钢的合金化基础.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,Chapter 2,钢的合金化基础,第一节,钢中合金元素及与,Fe,，,C,相互作用,第二节,钢强化机制,第三节,改善钢塑性、韧性的基本途径,第四节,合金元素对钢相变的影响,主要内容,第五节,合金元素对钢热处理工艺性能的影响,第六节 微量元素在钢中的作用,本章主要内容,重点及基本要求,第二章是,本课程基础和重点，要求,全面,掌握,了解,钢中的常见,合金,元素对,钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。,难点,:,合金元素对钢中基本合金相结构的影响,Chapter 2,钢的合金化基础,概 述,合金钢：在化学成分上有目的的加入合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及力学性能要求的,铁基,合金,合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。,（主动加入）,杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。,我国的资源情况及合金系统,W,，,Mo,的资源丰富，用途广泛,储量丰富，可大量开采：,Si,，,V,，,Ti,，,Nb,，,B,，稀土等,Mn,的资源丰富，但由于用量大，应节约,Ni,，,Cr,，,Co,资源很少,第一节 钢中的合金元素及与,Fe,，,C,的相互作用,一、钢中的合金元素及分类,*,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,*,S,P,As,Sb,Pb,Sn,Bi,通常为有害元素，但,S,，,P,，,Pb,在易切削钢中用来改进切削加工性能,。,A,0,H,A,A,A,A,A,A,He,Li,Be,B,C,N,O,F,Ne,Na,Mg,B,B,B,B,B,B,B,B,Al,Si,P,S,Cl,Ar,K,Ca,Se,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Br,Kr,Rb,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,I,Xe,Cs,Ba,La,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au,Hg,Ti,Pb,Bi,Po,At,Rn,钢中常加入的合金元素,（一）,按与,Fe,相互作用分类,*,一般情况下，奥氏体形成元素易优先分布于奥氏体中，铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。,1.,奥氏体形成元素,C,N,Cu,Mn,Ni,Co,2.,铁素体形成元素,Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al,（二）按与,C,相互作用（亲和力大小）分类,2.,碳化物形成元素,Hf,，,Zr,，,Ti,，,Ta,，,Nb,，,V,，,W,，,Mo,，,Cr,，,Mn,，,Fe,1.,非碳化物形成元素,Ni,，,Cu,，,Si,，,Al,，,P,等,最强 中强 弱,（三）按对奥氏体层错能的影响分类,（,1,）层错能的概念,：晶体中形成层错时增加的能量。,（,2,）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响,。一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。,层错能对钢的力学性能、相变影响很大,1.,提高奥氏体层错能元素,Ni,，,Cu,，,C,等,2.,降低奥氏体层错能元素,Mn,，,Cr,，,Ru,（钌），,Ir,（铱）等,（四）按合金元素的物理、化学 和其他有关特性分类,稀土金属,La,（镧），,Ce,（铈），,Nd,（钕）等,Fe,族元素,Co,，,Ni,，,Mn,难熔金属（高于,Fe,的熔点的,1539,）,W,，,Mo,，,Nb,，,V,，,Cr,等,轻金属,Ti,，,Al,，,Mg,等,二、钢中合金元素的分布及在晶界的偏聚,复杂氧化物,MgO.Al,2,O,3,，,MnO.Al,2,O,3,钢中氧化物夹杂,*,特点：性脆，易断裂，一般无塑性。,因此，氧化物在钢材锻扎后，沿加工方向呈链状分布,（一）合金元素在钢中的分布（存在形式）,1.,形成非金属相（非金属夹杂）,（,1,）氧化物,简单氧化物,FeO,，,MnO,，,TiO,2,，,SiO,2,，,Al,2,O,3,，,Cr,2,O,3,等,钢中的,MnS,夹杂,（,2,）硫化物,常见：,MnS,，,FeS,特点：有较高的塑性，热加工时沿加工方向呈带状、纤维状或线状分布,不易变形的,Al,2,O,3,.SiO,2,（与氧化物相似）,（,3,）硅酸盐（常见的非金属夹杂,),易变形的,MnO.SiO,2,（与硫化物相似）,钢中常见的非金属相，密排六方，具有高稳定性，弥散分布（析出）时可做强化相。,（,4,）,AlN,总结：,非金属夹杂物对钢的质量有重要的影响，这种影响与夹杂物的成分、形态、大小、数量和分布有关。它可能引起塑性、韧性、疲劳强度的降低，还会降低钢的耐磨性、耐蚀性和淬透性，一般都是有害的,钢中的,AlN,夹杂,金属元素易溶入,F,，,A,，,M,中，以固溶体形式存在，常见合金元素在,A,，,F,中的溶解度如表,2-1,2.,溶入固溶体,Ti,、,Nb,、,Ta,只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；,Zr,、,Hf,、,Pb,在,Fe,具有很小的溶解度。,（,1,）形成铁基置换固溶体（,Hume-Rothery,定律）,Ni,、,Co,、,Mn,、,Cr,、,V,等元素可与,Fe,形成无限固溶体。其中,Ni,、,Co,和,Mn,形成以,-Fe,为基的无限固溶体，,Cr,和,V,形成以,-Fe,为基的无限固溶体。,Mo,和,W,只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如,-Fe(Mo),和,-Fe(W),等。,（,2,）,形成间隙固溶体,（,H,gg,定则）,对,-Fe,，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。,对,-Fe,，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。,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,3.,形成强化相（化合物相）,形成碳化物、氮化物、金属间化合物：,M,3,C,，,MC,，,M,2,C,，,M,6,C,，,M,7,C,3,，,M,23,C,6,，,AlN,，,Ni,3,Al,，,Ni,3,Ti,，,Fe,2,W,等,4.,游离态存在或自由存在,Pb,，,Ag,，,Be,，,Cu,含量超过其溶解度，,将以自由态存在于钢中,小结：,合金元素在钢中分布不同主要决定以下因素：,合金元素种类和含量,冶金加工方法和热处理制度,(,二）合金元素在晶界的偏聚,1.,晶界内吸附产生的原因和特点,（,1,）产生原因,晶界原子排列疏松，置换式和间隙式溶质原子处于晶界处产生的畸变能比在晶内产生的要小的多，这种畸变能的差异导致晶界内吸附，使晶内溶质向晶界迁移，使体系能量降低，从而形成亚稳状态。,钢的溶质原子在晶界的浓度大大超过在基体中的平均浓度的现象，称为晶界偏聚或晶界内吸附。,3),晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定时间保证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）,1),溶质原子的最大溶解度越小，晶界内吸附倾向越大，如,B,在铁中的溶解度很小，其晶界内吸附的倾向很大,2),晶界处吸附溶质的浓度和温度有关：,C,g,C,1,exp,（,E/RT),（,2,）晶界内吸附的特点,其中，,Cg,晶界溶质溶解度,C,1,晶内溶质溶解度,E,溶质与晶界结合力,T,温度,T Cg T Cg,（热力学因素）,Zr,，,Ni,，,Mn,，,Re,，,P,，,B,，,Sb,，,As,，,Bi,，,C,，,N,其中，,B,最强烈,3.,晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理论解释金属材料中的一些现象）,晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及,B,钢淬透性等,.,另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关,2.,能在钢中产生内吸附的元素,HP,炉管铸态微观组织,奥氏体,+M7C3,碳化物,（右上角为,M7C3,对应的衍射斑点）,三、合金元素与,Fe,，,C,的相互作用,（一）合金元素与,Fe,的相互作用,铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变,912,1394,-Fe,-Fe,-Fe,A,3,线,A,4,线,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,A,3,和,A,4,均有极大的影响。,1.,扩大奥氏体,(),区元素,Ni,Mn,Co,C,N,Cu,Zn,Au,这些合金元素使,A,3,温度下降，,A,4,温度上升，即扩大了,相区。它包括以下两种情况,:,Fe,Ni,相图,(1),开启,相区的元素,Mn,、,Ni,、,Co,属于此类合金元素。,在,-Fe,中形成无限固溶体,(2),扩展,相区的元素,C,、,N,、,Cu,，,Zn,，,Au,属于此类合金元素。,它们在,-Fe,中形成有限固溶体,这些合金元素是铁素体形成元素，又称,-Fe,稳定化元素，,Cr,，,V,，,Mo,，,W,，,Ti,，,Al,，,Si,，,Be,，,B,，,Nb,，,Ta,，,Zr,它们使,A,3,温度上升，,A,4,温度下降，它包括以下两种情况：,2.,缩小奥氏体,(),区元素,Fe,Cr,相图,Cr,，,V,，,Ti,，,W,，,Mo,，,Al,，,Si,，,Be,属于此类合金元素。,其中,Cr,，,V,与,-Fe,形成无限固溶体,(1),封闭,相区的元素,B,，,Nb,，,Ta,，,Zr,属于此类合金元素。,(2),缩小,相区元素,为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般认为以下几个因素共同作用的结果,(1),合金元素的点阵类型（与,-Fe,相同还是,-Fe,相同）,(2),原子尺寸因素（与,Fe,原子半径之比）,r/r,铁,8%,可形成无限固溶体（,Cr,，,V,，,Mn,，,Ni,，,Co,等）,8%r/r,铁,15%,很小的固溶度，,Zr,，,Hf,3.,合金元素扩大、缩小,相区的影响因素,Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu,3d,层电子数,2 3 5 5 6 7 8 10,Zr Nb Mo,4d,层电子数,2 4 5,Hf Ta W,（,Re,）,5d,层电子数,2 3 4 5,次电子层，电子数,5,，缩小,区，,次电子层，电子数,5(Mn,除外,),，,扩大,区。,(3),电子层结构因素,所以,Ni,，,Mn,，,Co,能在,Fe,中形成无限固溶体，,Cr,，,V,在,-Fe,中形成无限固溶体,。,(,C,、,N,扩展,区,),通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区的元素含量，就可以控制和调整钢的组织：,为了得到室温奥氏体组织，可加,Ni,，,Mn,，,N,等,为了得到室温铁素体组织，可加,Cr,，,Si,，,Al,，,Ti,等,如：,1Cr18Ni9,奥氏体不锈钢,1Cr17,铁素体不锈钢,4.,合金元素与,Fe,相互作用理论在工程实际中的意义,1.,合金元素与,C,的相互作用特点,碳化物形成元素,Hf,，,Zr,，,Ti,，,Ta,，,Nb,，,V,，,W,，,Mo,，,Cr,，,Mn,，,Fe,非碳化物形成元素,Ni,，,Cu,，,Si,，,Al,，,Co,，,P,等,一般认为，非碳化物形成元素易于溶于,F,和,A,中，而碳化物形成元素易于形成碳化物或溶于碳化物中。,（二）合金元素与,C,的相互作用,（,1,）碳化物形成规律,TiC,V,4,C,6,V,2,C,Cr,23,C,6,Cr,7,C,3,Mn,3,C,Mn,23,C,6,Mn,7,C,3,Fe,Fe,3,C,Co,Ni,ZrC,NbC,Nb,2,C,Mo,2,C,MoC,HfC,TaC,Ta,2,C,W,2,C,WC,都是过渡族元素，在周期表中位于,Fe,的左侧,2.,碳化物,碳化物形成元素与碳的亲和力的大小，取决于合金元素,d,层电子数。金属元素的次电子层电子数越少，它与碳的亲和力就越大。,（,2,）碳化物形成元素与碳的结合强度,Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu,3d,层电子数,2 3 5 5 6 7 8 10,Zr Nb Mo,4d,层电子数,2 4 5,Hf Ta W,（,Re,）,5d,层电子数,2 3 4 5,在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：,Hf Zr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe,（,3,）碳化物类型,1,）简单点阵类型,MC,型：,TiC,，,ZrC,，,NbC,，,VC,，,TaC,，,WC,等,M,2,C,型：,W,2,C,，,Mo,2,C,，,Ta,2,C,特点：这些碳化物是,强碳化物形成元素,及,中强碳化物形成元素,（,Cr,除外,),形成的碳化物；,r,c/,r,Me,0.59,引起点阵畸变，形成复杂点阵类型,。,M,3,C,型：,Fe,3,C,，（,FeMn,）,3,C,，（,FeCr,）,3,C,等,特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的,Fe,原子，称为合金渗碳体。,3,）渗碳体,（,4,）碳化物特点,1,）硬度,高硬度，其形成碳化物的倾向越强，则碳化物硬度越高。,2,）稳定性,形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。,稳定性排序：,M,3,C,，,M,7,C,3,，,M,23,C,6,，,M,6,C,，,M,2,C,，,MC,（弱 强 ）,碳化物稳定性越高，熔点高，溶入,A,中的温度越高，自马氏体中析出的温度越高，聚集长大的倾向越小。,碳化物稳定性实际意义,碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或服役时不会发生明显的基体中固溶的合金元素向碳化物中扩散和再分配,，这一点对热强钢尤为重要，如珠光体热强钢,Cr,Mo,钢，基体强度要靠,Cr,，,Mo,的固溶来保证，但在长期运行过程中，会发生,Cr,Mo,向,Fe,3,C,中溶解，使得基体强度下降。如钢中添加,Ti,，,Nb,等元素，形成,TiC,，,NbC,，就不会发生,Cr,，,Mo,向碳化物中扩散，使钢的热强性得到保证。,Fe,3,C,能溶入大量的合金元素，如，淬火钢在回火的初始阶段所形成的,Fe,3,C,，其成分大体与钢的成分相同，但在提高回火温度和回火时间后，会溶入大量的合金元素，如,：,Cr,在,Fe,3,C,中可溶入,25,，,Mn,则无限互溶；,(FeCr),3,C,(FeMn),3,C,Mn,3,C,强碳化物形成元素,Ti,，,Nb,，,V,等几乎不溶于,Fe,3,C,3,）碳化物对其他元素的溶解能力,3,合金元素与钢中碳相互作用的实际意义,1,）直接影响钢的性能,强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性、热处理过程中奥氏体稳定性和奥氏体晶粒大小等。,2,）合金元素与碳的亲和力不同，对钢的相变过程和碳扩散有重大影响,。,碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子扩散速度，弱碳化物形成元素,Mn,以及大多非碳化物形成元素无此作用，反而促进碳的扩散（,Co,特别显著）。,Si,尽管是非碳化物形成元素，能提高,C,的活度，但,Si,降低了,Fe,原子的活动性，即增加了,Fe,原子在固溶体中的结合能，也能对,C,扩散有一定的阻碍作用。,四、,合金元素对奥氏体层错能的影响,（一）合金元素对奥氏体层错能的影响,1.,提高奥氏体层错元素,Ni,，,Cu,，,C,2.,降低奥氏体层错能元素,Mn,，,Cr,，,Ru,（钌），,Ir,（依）,层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使横滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。所以奥氏体层错能的高低直接影响奥氏体钢的力学性能。,例如：高,Ni,钢 室温都能形成 冷变形,(,易,),高,Mn,钢 单相奥氏体 加工,(,难,),（二）奥氏体层错能对钢力学性能的影响,钢在冷却转变时，,A,是钢中相变的母相，改变奥氏体层错能就会改变钢的相变行为。见表,2,5,（三）奥氏体层错能对钢相变行为的影响,屈服强度是金属材料的重要性能指标，钢的强化机制就是提高其,屈服强度,。,屈服强度是塑性变形开始时，滑移系上的,临界切应力,，也就是使位错开动、增殖并在金属中传播所需要的最小应力。,阻碍位错运动 提高强度 强化,常见的提高钢材强度的手段有：,固溶强化，晶界强化，第二相强化，位错强化,通过对这四种方式,单独,或,综合,加以运用，便可以有效地提高钢的强度。,第二节 钢的强化机制,一、合金元素的固溶强化,合金元素的固溶强化是指溶质原子溶入基体金属中形成固溶体所引起的强化,强化机制,：,由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。,此外，溶质原子还可以通过与位错的电化学交互作用而阻碍位错运动。,间隙固溶强化,固溶强化,置换固溶强化,各合金元素的固溶强化效果可以叠加，,固溶强化对塑性、韧性的影响较大，强化效果越大，损害越严重。,（一）铁素体的固溶强化,1.,间隙式固溶强化,(,强化效果非常显著）,钢中的间隙原子,C,，,N,与刃位错形成柯氏气团（,Cottrell,），与螺位错形成,Snok,气团。当位错被气团钉扎时，位错运动阻力增大，为使位错挣脱气团钉扎，就必须施加更大的外力。因此，提高钢的塑变抗力，从而强化钢。,间隙原子,C,，,N,等对,s,的 影响可用下面数学式表示：,其中：,K,i,是由间隙原子性质，基体晶格类型，基体的强度，溶质和溶剂原子直径差及二者化学性能的差别等因素决定的数值；,C,i,间隙原子的固溶量（摩尔分数）；,n,0.332.0,之间的一个指数。,*,为了提高强化效果，通常利用相变的方法，造成过饱和固溶体，如马氏体是,C,固溶在,Fe,中的过饱和固溶体，使,C,的间隙强化效果得到充分发挥。,*,间隙强化效果十分显著，但损害了塑性、韧性和焊接性能。,置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大多是球面对称的，因而强化效果不如间隙式的。一般称为弱强化。其强度增量与溶质原子含量之间的关系：,其中：,A,常数；,错配度；,切变模量；,Cs,溶质摩尔分数。,特点：基体强度平缓增加，若含量低时，基本上不降低基体的塑性、韧性。,2.,置换式固溶强化,（二）奥氏体的固溶强化,A,的固溶强化效果远不如,F,，但置换原子能影响奥氏体的层错能。层错能低，位错容易扩展，层错和溶质原子的交互作用使溶质原子偏聚在层错附近，形成铃木气团，钉扎位错，形成强化。,间隙溶质原子的强化效应,远比置换式溶质原子强烈，其强化作用相差,10100,倍，因此，间隙原子如,C,、,N,是钢中重要的强化元素。,置换式溶质原子的固溶强化效果,在工程用钢中不可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元素很多，如,Mn,、,Si,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,W,等。这些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化效果增大，尤其是,Si,、,Mn,的强化作用更大。,二、合金元素的晶界强化,1.,晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响,Hall,Petch,公式：,其中,:,d,晶粒直径；,0,为在单晶体中位错运动的摩擦力（常数）；,Ks,晶界障碍强度系数。,可见，影响,s,的因素有,2,个：,Ks,和,d,。,Ks s ;d s,这就是晶界强化的理论基础,一方面,，,由于晶界两侧晶粒变形的不协调性，在晶界附近诱发的位错称为几何上需要的位错,另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动,2.,晶界强化的机制,晶界强化的机制图示,（,1,）利用合金元素改变晶界特性，提高,Ks,值,向钢中加入，,Ni,，,Si,等，使其在,Fe,晶界偏聚,（,2,）利用合金元素细化晶粒,1,）向钢中加入,Al,，,Nb,，,Ti,和,V,形成难熔的第二相质点，阻碍,A,晶界移动，细化,A,晶粒，从而细化晶粒。,2,）通过热处理和控制轧制的方法细化晶粒。,4.,细化晶粒同时也可增加钢的韧性,晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用越大。,3.,晶界强化的途径,三、合金元素的第二相强化,第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：切过和绕过,沉淀强化（位错切过第二相粒子）,第二相粒子的特点是,可变形,，并与,母相具有共格,关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，故有,沉淀强化,之称。,沉淀强化,的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中加入,Ti,和,Mo,，形成,NiTi,、,Ni,3,Mo,理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果。,（,b,）,Al-Li,合金中位错切割,Al,3,Li,相的电镜照片,（,a,）位错切割第二相粒子的机制,可变形微粒的强化作用（位错切过机制）,第二相粒子,不参与变形,，与基体有,非共格,关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错环，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有,弥散强化,之称。,位错绕过第二相粒子这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。,2.,弥散强化（位错绕过第二相粒子）,弥散强化相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到,不可变形微粒的强化作用,奥罗万机制（位错绕过机制）,（,a,）位错绕过第二相粒子的机制,（,b,）,Ni,基,合金中位错绕过,Ni,3,Ai,相的电镜照片,1.2,钢的合金化原理,第二相粒子的大小，数量，分布，性能都影响强化效果,（,1,）第二相的间距越小强化效果越好；,（,2,）第二相弥散度越大强化效果越好；,（,3,）第二相粒子体积分数越大强化效果越好,3.,第二相强化的影响因素,总之，第二相强化机制不仅要考虑第二相的,大小,、,数量,、,形态,、,分布,等方面的影响，而且还要考虑第二相的,性质,。这除了涉及到,热处理参数,的直接影响外，还涉及到,合金元素,的影响。,沉淀强化（,与基体有化学交互作用,）效果大于弥散强化,1.,位错强化概念,金属中位错密度提高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。,四、合金元素的位错强化,位错所造成的强化量与金属中,位错密度,的平方,根成正比，可表示为：,2.,位错密度对强度的影响,3.,位错组态对强度的影响,铁素体型钢，层错能高，位错易于交叉滑移和形成胞状亚结构；,奥氏体型钢，层错能较低，位错易于扩展成层错，位错难于交叉滑移。变形过程中位错交互作用提高。,所以，面心立方晶系金属的位错强化效果比体心立方大,（,1,）,细化晶粒,。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。为此，,宜向钢中加入细化晶粒的合金元素,。,（,2,）,形成第二相粒子,。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错环，使位错数量迅速增多。为此，,宜向钢中加入强碳化物形成元素,。,4.,利用位错强化的途径,（,3,）,促进淬火效应,。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构。为此，,宜向钢中加入提高淬透性的合金元素,。,（,4,）,降低层错能,。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，,宜向钢中加入降低层错能的合金元素,。,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,；,马氏体形成时产生高密度位错，,位错强化效应很大,；（板条马氏体位错密度为,0.30.910,12,/cm,2,）,1.2,钢的合金化原理,附：钢淬火回火提高强度的机制,提高钢强度最常用的方法是淬火和随后的回火,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,。,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。,1.2,钢的合金化原理,第三节 改善钢塑性、韧性的基本途径,塑性一般以静拉伸的伸长率,和断面收缩率,代表,韧性,韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,一般以冲击韧性,a,k,；平面应变,断裂韧性,K,IC,(,临界应力场强度因子,),；韧脆转变温度,T,K,表示,塑性和韧性是钢的主要力学性能指标，塑性、韧性的好坏，不仅涉及钢的,冷变形加工,能力，而且还会直接影响,使用安全,。因此，有必要深入理解,合金元素,对钢的塑性和韧性影响的机制，以便提高合理选用合金元素的能力。,一、改善钢塑性的基本途径,（一）影响钢塑性的因素,1.,溶质原子的影响,溶质原子溶解到基体中，一般都使塑性降低，强化效果越大的合金元素对塑性的影响越大。间隙原子与置换原子相比，对塑性的影响更大。溶质原子溶解度越大，钢的塑性越低。,如,C,（间隙原子）和,Ni,（置换原子）,2.,晶粒大小的影响,晶粒越细，塑性越好,3.,第二相的影响,都是有害塑性的，但和第二相的,大小，形态，分布，种类,有关。,（,1,）尺寸：第二相粒子尺寸越大，塑性越低；,（,2,）形态：针状，片状对塑性危害最大，球状危害较小；,（,3,）分布：均匀分布危害较小，沿晶分布危害大；,（,4,）种类,1,）硫化物与基体结合强度弱，界面易开裂，影响塑性；,2,）氧化物：脆，本身易开裂，使微孔坑早期形成，降低塑性；,3,）碳化物与基体结合较牢，危害性相对较小,4.,位错强化的影响,位错密度越高塑性降低越大。,1.,降低钢中有害杂质,S,，,O,，,P,，,N,等的含量；,2.,降低,C,含量；,3.,加入,Ni,；,4.,细化晶粒；,5.,改变碳化物大小、形状和分布；,6.,控制杂质的形状为球状。,（二）改善钢塑性的方法,二、改善钢韧性的途径,韧性,是表征材料断裂抗力的一种力学参量，对于金属材料而言，主要有三种断裂类型：,延性，解理,和,晶界,断裂,。,1.,延性断裂特点,（,1,）延性断裂断口形貌,宏观断口大多呈纤维状，微观断口大多呈韧窝状。延性断裂的前提条件是塑性变形；,（,2,）延性断口的特征：,钢种不同，断裂宏观塑性变形区有很大的差别，使断裂特征有宏观塑性，宏观脆性之分；,（,3,）钢种的影响,中低强度钢：断口特征：宏观塑性。断裂前发生宏观大范围塑性变形，断裂宏观名义应力大于,s,；,高强度钢：断裂特征：宏观脆性。对缺口敏感性高，断裂宏观名义应力低于,s,，属低应力脆断，从微观机制来看仍属延性断裂，断口以韧窝为主，塑性变形区仅集中在裂纹附近微小区域。,（,4,）延性断裂微观机制,延性断裂是微孔坑形成，聚集，长大的过程。,（一）改善延性断裂的途径,韧窝,各类型韧窝形成示意图,（,1,）尽量减少微孔坑形成的场所,减少钢中第二相的数量,，,特别是夹杂物数量,，改善,第二相粒子,的,性质,、,尺寸,、,形状,和,分布,。,（,2,）提高基体组织的塑性,钢的强度越高，断裂韧性越低，裂纹扩展传播时所消耗的形变功明显下降，裂纹扩展阻力减小，,K,IC,降低；提高基体塑性，裂纹扩展时塑性区宽度增大，消耗较多能量，,K,IC,提高。,（,3,）提高组织的均匀性,主要目的是防止塑性变形不均匀性，以减少应力集中,2.,改善延性断裂的方法,解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。,（二）改善解理断裂途径,舌状花样,羽毛状花样,河流状花样,1.,解理断裂的特征,解理断裂具有冷脆性特征，多发生在,bcc,结构钢中,2.,解理断裂的机制,解理断裂冷脆性有关，由于在低温下，螺型位错丧失活动性，刃型位错可形成以下两种情况：,由于刃形位错塞积，产生应力集中，使解理面开裂，而形成解理裂纹；,刃形位错相遇，发生反应而产生解理裂纹。,（二）改善解理断裂途径,3.,提高,解理断裂,抗力的方法,（,1,）,细化晶粒。降低,T,k,。如通过正火、控制轧制、加入细化晶粒的合金元素；,（,2,）,钢的解理断裂有一个很重要的特性,冷脆现象，即当试验温度低于某一温度时，材料有塑性转变为脆性，这种现象称为冷脆。,向钢中加入,Ni,元素,可以显著降低钢的,T,k,；,（,3,）改变基体组织,采用没有冷脆现象的面心立方,-,Fe,为基的奥氏体钢。,1.,产生晶间断裂的原因：,（三）改善晶间断裂的途径,晶界弱化引起的断裂称为沿晶断裂,如过热，过烧，回火脆性等都能造成晶间断裂,造成晶间断裂的原因主要有两个方面：,溶质原子晶界偏聚，造成晶界结合力下降，裂纹易于在晶界形成和扩展；,第二相沿晶分布，使裂纹易于在晶界形成和扩展,2.,提高沿晶断裂抗力的主要途径,（,1,）防止有害杂质元素沿晶界偏聚,如加入合金元素,Mo,、,Ti,或,Zr,，这几个元素与杂质元素（,P,，,As,，,Sb,，,Sn,，,Bi,等）有更强的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界偏聚，从而减轻回火脆性倾向,；,（,2,）防止,MnS,等有害相沿晶界析出,如减少钢中,S,含量或加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物，在高温加热时不会熔解，可防止,MnS,在晶界析出。,第四节 合金元素对钢相变的影响,Fe,C,相图是研究钢相变和碳钢热处理加热温度的选择依据。因此，研究合金元素对钢相变的影响，首先要了解合金元素对,Fe,C,相图的影响。,本节主要讲授内容：,合金元素对,Fe,C,相图及钢相变临界点的影响；,合金元素对钢相变的影响 加热,(,奥氏体化,),冷却,(,奥氏体分解,),淬火钢回火转变影响,A1,线,-PSK,线,A3,线,-GS,线,Acm,线,-ES,线,A4,线,-NJ,线,A1,点,S,点,A3,点,-G,点,A4,点,-N,点,一、合金元素对,Fe,C,相图及临界点的影响,（一）对,A,相区的影响,1.,扩大,A,相区元素（,Ni,，,Mn,，,Co,）使,E,、,S,点左移，,A,1,、,A,3,线下降；,锰对奥氏体相区的影响,E,S,G,2.,缩小,A,相区的元素（,Cr,，,W,，,Mo,，,V,，,Ti,，,Si,等）使,E,、,S,点左移，,A,1,、,A,3,线上升；,3.,大多数合金元素均使,ES,线左移，使得钢中碳含量不到,2,就出现莱氏体。如,W18Cr4V,（,0.7,0.8,含碳量）。,铬对奥氏体相区的影响,1.,扩大,A,相区元素降低,临界点,A,1,，,A,3,；,2.,缩小,A,相区的元素升高,临界点,A,1,，,A,3,。,（二）对临界点的影响,锰对奥氏体相区的影响,E,S,G,铬对奥氏体相区的影响,（三）对共析点的影响,所有合金元素均使,S,点左移，意味着钢中的碳含量不到,0.77%,就发生共析转变。如,4Cr13,就已经是共析钢。,奥氏体形成过程,奥氏体形成,残余碳化物溶解,奥氏体成分均匀化,奥氏体晶粒长大,二、合金元素对非平衡状态下相变的影响,（一）合金元素对钢,加热转变的影响,Co,，,Ni,提高,C,的扩散，增大,A,形成速度；,Si,，,Al,，,Mn,影响不大；,碳化物形成元素,Cr,，,Mo,，,W,，,Ti,，,V,等阻碍碳的扩散，阻碍,A,形成,1.,合金元素对,A,形成速度的影响,（,1,）合金元素的加入，改变了钢,A,形成温度,A,1,，,A,3,和,Acm,及相变点的位置，从而影响了,A,形成速度；,扩大,区元素降低了,A,1,、,A,3,，加速,A,形成；,缩小,区元素提高,A,1,，,A,3,，减缓了,A,形成。,（,2,）,A,的形成速度取决于奥氏体的形核和长大，这都和,C,的扩散有关，合金元素的加入改变了碳的扩散速度，所以影响了,A,的形成速度,.,合金钢中，当,F,全部转变为,A,后，还有相当一部分碳化物被保留下来，为了增强,A,的合金化程度，充分发挥合金元素的作用，应使,残余碳化物充分溶解到,A,中。,由于合金元素的作用造成的扩散困难和合金碳化物的稳定性高，要使残余碳化物分解并溶于,A,中，,需要提高加热温度,。,如：高速钢的淬火温度,12501280,，而共析温度只有,820,，就是希望碳化物充分溶解。,M,23,C,6,要,850,才能大量溶解；,NbC,，,TiC,，,VC,要,1050,才能溶解,。,2.,合金元素对残余碳化物溶解的影响,奥氏体化过程中，由于碳化物的不断溶解，奥氏体成分很不均匀，为使奥氏体成分均匀化，合金钢比碳钢要慢的多，因为合金元素本身扩散慢，同时当钢中有碳化物形成元素时，还降低,C,在奥氏体中的扩散速度，所以合金钢奥氏体化时间比碳钢时间长。,这就是为什么实际生产中，合金钢加热保温时间比碳钢长的原因。,3.,合金元素对,A,均匀化的影响,（,1,）,C,促进,A,晶粒长大；,C,在奥氏体晶界偏聚，降低了晶界铁原子的自扩散激活能，同时使晶界铁原子间的结合力降低,（,2,）强碳化物形成元素强烈阻碍,A,晶粒长大；,如形成碳化物，则起机械阻碍作用；如溶入固溶体则降低铁的自扩散系数，同时提高原子间的结合力，使界面的表面张力提高，阻止了晶粒的长大。,（,3,）中强碳化物形成元素可阻碍，但效果不如强碳化物；,（,4,）,Ni,，,Co,，,Cu,作用不明显；,（,5,）,Al,，,Si,含量少时，以夹杂物形式存在，可阻止,A,晶粒长大，当大量以合金元素加入，促进,A,晶粒长大；,（,6,）当钢中,C,在低碳含量时，,Mn,可细化晶粒，含量中等以上时，,Mn,可促进,A,长大（此时,Mn,加强了,C,促进,A,晶粒长大的作用）。,4.,合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,过冷奥氏体,等温转变曲线,TTT,曲线,(Time,，,Temperature,，,Transformation),（二）合金元素对过冷,A,分解的影响,1.,对过冷,A,稳定性的影响,（,1,）非碳化物形成元素,Ni,，,Si,，,Cu,等加入钢中，仍保持碳钢,C,曲线形状，但使,C,曲线右移；,（,2,）碳化物形成元素,Cr,，,Mo,，,W,，,V,不仅改变,C,曲线的位置，使之右移，而且改变其形状，出现两个鼻温，使珠光体和贝氏体转变区分开；,（,3,）,Co,，,Al,使,C,曲线左移。,（,1,）对,P,转变速度的影响,除,Co,，,Al,以外，均使,P,转变曲线右移，即推迟,P,转变；,（,2,）对,P,转变温度区的影响,1,）凡是扩大,相区的元素，,Ni,，,Mn,，,Cu,等，降低,A,1,，使,P,转变温区向较低温度；,2,）凡是缩小,相区的元素，提高,A,1,使,P,转变温度升高,2.,对珠光体转变的影响,1,）碳钢的珠光体转变产物的碳化物为,Fe,3,C,；,2,）合金钢中珠光体转变产物的碳化物类型,非碳化物形成元素对钢的碳化物类型无影响；,强碳化物形成元素，将形成,MC,，如,TiC,，,NbC,，,VC,等；,中强碳化物形成元素,高温区,，且合金达到一定含量，形成,M,23,C,6,或,M,3,C,，如,Cr/C5%,，形成,Cr,23,C,6,，而,Cr/C4%,，形成,Cr,3,C,低温区,，主要为,Fe,3,C,，因为温度低，元素扩散困难,（,3,）对珠光体转变产物的碳化物类型的影响,特点：贝氏体转变温区较低，合金元素与,Fe,原子几乎不能进行扩散，只有,C,原子能进行短距离的扩散，脱溶析出碳化物。因此合金元素对,B,转变的影响，主要取决于,合金元素对,转变速度的影响,合金元素对,C,扩散速度的影响,下面按照上述两个方面因素介绍合金元素影响,3.,对贝氏体相变的影响,（,1,）合金元素,Cr,，,Ni,，,Mn,能降低,F(A,与,F,的自由能差），减少相变驱动力，减慢,A,分解，降低了,B,的转变速度，推迟其转变。,Cr,，,Mn,又是碳化物形成元素，阻碍,C,原子的扩散。,（,2,）,Mo,，,W,对,F,影响不大，但是,F,形成元素，提高,A,1,，即提高了,转变温度，也就是提高了,P,的转变温度，又是碳化物形成元素，降低,C,的扩散，降低了,B,的转变温度，所以将,P,，,B,转变温区分开，形成两个鼻温。,（,3,）,Si,，对