钢的合金化基础解析.pptx

第一章第一章钢的合金化基础钢的合金化基础内容提要：内容提要：本本章章介介绍绍碳碳钢钢在在应应用用中中遇遇到到的的问问题题、合合金金钢钢的的分分类类方方法法、编编号号和和合合金金元元素素在在钢钢中中的的作作用用。着着重重介介绍绍合合金金元元素素在在钢钢中中的的存存在在形形式式、与与基基体体元元素素的的相相互作用及强化机制。互作用及强化机制。学学学习要求：学习要求：本章是工程材料课程的重点，要求本章是工程材料课程的重点，要求1熟悉工程材料常见的强化方式，了解其机理；熟悉工程材料常见的强化方式，了解其机理；2明确工程材料强韧化的基本途径；明确工程材料强韧化的基本途径；3充分认识合金元素在钢中的作用充分认识合金元素在钢中的作用(即钢的合金化原理即钢的合金化原理)；学学学习重点：学习重点：本章主要在妇纳、概括机械工程材料强韧化的基础上，重点讨论了钢铁材本章主要在妇纳、概括机械工程材料强韧化的基础上，重点讨论了钢铁材料强韧化的料强韧化的两条主要途径：一是对钢铁材料实施热处理，二是通过调整钢的化学成分，两条主要途径：一是对钢铁材料实施热处理，二是通过调整钢的化学成分，加人合金元素加人合金元素(亦即钢的合金化原理亦即钢的合金化原理)，以改善钢的性能。，以改善钢的性能。第一节第一节概述概述一.碳钢在应用中遇到的问题碳钢在应用中遇到的问题二二.合金钢，合金元素的定义合金钢，合金元素的定义三三.合金钢的分类合金钢的分类四四.合金钢的编号合金钢的编号在本节内容中，重点掌握合金钢的分类在本节内容中，重点掌握合金钢的分类形式和编号形式和编号 一、碳钢在应用中遇到的问题一、碳钢在应用中遇到的问题 随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。1淬透性低淬透性低 一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10 mm 20 mm。2强度和屈强比较低强度和屈强比较低 普通碳钢普通碳钢Q235钢的钢的s为为235 MPa，低合金结构钢低合金结构钢Q345(16Mn)的的s则为则为360 MPa以上。以上。40钢的钢的s/b仅为仅为0.43,合金钢合金钢35CrNi3Mo的的s/b高达高达0.74。下一张3回火稳定性差回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。碳钢的综合机械性能水平不高。4不能满足某些特殊性能的要求不能满足某些特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。不能满足特殊使用性能的需求。返回二合金钢、合金元素的定义二合金钢、合金元素的定义 合金钢：为了提高钢的性能，在铁碳合金中特合金钢：为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种称为意加入合金元素。所获得的钢种称为合金钢。合金钢。合金元素：合金元素：常加入的合金元素有：常加入的合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B、Al、Nb、Zr、Re返回三合金钢的分类三合金钢的分类1.按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类：低合金钢（合金元素总量低于5%）中合金钢（合金元素总量为5%10%）高合金钢（合金元素总量高于10%）2.按所含的主要合金元素分类：按所含的主要合金元素分类：铬钢（Cr-Fe-C)铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)锰钢（Mn-Fe-C)硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)下3.按小试样正火或铸态组织分类：按小试样正火或铸态组织分类：珠光体钢珠光体钢 马氏体钢马氏体钢 铁素体钢铁素体钢 奥氏体钢奥氏体钢 莱氏体钢莱氏体钢 4.按用途分类：按用途分类：合金结构钢合金结构钢 合金工具钢合金工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 下5.按质量按质量普通钢（普通钢（S0.05%P0.045%）优质钢（优质钢（S P均均0.035%）高级优质钢（高级优质钢（S P均均0.025%）6.按用途分类，按用途分类，结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢返回四四 合金钢的编号合金钢的编号 世界各国合金钢的编号方法不一样。钢的牌号应反映世界各国合金钢的编号方法不一样。钢的牌号应反映其主要成分和用途。我国合金钢是按碳含量、合金元其主要成分和用途。我国合金钢是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的，比较简单明素的种类和数量以及质量级别来编号的，比较简单明了。了。1 1 在牌号首部用数字标明钢的碳含量，为了表明用途，在牌号首部用数字标明钢的碳含量，为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数字规定结构钢以万分之一为单位的数字(两位数两位数)、工具、工具钢和特殊性能钢以干分之一为单位的数字钢和特殊性能钢以干分之一为单位的数字(一位数一位数)来来表示碳含量表示碳含量(与碳钢编号一样与碳钢编号一样)，而工具钢的碳含量超，而工具钢的碳含量超过过1 1时，碳含量不标出。时，碳含量不标出。下2 2 在表明碳含量的数字之后，用元素符号表明在表明碳含量的数字之后，用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后的数字标明，钢中主要合金元素，含量由其后的数字标明，平均含量少于平均含量少于1 15 5时不标数，平均含量为时不标数，平均含量为1 15 52 249%49%、2 25 53 34949时，相应地时，相应地标以标以2 2、3 33 3 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如，滚珠轴承钢在钢号前标以如，滚珠轴承钢在钢号前标以“G G”字。字。4 4 对于高级优质钢，则在钢号的末尾加对于高级优质钢，则在钢号的末尾加“A A字表明。字表明。下40Cr40Cr 平均碳质量分数为平均碳质量分数为0.40%0.40%，主要合金元，主要合金元素素CrCr的质量分数在的质量分数在1.5%1.5%以下的合金结构钢。以下的合金结构钢。5CrMnMo5CrMnMo 平均碳质量分数为平均碳质量分数为0.5%,0.5%,主要合金主要合金元素元素CrCr、MnMn、MoMo的质量分数均在的质量分数均在1.5%1.5%以下合金以下合金工具钢。工具钢。GCr15GCr15 表示碳质量分数约表示碳质量分数约1.0%1.0%、铬质量分数、铬质量分数约约1.5%1.5%(这是一个特例这是一个特例,铬质量分数以千分之铬质量分数以千分之一为单位的数字表示一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。的滚珠轴承钢。Y40MnY40Mn 表示碳质量分数为表示碳质量分数为0.4%0.4%、锰质量分数、锰质量分数少于少于1.5%1.5%的易切削钢等等。的易切削钢等等。20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A 高级优质钢。高级优质钢。返回第二节合金元素和第二节合金元素和FeFe，C C的相互作用的相互作用在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。和碳与加入的合金元素会发生交互作用。钢的合金化目的是利用合金元素与铁、碳钢的合金化目的是利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。的影响来改善钢的组织和性能。一一.合金元素在钢中的存在形式（分布）合金元素在钢中的存在形式（分布）形成非金属夹杂形成非金属夹杂溶入固溶体（溶解度溶入固溶体（溶解度见表见表）形成强化相形成强化相自由存在自由存在二二.合金元素与合金元素与FeFe的相互作的相互作用用几乎所有的合金元素（除几乎所有的合金元素（除PbPb外）都可溶入铁中外）都可溶入铁中,形成形成合金铁素体或合金奥氏体合金铁素体或合金奥氏体,按其对按其对-Fe-Fe或或-Fe-Fe的作的作用用,可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。相区两大类。Fe-CFe-C相图相图 相关知识相关知识1 1奥氏体形成元素奥氏体形成元素 亦称奥氏体稳定化元素亦称奥氏体稳定化元素,主要是主要是NiNi、MnMn、CoCo、C C、N N、CuCu等等,它们使它们使A A3 3点点(向向相的转变点相的转变点)下降下降,A A4 4点点(向向相的转变点相的转变点)上升上升,从而扩大从而扩大相存在范围。相存在范围。其中其中NiNi、MnMn等加入到一定量后等加入到一定量后,可使可使相区扩大到室相区扩大到室温以下温以下,使使相区消失相区消失,称为称为完全扩大完全扩大相区元素。相区元素。FeFeMnMn相图所示相图所示另外一些元素另外一些元素(如如C C、N N、CuCu等等),),虽然扩大虽然扩大相区相区,但但不能扩大到室温不能扩大到室温,故称之为故称之为部分扩大部分扩大相区的元素。相区的元素。FeFeCuCu相图所示相图所示。2.缩小缩小相区元素相区元素 亦称铁素体稳定化元素亦称铁素体稳定化元素,主要有主要有CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi、B B、NbNb、ZrZr等。它等。它们使们使A A3 3点上升点上升,A A4 4点下降点下降(铬除外铬除外,铬质铬质量分数小于量分数小于7%7%时时,A A3 3点下降点下降;大于大于7%7%后后,A A3 3点迅速上升点迅速上升),),从而缩小从而缩小相区存在的相区存在的范围范围,使铁素体稳定区域扩大。使铁素体稳定区域扩大。按其作用不同可分为按其作用不同可分为完全封闭完全封闭相区相区的的元素元素(如如CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等等)和和部分缩小部分缩小相区相区的元素的元素(如如B B、NbNb、ZrZr等等)。如如Fe-CrFe-Cr、FeFeNbNb相图所示相图所示三三.合金元素与合金元素与C C的相互作用的相互作用 合合金金元元素素按按其其与与钢钢中中碳碳的的亲亲和和力力的的大大小小,可可分分为为碳碳化化物物形形成成元元素素和和非非碳碳化化物物形形成成元元素两大类。素两大类。非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：NiNi、CoCo、CuCu、SiSi、AlAl、N N、B B等。都溶于铁素体和奥氏体中。等。都溶于铁素体和奥氏体中。碳化物形成元素：碳化物形成元素：TiTi、ZrZr、NbNb、V V、MoMo、W W、CrCr、MnMn、FeFe等等(按形成的碳化物的稳按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列定性程度由强到弱的次序排列)，在钢中一，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体碳体,含量高时可形成新的合金碳化物。含量高时可形成新的合金碳化物。2.2.形成碳化物的规律；形成碳化物的规律；1 1）合金渗碳体）合金渗碳体 Mn Mn与碳的亲和力小，大部分溶入与碳的亲和力小，大部分溶入-FeFe或或-Fe-Fe中，少部分溶入中，少部分溶入FeFe3 3C C中，置换中，置换FeFe3 3C C中的中的FeFe而而形成合金渗碳体（形成合金渗碳体（Mn,FeMn,Fe）3 3C;MoC;Mo、W W、CrCr少量时，少量时，也形成合金渗碳体也形成合金渗碳体2 2）合金碳化物）合金碳化物MoMo、W W、CrCr含量高时，形成含量高时，形成M M6 6C C (FeFe2 2MoMo4 4C FeC Fe4 4MoMo2 2C),MC),M2323C C6 6(Fe(Fe2121W W2 2C C6 6 Fe Fe2 2W W2121C C6 6)合金碳化合金碳化物物3 3）特殊碳化物）特殊碳化物Ti Ti、V V 等与碳亲和力较强时等与碳亲和力较强时当当r rc c/r/rMeMe0.590.590.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。形，形成复杂点阵碳化物。见表见表3 3.碳化物的特性稳定性、硬度、溶解一一.强化机制强化机制 强化就是强度增高的现象。强度一般指对强化就是强度增高的现象。强度一般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变形是位错的运塑性变形的抗力。金属的塑性变形是位错的运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。度提高，造成强化。金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主要归纳为四种，因而强化机制也有四种：溶质要归纳为四种，因而强化机制也有四种：溶质原子原子固溶强化；晶界固溶强化；晶界细晶强化；第二相粒细晶强化；第二相粒子子第二相强化；位错第二相强化；位错位错强化位错强化第三节第三节合金元素对钢的强度合金元素对钢的强度的影响的影响1 1.固溶强化固溶强化定义：当溶质原子溶入基体中形成的固溶体能强定义：当溶质原子溶入基体中形成的固溶体能强化基体时称化基体时称机制：合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂机制：合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场，此应力场与运动位错的围造成一个弹性应力场，此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。间隙式溶质原子所造成的间隙式溶质原子所造成的强化量强化量置换式溶质原于置换式溶质原于(如钢中的如钢中的Me)Me)所产生的所产生的强化量：强化量：合金元素在低碳铁素体中的强化效果合金元素在低碳铁素体中的强化效果如图如图2.2.晶界强化（细晶）：晶界分大角度晶界晶界强化（细晶）：晶界分大角度晶界(如奥氏体、铁如奥氏体、铁素体的晶粒边界等素体的晶粒边界等)和小角度晶界和小角度晶界(如马氏体板条间的界如马氏体板条间的界面、亚晶粒之间的界面等面、亚晶粒之间的界面等)两类。晶界能有效地阻碍位错两类。晶界能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。3.3.第第二二相相强强化化：位位错错运运动动通通过过位位于于滑滑移移面面上上第第二二相相粒粒子子时时，需要消耗额外能量，使合金发生强化。需要消耗额外能量，使合金发生强化。（1 1）获得途径）获得途径 a a 热处理热处理 b b 机械、化学法机械、化学法 （2 2）第二相强化机制）第二相强化机制 沉沉 淀淀 强强 化化 机机 制制：位位 错错 切切 剖剖 粒粒 子子 而而 通通 过过 如如 图图 弥散强化机制：位错绕过粒子而强化弥散强化机制：位错绕过粒子而强化 如图如图 4.4.位错强化：位错强化：交割交割割阶割阶缠结缠结位错受阻位错受阻 强化量强化量 （变形量变形量 晶体结构）晶体结构）二二.钢的强化钢的强化 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。提高钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。钢淬火形成马氏体：马氏体中溶有过饱和的碳和合金元钢淬火形成马氏体：马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应；素，产生很强的固溶强化效应；马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。因此淬火马氏体具有很马氏体束，产生细晶强化效应。因此淬火马氏体具有很高的硬度，但脆性较大。高的硬度，但脆性较大。淬火后回火：马氏体中析出细碳化物粒子间隙固溶强淬火后回火：马氏体中析出细碳化物粒子间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高的强度，的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。作业及思考题第四节合金元素对钢的塑性、韧性的影响第四节合金元素对钢的塑性、韧性的影响塑性塑性：是指钢对变形的抗力，塑性指标是指钢对变形的抗力，塑性指标，韧性：是指材料对断裂的抗力，韧性指标韧性：是指材料对断裂的抗力，韧性指标ak ak、TkTk 一一.材料的变形规律材料的变形规律 拉伸试验中，材料的变形由二部分组成：拉伸试验中，材料的变形由二部分组成：均匀变形均匀变形+缩颈变形缩颈变形断裂。断裂。即即 如图如图如图如图 T T 极限伸长率极限伸长率极限塑性变形的能力。极限塑性变形的能力。u u 均匀伸长率均匀伸长率均匀塑性变形的能力均匀塑性变形的能力取决于材料的加工硬化率取决于材料的加工硬化率 p p 缩缩颈颈后后伸伸长长率率缩缩颈颈后后的的变变形形能能力力取取决决于于微微孔孔坑坑，微微裂裂纹纹形形成成 的难易程度。的难易程度。二二.影响钢塑性的因素影响钢塑性的因素 1.1.溶质的影响溶质的影响：固固溶溶在在-Fe-Fe中中合合金金元元素素一一般般均均使使塑塑性性下下降降，强强化化效效果果大大的的元元素使素使。（1 1）间隙原子的影响：间隙原子的影响：C C，N N （2 2）置换式原子的影响）置换式原子的影响 ：有利于螺位交滑移，减少位错晶格阻力有利于螺位交滑移，减少位错晶格阻力NiNi，MoMo，T T 不利于螺交滑，使位错只在平面滑移，不利于螺交滑，使位错只在平面滑移，u u 。2.2.晶粒大小的影响：晶粒大小的影响：d dT T 原因：单位晶界上的原因：单位晶界上的，应力集中，应力集中，推，推迟微孔坑，微裂纹的形成，使迟微孔坑，微裂纹的形成，使p p 。3 3 第二相的影响第二相的影响（1 1）使）使uu（大多数的第二相）（大多数的第二相）原因：变形时位错运动通原因：变形时位错运动通过第二相，位错圈，强化率过第二相，位错圈，强化率 （2 2）对极限伸长率）对极限伸长率T T有害有害 因此，第二相为球状，均匀，细小对改善材料的塑性较因此，第二相为球状，均匀，细小对改善材料的塑性较有利，且控制非金属夹杂的数目，状态，有利，且控制非金属夹杂的数目，状态，RERE合理的热处理。合理的热处理。4 4 位错的影响位错的影响 增加增加，缠结，缠结应力集中应力集中使使 总总之之，四四种种强强化化机机制制使使强强度度增增高高，但但对对塑塑性性影影响响很很大大，细细晶晶同同时时，塑塑性性增增加加，在在实际应用中，两者之间应相互协调实际应用中，两者之间应相互协调 。三三.钢的韧性钢的韧性 1.1.断裂形式：韧性是指材料对断裂的抗力断裂形式：韧性是指材料对断裂的抗力形成，扩大形成，扩大 延性断裂，解理断裂，沿晶断裂延性断裂，解理断裂，沿晶断裂。如图如图如图如图 （1 1）延性断裂：）延性断裂：核心核心孔洞孔洞长大，汇合长大，汇合导致断裂；导致断裂；（2 2）解理断裂：）解理断裂：低温，高加载速度，金属塑性差；低温，高加载速度，金属塑性差；（3 3）沿晶断裂：）沿晶断裂：晶界上元素，第二相（脆性相）；晶界上元素，第二相（脆性相）；2.2.影响断裂形式的因素影响断裂形式的因素 （1 1）温度：）温度：高强钢高强钢 韧性断裂（室温以下）韧性断裂（室温以下）如图所示如图所示如图所示如图所示 （2 2）TkTk（塑脆转变温度）：（塑脆转变温度）：不能单凭不能单凭a ak k高低来判断材料的韧性，而是应根据高低来判断材料的韧性，而是应根据TkTk的高的高 低，低，TkTk，韧性韧性 3.提高钢韧性的途径提高钢韧性的途径 四种强化机制对韧性四种强化机制对韧性Tk的影响的影响 如图如图如图如图 （1）细化晶粒细化晶粒：Ti，V，Nb，Al 阻碍晶粒长大，使晶面积阻碍晶粒长大，使晶面积，裂，裂 纹阻力大纹阻力大；（2）改善基本的韧性改善基本的韧性：置换使强置换使强，韧，韧，但，但Ni元素却相反，元素却相反，Ni置置 换改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生应换改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生应 力集中，使基体韧性力集中，使基体韧性，Ni13，消除消除Tk，低温用钢低温用钢高高Ni 钢（钢（Mn）；）；（3）提高回火稳定性：提高回火稳定性：间隙固溶，位间隙固溶，位 应力，脆性应力，脆性，提高回，提高回 火稳定性，（可提高火稳定性，（可提高T回），可以在获相同的强度条件下提回），可以在获相同的强度条件下提T 回，回，充分地降低固溶度，位错，应力充分地降低固溶度，位错，应力；（4）细化碳化物细化碳化物：碳化物自身断裂；成为核心碳化物自身断裂；成为核心;粗大的碳化物使裂粗大的碳化物使裂 纹易扩展。细化碳化物、均匀、弥散分布对强度韧性有利。纹易扩展。细化碳化物、均匀、弥散分布对强度韧性有利。（5）控制非金属夹杂和杂质元素：控制非金属夹杂和杂质元素：Mo，W 能抑制杂质元素在晶能抑制杂质元素在晶 界偏聚界偏聚。符号符号 温度温度/碳质量分数碳质量分数/(C)%含含 义义 A 1538 0 纯铁的熔点纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点共晶点Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点的熔点 E 1148 2.11 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A3)H 1495 0.09 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点包晶点LB+H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分的成分 N 1394 0 -Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A4)P 727 0.0218 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点共析点(A1)AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 时碳在时碳在-Fe中的溶解度中的溶解度 (室温室温)(0.0008)Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳质量分数及含义相图中各点的温度、碳质量分数及含义 第四节第四节 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响 钢钢的的相相变变，主主要要是是从从平平衡衡Fe-C相相图图中中体体现现出出来来，合合金金元元素素的的加加入会使平衡转变点，线发生位置的变化。入会使平衡转变点，线发生位置的变化。一一.合金元素对铁碳相图（平衡状态）的影响合金元素对铁碳相图（平衡状态）的影响 1.对对，存在范围的影响存在范围的影响 凡凡扩扩大大相相的的元元素素，加加入入钢钢中中，均均使使Fe-C相相图图中中的的范范围围扩扩大大，Ni，Mn完完全全置置换换较较大大时时，可可使使钢钢在在室室温温下下得得到到单单相相组组织织（1Cr18Ni9C 高高Ni的的奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢）；缩缩小小相相的的元元素素，封封闭闭相相区区Cr，Ti，Si等等，量量，可可使使钢钢在在包包括括室室温温内内的的广广大大T范范围围内内单单相相，1Cr17Ti等高铬铁素体不锈钢等高铬铁素体不锈钢 如图如图如图如图 2.对对Fe-C相图临界点的影响相图临界点的影响 A1（共析转变温度）共析转变温度）：扩大：扩大A1；缩缩A1 如图如图如图如图 S（共析点）共析点）：MS左移，使共析点含左移，使共析点含C量降低，量降低，E（C饱和度）饱和度）：ME左移左移 二二.合金元素对非平衡状态下的影响合金元素对非平衡状态下的影响（一）（一）合金元素对钢加热转变的影响合金元素对钢加热转变的影响：碳碳钢钢化化过过程程：形形成成，残残余余碳碳化化物物溶溶解解，均均匀匀化化，晶晶粒长大粒长大 1.Me对形成速度的影响对形成速度的影响：C的的扩扩散散难难易易 Cr，W，Mo，V碳碳化化物物形形成成元元素素 C扩扩散散，形形成成，为为加加速速T；Co，Ni 非非碳碳化化物物形形成成元元素素 增大增大C扩散，扩散，形成形成；Al，Si，Mn影响不大影响不大 2.Me对残余碳化物的溶解对残余碳化物的溶解：T加加 合金钢的加热温度比碳钢高，使合金钢的加热温度比碳钢高，使加加T增加增加 3.Me对均匀化的影响对均匀化的影响:使使均匀化的时间加长均匀化的时间加长 4.合金元素对奥氏体晶粒长大的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响：Me均不同程度的影响均不同程度的影响晶粒长大倾向晶粒长大倾向 a.强碳化物形成元素强碳化物形成元素Ti，Er，Nb，V；强烈强烈 阻止阻止长大元素长大元素Al，(Al2O3，AlN)；b.中等阻碍晶粒长大中等阻碍晶粒长大 Cr，Mo，W；c.影响不大影响不大 Si，Ni，Cu；d.促进晶粒长大促进晶粒长大 Mn，P，B Mn钢过热倾钢过热倾 向，温度增加不向，温度增加不易易提高提高；（二）二）M对过冷奥氏体分解转变的影响对过冷奥氏体分解转变的影响1.对过冷稳定性的影响对过冷稳定性的影响 除除Co外外，均均使使C曲曲线线右右移移，增增大大稳稳定定性性，使使孕孕育育期期增增大大，淬淬透透性性增增加加。常常用用提提高高淬淬透透性性元元素有：素有：Cr，Mn，Mo，Si，Ni等五种。等五种。2.对对C曲线形状的影响曲线形状的影响a.非非碳碳化化物物，弱弱碳碳化化物物 与与C钢钢的的C曲曲线线相相似似，右右移；移；b.碳碳化化物物形形成成元元素素 P区区和和B区区两两区区，中中间间一一个个稳定区域稳定区域；如图如图如图如图c.Co 左移，左移，C 曲线与曲线与C钢相似，只有一个曲线钢相似，只有一个曲线。3.对对P转变的影响转变的影响 除除Co，M均均使使P转转变变推推移移，降降低低临临冷冷却却速速度度，增增大淬透性，影响如下：大淬透性，影响如下：a.减缓（推迟）程度由强到弱：减缓（推迟）程度由强到弱：Mo，Ni，Cr，Mn，非碳化物形成元素；非碳化物形成元素；Co促进促进 b.强碳化物形成元素强碳化物形成元素 如全部溶入中，减缓如全部溶入中，减缓 P，但若未全溶，核心，起加速相变的作用但若未全溶，核心，起加速相变的作用 c.多元多元少量合金元素对延缓少量合金元素对延缓P作用较强作用较强 d.少量少量B 推迟推迟P e.扩大扩大r，P向向T，缩小，缩小，PT4.对对B转变的影响转变的影响 B是过饱和是过饱和 固溶体与碳化物组成的复相组固溶体与碳化物组成的复相组织织 B转变：转变：相变的难易程度相变的难易程度取决于新取决于新旧两相的自由能差旧两相的自由能差 a.降低自由能差的元素降低自由能差的元素，使，使 相变动相变动 力力，B推迟，推迟，T向下，向下，Cr，Mn，Ni b.Mo，W，V使使T向上，向上，C曲线分离曲线分离 c.Si推推B d.Co，Zr，增自由能差增自由能差，增加，增加B。5.Me对对马氏体马氏体相变的影响相变的影响除除Co，Al例外，大多数固溶于例外，大多数固溶于中的中的Me均等均等Ms，Mf下降，下降，其其强强 弱弱为为C，Mn，Cr，Ni，Mo，W，Si。Ms和和Mf点的下点的下降降,使淬火后钢中残余奥氏体量增多。使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时残余奥氏体量过多时,可进行冷处理可进行冷处理(冷至冷至Mf点以下点以下),以以使其转变为马氏体使其转变为马氏体;或进行多次回火或进行多次回火,这时残余奥氏体这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升点上升,并在冷却过程中并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体转变为马氏体或贝氏体(即发生即发生二次淬火二次淬火)。（三）三）Me对淬火钢回火转变的影响对淬火钢回火转变的影响 1.提高回火稳定性：淬火钢在回火时抵抗软化的能力提高回火稳定性：淬火钢在回火时抵抗软化的能力。由由于于Me与与C的的作作用用，大大多多数数C扩扩散散，而而相相的的回回火火转转变变又又与与C的的扩扩散散有有关关。因因此此，M在在回回火火过过程程中中：推推M分分解解，A转转变变温温度度T，提提高高的的再再结结晶晶温温度度；使使碳碳化化物物难难以以聚聚集集长长大大，而而保保持持较较大大的的弥弥散散程程度度。因因此此提提高高了了钢钢的的回回火火软软化化的的抗抗力力，即即提提高高了了钢钢的的回回火火稳稳定定性性。使使得得钢钢在在相相同同回回火火T下下，具具有有高高硬硬度度和和强强度度；也也可可使使回回火火T升高，保证强度的同时使韧性提高（结构钢）。升高，保证强度的同时使韧性提高（结构钢）。提高回火稳定性较强的元素提高回火稳定性较强的元素：V，Si，Mo，W，Ni，Mn，Co 2.产生二次硬化产生二次硬化 C钢随着回火温度的增加，硬度降低；而钢随着回火温度的增加，硬度降低；而一些一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时含量较高的高合金钢回火时,硬度不是随回火温度升硬度不是随回火温度升高而单调降低高而单调降低,而是到某一温度而是到某一温度(约约400)后反而开始增后反而开始增大大,并在另一更高温度并在另一更高温度(一般为一般为550左右左右)达到峰值。达到峰值。这这种现象叫种现象叫二次硬化现象二次硬化现象。（Mo，W，V）钢中开始析出弥散，细小，均匀，钢中开始析出弥散，细小，均匀，难溶的碳化物，难溶的碳化物，Mo2C，W2C，VC，使硬度使硬度，而在，而在550 时沉淀，过程完成，硬度达到峰值。时沉淀，过程完成，硬度达到峰值。如图如图 原因：原因：a 与回火析出物的性质有关（与回火析出物的性质有关（MoWV钢）钢）b 可由二次淬火引起可由二次淬火引起 A碳碳化化物物C，MeMs回回火火冷冷却却转转变成变成M硬度硬度（高于淬火态硬度）（高于淬火态硬度）产生二次硬化的合金元素：产生二次硬化的合金元素：如表如表3.增大回火脆性：如图（增大回火脆性：如图（C钢也有回火脆性），这是钢也有回火脆性），这是Me的不良影响的不良影响第第一一类类回回火火脆脆性性：250-300，片片状状碳碳化化物物在在M边边界界上上析析出出，破破坏坏了了M间间的的连连接接，使使脆脆性性，是是由由相相变变机机制制本本身身决决定定的的，不不能能消消除除，只只能能避开。不可逆避开。不可逆第第二二类类回回火火脆脆性性：450-600，杂杂质质及及本本身身在在原原晶晶界界上上严严重重偏偏聚聚（Mn，Cr，Ni钢中），降低晶界结合力，使脆性钢中），降低晶界结合力，使脆性a.Mo或或W（0.5%Mo，1%W）能能阻阻止止，推推迟迟杂杂质质往往晶晶界界偏偏移移，可可消消除除回火脆；回火脆；b.高温回火，快冷（避开此高温回火，快冷（避开此T区间，在此区间，在此T停留短）；停留短）；c.尽量减少杂质元素含量（尽量减少杂质元素含量（S，P）；）；第五节第五节 MeMe对钢的工艺性能的影响对钢的工艺性能的影响 对铸造，塑性加工，焊接性，切削性，热处理工艺对铸造，塑性加工，焊接性，切削性，热处理工艺 性性 能的影响。能的影响。一、合金元素对钢铸造性能的影响一、合金元素对钢铸造性能的影响 固、液相线的温度愈低和结晶温区越窄固、液相线的温度愈低和结晶温区越窄,其铸造性能越其铸造性能越好。好。合金元素对铸造性能的影响合金元素对铸造性能的影响,主要取决于它们对主要取决于它们对Fe-Fe3C相图的影响。另外相图的影响。另外,许多元素许多元素,如如Cr、Mo、V、Ti、Al等在等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点,增大钢的粘度增大钢的粘度,降降低流动性低流动性,使铸造性能恶化。使铸造性能恶化。*钢的冶金质量钢的冶金质量 二、合金元素对钢塑性加工性能的影响二、合金元素对钢塑性加工性能的影响 塑性加工分热加工和冷加工。合金元塑性加工分热加工和冷加工。合金元素溶入固溶体中素溶入固溶体中,或形成碳化物或形成碳化物(如如Cr、Mo、W等等),都使钢的热变形抗力提高和热塑都使钢的热变形抗力提高和热塑性明显下降而容易锻裂。一般合金钢的性明显下降而容易锻裂。一般合金钢的热加工工艺性能比碳钢要差得多。热加工工艺性能比碳钢要差得多。三、合金元素对钢焊接性能的影响三、合金元素对钢焊接性能的影响 合金元素都提高钢的淬透性合金元素都提高钢的淬透性,促进脆性促进脆性组织组织(马氏体马氏体)的形成的形成,使焊接性能变坏。使焊接性能变坏。但钢中含有少量但钢中含有少量Ti和和V,可改善钢的焊接性可改善钢的焊接性能。能。四、合金元素对钢切削性能的影响四、合金元素对钢切削性能的影响 切削性能与钢的硬度密切相关切削性能与钢的硬度密切相关,钢适合于切钢适合于切削加工的硬度范围为削加工的硬度范围为170 HB230 HB。一般合金钢的切削性能比碳钢差。一般合金钢的切削性能比碳钢差。适当加入适当加入S、P、Pb等元素可以大大改善钢的切等元素可以大大改善钢的切削性能。削性能。五、合金元素对钢热处理工艺性能的影响五、合金元素对钢热处理工艺性能的影响 热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和热处理热处理工艺性能反映钢热处理的难易程度和热处理产生缺陷的倾向。主要包括淬透性、过热敏感性、回产生缺陷的倾向。主要包括淬透性、过热敏感性、回火脆化倾向和氧化脱碳倾向等。火脆化倾向和氧化脱碳倾向等。合金钢的淬透性高合金钢的淬透性高,淬火时可以采用比较缓慢的冷却方淬火时可以采用比较缓慢的冷却方法法,可减少工件的变形和开裂倾向。可减少工件的变形和开裂倾向。加入锰、硅会增大钢的过热敏感性。加入锰、硅会增大钢的过热敏感性。Fe-Fe3C相图纯铁的结晶过程共析钢平衡结晶过程亚共析钢平衡结晶过程过共析钢平衡结晶过程标注组织的Fe-Fe3C相图下Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳质量分数及含义相图中各点的温度、碳质量分数及含义符号符号 温度温度/碳质量分数碳质量分数/(C)%含含 义义 A 1538 0 纯铁的熔点纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点共晶点Lc AE+Fe3C D 1227 6.69 Fe3C的熔点的熔点 E 1148 2.11 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe3C的成分的成分 G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A3)H 1495 0.09 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点包晶点LB+H AJ K 727 6.69 Fe3C的成分的成分 N 1394 0 -Fe-Fe同素异构转变点同素异构转变点(A4)P 727 0.0218 碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点共析点(A1)AS FP+Fe3C Q 600 0.0057 600 时碳在时碳在-Fe中的溶解度中的溶解度 (室温室温)(0.0008)返回续返回返回(a)Fe-Mn相图(b)Fe-Cu相图Fanhui(a)Fe-Cr相图(b)Fe-Nb相图返回返回作业及思考题作业及思考题1、合金钢是如何分类的？、合金钢是如何分类的？2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？3、钢中碳化物形成元素有哪些（强、钢中碳化物形成元素有哪些（强弱），其形成碳化物的规律如弱），其形成碳化物的规律如何？何？4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？5、固溶强化，二次硬化、二次淬火，回火稳定性的含义？、固溶强化，二次硬化、二次淬火，回火稳定性的含义？6、何谓第一类、第二类回火脆，如何消除及预防？、