钢的合金化原理.pptx

1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素一一.几个概念几个概念1.1.合金元素合金元素 特特别别添添加加到到钢钢中中为为了了保保证证获获得得所所要要求求的的组组织织结结构构从从而而得得到到一一定定的的物物理理、化化学学或或机机械械性性能能的的化化学学元元素素。（常常用用MM来表示）来表示）如：如：B,C,N;Al,Si,P,S;B,C,N;Al,Si,P,S;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La系。系。2.2.杂质元素杂质元素l由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。中的化学元素。u注意注意:同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。如：当如：当H H，S S，P P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：其作为合金元素时：HH储氢合金；储氢合金；S S易切削钢；易切削钢；P P耐磨耐磨钢。钢。3.3.合金钢合金钢 在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。M5M10M10,称为高合金钢；称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定不过这种划分并没有严格的规定。4.4.微合金元素与微合金化钢微合金元素与微合金化钢 l微合金元素微合金元素 有些合金元素如有些合金元素如V V，NbNb，Ti,ZrTi,Zr和和B B等，当其含量只在等，当其含量只在0.1%0.1%左右（如左右（如B 0.001%B 0.001%，V 0.2%V 0.2%）时，会显著地影响）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。l微合金钢微合金钢 加入了微合金元素加入了微合金元素,使钢的组织或性能有明显改变的这类钢使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。则称为微合金钢。二二.M.M分类及分类及Fe-MFe-M的类型的类型 1.1.合金元素合金元素MM的分类的分类 铁族金属铁族金属Co,Ni,MnCo,Ni,Mn。难熔金属难熔金属W,Mo,Nb,V,Cr.W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属轻金属Ti,Al,Mg,LiTi,Al,Mg,Li 稀土金属稀土金属LaLa，CeCe和和NdNd等等 贵金属元素贵金属元素Au,AgAu,Ag 按按MM与与C C的亲和力的大小分为的亲和力的大小分为：碳化物形成元素：碳化物形成元素：Ti,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,MnTi,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,Mn 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,AlCu,Ni,Co,Si,Al2.Fe-M2.Fe-M二元相图的类型二元相图的类型 同素异型转变同素异型转变 A A3 3（910910）A A4 4（13901390）-Fe -Fe -Fe -FeFe -Fev奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：在在-Fe-Fe中中有有较较大大的的溶溶解解度度,且且能能稳稳定定 相相；如如 Mn,Mn,Ni,Ni,Co,C,N,CuCo,C,N,Cu；v铁素体形成元素：铁素体形成元素：在在-Fe-Fe中中有有较较大大的的溶溶解解度度，且且能能稳稳定定 相相。如如：V V，Nb,Nb,TiTi 等。等。v 按照按照MM对对Fe-MFe-M影响影响:l扩大扩大 相区相区 使使A A3 3降低，降低，A A4 4升高。一般为奥氏体形成元素升高。一般为奥氏体形成元素l缩小缩小 相区：相区：使使A A3 3升高，升高，A A4 4降低。一般为铁素体形成元素降低。一般为铁素体形成元素 扩大扩大 相区相区 分为两类：分为两类：1 1）开启）开启 相区相区 Mn,Ni,Co Mn,Ni,Co 与与 -Fe-Fe无限互溶无限互溶.Fe-Ni合金合金开启开启相区相区 示意图示意图2 2）扩大）扩大 相区相区 有有C C，N N，CuCu等。如等。如Fe-CFe-C相图，形成的扩大的相图，形成的扩大的 相区，相区，构成了钢的热处理的基础。构成了钢的热处理的基础。扩大扩大相区示意图相区示意图Fe-C 相图相图 缩小缩小 相区：相区：也分为两类也分为两类:1 1）封闭）封闭 相区相区 使使相相图图中中 区区缩缩小小到到一一个个很很小小的的面面积积形形成成 圈圈,其其结结果果使使 相相区区与与 相相区区连连成成一一片片。如如V,V,Cr,Cr,Si,Si,A1,A1,Ti,Ti,Mo,Mo,W,W,P,P,Sn,As,SbSn,As,Sb。封闭封闭相区示意图相区示意图2 2）缩小）缩小 相区相区：Zr,Nb,Ta,B,S,Ce Zr,Nb,Ta,B,S,Ce 等。等。3.3.生产中的意义生产中的意义l可以利用可以利用MM扩大和缩小扩大和缩小 相区作用，获得单相组织，具相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。l合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。三三.M.M对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响 1.1.改变了奥氏体区的位置改变了奥氏体区的位置锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响2.2.改变了共晶温度改变了共晶温度 l 扩大扩大 相区的元素相区的元素 使使A A1 1，A A3 3下降；下降；缩小缩小 相区的元素相区的元素 使使A A1 1，A A3 3升高。升高。l 当当Mo8.2%,W12%,Mo8.2%,W12%,Ti1.0%,V4.5%,Ti1.0%,V4.5%,Si8.5%Si8.5%，相区消失。相区消失。3.3.改变了共析含碳量改变了共析含碳量 所有合金元素均使所有合金元素均使S S点左移。点左移。提问：对组织与性能有何影响呢？提问：对组织与性能有何影响呢？四四.M.M与钢中晶体缺陷的相互作用与钢中晶体缺陷的相互作用 v 晶界内吸附晶界内吸附1.1.概念概念 合金元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互合金元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在基体作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在基体中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。如如 B,Zr,Ti,Nb,Mo,P,Sb,Re,C,N B,Zr,Ti,Nb,Mo,P,Sb,Re,C,N 等。等。2.2.对组织与性能影响很大对组织与性能影响很大回回火火脆脆性性：当当P P，AsAs，SnSn，BiBi，SbSb在在晶晶界界发发生生偏偏聚聚 时时-晶界脆性；晶界脆性；淬透性：淬透性：钢中加微量钢中加微量B B时，大大提高钢的淬透性；时，大大提高钢的淬透性；晶界强化：晶界强化：耐热钢中加入耐热钢中加入B B，ZrZr等，提高晶界强度；等，提高晶界强度；晶界迁移与晶界扩散晶界迁移与晶界扩散晶间腐蚀晶间腐蚀优先成核：优先成核：相变时晶体缺陷处优先成核。相变时晶体缺陷处优先成核。3.3.为什么会产生晶界内吸附？为什么会产生晶界内吸附？l晶界层内原子排列比较稀疏，溶质原子处在晶界层产生晶界层内原子排列比较稀疏，溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多，这种畸变的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多，这种畸变能之差产生晶界内吸附；能之差产生晶界内吸附；l溶质原子与晶界和晶内的静电交互作用。溶质原子与晶界和晶内的静电交互作用。C Cg g-溶质原子在缺陷处吸附浓度溶质原子在缺陷处吸附浓度 C Co o-溶质原子在钢中的平均浓度，溶质原子在钢中的平均浓度，Q-Q-单位溶质原子在未畸变区和进入缺陷区引起的畸单位溶质原子在未畸变区和进入缺陷区引起的畸变能之差，单位为变能之差，单位为cal/gcal/g 当当Q Q 升高时，升高时，Cg/CoCg/Co提高，说明内吸附严重；提高，说明内吸附严重；当当T T 升高时，升高时，Cg-CoCg-Co，内吸附降低；，内吸附降低；T T 降低时，内吸附提高。降低时，内吸附提高。v溶质原子晶界内吸附的近似关系式：溶质原子晶界内吸附的近似关系式：五五.合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号 1.钢的分类钢的分类l按用途分类按用途分类 工程结构钢工程结构钢 机械制造结构钢机械制造结构钢 工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）l按金相组织分类按金相组织分类 1 1）按平衡状态或退火状态的组织分：）按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；2 2）按正火组织分）按正火组织分:P:P钢，钢，B B钢，钢，MM钢，钢，A A钢；钢；3）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：F F钢，钢，MM钢，钢，A A钢和双相钢。钢和双相钢。l按按化学成分化学成分分：碳素钢和合金钢；分：碳素钢和合金钢；l按按工艺特点工艺特点分：铸钢分：铸钢,渗碳钢渗碳钢,易削钢等；易削钢等；l按按质质量量等等级级分分:普普通通质质量量钢钢、优优质质钢钢、高高级级优优质质钢钢和和特特级优质钢级优质钢。2.2.合金钢的编号方法合金钢的编号方法 v含碳量含碳量C C：一般以平均含碳量的一般以平均含碳量的万分之几万分之几来表示。来表示。如如 30CrMnA:30CrMnA:平均含碳量为平均含碳量为0.30%0.30%；60Si2Mn:60Si2Mn:平均含碳量为平均含碳量为0.60%0.60%。u注意：注意：l不不锈锈钢钢、耐耐热热钢钢、高高速速钢钢等等高高合合金金钢钢，含含碳碳量量一一般般不不予予标标出出；但但如如果果几几个个钢钢的的M%M%相相同同，C%C%不不同同，则则用用千千分分之之几几表表示示C%C%。如如0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr130Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13；l合合金金工工具具钢钢：当当C1.0%,C1.0%,不不标标出出；当当C1.0%,C1.0%,用用千千分分之之几几标标出出,如如9Mn2V,9CrSi9Mn2V,9CrSi。v合金元素合金元素MMl平均含量小于平均含量小于1.5%1.5%时，只标元素。如：时，只标元素。如：20MnVB20MnVB：0.20%C,1.5%Mn,0.2%V,0.20%C,1.5%Mn,0.2%V,微量微量B B；l平平均均含含量量在在1.5-2.491.5-2.49，2.50-3.492.50-3.4922.50-23.4922.50-23.49应相应地写为应相应地写为 2,32,3，,23,23；如如 5555Si2Si2Mn:0.55%C,2%Si,1.5%MnMn:0.55%C,2%Si,1.5%Mn 0 0Cr18Ni9Cr18Ni9Ti:0.08%C,18%Cr,9%Ni,Ti:0.08%C,18%Cr,9%Ni,少量少量TiTi注意：注意：l铬轴承钢铬轴承钢 含碳量不予标出，铬含量以含碳量不予标出，铬含量以千分之几千分之几表示。表示。GCr15GCr15；l低低铬铬合合金金工工具具钢钢的的铬铬的的含含量量出出用用千千分分之之几几表表示示，但但在在其其含含量量之之前前加加个个“0 0，例如，例如 Cr06Cr06。1.2 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 固溶体固溶体化合物相化合物相 碳化物，氮化物，碳化物，氮化物，硼化物金属间化合物相；硼化物金属间化合物相；非金属相非金属相 非金属夹杂物非金属夹杂物游离态单质游离态单质 如如PbPb，CuCu，BeBe在钢中超过其溶解度。在钢中超过其溶解度。一一.铁基固溶体铁基固溶体 1.1.置换（代位）固溶体置换（代位）固溶体lNi,Co,MnNi,Co,Mn与与-Fe-Fe形成无限固溶体。形成无限固溶体。lCr,V Cr,V 与与-Fe-Fe形成无限固溶体。形成无限固溶体。l其它置换原子与其它置换原子与-Fe-Fe或或-Fe-Fe形成有限固溶体。形成有限固溶体。2.2.间隙固溶体间隙固溶体 l间隙原子：间隙原子：B B，C C，N N，OO，H H l间间隙隙原原子子总总是是部部分分占占据据溶溶剂剂金金属属点点阵阵的的八八面面体体或或四四面面体间隙体间隙;l均为有限固溶体均为有限固溶体。二二.碳化物（碳化物（K K）1.1.结构结构 1 1）rc/rrc/rMM0.59 0.59 0.59，间隙化合物，间隙化合物 复杂密排结构，如复杂密排结构，如Cr,Mn,FeCr,Mn,Fe等与等与C C形成的形成的K K：lMM2323C C6 6型型 复杂立方，复杂立方，Cr,MnCr,Mn形成的形成的K K：CrCr2323C C6 6lMM7 7C C3 3型型 复杂六方，复杂六方，Cr,MnCr,Mn形成的形成的K K：CrCr7 7C C3 3,Mn,Mn7 7C C3 3lMM3 3C C型型 正交晶系，正交晶系，FeFe形成的形成的K K：FeFe3 3C C3 3）Fe-M-CFe-M-C形成的三元形成的三元K KlMM6 6C C型型 复杂立方，复杂立方，WW、MoMo的的K K：FeFe3 3MoMo3 3C,FeC,Fe4 4MoMo2 2C,C,Fe Fe3 3WW3 3C,FeC,Fe4 4WW2 2C C。lMM2323C C6 6型型 复杂立方，复杂立方，WW、MoMo的的K K：FeFe2121MoMo2 2C C6 6，FeFe2121WW2 2C C6 6。2.K2.K形成规律形成规律lK K结构与结构与MM在周期表中位置有密切关系在周期表中位置有密切关系 l强强K K形成元素形成的形成元素形成的K K比较稳定比较稳定其顺序为：其顺序为：Ti Zr Nb V W,Mo Cr Mn FeTi Zr Nb V W,Mo Cr Mn Fe各种各种K K相对稳定性如下：相对稳定性如下：MC MMC M2 2C MC M6 6C MC M2323C C6 6 MM7 7C C3 3 MM3 3C C （高（高-低）低）lK K晶体点阵结构均不同于晶体点阵结构均不同于MM的点阵结构的点阵结构 M +C MxCyM +C MxCyl各种各种K K之间可以相互溶解之间可以相互溶解完全溶解完全溶解 1 1）Ti,Zr,Nb,V,TaTi,Zr,Nb,V,Ta的同类的同类K K之间可以溶解之间可以溶解 （V,NbV,Nb）C C；（；（Nb,V,TaNb,V,Ta）C C；2 2）WW与与MoMo的同类的同类K K之间；之间；3 3）Fe,MnFe,Mn同类之间同类之间,（Fe,MnFe,Mn）3 3C C有限溶解有限溶解 1 1）FeFe3 3C C中可以溶解一定量的中可以溶解一定量的Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,V；2 2）MCMC型中可溶解型中可溶解o o，CrCr，MnMn；FeFe几乎不溶解几乎不溶解 3 3）CrCr2323C C6 6可以部分溶解可以部分溶解Fe,Mo,W,Mn,V,NiFe,Mo,W,Mn,V,Ni；4 4）MM2 2C C型中可大量溶解型中可大量溶解CrCr。v但溶解后的影响不同：但溶解后的影响不同：l强强形形成成元元素素溶溶解解于于弱弱形形成成元元素素形形成成的的中中可可提提高高其稳定性；其稳定性；l弱弱形形成成元元素素溶溶解解于于强强形形成成元元素素形形成成的的中中可可降降低低其稳定性；其稳定性；l强强K K形成元素优先夺形成元素优先夺C C，优先形成。，优先形成。三三.氮化物及硼化物氮化物及硼化物 自学内容 四四.金属间化合物金属间化合物 合合金金钢钢中中由由于于MM之之间间以以及及MM与与FeFe之之间间产产生生相相互互作作用用，可可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。合金钢中比较重要的金属间化合物有：合金钢中比较重要的金属间化合物有：相（相（ABAB）拉夫斯相（拉夫斯相（ABAB2 2）有序相（有序相（ABAB3 3）v 相相 在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐热合金中，都会出现热合金中，都会出现 相相 ，伴随着，伴随着 相的析出，钢和合金相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。的塑性和韧性显著下降，脆性增加。如如Cr-MnCr-Mn、Cr-CoCr-Co、Mo-MnMo-Mn等。等。v ABAB2 2 含含钨钨，钼钼，铌铌和和钛钛的的复复杂杂成成分分耐耐热热钢钢和和耐耐热热合合金金中中，均均存在存在ABAB2 2相，强化相。相，强化相。如（如（W,Mo,NbW,Mo,Nb）（）（Fe,Ni,Mn,CrFe,Ni,Mn,Cr）2 2 其其组组元元A A的的原原子子直直径径和和第第二二组组元元B B的的原原子子直直径径之之比比为为1.2/11.2/1。vAB3 n各各组组元元之之间间尚尚不不能能形形成成稳稳定定的的化化合合物物，处处于于固固溶溶体体到到化合物的过渡状态。化合物的过渡状态。l有有序序无无序序转转变变温温度度较较低低，超超过过了了就就形形成成无无序序固固溶溶体体，如如NiNi3 3Fe,NiFe,Ni3 3MnMn等；等；l有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如NiNi3 3Al,NiAl,Ni3 3Ti,NiTi,Ni3 3NbNb。lNiNi3 3AlAl是是典典型型的的复复杂杂成成分分的的耐耐热热钢钢和和耐耐热热合合金金中中的的强强化化相相 。五五.非金属相（非金属夹杂物）非金属相（非金属夹杂物）1.1.夹杂物的种类夹杂物的种类l氧化物氧化物 简单氧化物，如简单氧化物，如FeOFeO、MnOMnO、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2 复杂氧化物，复杂氧化物，MgO MgO Al Al2 2OO3 3,CaOCaO2A12A12 2OO3 3等。等。特特点点:性性脆脆易易裂裂。这这些些氧氧化化物物在在钢钢材材轧轧锻锻以以后后，沿沿加加工工方向呈链状分布。方向呈链状分布。l硫化物：硫化物：钢中常见的有钢中常见的有MnSMnS、FeSFeS。特点特点:高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。l硅酸盐：硅酸盐：成分复杂成分复杂,是钢中常见的一种夹杂物。是钢中常见的一种夹杂物。根据检验时金相形态来分类：根据检验时金相形态来分类：l脆性夹杂物脆性夹杂物 如刚玉如刚玉(Al(Al2 2OO3 3)、MgO MgO Al Al2 2OO3 3,沿轧制方沿轧制方向排列呈点链状分布。向排列呈点链状分布。l塑性夹杂物塑性夹杂物 在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有有MnSMnS和铁锰硅酸盐。和铁锰硅酸盐。l球状不变形夹杂物球状不变形夹杂物 钙的铝酸盐。钙的铝酸盐。l半塑性夹杂物半塑性夹杂物 主要是复相铝硅酸盐，含有主要是复相铝硅酸盐，含有AlAl2 2OO3 3或尖晶石氧化物。或尖晶石氧化物。2.2.非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响l程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸程度按刚玉、尖晶石、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；l理想的情况是：理想的情况是：数量少数量少、尺寸小尺寸小、塑性好塑性好、细条状细条状、均匀分布均匀分布3.3.非金属夹杂物的形成与消除非金属夹杂物的形成与消除l脱氧产物脱氧产物;l凝固时析出的氧化物和硫化物凝固时析出的氧化物和硫化物;l残留在钢中的渣残留在钢中的渣;l冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀;l出钢时钢液的二次氧化等。出钢时钢液的二次氧化等。u 完全脱氧是获得高纯净钢的必要条件；完全脱氧是获得高纯净钢的必要条件；u 利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔。利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔。4.4.对组织性能的影响对组织性能的影响 l与与夹夹杂杂物物的的成成分分，数数量量有有关关，而而且且和和它它的的形形状状、大大小小特特别是别是分布状态分布状态有关。有关。l非金属夹杂物差不多总是看成是有害的。非金属夹杂物差不多总是看成是有害的。1.3 1.3 合金元素对相变的影响合金元素对相变的影响 合金元素对钢加热时转变的影响合金元素对钢加热时转变的影响合金元素对过冷合金元素对过冷转变的影响转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响一一.M.M对钢对钢 化的影响化的影响 +Fe+Fe3 3C(C(或或 K)K)：需要需要FeFe重组和重组和 C C扩散扩散 FeFe3 3C C或或K K：需要溶解于：需要溶解于 1.M1.M对对 相形成的影响相形成的影响 对于对于（强）（强）K K形成元素形成元素:1 1）K K 稳定难于溶解稳定难于溶解,阻碍阻碍 的形成；的形成；2 2）增加）增加C C在在 中的扩散激活能，减慢中的扩散激活能，减慢C C的扩散。的扩散。对于对于非非K K形成元素形成元素：降低降低C C在在 中的扩散激活能，加速中的扩散激活能，加速 C C的扩散的扩散。2.M2.M对对 成分不均匀的影响成分不均匀的影响 n能阻碍能阻碍 均匀化均匀化-阻碍阻碍 转变转变 1 1）M M 扩散慢；扩散慢；2 2）K K形成元素对形成元素对C C的亲和力较强，的亲和力较强，MM均匀化均匀化 前实际上前实际上C C也很难均匀化；也很难均匀化；3 3）存在合金元素及杂质元素的内吸附）存在合金元素及杂质元素的内吸附;n可通过提高淬火温度来促进可通过提高淬火温度来促进 成分均匀化成分均匀化 3.3.对对 晶粒长大的影响晶粒长大的影响 l促进促进A A晶粒长大晶粒长大 C C，P P，MnMn（高（高C C）提高了提高了FeFe的自扩散系数。的自扩散系数。l强烈阻碍晶粒长大强烈阻碍晶粒长大 AlAl、TiTi、NbNb、V V等等 机械阻碍理论。机械阻碍理论。l中等阻止晶粒长大中等阻止晶粒长大 WW、MoMo等。等。二二.M.M对过冷对过冷 转变的影响转变的影响1.1.对对 P P转变的影响转变的影响2.2.对对 B B 转变的影响转变的影响3.3.对对 MM转变的影响转变的影响1.1.对对P P转变的影响转变的影响合金钢中的合金钢中的P P转变过程的分析转变过程的分析 1 1）孕育期：）孕育期：MM与与C C的重新扩散与分布的重新扩散与分布 2 2）K K形核长大：形核长大：A A优先形成特殊优先形成特殊K K；B B需要需要C C和和MM的扩散，的扩散，MM本身扩散慢；本身扩散慢；对于非对于非K K形成元素：扩散开去以便形成元素：扩散开去以便K K形成，也需要扩散。形成，也需要扩散。3 3），形核长大形核长大 M M 对对的影响主要是提高的影响主要是提高 相的形核功或转变激活能。相的形核功或转变激活能。NiNi，MnMn：主要是增加了：主要是增加了 形核功（从过冷度考虑）；形核功（从过冷度考虑）；Cr,W,Mo,SiCr,W,Mo,Si：提高：提高FeFe的扩散能（提高转变激活能）。的扩散能（提高转变激活能）。Cr-Ni,Cr-Ni-Mo,Cr-Ni-WCr-Ni,Cr-Ni-Mo,Cr-Ni-W复合加入时，大大提高过冷复合加入时，大大提高过冷 的稳定性的稳定性 2.M 2.M 对对 B B 转变的影响转变的影响 半扩散型转变，只有半扩散型转变，只有C C的扩散和重新分布的扩散和重新分布,Fe,Fe和和MM都不能都不能扩散扩散 +Fe +Fe3 3C C 或或-Fe-Fex xC C （领先相）（领先相）(T(T较低时较低时)Si,Mn,Cr,B,Ni Si,Mn,Cr,B,Ni 推迟推迟B B转变转变 W,Mo,V,NbW,Mo,V,Nb 推迟推迟B B转变的作用相对较小转变的作用相对较小 （主要推迟（主要推迟P P转变）转变）Co Co 有加速作用有加速作用 MM对对 转变（主要是转变（主要是P P）的综合作用）的综合作用lTi,Nb,Zr,VTi,Nb,Zr,V 主主要要是是通通过过推推迟迟P P转转变变时时K K形形核核与与长长大大来来提提高高过过冷冷 的的稳稳定性；定性；lWW，Mo,CrMo,Cr 1 1）推迟）推迟K K形核与长大；形核与长大；2 2）增增加加固固溶溶体体原原子子间间的的结结合合力力，降降低低FeFe的的自自扩扩散散激激活活能。作用大小为：能。作用大小为：CrWMoCrWMolMnMn （Fe,MnFe,Mn）3 3C,C,减减慢慢P P转转变变时时合合金金渗渗碳碳体体的的形形核核与与长长大大；扩大扩大 相区，强烈推迟相区，强烈推迟转变，提高转变，提高 的形核功；的形核功；lNiNi 开放开放 相区，并稳定相区，并稳定 相，提高相，提高 的形核功（渗碳体可溶的形核功（渗碳体可溶解解Ni,CoNi,Co）lCoCo 扩大扩大 相区，但能使相区，但能使A A3 3温度提高（特例），使温度提高（特例），使转变转变在更高的温度进行，降低了过冷在更高的温度进行，降低了过冷 的稳定性。使的稳定性。使C C曲线向曲线向左移。左移。lAl,SiAl,Si 不形成各自不形成各自K K，也不溶解在渗碳体中，必须扩散出去为，也不溶解在渗碳体中，必须扩散出去为K K形核创造条件；形核创造条件；SiSi可提高可提高FeFe原子的结合力。原子的结合力。lB B，P P，ReRe 强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了 的界面能，的界面能，阻碍阻碍 相和相和K K形核。形核。多种合金元素的综合合金化多种合金元素的综合合金化 将强将强K K形成元素，弱形成元素，弱K K形成元素与非形成元素与非K K形成元素相结合形成元素相结合,大大提高过冷大大提高过冷 的稳定性。的稳定性。图例图例1-1-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性图例图例2-2-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性 MM对对P P转变和转变和B B转变有不同的作用转变有不同的作用 lTi,Nb,V,W,MoTi,Nb,V,W,Mo等强等强K K形成元素形成元素:l Cr,Mn Cr,Mn 中、弱中、弱K K形成元素：形成元素：推迟推迟P P转变，强烈推迟转变，强烈推迟B B转变。转变。l Al,Si Al,Si 非非K K形成元素形成元素 增加过冷增加过冷 的稳定性的稳定性,推迟推迟B B转变更强烈。转变更强烈。lNiNi 强烈推迟珠光体转变；强烈推迟珠光体转变；lCoCo 降低过冷奥氏体的稳定性；降低过冷奥氏体的稳定性；但但 NiNi和和 CoCo不改变不改变C C曲线的形状；曲线的形状；lB B，P P，ReRe等等 强烈晶界偏聚强烈晶界偏聚,使先共析使先共析 F F 转变显著推迟，转变显著推迟，对对P P和和B B转变推迟较弱转变推迟较弱,也不改变也不改变C C曲线的形状。曲线的形状。3.M3.M对马氏体转变的影响对马氏体转变的影响 l合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。l合金元素的作用表现在合金元素的作用表现在：1 1）对马氏体点）对马氏体点Ms-MMs-Mf f温度的影响；温度的影响；2 2）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。l除除Al,Co Al,Co 外，都降低外，都降低MsMs温度温度 其降低程度：强其降低程度：强 CMnCrNiVMo,W,SiCMnCrNiVMo,W,Si 弱弱l提高提高 含量含量 可可利利用用此此特特点点使使MsMs温温度度降降低低于于00，以以下下，得得到到全全部部 组组织。织。如加入如加入Ni,Mn,C,NNi,Mn,C,N等等l合金元素有增加形成孪晶马氏体的倾向，且亚结构与合合金元素有增加形成孪晶马氏体的倾向，且亚结构与合金成分和马氏体的转变温度有关金成分和马氏体的转变温度有关.三三.M.M对淬火钢回火转变的影响对淬火钢回火转变的影响 淬火钢通常具有马氏体淬火钢通常具有马氏体MM和和（ArAr）两个介稳相。）两个介稳相。MM：C C要析出，形成要析出，形成 K K （ArAr）：分解）：分解 K K：聚集长大聚集长大 ：在回火过程中回复与再结晶：在回火过程中回复与再结晶 这些过程有先有后，有的交叉进行这些过程有先有后，有的交叉进行。1.M1.M对马氏体分解的影响对马氏体分解的影响 1 1）K K形成元素：由于减缓形成元素：由于减缓C C的扩散，因而推迟的扩散，因而推迟MM分解过程；分解过程；非非K K形成元素：形成元素：Si,Al Si,Al 延缓延缓K K的形成的形成 Ni,MnNi,Mn影响不大。影响不大。2 2）生产上可以合金元素来提高马氏体的分解温度，提高马）生产上可以合金元素来提高马氏体的分解温度，提高马氏体的抗回火能力。氏体的抗回火能力。2.M2.M对回火时对回火时 转变的影响转变的影响 l淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点 基本遵循过过冷奥氏体恒温转变的规律。基本遵循过过冷奥氏体恒温转变的规律。l无无论论在在P P或或B B转转变变区区间间残残留留奥奥氏氏体体转转变变的的孕孕育育期期较较短短，但都转变不完全。但都转变不完全。l当当合合金金元元素素含含量量较较高高时时，也也有有一一个个中中温温稳稳定定区区。可可能能转变成转变成B B，也可能转变成，也可能转变成P P。l定义定义:在强在强K K形成元素含量较高的合金钢中淬火后形成元素含量较高的合金钢中淬火后 十分十分稳定，甚至加热到稳定，甚至加热到500-600500-600回火时升温与保温时中仍回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。高。l原因原因:可能是可能是 中析出部分中析出部分K K，使，使C%C%，M%M%下降，下降，MsMs升升高，冷却时高，冷却时 MM。l应用应用:在高合金钢中可以利用钢的二次淬火现象来消除在高合金钢中可以利用钢的二次淬火现象来消除 .v 重要概念：重要概念：二次淬火二次淬火3.M3.M对对K K形成的影响形成的影响 lMM在在 相中开始显著扩散的温度为：相中开始显著扩散的温度为：Si 300;Mn 350;Si 300;Mn 350;Cr 400-450;Mo 500;Cr 400-450;Mo 500;W,V500-550 W,V500-550l回火过程中回火过程中 M M 的特殊的特殊K K形成的机制形成的机制 原位转变（析出）：原位转变（析出）：CrCr 离位转变（析出）：离位转变（析出）：V V，NbNb，Ti,Ti,W,Mo W,Mo 兼有两种析出机制。兼有两种析出机制。1 1）原位转变（析出）原位转变（析出）l元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时度时,合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。如如CrCr钢中的钢中的CrCr：-Fe-Fex xCFeCFe3 3CC（Fe,CrFe,Cr）3 3C C （Cr,FeCr,Fe）7 7C C3 3（Cr,FeCr,Fe）2323C C6 6 l通式为：通式为：MM 0 0+（Fe,MFe,M）3 3C C 0 0+MxCy+MxCy MM 淬火马氏体淬火马氏体;0 0 回火马氏体回火马氏体 2 2）离位转变（析出）离位转变（析出）在在回回火火过过程程中中直直接接从从 相相中中析析出出特特殊殊碳碳化化物物，同同时时伴伴随随着着渗渗碳碳体体的的溶溶解解，可可使使HRCHRC和和强强度度提提高高（二二次次硬硬化化效效应应）。如如 V V，Nb,TiNb,Ti等都属于此类型。等都属于此类型。通式为：通式为：MM P P+Fe+Fe3 3C C 0 0+MxCy +MxCy P P 部分分解的马氏体部分分解的马氏体;0 0 回火马氏体回火马氏体.例如，例如，V V钢：钢：当回火当回火T500T500T500，直接析出，直接析出VCVC；T T继续升高，继续升高，VC%VC%提高，提高，FeFe3 3C%C%降低，直至消失。降低，直至消失。3 3）同时存在原位析出与离位析出）同时存在原位析出与离位析出 uWW，MoMo回火时特殊回火时特殊K K机制：机制：l在高于在高于500500回火时，回火时，WW，MoMo向向FeFe3 3C C中富集，在原位转变中富集，在原位转变成成MM2 2C C型碳化物；型碳化物；l同时也从同时也从 相基体中直接析出相基体中直接析出MM2 2C C型型K K；l在长时间回火后，在长时间回火后，MM2 2C C型碳化物转变成型碳化物转变成MM6 6C C型特殊碳化物型特殊碳化物 FeFe3 3C C(Fe,W)(Fe,W)3 3C CWW2 2C CMM6 6C C MM WW2 2C CMM6 6C C v 重要概念：二次硬化重要概念：二次硬化n定义定义 在含有在含有Ti,V,Nb,Mo,WTi,V,Nb,Mo,W等较高合金钢淬火后，在等较高合金钢淬火后，在500-500-600600范围内回火时，在范围内回火时，在 相中沉淀析出这些元素的特殊相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的碳化物，并使钢的HRCHRC和强度提高。和强度提高。当然，不同合金元素的效果并不一样。当然，不同合金元素的效果并不一样。但只有离位析出时才有二次硬化现象但只有离位析出时才有二次硬化现象 图图 回火温度与硬度的关系回火温度与硬度的关系4.M4.M对对 相回复与再结晶的影响相回复与再结晶的影响 MM可提高可提高 相的再结晶温度，能使相的再结晶温度，能使 相和马氏体形态相和马氏体形态保持到更高的回火温度，从而保持较高的强度水平。保持到更高的回火温度，从而保持较高的强度水平。Co,Mo,W,V,Cr Co,Mo,W,V,Cr 可显著提高；可显著提高；Si,Mn Si,Mn 可提高；可提高；Ni Ni 影响不大影响不大 5.M5.M对钢的回火脆性的影响对钢的回火脆性的影响1 1）低温回火脆性（第）低温回火脆性（第I I类）类）产生：产生：回火温度为回火温度为200-400200-400之间。不具有可逆性。之间。不具有可逆性。形形成成原原因因：沿沿条条状状马马氏氏体体的的间间界界析析出出K K薄薄片片；S S，P,P,As,As,Bi,Sn Bi,Sn 等杂质元素及等杂质元素及 HH，N N等的促进作用；等的促进作用；防止：防止：a a）不在此温度区间内回火；）不在此温度区间内回火；b b）采用等温淬火；）采用等温淬火；c c）加入）加入Si,Si,脆化温度提高脆化温度提高300300；或加入；或加入Mo,Mo,减轻作用。减轻作用。2 2）高温回火脆性（第）高温回火脆性（第II II类）类）产生：产生：500-650500-650回火的调质钢中；回火的调质钢中；原因：原因：与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。可可逆逆性性：已已有有回回火火脆脆性性的的钢钢加加热热至至回回火火温温度度，再再快快冷冷，可可消除回火脆性。消除回火脆性。消除与防止：消除与防止：a a）利用其可逆性）利用其可逆性,重新加热至重新加热至600,600,快冷；快冷；b b）加入）加入WW，MoMo消除或延缓杂质元素偏聚；消除或延缓杂质