5.3.1 钢的强化机制及合金钢在线视频

3.8节讲钢的强化机制及合金钢

这里边有四部分内容

第一部分内容讲碳钢的各种组织

第二部分内容讲钢的强化机制

第三部分内容讲合金钢

及合金元素的作用

第四部分讲铁的磁性

我们以碳钢为例

从这个图可以看的出来

就是当碳含量不一样的时候

它的组织是不一样的

换句话说

钢当中碳含量不同

是它不同组织形态的

一个先决条件

那么开始从炼钢的时候

就决定它的成份

成份定下来以后

后边加工热处理

是不能改变它的成份

所以成份是非常重要的

从图上可以看得出来

0.8 这就是我们说的0.77

为什么说是0.8

我刚才讲了

随着你科研工作

或者是科研生产越来越精细

它的成份是不断的变化的

我们老的教科书都是0.77

但是现在也都说是0.8的

我们原来讲

0.0218 0.77

2.11 还有4.3

这对于我们看铁碳相图

必须记住的几个成份点

那0.8 还有是2.0

或者是2.1

是指的是什么

就是钢跟铸铁的一个区别线

我们看在含碳量

是0.8广泛的范畴当中

在加热的时候

得到奥氏体组织

奥氏体组织是什么

是面心立方的

当你在冷却

或者加工热处理

特别是通过热处理的时候

会得到不同的组织形态

含碳量不一样

有铁素体 有珠光体

有贝氏体 有马氏体

跟结构不一样

这铸铁来讲

一加热的时候

得到是γ铁和渗碳体

通过热处理

可以得到什么

白口铸铁 灰口铸铁

可锻铸铁 球墨铸铁等等

好 那么我们说刚才我们讲了

钢铁

它的组织性能是多样化的

它为什么组织性能

这样多样化

它主要是成份不一样

热处理不一样

它的产品的形态不一样

决定了它有不同的用处

合金成份

你光个碳

就可以加入不同的含碳量

改善它的性能

通过不同的热处理

也可以改善它的性能

第三根据不同的加工

也可以得到不同的产品

得到不同性能的产品

因此为钢材的应用

提供了很好的条件

我们过去讲

选材标准也讲了

第一是功能优先

第二是可加工

第三是环境 第四是资源

我们这价格还要便宜

钢这几条它都满足

因此它的

你化学成份的选择

钢的组织

产品需要的型号

这三者是相成的关系

注意这三者是相成的关系

它这一相成

就为它的提供各种各样的产品

提供了很好的条件

对于有些材料来讲

它不能通过热处理

改善它的性能

不能通过添加成份

改善它的性能

或者不能通过加工

改善它的性能

那你为它的应用就提供了

就提供不了这么好的条件

你拿钨来讲

它加合金元素它很难加

通过热处理又很难

加工到几千度才行

要加工起来它很硬

也加工不了

因此它的应用就受了限制

比方说通过成份和热处理

就可以对钢的性能

得到很大的改善

性能主要是讲强化

甚至有韧化

你比方说你钢

铁和钢的种类

这里边有什么

有超低碳的碳素钢

有低碳素钢

有铁素体 珠光体钢

有强韧的高张力钢

有超高强度钢

有（隆巴钢丝）

有铁的晶须等等这些东西

可以 这里边它的强化机制是什么

有固溶强化 有细晶强化

有组织强化

有固溶强化和组织强化

还有马氏体组织强化

冷加工的应变硬化

还有什么

无尺限的强化

就是理论的变成晶须

你们看它的

它的强度可以提高多少

如果超低碳的才200兆帕

要是细晶强化

要晶粒很细

可以到300兆帕

要变成珠光体组织强化

可以到500兆帕

要固溶强化加组织强化

可以到一个G帕

可以到马氏体可以两个G帕

再加冷加工可以到四个G帕

它的理论强度到77个G帕

77个G帕

跟我们平常用的

300到400兆帕

有几百倍的可提高的余地在这

就看我们将来的

工作怎么样了

就是个钢材

为它的组织强化

提供了很好的条件

它的余地是相当大的

我们平常老讲的

钢材的五大强化机制

无论我们同学们以后上课

是在材料基础讲

还是在合金钢里讲

还是在热处理讲了

我这里边用一个

非常形象的一张图

把钢的强化机制

画在这个地方

哪五种强化机制

第一种强化机制

叫做固溶强化

也就是钢材本身

它是个比方说是个铁心立方的

是个铁素体

你其它元素可以融到这里边去

给人家铁原子共享一个晶格

把它叫做固溶强化

固溶强化里边

有间隙式固溶体

有置换式固溶体

间隙式

跑在人家间隙里边去了

叫间隙式固溶体

置换式固溶体

占了人家的位置了

叫做置换式固溶体

无论是间隙式固溶体

和置换固溶体

它的共同特点

是跟铁原子共享晶格

共享人家铁的晶格

那么这种它为什么强化

因为是在晶格发生激变了

固溶强化

第二个是什么

是细晶强化

什么叫细晶强化

就是把晶粒变小了

把晶粒变小了

粗晶粒变成细晶粒变成细晶粒

怎么变小

通过加工热处理

通过加一些合金元素

就可以把它晶粒变小

一晶粒变小了以后

晶界就占的比例高了

晶界占的比例一高

对平常用的材料当中

晶界是个强化因素

这可以有效的强化

这是第二大强化因素

第三大强化因素

叫做加工强化

有的叫做加工硬化

这一加工

就使它里边的排列

原子晶格的排列发生了错乱

那么用它的材料科学的观点来讲

产生了大量的位错

位错叫做dislocation

产生了大量的位错

这种位错到了晶界

被人挡住了

到了置换

置换元素附近

又被挡住了

到了析出地方

被挡住了

它一挡住以后

继续变形就难了

变形难了

把这种强化因素

叫做加工强化

或者加工硬化

第三大强化因素

叫做析出或者弥散强化

什么叫弥散强化和析出强化

就是在原来的机体当中

通过热处理

通过加上合金元素

通过热处理

析出一些新的相

这些新的相

有的属于是金属键化合物

这种新的相跟原来的相

完全不一样了

析出新的相

这些新的相一般来讲

如果是金属键化合物

是硬而脆 它又硬又脆

将来你在滑移过程当中

位错碰到析出相以后

它就过不去了

或者是把析出相切开

或者是绕过析出相

无论是切开还是绕过

都需要提供额外的应力

把需要提供的额外应力

叫做强化

这是个很重要的强化因素

第五个强化因素

就是个马氏体强化

马氏体强化

它意味着什么

在原来的它不是

原来的什么 铁素体的了

它形成了马氏体

马氏体它含碳量一般是比较高的

它是晶格发生了激变

发生激变以后

它再发生位错的滑移就很困难

就需要提供额外的应力

把这种提供额外的应力

叫做强化因素

所以我总结一下

它强化的因素是哪几个

固溶强化 细晶强化

加工硬化 弥散强化

马氏体强化

五大强化因素

对于这钢铁来讲

有些钢铁来讲

五大强化因素同时在起作用

你拿比如珠光体钢来讲

它里边有什么

有五种强化

为什么有五种强化

即使铁素体

它也是在阿尔法体当中

融进去碳了

间隙式固溶体

它也有析出

什么析出

它是你不是渗碳体

珠光体

是铁素体渗碳体层状机械混合物

渗碳体不就是析出

但是析出它更有规律

它更有规律

同时得话它还可能

珠光体可以晶粒变得很小

细晶粒珠光体

那么它的强度提高很多

那再加上加工硬化

所以对于普通的珠光体钢

那就起码得有四种强化因素

固溶强化 弥散强化

细精强化和加工硬化

如果是高碳钢

通过淬火变成马氏体

这五种强化因素同时在起作用

因此它的强度提高很多

你看表上可以看得出来

变成马氏体组织

可以达到两个G帕

跟我们平常一般用的珠光体钢

500兆帕提供了四倍

那么提高四倍

你就意味着

将来所用的材料可以节省四倍

所以它材料的强化

还是非常起作用的

好 那下边我们就讲讲

各类合金钢及合金元素

我们刚才讲的是碳钢了

碳钢是常见的合金元素之一

但是我们好多情况

是需要的一些特殊用的钢

你比如说耐热钢

机械结构钢 不锈钢

还有微合金钢

特殊用途钢

工具钢 模具钢 轴承钢

这需要的一些特殊的元素

特殊用途

这些特殊用途

光碳元素就不够了

你比方举例子来讲

我们平常用的不锈钢

什么叫不锈钢

什么叫不锈钢

有些同学讲了

不生锈的钢叫不锈钢

这就是所问非所答了

是不是

那你通过它的现象

来反推它的定义这就不对了

什么叫不锈钢

我给同学们讲

凡是含铬量超过（12%）的

这种合金钢叫做不锈钢

不锈钢有多少种 有五种

铁素体不锈钢

马氏体不锈钢

铁素体马氏体双相不锈钢

沉淀硬化不锈钢

还有奥氏体不锈钢

铁素体不锈钢

马氏体不锈钢

奥氏体不锈钢

铁素体马氏体双相不锈钢

还有沉淀硬化不锈钢

不同用途是不一样

但是这里边有共同特点

它的含铬量必须加12%以上

才叫不锈钢

我们平常所说的净是那些

不锈钢勺 或者什么东西

它是非磁性的

叫做奥氏体不锈钢

叫做316 304等等这些

这些都是奥氏体的

这种奥氏体不锈钢

它的特点是什么

它往里加镍 加镍

平常所说的一铬十八镍九钛

铬十八 镍九 再加上钛

一铬十八镍九钛

加上8%的镍

为什么加上8%的镍

就是加上8%镍以后

使钢材

在常温下是奥氏体

它一是奥氏体

它就有很有特点了

它容易加工 没有磁性

等等这些

这就是讲不锈钢

那还有我们讲的特殊用途的钢

特殊用途的钢

比方说那些高速钢

我们讲高速钢

什么叫高速钢

就是车刀用的高速钢

它的特点红硬性非常好

什么叫红硬性好

就是当你加工的时候

加工工件的时候

车刀变红了它还保持硬度

那这叫红硬性好

红硬性好

必须往里加钨 加钼 加钴

还有一般的用的机械结构钢

机械结构钢 桥梁

特别斜拉桥 悬索桥

这些桥梁

这些桥梁它的特点是什么

要求它自重必须得小

你如果强度低了

它桥梁本身的自重就很大

因为自重很大

你就解决不了问题

你看悬索桥

斜拉桥

这些它柱子很少

必须自重很小

自重很小的强度必须得很高

强度很高

往里加合金元素

加锰 加铬 加钼

但是作为桥梁来讲

往往要需要焊接

要需要焊接

那么要需要焊接

合金元素就不能太多

又不能太多

你自重又得小 强度又得高

一般的合金元素

加硅 加锰 加铬 加钼

加这些合金元素

保证它强度高

对于那些自重要求比较高的

要求比较低的

就是对那些自重要求

必须得小的

具有焊接性的

用这种机械结构钢

也得加上一些合金元素

其它用什么耐热钢

什么微合金钢这里边

有很多种不同的

但是这些既然叫钢

就是以铁为基的

我们平常老说镍基合金

一说镍基合金就得以镍为基的

我们现在一说钢

就得以铁为钢的

这里边以铁为基

有不锈钢 有特殊用途钢

有耐热钢 有机械结构钢等等

都是在以铁为基的基础之上

再加上这些合金元素

当然这里边也有碳

好这是钢中添加的合金元素

对组织和材质的影响

再强调一遍

钢中添加的合金元素

对组织和材质的影响

我们最主要的是它的材质

它的性能

要想达到这个材质 这个性能

往里边要加合金元素

不同合金元素

加上它起的作用是不一样的

这个图当中

钢的组织控制 钢的材质

最主要

要材质耐腐蚀性

耐磨损性 易切屑性

高温强度 低温韧性

我要求这些性能

有的要求一种

有的要求两种

有的要求三种

你要想达到这些性能

必须的要组织控制

要求组织控制

当然我们讲了

你要通过热处理

要通过加工 通过热处理

那是另外一回事

现在我们讲

就是通过成份上

怎么来有利于控制它的组织

那么钢的组织控制

比方说淬透性锰

高温强度也有好处

晶粒细化

比方说我们说的晶粒细化

我们需要细晶粒钢

晶粒细化

你拿钒来讲

对淬透性有好处

对晶粒微细化有好处

对碳化物的形成也有好处

对易磨损性也有好处

对高温强度也有好处

从这个图当中

我们需要什么性能

我们选择什么合金元素

要求什么性能

选择什么合金元素

当然这里边有些合金元素

是比较奇缺的

比方说锰 比方说铌

钴 都是比较稀缺的

我们选元素的时候要注意

下一个内容

我们讲铁的磁性

我们知道在合金元素当中

不包括稀土

在合金元素当中

铁磁性的只有三种

哪三种 铁钴镍

为什么有这铁磁性

为什么铁钴镍有铁磁性

我们第二章已经讲过了

跟核外电子的

不成对电子的排布有关系

它必须得两个外层电子的自选

不成对的

如果成了对

闭壳层它就没有磁性了

必须得外边

是不成对的电子

但是光不成电子

不成对的电子存在也不行

针对磁性本身

它是个固体的概念

它不是个原子的概念

什么叫固体的概念

就是原子要形成晶格

原子要形成晶格

既然是原子形成晶格

就它有个原子半径

和原子间的距离

原子半径和原子间的距离

有一定的关系

原子间的半径

跟原子间的距离有一定的关系

只有铁钴镍这三个元素

它这两条都满足

什么满足

第一条是它外边

由自旋不成对的电子最外层

另外它的原子间的距离

跟原子半径

保持特定的关系

它满足这两条

因此铁钴镍

它具有铁磁性

但是铁钴镍具有铁磁性当中

那么这里边

铁钴镍谁的铁磁性最好

最大 铁 铁是最大

另外铁钴镍

注意铁钴镍

咱们看到铁钴镍

它都是什么样的晶体结构

铁是什么 在常温

铁是体心立方的

钴是什么

钴是什么 密排六方的

镍是面心立方的

注意 一个体心立方

一个面心立方

一个什么

一个是密排六方的

在这里面

谁的磁性各向异性最小

铁是磁性各向异性最小的

因此铁材料

做软磁材料是非常好的材料

在有些条件下

做硬磁材料

也是非常好的材料