第1章钢的合金化概论-PPT.ppt

第第1 1章章 钢的合金化概论钢的合金化概论主要内容主要内容u 钢中的合金元素及和铁的作用钢中的合金元素及和铁的作用u 合金钢中的相组成及相变合金钢中的相组成及相变 u 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 u 合金钢中的相变合金钢中的相变u 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响 u 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响u 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用 u 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计u 钢的分类和编号钢的分类和编号重点及基本要求重点及基本要求掌握合金元素对铁碳相图、铁碳合金相掌握合金元素对铁碳相图、铁碳合金相变的影响规律、碳氮化物的形成规律。变的影响规律、碳氮化物的形成规律。重点是合金元素在钢中的作用。重点是合金元素在钢中的作用。难点是金属材料的强化机理。难点是金属材料的强化机理。了解合金元素对金属材料加工性能和热了解合金元素对金属材料加工性能和热处理工艺性能的影响规律。处理工艺性能的影响规律。主要内容主要内容u 钢中的合金元素及和铁的作用钢中的合金元素及和铁的作用u 合金钢中的相组成及相变合金钢中的相组成及相变u 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用u 合金钢中的相变合金钢中的相变u 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响u 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响u 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用u 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计u 钢的分类和编号钢的分类和编号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 (有有目目的的、有有意意)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、化化学学或或机械机械性能性能的的化学元素化学元素。（常用。（常用MM来表示）来表示）Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B和和RE等。等。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。带入钢中的化学元素。常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成，微量元素微量元素O、H、N等。等。与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关，如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素钢铁生产流程钢铁生产流程l注意注意:同同一一元元素素既既可可能能作作为为合合金金元元素素又又可可能能是是杂杂质质，若若属属于于前前者者，则则决决定定钢钢的的组组织织与与性性能能；若若属属于于后后者者，则影响钢的质量。则影响钢的质量。如如：当当H，S，P等等元元素素在在钢钢中中一一般般都都为为杂杂质质元元素素，但但当当其其作作为为合合金金元元素素时时：H储储氢氢合合金金；S易切削钢；易切削钢；P耐磨钢。耐磨钢。热脆性热脆性 S FeS（低熔点（低熔点989）；）；冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；（硬脆）；氢氢 脆脆 H 白点。白点。1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素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的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。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。1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素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,Ti,和和B B等，当其含量只等，当其含量只在在0.1%0.1%左右（如左右（如B 0.001%B 0.001%，V 0.2%V 0.2%）时，会）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称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。为微合金元素。l微合金钢微合金钢1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素二二.M.M分类及分类及Fe-MFe-M的类型的类型 1.合金元素的分类合金元素的分类 铁族金属铁族金属Co,Ni,Mn。难熔金属难熔金属W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属轻金属Ti,Al,Mg,Li 稀土金属稀土金属La，Ce和和Nd等等 贵金属元素贵金属元素Au,Ag 按按M与与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,Nb,V,Mo,W,Cr,Mn,Fe非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,Al纯铁的异构转变纯铁的异构转变 1538 1394 912 L -Fe -Fe -Fe bcc fcc bccANG纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 2.Fe基二元相图基二元相图 2.Fe基二元相图基二元相图 同素异型转变同素异型转变 A3（912）A4（1394）-Fe -Fe -Fev奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：在在-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,Ni,Co,C,N,Cu等。等。v铁素体形成元素：铁素体形成元素：在在-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：Cr、Mo、V，Nb,Ti 等。等。v 按照按照M对对Fe-M影响影响:l扩大扩大相区相区 使使A3降低，降低，A4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A3升高，升高，A4降低。一般为铁素体形成元素降低。一般为铁素体形成元素。2.Fe基二元相图基二元相图扩大扩大相区相区 分为两类：分为两类：1）开启）开启相区相区 Mn,Ni,Co 与与-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.Fe基二元相图基二元相图(a)Ni，Mn，Co 2）扩大）扩大相区相区 有有C，N，Cu等。如等。如Fe-C相图，形成的扩大的相图，形成的扩大的 相区，构成了钢的热处理的基础。相区，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 2.Fe基二元相图基二元相图(b)C，N，Cu 缩小缩小相区：也分为两类相区：也分为两类: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,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb。封闭封闭相区示意图相区示意图 2.Fe基二元相图基二元相图(c)Cr，V 2）缩小）缩小相区相区：Zr,Nb,Ta,B,S,Ce 等。等。2.Fe基二元相图基二元相图(d)Nb,B等等 l可以利用M扩大和缩小相区作用，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。l合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。3.生产中的意义生产中的意义三、三、M对对Fe-C相图的影响相图的影响？铁碳相图？铁碳相图三、三、M对对Fe-C相图的影响相图的影响 锰对奥氏体相区的影响锰对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响1.对对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向左下方移动；点向左下方移动；F形成元素使形成元素使S、E点向左上方移动；点向左上方移动；S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小；E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低。几乎所有合金元素均使几乎所有合金元素均使E点和点和S点左移，即这两点的含碳点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量低于量下降，使碳含量低于0.77%的合金钢出现过共析组织的合金钢出现过共析组织（如（如4Cr13）或碳含量低于）或碳含量低于2.11%的合金钢出现共晶组织，的合金钢出现共晶组织，称为莱式体钢，如称为莱式体钢，如W18Cr4V。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响合金元素对共析碳量的影响 2.对临界点的影响对临界点的影响主要内容主要内容u 钢中的合金元素及和铁的作用钢中的合金元素及和铁的作用u 合金钢中的相组成及相变合金钢中的相组成及相变u 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用u 合金钢中的相变合金钢中的相变u 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响u 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响u 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用u 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计u 钢的分类和编号钢的分类和编号1.2 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度-Fe7(1340)无无限限无无限限376100.20.020.1-Fe0.681.412.8*无无限限无无限限无无限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与注：有些元素的固溶度与C量有关量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么?（三个条件？）（三个条件？）简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 固溶体固溶体Solid solutionSolid solutionSolid solutionSolid solution合金中的合金中的相结构类型相结构类型中间相中间相Intermediate phaseIntermediate phaseIntermediate phaseIntermediate phase以以某某一一组组元元为为溶溶剂剂，在在其其晶晶体体点点阵阵中中溶溶入入其其他他组组元元原原子子所所形形成成的的均均匀匀混混合合的的固固态态溶溶体体，它它的的晶晶体体结结构构与与其溶剂相同。其溶剂相同。组组成成原原子子有有固固定定比比例例，其其结结构构与与组组成成组组元元均均不不相相同同的的相相，且且这这种种相相成成分分处处于于ABAB互互溶溶的的溶溶解解度度之之间间，即即落落在在相图的中间部位。相图的中间部位。1.2 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1、电子结构是、电子结构是3d层电子数；层电子数；2、原子半径是配位数、原子半径是配位数12的数值的数值 一、置换固溶体一、置换固溶体（1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%，可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；R 15%，形成，形成 有限有限 固溶；固溶；R 15%，溶解度极小。，溶解度极小。结结论论一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律，即即Hume-Rothery规律规律 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似。相同或相似。一、置换固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的。不同点阵结构，溶解度是不同的。如如-Fe与与-Fe。溶质原子大小：溶质原子大小：r，溶解度溶解度。N溶解度比溶解度比C大大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸变为最小。间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。二、间隙固溶体二、间隙固溶体二、间隙固溶体二、间隙固溶体三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 1.1.钢中常见的碳化物钢中常见的碳化物 碳化物类型、大小、形状和分布对钢的性能碳化物类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的影响。有很重要的影响。碳化物形成元素：碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由强到弱排列）由强到弱排列）非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵；M7C3：例例Cr7C3，复杂六方复杂六方；M23C6：例例Cr23C6，复杂立方复杂立方；M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方；MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属碳化物不是一种金属碳化物。复杂六方点阵复杂六方点阵。碳化物也有空位存在碳化物也有空位存在；可形成复合碳化物；可形成复合碳化物,如如(Cr,Fe,Mo，)7C3、(W,Mo,Fe)6C等。等。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M6C型不属于金属型的碳化物型不属于金属型的碳化物,复杂结构，复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 (Ti,Mo)C(Ti,Mo)C三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 Fig(a)(d)TEM images showing carbide particles formed at 925 for various holding time inTiMo micro-alloyed steel:(a)200s,(b)600s,(c)1800s and(d)3000s.(e)(h)TEM images showing carbide particles formed at 925 for various holding time in Ti micro-alloyed steel:(e)200s,(f)600s,(g)1800s and(h)3000s.三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 1 1）碳化物类型）碳化物类型 碳化物碳化物类型与类型与合金元素合金元素的原子半径有关。的原子半径有关。各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下：Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 2.2.碳化物形成的一般规律碳化物形成的一般规律三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K；rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、TiNb、Zr等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型。Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如如（Cr,M）23C6型型。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 2）相似者相溶）相似者相溶 完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电化学因素均相完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电化学因素均相似。似。如如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiC VC（有限）（有限）有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等。等。最大值为最大值为 20%Cr，2%W，0.5%V；MC型不溶入型不溶入Fe，但可溶入少量但可溶入少量W、Mo。溶入强者溶入强者,使使K稳定性提高稳定性提高;溶入弱者溶入弱者,使使K稳定性下降稳定性下降三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 3 3）强者先，依次成）强者先，依次成 碳化物形成元素中，强者优先与碳化物形成元素中，强者优先与C结合，随结合，随C，依次形成碳化物依次形成碳化物。如：在含如：在含Cr、W钢中，随钢中，随C，依次形成依次形成W6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果钢中如果钢中C量有限，则弱的量有限，则弱的K形成元素溶入固形成元素溶入固溶体。如：在低碳含溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分的钢中，大部分Cr都都在基体固溶体中。在基体固溶体中。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 4）NM/NC比值决定了碳比值决定了碳化物类型化物类型 形成什么碳化物主要决定于当时的形成什么碳化物主要决定于当时的NM/NC比值。比值。退火态退火态:在在Cr钢中，随钢中，随NM/NC，先后形先后形 成顺序为：成顺序为：M3CM7C3M23C6。回火态回火态:基体中的基体中的NM/NC，则析出的则析出的K中中 NM/NC也也。如。如W钢回火时，析出顺序为：钢回火时，析出顺序为：Fe21W2C6 WC Fe4W2C W2C，NW/NC 是不断是不断。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 5 5）强者稳，溶解难，）强者稳，溶解难，析出难，析出难，聚集长大也是难聚集长大也是难 MC型在型在1000以上才开始溶解；回火时，以上才开始溶解；回火时，在在500700才析出，并且不易长大，产生才析出，并且不易长大，产生“二二次硬化次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。化方法。三、碳（氮）化物三、碳（氮）化物 3.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 合金钢中由于合金钢中由于M之间以及之间以及M与与Fe之间产生相互作之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。保持金属的特用，可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。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（AB）拉夫斯相（拉夫斯相（AB2）有序相（有序相（AB3）v 相相 在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐热合金中，都会出现及耐热合金中，都会出现相相，伴随着，伴随着相的析出，相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。如如Cr-Mn、Cr-Co、Mo-Mn等。等。v AB2 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，均存在均存在AB2相，强化相。相，强化相。如（如（W,Mo,Nb）（）（Fe,Ni,Mn,Cr）2 其其组组元元A的的原原子子直直径径和和第第二二组组元元B的的原原子子直直径径之之比比为为1.2/1。四、金属间化合物四、金属间化合物Phase Chemical formulaStructure Temperature range of formation()Space groupLattice parameter(nm)bcc300-525Im3m0.286-0.288Fe7Mo13N4Cubic 550-600P4132 0.647RFe-Cr-MoTrigonal 550-600R3a=1.0939c=1.934GTi6Ni12Si10fcc 400，Me开开始重新分布。非碳化物形成元素仍在基体中，碳化物形始重新分布。非碳化物形成元素仍在基体中，碳化物形成元素逐步进入析出的碳化物中，其程度决定于回火温成元素逐步进入析出的碳化物中，其程度决定于回火温度和时间。度和时间。一、合金元素在钢中的分布一、合金元素在钢中的分布 二、二、Me的偏聚的偏聚（segregation ）偏聚偏聚现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为内吸附现象。这种现象也称为内吸附现象。偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关都与此有关.Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；Me+：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；Me+：溶质原子在螺位错吸附形成溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团。气团。偏聚偏聚机理机理 溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；子容易存在；能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。能量的方向发生。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。二、二、Me的偏聚的偏聚（segregation ）影响影响因素因素 缺陷处缺陷处溶质浓度溶质浓度 温度温度T：T，内吸附强烈；内吸附强烈；时间时间t：偏聚需要原子扩散偏聚需要原子扩散需要一定时间；需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈，吸附也越强烈;其它元素：其它元素：间接作用间接作用:优先吸附问题优先吸附问题,B与与C 直接作用直接作用:影响吸附元素的扩散系数影响吸附元素的扩散系数D,Mn DP，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；扩散加快，促进了钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：点阵类型：bcc点阵内吸附较点阵内吸附较fcc强烈强烈二、二、Me的偏聚的偏聚（segregation ）主要内容主要内容u 钢中的合金元素及和铁的作用钢中的合金元素及和铁的作用u 合金钢中的相组成及相变合金钢中的相组成及相变u 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用u 合金钢中的相变合金钢中的相变u 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响u 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响u 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用u 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计u 钢的分类和编号钢的分类和编号1.4 1.4 合金钢中的相变合金钢中的相变一、合金钢的加热一、合金钢的加热A A化化 1.1.碳（氮）化物在碳（氮）化物在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律 1）碳（氮）化物稳定性越好，溶解度就越小；）碳（氮）化物稳定性越好，溶解度就越小；2）温度）温度，溶解度，溶解度，沉淀析出；沉淀析出；4）碳（氮）稳定差的先溶解）碳（氮）稳定差的先溶解;3）A中有弱碳（氮）形成元素，则会中有弱碳（氮）形成元素，则会C 活度活度ac，碳（氮）的溶解；非碳（氮）形成元素碳（氮）的溶解；非碳（氮）形成元素（如（如Ni）则相则相 反反,ac，碳（氮）的溶解。如：较多碳（氮）的溶解。如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 1.1.碳（氮）化物在碳（氮）化物在A A中的溶解规律中的溶解规律 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的。的分布是不均匀的。合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别?2.2.合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对碳化物的稳定性及碳在合金元素对碳化物的稳定性及碳在A中的扩散的影响中的扩散的影响，直接控制着，直接控制着A的形成速度。的形成速度。K形成元素，提高形成元素，提高C在在A中的扩散激活能（中的扩散激活能（Q），一定程度），一定程度阻碍阻碍A形成；非形成；非K形成元素（形成元素（Ni、Co）降低）降低Q，加速，加速A形成形成2.2.合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对奥氏体形成的影响 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大。晶粒长大。2）C、N、B、P晶粒长大。晶粒长大。3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大。4）Mn在低碳钢中有细化晶粒的作用（细化在低碳钢中有细化晶粒的作用（细化P），在中碳以上的钢中可促进晶粒长大。，在中碳以上的钢中可促进晶粒长大。5）Al、Si量少时，如果以化合物形式存在，则量少时，如果以化合物形式存在，则 阻止奥氏体晶粒长大；含量大时，存在于阻止奥氏体晶粒长大；含量大时，存在于 固溶体中，则促进高温固溶体中，则促进高温晶粒长大。晶粒长大。3.3.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 影响碳在影响碳在A A中的扩散速度中的扩散速度 碳化物形成元素碳化物形成元素(如如CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等等)大大减小了大大减小了碳在碳在A A中的扩散速度，故显著减慢了中的扩散速度，故显著减慢了A A的形成速度。的形成速度。非碳化物形成元素非碳化物形成元素(如如CoCo、NiNi等等)能增加碳在能增加碳在A A中的扩散中的扩散速度，因而，加快了速度，因而，加快了A A的形成速度。的形成速度。而而Si Si、A1A1、MnMn等元素对碳在等元素对碳在A A中的扩散速度影响不大，中的扩散速度影响不大，故对故对A A形成速度无明显影响。形成速度无明显影响。3.3.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 改变钢的临界温度改变钢的临界温度 改变了改变了A A转变时的过热度，从而改变了转变时的过热度，从而改变了A A与与P P的自由能差，的自由能差，因此改变了因此改变了A A的形成速度。的形成速度。如如NiNi、MnMn、CuCu等降低等降低A A1 1点，相对增大过热度，将增大点，相对增大过热度，将增大A A的形成速度。的形成速度。CrCr、MoMo、WW、V V、Si Si等提高等提高A A1 1点，相对地降低过热度，点，相对地降低过热度，将减慢将减慢A A的形成速度。的形成速度。3.3.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 在在F F和和CmCm中分布不均匀中分布不均匀 平衡组织中，平衡组织中，CrCr、MoMo、WW、V V、Ti Ti等主要集中于碳化物等主要集中于碳化物中，而中，而NiNi、Si Si、AlAl等非碳化物形成元素主要存在于等非碳化物形成元素主要存在于F F中。中。奥氏体化后，碳与合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，奥氏体化后，碳与合金元素在钢中分布仍是极不均匀的，因此，合金钢的因此，合金钢的A A均匀化过程，除了碳在均匀化过程，除了碳在A A中的均匀化外，还中的均匀化外，还包括了合金元素的均匀化。包括了合金元素的均匀化。相同条件下，合金元素在相同条件下，合金元素在A A中的扩散速度比碳的扩散速度中的扩散速度比碳的扩散速度慢慢10103 3-10-104 4倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，倍。同时碳化物形成元素强烈阻碍碳的扩散，因此，合金钢合金钢A A化要比碳钢缓慢得多。化要比碳钢缓慢得多。合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需合金钢热处理时，加热温度要比碳钢高，保温时间也需要延长。特别是高合金钢，如要延长。特别是高合金钢，如W18Cr4VW18Cr4V高速钢的淬火温度需高速钢的淬火温度需要提高到要提高到1270127012801280，超过，超过A Aclcl(820-840)(820-840)数百度。数百度。3.3.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二、过冷合金奥氏体的二、过冷合金奥氏体的分解分解1.1.过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性临界温度临界温度时时 间间温温 度度保保 温温加加热热连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却 将将A A状状态态的的钢钢冷冷却却到到A A1 1温温度度以以下下，由由于于在在此此温温度度下下A A的的自自由由能能比比F F与与渗渗碳碳体体两两相相混混合合物物的的自自由由能能高高，因因此此A A将将发发生生分分解解，向向P P或或其其它它组组织织转转变变，在在临临界界温温度度A A1 1以下处于不稳定状态的以下处于不稳定状态的A A称为过冷称为过冷A A。1.1.过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持碳钢的大致保持碳钢的“C”线形状，使线形状，使“C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动；2）Co不改变不改变“C”线，但使线，但使“C”线左移；线左移；3）碳化物形成元素，使）碳化物形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。二、过冷合金奥氏体的二、过冷合金奥氏体的分解分解1.1.过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性1.1.过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性只只有有一一个个过过冷冷合合金金A最最不不稳稳定的鼻子区定的鼻子区出出现现两两个个个个过过冷冷合合金金A最最不不稳定的鼻子区稳定的鼻子区只有只有P转变区转变区只有只有B转变区转变区无无P、B转变区转变区Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。曲线出现不同形状，大致有五种。常用合金元素对奥氏体等常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响温转变曲线的影响 (上左上左)强强K形成元素形成元素 (上右上右)中、弱中、弱K形成元素形成元素(下左下左)非非K形成元素形成元素 1.1.过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性2.合金元素对合金元素对P的转变的转变 珠光体珠光体P转变转变 是过冷是过冷A在在A1以下较高温度内进行的以下较高温度内进行的转变，是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相转变，是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程。因此的机械混合物的相变过程。因此P转变必然发生碳的转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组。属扩散型相变。重新分布和铁的晶格改组。属扩散型相变。Fe3C6.69复杂晶格复杂晶格-Fe0.0218bcc-Fe0.77fcc+cdfe2.2.合金元素对合金元素对P P的转变的转变 P转变转变：需要：需要C和和Me都扩散都扩散。QMeQC 碳化物形成元素扩散是碳化物形成元素扩散是P转变时碳化物形核的控转变时碳化物形核的控制因素。制因素。除除Co外的合金元素总是不同程度地推迟外的合金元素总是不同程度地推迟P转变：转变：综合影响顺序综合影响顺序(作用递减作用递减)：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si、V。P转变过程转变过程：1）孕育期、）孕育期、2）碳化物形核长大、）碳化物形核长大、3）相形核长大（）相形核长大（）3.3.合金元素对合金元素对B B的转变的转变 贝贝 氏氏 体体：含含碳碳过过饱饱和和的的铁铁素素体体和和碳碳化化物物组组成成的的机机械械混混合物。合物。转变温度：中温转变温度：中温550MS 转转变变特特点点：既既具具有有珠珠光光体体转转变变又又具具有有马马氏氏体体转转变变的的某某些些特特征征。转转变变过过程程中中，不不发发生生铁铁原原子子的的扩扩散散，奥奥氏氏体体向向铁铁素素体体的的晶晶格格改改组组依依靠靠切切变变方方式式进进行行，并并通通过过碳碳原原子子的的扩扩散散进进行行碳碳化化物物的的沉沉淀淀析析出出。因因此此，贝贝氏氏体体转转变变是是碳碳原原子子扩扩散散而而铁原子不扩散的半扩散型相变。铁原子不扩散的半扩散型相变。贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种转变，又称为中温转变。转变，又称为中温转变。3.3.合金元素对合金元素对B B的转变的转变 贝氏体转变贝氏体转变 是一种半扩散型相变：是一种半扩散型相变：C原子作短原子作短程扩散，程扩散，Me几乎没有扩散。几乎没有扩散。合金元素通过对合金元素通过对B转变过程和转变过程和C原子扩散的影响原子扩散的影响而起作用：而起作用：对对Bs的影响：的影响：C、Mn、Ni、Cr、V等都降低等都降低Bs 对对B转变动力学影响：增长转变孕育期，减慢长转变动力学影响：增长转变孕育期，减慢长大速度。大速度。影响顺序影响顺序(作用递减作用递减)：Mn、Cr、Ni、Si，而而W、Mo、V等影响很小。等影响很小。3.3.合金元素对合金元素对B B的转变的转变思考题：思考题：W、Mo等元素对贝氏体转变等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解迟作用大，如何理解?对一般结构钢的成分设计时，对一般结构钢的成分设计时，要考虑其要考虑其MS点不能太低，为什么点不能太低，为什么?4.合金元素对合金元素对M的转变的转变转变产物：转变产物：M(Martensite)组织。组织。马马 氏氏 体：碳在体：碳在-Fe中过饱和固溶体。中过饱和固溶体。具有很高的强度和硬度。具有很高的强度和硬度。强化金属的重要手段之一。强化金属的重要手段之一。转变温度：低温（转变温度：低温（MS点以下）。点以下）。转变特点：转变特点：Fe、C原子都不能进行扩散，原子都不能进行扩散，Fe的晶格改组，通过切变方式完成。的晶格改组，通过切变方式完成。典型的非扩散型相变，形核和长大速典型的非扩散型相变，形核和长大速 度极快。度极快。合金元素对M转变动力学影响小，其作用表现在对Ms、Mf的影响，并影响钢中的残A量及M精细结构。绝大多数合金元素（除绝大多数合金元素（除Co、Al）降低）降低Ms点，其作用按递减点，其作用按递减顺序排列为：（顺序排列为：（C）、）、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si 4.合金元素对合金元素对M的转变的转变碳碳0.2%几乎全部形成板条马氏体几乎全部形成板条马氏体碳碳1.0%只形成片只形成片状马氏体状马氏体合金元素合金元素(除除Co、Al)使使MS，促进片状马氏体的形成。，促进片状马氏体的形成。碳钢随碳量碳钢随碳量，板条马氏体数量，板条马氏体数量，片状马氏体数量，片状马氏体数量。4.合金元素对合金元素对M的转变的转变金相显微组织金相显微组织电子显微组织电子显微组织板条板条M低碳低碳M位错位错M片条片条M高碳高碳M孪晶孪晶M三、合金钢的回火转变三、合金钢的回火转变1.1.合金元素对合金元素对MM分解的影响分解的影响低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不同程度影响同程度影响:1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小；2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们与分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关。这些的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了渗碳体阻止了渗碳体的析出长大；的析出长大；1.合金元素对合金元素对M分解分解的影响的影响 3）Si比较特殊