第一章钢铁中的合金元素1.ppt

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1、第一章 钢铁中的合金元素,钢： 是一种以Fe为基的合金,合金元素：合金钢， 杂质？ 低合金钢： 中合金钢： 高合金钢： 微合金钢： 合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著 影响组织和性能的钢。,钢铁中的合金元素,表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金 元素;字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成 元素。,钢中合金元素的分类,1、按与Fe相互作用的特点分： 形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等 形成元素：Cr，Mo，Si等 2、按照与碳（C）相互作用的特点分： 碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr 等 非碳化物形成元素：Ni，Si，Al 等 3、

2、按照对奥氏体层错能的影响分 提高奥氏体层错能的元素：Ni，Cu等 降低奥氏体层错能的元素：Mn，Cr等,第一节 Fe 基固溶体,纯铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变:,合金元素对-Fe，-Fe和-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有极大的影响。,链接Fe C相图 ！,6.67,L,return 1,纯铁： N点， A4 G点， A3,6.67,L,钢： A4线NH A3线GS,Return 2,扩大奥氏体（）区的元素 （奥氏体形成元素）,使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了相区。,FeC相图,两种情况,扩大区的元素,1. 无限扩大相区的元素：与Fe无限固溶,Ni、Mn、

3、 Co（钴）属于此类合金元素,扩大区的元素,2、有限扩大相区的元素：有限固溶 与 Fe 和 Fe均形成有限固溶 , 相有稳定存在的最低温度点 。,C、N、Cu等,扩大铁素体()区的元素 （铁素体形成元素）,这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降（链接FeC相图）,它包括以下两种情况,扩大区的元素,1、封闭型：无限扩大区,Cr（铬）、V （钒）,扩大区的元素,2 、 缩小型：出现金属间化合物,B（硼）、Nb（铌）等,两类元素生产上的指导意义,合金元素这种扩大或缩小相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能将产生重大的影响，对钢铁材料的成分设计有很重要的指导意义，eg.不锈钢的成分

4、设计：使钢在室温具有单相、或单相的组织 奥氏体不锈钢：加入大量的Ni，Mn等奥氏体 形成元 素，如 1Cr18Ni9，（wCr 18 促进Ni 的奥氏体化作用） 铁素体不锈钢： 加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素， 如 Cr25Ti,与Fe形成代位固溶体的合金元素，扩大或缩 相区的能力与它们在-Fe和 Fe中的溶解度有关, 主要有3个影响因素: （自学） 1.合金元素与铁元素电子结构的差异; 2.合金元素与铁元素点阵类型的差异; 3.合金元素与铁元素原子尺寸因素的差异,热力学解释合金元素 对相区的作用,H元素在相中的摩尔焓； H 元素在相中的摩尔焓； H H H,H 0, 元素扩大相区,第二

5、节 合金元素与钢中晶体 缺陷的相互作用,合金中的晶体缺陷：晶界、相界、亚晶界、位错等 溶质原子与晶界结合 晶界偏聚 溶质原子与位错结合 柯垂尔气团，C、N 热力学解释：柯氏气团、晶界偏聚为使体系能量 降低的自发过程 p7 解释， McLean公式，偏聚程度与畸变能差 有关,合金元素晶界偏聚的富积系数,原子尺寸， 相差大，E大，晶界偏聚大 固溶度小，C0小，晶界偏聚大 温度降低，E不变，晶界偏聚大 几种溶质原子之间同时在晶界偏聚： E值大的优先； 影响晶界偏聚速度； 共偏聚作用：溶质原子之间有强相互作用，在晶界产生沉淀,Cg 晶界区的溶质偏聚浓度； C0溶质在基体晶内的浓度,第三节 钢铁中的碳化

6、物和氮化物,一、钢铁中碳化物和氮化物的特点： 高熔点，高硬度， p8，表12，表13 高稳定性， 判定，越大，化合物越稳定， 图17，为什么？,钢中碳化物,合金元素的d层电子数决定其与C、N原子形成的键的强度，d层电子越少，碳、氮化合物越稳定,链接元素周期表,二、钢中碳化物的稳定性,部分合金元素的d层电子数,对第四周期合金元素： 与碳的亲和力TiVCrMn,而Co和Ni的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。,return,钢铁中的碳化物,在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： ZrTi Nb V Mo W Cr Mn Fe Ti、Nb、Zr 、V强碳化物形成元素； W、M

7、o，Cr 中强碳化物形成元素； Ni，Co，Cu 的碳化物在钢中不出现,钢铁中的碳化物,合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关,钢铁中的碳化物,三、碳化物的结构 a rc/rme 0.59 形成复杂点阵结构，复杂C化物，C 化物稳定性差，如 Cr23 C6， Cr7C3 b rc/rme0.59，晶格简单的C化物，MC和M2C型，稳定 性高 W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属于 此类型。,钢铁中的碳化物,复合碳化物：在一种碳化物中可溶解其它元素， 形成含有多种合金元素碳化物，如（Fe，V）3C，（Fe，Mn）3C 等。 各种碳化物之间可以完全溶 解或部分溶解。 影响不同类型碳化物溶解度的因

8、素（自学）： 碳化物的点阵类型； 合金元素的尺寸因素； 合金元素的电化学因素。,四、碳化物的相互溶解,钢铁中的碳化物,1、完全互溶 各种碳化物具有相同的点阵类型，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差8-10%，碳化物彼此能够完全互溶，即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换 例如： Mn3C - Fe3C -(Fe,Mn)3C VC - TaC - NbC - ( V,Nb,Ta)C Mo2C - W2C Fe3W3C - Fe3Mo3C - Fe3(W,Mo)3C,钢铁中的碳化物,2、有限溶解： 如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。 例如： Fe3C中可溶

9、解28%Cr, 14%Mo, 2%W, 3%V,形成合金渗碳 体。,钢铁中的氮化物,氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。 氮原子比碳原子小，氮原子半径N和金属原子半径M N/M均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。,第四节 钢中的金属间化合物,合金钢中合金元素之间以及合金元素与铁之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。金属间化合物保持着金属的特点，对奥氏体不锈钢、马氏体时效钢和许多高温合金的强化有较大的影响。,钢中的金属间化合物,一、相,第一长周期的第七族（VIIB）和第八族（VIIIB）能和第五族（VB）及第六族（VIB）元素形成相，如CrMn，CrFe等,钢中

10、的金属间化合物,一、相 钢中的相：在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现相。（P11 相） 例如：FeCr 相,在钢中为有害现象：相具有较高的硬度，钢中FeCr 析出通常在晶界处，析出时伴随较大的体积变化，所以在铬镍钢中伴随着相的出现，钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。同时造成钢的耐腐蚀性能下降,钢中的金属间化合物,二、AB2相(拉维斯相),尺寸因素起主导作用形成的相：,AB2金属间化合物是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，如耐热钢中的NbFe2，耐热铝合金中的CuAl2等,（原子直径之比）,钢中的金属间化合物,三、AB3相(有序相) 是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。 是耐

11、热钢和耐热合金中重要的强化相，例如：Ni3Al等。,Ni3Al中可溶解多种元素，电负性和原子半径决定,Ni（Co，Cu）3 Al（Ti，Nb）,图18，p12,第五节 合金元素对铁碳相图的影响,1、改变了奥氏体相区的位置,Mn, Ni等 ： 形成元素，扩大 区，室温,Cr，Mo等：铁素体形成元素， 会消失，室温,合金元素对铁碳相图的影响,扩大相区元素降低了A3温度，也降低了A1温度； 缩小相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度,2、改变了共析温度,合金元素对铁碳相图的影响,3、改变了共析体的含碳量,所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移,合金元素对铁碳相图的影响,合金元素添加量使C0

12、.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C2.11%的钢中出现合金莱氏体,总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示,第六节 合金元素对钢在加热时转变的影响,钢在加热时的转变： 相的形成 碳化物溶解 相中合金元素的均匀化 溶质元素的晶界平衡偏聚 奥氏体晶粒长大,合金元素对奥氏体形成的影响,改变临界点温度S点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及C浓度条件。 合金元素影响奥氏体均匀化 强碳、氮化物形成元素稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致。合金工具钢保留部分C化物。,影响奥氏体均匀化,合金元素对钢在加热时转变的影响,合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,非碳、氮化物形成

13、 元素Mn、P、有助长 奥化体晶粒长大 非碳、氮化物形成 元素，Ni. Co 等对 大无影响,强碳、氮化物形成元素 奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用,第七节 合金元素对过冷奥氏体 转变的影响,一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱 动力 式 （15）和式（16），定量表示各元素 对Ac3和Ac1影响， 形成元素， 形成元素,二、在恒温转变曲线上的影响,C化物形成元素 C 曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子” 温 度 非C化物形成元素 使C-曲线右移，形状不变， 特殊情况Co C扩散，C曲线左移， 综述： C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透 性。除

14、Co外，所有合金元素 均稳定性，淬透性， 钢中常用于提高淬透性元素： Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等,共析钢的“ C ”曲线（TTT曲线）,return,合金元素扩散慢，是珠光体转变时碳化物形核的 控制因素 合金元素影响 形核功或转变激活能，降低 相转变速度，p17（Ti，V，Nb）（Cr，Mo，W） （Al，Si） 合金元素对先共析铁素体析出的影响：C在相变前端 的扩散为控制因素，强碳化物形成元素对析出不利，Ni、 Mn也减慢这种转变 相间沉淀:碳化物相间沉淀，尺寸取决于转变温度和碳化 物形成元素的种类 合金元素对过冷奥氏体转变的综合作用,合金元素对珠光体转变的影响（自学）,P19，合金

15、元素对贝氏体转变的影响 （自学）,合金元素对贝氏体转变的影响,合金元素对贝氏体转变上限温度的影响。 合金元素改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。碳、硅、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。,(自学),绝大多数合金元素都降低MS，钢中的残余量,但有Co和Al相反。p20,式(1-8)和(1-9),p20, 表1-5 合金元素影响马氏体的结构:C和合金元素增加形成 针状马氏体的倾向,合金元素对马氏体转变的影响,第八节 合金元素对淬火钢 回火转变的影响,对马氏体分解的影响： M分解温度，M分解速度 ，回火抗力， 回火稳定性 合金元素： M分解速度 C钢中C化物析出温度

16、250350 合金钢中400500，甚至更高，形成的碳化物越稳定，元素的这种作用越强 Cr. V.Ti W. Mo等强C化物形成元素，阻碍C扩散，使M分解速度 锰（弱）和镍（非）对M分解影响甚小,合金元素对淬火钢回火转变的影响,对残余奥氏体分解的影响 残余分解温度，合金钢中甚至加热至500700也不分解成珠光体等产物，但析出C化物使在回火随后的冷却时转变为M，这种现象称为二次淬火。 含V、Mo等元素的合金钢回火的二次硬化效应：随回火温度的升高，硬度不是持续下降，而是在600左右有硬度最高点。 原因： 高温下C化物析出使内C及合金元素贫化，Ms,冷却时转变成M。 在600左右回火，体系中有大量细

17、小、稳定、弥散、不易聚集长大的C化物析出，产生强烈的第二相强化，从而使钢具有很好的高温强度和硬度。,合金元素对淬火钢回火转变的影响,对C化物的形成，聚集和长大的影响 含一种或数种足够浓度W、Mo. V. Cr等强C化物形成元素的合金钢，淬火后较高温度回火（450650）时，产生稳定的、细小弥散的、不易聚集长大的C化物颗粒。细小弥散、不易聚集长大的C化物的析出及二次淬火共同造就了二次硬化现象。 Co虽不阻碍扩散，但固溶体的原子结合力，也使析出相不易长大。,合金元素对淬火钢回火转变的影响,合金元素对析出金属间 化合物的影响,低碳和微碳合金马氏体在高温回火时，从基体相中析出金属间化合物，并产生沉淀强

18、化效应。 表16,第九节 钢的强化机制,强化即提高塑变抗力，而塑变本质是位错运动，所以提高强度即着眼于阻碍位错运动，造成位错运动困难。这样合金元素的强化方式主要有四种：,一、固溶强化：溶质造成基本金属晶格畸变，产生弹性应力场， 应力场作用于位错，增大位错运动阻力，导致强化。,钢的强化机制,二、晶界强化 细晶强化 晶界存在，变形过程中由 于位错的运动Fe难以穿越晶界，在晶界附近产生位错 塞积，形成加工硬化微区阻碍位错运动。所以，归 根结底，是因为晶界的存在而使位错运动受阻，从 而达到强化目的。而晶粒越细，晶界越多，强化效 果好。,Hall-patch公式,Ks晶格阻碍强度系数,钢的强化机制,晶界

19、强化的具体方法： 向钢中加入表面活性元素C、N、Ni等，使其于 - Fe晶 界偏聚，提高晶界阻碍位错运动能力。 利用合金元素细化晶粒。加入Nb. Ti. V等C化物形成元 素，形成稳定的，细小均匀的，不易聚集长大的C化物，阻 碍高温奥氏体化过程晶粒长大，相同的冷却条件下产物晶 粒越细小，s越高。 注意：细小、弥散。因为第二相粒子长大到一定尺寸后，失去对奥氏体晶粒长大的阻碍作用，有一临界尺寸。,钢的强化机制,三、第二相强化 第二相粒子阻碍位错运动，位错运动遇 到第二相粒子，或切过或绕过，滑移才能进行，而切过 或绕过都需要消耗额外能量，故需提高外加应力，所以 造成强化。,沉淀强化：位错切过二相粒子

20、，合金化+淬火时效，NiTi Ni3Mo等，（第二相与母相共格，有一定的变形能力）,弥散强化：位错绕过第二相粒子，强C化物形成元素Ti Mo W Nb等成稳定，细小，弥散，的C化物颗粒。（第二相析出，与母相非共格，不参与变形）,钢的强化机制,四、位错强化 晶界处位错塞积，阻碍继续变形，所以位错强化着眼于提高位错密度。合金化使塑性变形时位错易于增殖，加工硬化率,细化晶粒，通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调诱发几何上需要的位错，增加晶粒内位错塞积群数量。 第二相粒子，位错绕过时留下拉错圈，使位错数量增多， 淬火造成位错型亚结构，合金元素淬透性。马化体切变形成高密度位错胞的亚结构 层错能，使位

21、错易干扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移，加入层错能元素Mn,错的强化四种机制，总的强化效果可看成是各种机制所强化效果之和。,注意：强化必然以损失塑性和韧性的为代价。合金元素通过以上四种机制钢的强度，必然使塑性，韧性下降，所以不同情况，不同要求，要严格控制合金元素含量。,第十节 改善钢的塑性和韧性,一、改善钢的塑性, p，颈缩后变形，取决于微孔坑，微裂纹形成难易,塑性的基本思路：在提高均匀塑性的同时尽量避免和或推迟微孔坑形成,改善钢的塑性和韧性,1、溶质原子的影响 Fe中溶质原子使塑性下降，C、N间隙固溶比代位固溶元素作用更大。 Fe中合金元素对塑性影响复杂。往往使塑性在一定溶质浓

22、度处出现最大值影响（“王”P15，图1.5）,影响塑性的主要因素：,改善钢的塑性和韧性,影响塑性的主要因素：,2、晶粒大小对塑性的影响 晶粒，应力集中，推迟微孔坑或微裂纹形成，p， T,3、第二相的影响 第二相数量的影响 第二相粒子的尺寸、形状、和分布特点的影响 大尺寸第二相粒子，极限塑性 第二相粒子呈针状或片状时对极限塑性危害大，球状时危害小。 第二相粒子沿晶界分布危害大，均匀分布危害小。 第二相为球状，细小，均匀，弥散分布最好。 （第二相强化，C化物，通过热处理改变大小，形状和分布） （第二相为杂质时，如S化物，氧化物， 冶炼时向钢中加入Zr、Ca或稀C元素，改变第二相形状，使之成为球形。

23、）,改善钢的塑性和韧性,影响塑性的主要因素：,位错强化塑性，特别是当有C、N溶质原子时，C、N原 子易偏聚于位错处形成“柯氏气团”，使变形困难，塑性,4、位错强化对塑性影响,可向此类钢中加入Ti.V.Nb等元素以固定间隙原子N、C使之不向位错处偏聚。,改善钢的塑性和韧性,二、改善钢的韧性,冲击韧性（K），断裂韧性（KIC），脆性转折温度TK）,1、改善延性断裂 延性断裂是微孔坑形成，聚集长大过程，断口为孔坑型,途径： （1）改善第二相的尺寸、形态 对于用第二相强化的钢，应尽量减小第二相尺寸，尽量使第二呈现相球状 （球状、细小、均匀、弥散与基体结合良好的第二相强化 颗粒） (2) 提高组织均匀性

24、 防止塑性变形不均匀性，减少应力集中(何为应力集中？) （3）提高基体塑性 塑性，使裂纹扩展消耗更多的能量，或者说基体吸收本来用于裂纹扩展的能 量更多）,改善钢的塑性和韧性,2、改善解理断裂抗力,二、改善钢的韧性,解理断裂：一种脆性断裂，断裂前无塑变,当材料使用温度化于某一温度TK，塑性脆性， TK = ABlnd-1/2，A、B 均为常数 结论：晶粒细化 TK 奥氏体钢的TK很低，最低可到接近OK，绝对零度,改善钢的塑性和韧性,二、改善钢的韧性,3、改善沿晶断裂,回火脆，过热，过烧等引起晶界弱化，从而导致沿晶断裂,方法：防止P. As（砷）,Sb（锑）等在晶界上偏聚。因为它 们降低晶界能量g 防止第二相质点（Fe3C. MnS）沿晶界析出，因为这 会导致裂纹传播时消耗的塑性变形功P下降。,断裂应力：,半裂纹长度,