 静载荷，无相对运动
一定温度和环境，耐高温和低温，抗腐蚀。如：锅炉>250度，北方承受低温，船舶桥梁受大气海水腐蚀
力学
性能 高弹性模量，保证好的刚度
高屈服，断裂极限，保证好的抗塑性变形和抗断裂的能力
低裂纹敏感性，低冷脆性
加工
性能 好的冷变形性能
好的焊接性能
成份 C%<=0.25% 设计 Me提高强度:低合金钢(如低合金高强度钢,微合金钢)以F为基分布着少量P;高合金钢为B,针状F或M
供货状态 大多数经轧制后空冷,有时也回火处理
1.低合金高强度钢
(1)成份表
元素 作用
C%小于0.2wt.% 具有良好的塑性和韧性,良好的焊接性能
主要元素: Mn
(有时考虑经济因素
使用Cr和 Ni) 细化P和F晶粒
1-15%Mn促进F多系滑移
抑制Fe3C在晶界析出,减少裂纹源,提高冲击韧性
使S点左移,增加P含量,提高强度
辅加元素: Al、V、Ti、Nb 析出强化,细化晶粒,提高韧性 Cu P
Cr Ni 增强在大气中的耐腐蚀性.1.Cu在钢表面聚集,正电位,阳极,形成钝化
膜 2.P固溶,提高耐腐蚀性 3.Ni Cr形成钝化膜
稀有元素 脱S,除气,改善微观组织和杂质分布,提高机械使用性能
2.微合金钢
(1)成份
元素 作用
Ti,V,Nb
抑制A晶粒的长大
阻止A在变形过程中再结晶
析出强化
具有F-P的低合金和微合金钢的屈服强度达460MP
相变强化能提高强度和韧性,如低碳B,低碳S,低碳M
(2)主要强化机制:细晶强化,析出强化
3.低碳B
(1)力学性能:与F-P相比,有更高的强度和韧性，屈服强度可达490－780MP
(2)成份
元素 作用
主加Mo,B 显著推迟F和P的形成,对B相变的推迟作用较小
Mn,Cr,Ni 进一步推迟先共析F和P的形成并降低Bs
Nb,V,Ti 细化晶粒,沉淀强化
（３）典型钢种及热处理
14MnMoV, 14MnMoVBRe，屈服强度达490MP。用于容器和其他部件的制造
钢板厚度<14mm，热轧。钢板厚度>14mm，正火＋高温回火
14MnMoVBRe在焊前必须预热至150℃.
4.针状F
（1）显微结构
低碳或超低碳针状F（属于B），相变在上B转变温度区域，为板条状，有高密度位错
（2）典型钢种Mn-Mo-Nb
（3）性能：屈服强度＞470MPa,延伸率≥20%, 室温冲击功 ≥80J，好的低温韧性，好的焊接性能，对H2S有好的
抗腐蚀性能。
