金属材料合金化原理.ppt

奥氏体的形核,奥氏体的长大,渗碳体的溶解,奥氏体成分均匀化,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.3 合金元素对钢的组织转变的影响,1.3.1 AE对钢加热时奥氏体形成过程的影响,1. AE对奥氏体形成速度的影响 非碳化物形成元素 Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度 Si、Al、Mn对奥氏体的形成速度影响不大。 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，减慢了奥氏体的形成速度。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,碳化物的分解 稳定性高的碳化物，难溶入奥氏体中。 奥氏体的成分均匀化 奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散。,图1-10 碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,4,2.AE对奥氏体晶粒长大倾向的影响,Chapter 1 金属材料的合金化原理,碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。, C、N、B、P等元素促进奥氏体晶粒的长大。晶界偏聚和降低晶界铁原子间的结合力。,Mn在低碳钢中可以细化珠光体组织，也可以细化奥氏体晶粒。在中碳以上钢中，Mn加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作用。 Cr对奥氏体晶粒有细化作用。,5,Al和Si含量极少时，仅以高熔点AlN、Al2O3的非金属夹杂物形式存在，可以阻止奥氏体晶粒粗化，如下图所示。但当含量足够高，作为合金元素溶入固溶体时，可以使钢在高温时也为相，促进相的晶粒粗化。 Ni、Cu、Co等非碳 化物形成元素，对奥氏体 晶粒的长大影响不大。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,标准晶粒度等级示意图,14级为本质粗晶粒钢 58级为本质细晶粒钢,Chapter 1 金属材料的合金化原理,7,总 之 合金元素对奥氏体晶粒长大主要从三个方面起作用： 第一，当合金元素形成未溶、处于晶界上高度弥散的质点，对奥氏体晶粒的粗化起到阻碍作用。 第二，合金元素溶入奥氏体中时，可以改变奥氏体的晶界能，因而会改变奥氏体的长大倾向。 第三，合金元素溶入奥氏体中可以改变原子间的结合强度，引起激活能和铁自扩散系数的变化，从而影响奥氏体晶粒的长大。 因此，应从以上三个方面综合考虑。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,8,1.3.2 AE对钢的过冷奥氏体分解转变的影响,Chapter 1 金属材料的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,强K形成元素,中、弱K形成元素,9,1. AE对过冷奥氏体稳定性的影响 （C曲线） 非碳化物形成元素（Ni、Al、Si、Cu、Co），C曲线仍保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。Ni、Si、Cu使转变孕育期变长，即C曲线右移。Al、Co则相反，使C曲线左移。 碳化物形成元素（Cr、M、W、V）等，不仅使C曲线的位置移动，而且也使C曲线的形状改变，出现两个鼻温，甚至使珠光体区域和贝氏体区域完全分开，出现一个过冷奥氏体极端稳定的区间。,对高温转变（珠光体转变）的影响； 对中温转变（贝氏体转变）的影响； 对低温转变（马氏体转变）的影响。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,10,2. AE对高温转变（珠光体转变）的影响,（1）合金元素对珠光体转变的综合作用,强碳化物Ti、Nb、V 推迟碳化物的形核和长大。 中强碳化物形成元素W、Mo、Cr推迟碳化物形核和长大，还通过增加固溶体原子间结合力、降低铁原子的自扩散而减慢转变。 弱碳化物形成元素Mn推迟珠光体转变时合金渗碳体的形核和长大，同时Mn又是扩大相区的元素，起稳定奥氏体并强烈推迟转变的作用。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,非碳化物形成元素Ni、Co Ni是开启相区并稳定奥氏体的元素，增加相的形核功，降低转变温度。Co由于促进铁的扩散，因而增加相长大速度。,(2) AE对珠光体转变(淬透性)的影响 除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。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。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度及其可能的溶解量。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的C曲线。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,合金元素还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,3. 对中温转变（贝氏体转变）的影响,合金元素的作用表现在对马氏体点MsMf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。 除Co、Al以外， 绝大多数合金元 素都使Ms和Mf 下降,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,4. 对低温转变（马氏体转变）的影响,合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响残余奥氏体量过高（有时达30%-40%）时，钢的硬度降低，疲劳抗力下降。 对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度下（ Ms点远低于室温或零下）获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要进行附加的处理： 冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70的低温。 多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的Ms、Mf点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构。Fe-C系合金分界温度约为200 当Ms点温度较高时，由于滑移的临界分切应力较低，在Ms点以下形成位错结构的马氏体； 在Ms点温度较低时，孪生分切应力低于滑移临界分切应力，则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,一般钢中碳或氮w(C)0.2的钢都是位错马氏体，w(C)0.6的钢为孪晶马氏体。合金元素如锰、铬、镍、钼或钴都使Ms和Mf下降，增加形成孪晶马氏体倾向。,5合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具体为 （1）AE对马氏体分解的影响 （2）AE对残余奥氏体转变的影响 （3）AE对碳化物的形成、聚集和长大的影响 （4）AE对铁素体回复再结晶的影响 （5）AE对回火脆性的影响,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（1）AE对马氏体分解的影响 M在发生第二阶段分解时，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等对碳有较强的亲和力，溶于M中的碳化物形成元素阻碍碳从M中析出，因而使M分解的第二阶段减慢。 在碳钢中，实际上所有的碳从M的析出温度都在250350左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度（400500），其中V、Nb的作用比Cr、W、Mo更强烈。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,图1-17质量分数分别为0.3C、2.1V钒钢1250淬火 不同温度回火2小时碳化物成分、结构和硬度的变化,1.2 钢的合金化原理,低于500钒仍固溶于马氏体，强烈阻碍马氏体分解，只有40的碳以Fe3C析出，大部分碳仍保留在马氏体基体中。 高于500，直接从马氏体基体相中析出VC，VC形核的有利位置是位错。VC的形状呈细片状，约1nm厚，与基体保持共格。VC不断析出，同时Fe、C逐渐溶解。 直到700，VC已全部析出，Fe3C全部溶解。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（2）AE对A残转变的影响 Me大都使A残的分解温度向高温方向推移。其中尤以Cr、Mn、Si的作用最为显著。 在含有较多的W、Mo、V等合金元素的高合金钢中（如高速钢），由于A残在回火过程中析出碳化物，造成A残中的碳及合金元素贫化，使其Ms点高于室温，因而在冷却过程中转变为M。通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为二次淬火。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（3）AE对碳化物的形成、聚集和长大的影响 AE对-碳化物的形成没有影响。随着回火温度的升高，碳钢中-碳化物于200转变为渗碳体，合金元素中Cr、Si和Al推迟这一转变，使转变温度升高。 对于合金渗碳体的聚集长大，Ni没有影响，而Si和V、W、Mo、Cr则对其聚集长大过程起阻碍作用。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,在含W、Mo、V较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调降低，而是在某一回火温度后，硬度反而增加，并在某一温度（一般为550左右）达到峰值。这种在一定回火温度下硬度出现峰值的现象称为二次硬化。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,产生二次硬化的原因： 一方面是由于高温回火时从M中析出的高度分散的合金碳化物粒子所造成的。这类碳化物粒子在高温下非常稳定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度；这是造成二次硬化的主要原因。 另一方面是二次淬火造成的。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,图1-18 钒钢（0.32C,1.36V）、 钼钢（0.11C,2.14Mo）和 铬钢（0.19C,2.91Cr）回火时的二次硬化,在高温下工作的钢，特别是高速切削工具及热变形模具用钢，二次硬化现象对需要较高红硬性的工模具钢是极为重要的。必须指出的是，不同碳化物所引起的二次硬化效果也不同（图1-18）。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,（4）AE对铁素体回复再结晶的影响 大多数AE延缓相回复与再结晶过程，其中 Co、Mo、W、Cr、V显著提高相的再结晶温度； Si、Mn的影响次之； Ni的影响较小。 在碳钢中，相高于400开始回复，500开始再结晶。当往钢中加入Co（wCo=2%）时，可将相的再结晶温度升高到630。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,提高相的再结晶温度的机理是这些合金元素增加固溶体中原子间的结合力或这些合金元素的碳化物钉扎位错。 几种合金元素的综合作用可以更显著地提高再结晶温度，大大减缓高温回火软化进程。,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,（5）AE对回火脆性的影响 淬火钢在一定温度范围内回火时，表现出明显的脆化现象，这种现象就是回火脆性。 第一类回火脆性（ 250400），这类回火脆性是和低温回火时碳化物析出形态不良有关，是一种不可逆回火脆性，不可能用热处理和合金化的方法消除，只能避开。 但Mo、W、V、Al等元素可稍微减弱这类回火脆性；而Mn、Cr则促进这类回火脆性的发展。加入Si、Cr等可使这类回火脆性的温度向高温方向推移。,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,第二类回火脆性（450600），主要与某些杂质