钢中的相组成

钢中的相组成钢中可能存在的相铁素体奥氏体马氏体Fe3CTiC、W2C、Cr7C3TiN、CrNη、σ、μ氧化物、硫化物、硒化物等铁基固溶体§2.1碳化物和氮化物§2.2中间相§2.3非金属夹杂§2.4第2页,共38页，2024年2月25日，星期天铁素体：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，呈体心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。铁素体的显微组织为多边形晶粒。铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。第3页,共38页，2024年2月25日，星期天奥氏体：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（晶粒中平行的直线条）。第4页,共38页，2024年2月25日，星期天渗碳体：是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，渗碳体其力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。第5页,共38页，2024年2月25日，星期天珠光体：是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示，珠光体是奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，碳质量分数平均Wc=0.77%。显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，高碳钢经球化退火后也可获得球状珠光体。珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。片状珠光体球状珠光体第6页,共38页，2024年2月25日，星期天莱氏体：是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体是碳的质量分数Wc=4.3%的铁碳合金冷却到1148℃时共晶转变的产物，存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示，存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号“Ldˊ”表示。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。莱氏体的组织特征是，在白亮色铁素体基体上均匀分布着许多黑点（块）状或条状珠光体第7页,共38页，2024年2月25日，星期天马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。马氏体的密度低于奥氏体，所以转变后体积会膨胀。板条状马氏体是低碳钢,其单元立体形状为板条状。它的亚结构主要是由高密度的位错组成，所以又称位错马氏体。片状马氏体则常见于高，中碳钢，每个马氏体晶体的厚度与径向尺寸相比很小其断面形状呈针片状，故称片状马氏体或针状马氏体.其亚结构主要为细小孪晶,所以又称为孪晶马氏体.第8页,共38页，2024年2月25日，星期天§2.1铁基固溶体问题：钢中的固溶体有哪些？第9页,共38页，2024年2月25日，星期天按基体的不同γ基（奥氏体基体）-FCCα基（铁素体基体）-BCC按溶质原子所处的位置置换式固溶体（原子处于Fe的阵点位置）间隙式固溶体（原子处于Fe的点阵间隙位置）第10页,共38页，2024年2月25日，星期天一、铁基置换固溶体的形成规律元素在置换式固溶体中的溶解条件：点阵类型：点阵相同，溶解度大尺寸因素：原子半径越接近，溶解度大

rMe-rFe/rFe<8%无限固溶

8~10%有限溶解

>15%很难溶解电子结构：即在元素周期表中的位置与铁相差多远与其在周期表中的位置有关第11页,共38页，2024年2月25日，星期天ⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPdBiPo①、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γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②、Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如

α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③、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。第12页,共38页，2024年2月25日，星期天二、间隙固溶体的形成规律解决两个问题：溶质原子的溶解度溶质原子的位置四面体间隙还是八面体间隙第13页,共38页，2024年2月25日，星期天1、溶质原子的溶解度规律a、间隙固溶体都是有限固溶体，它保持着溶剂金属的晶体点阵。b、间隙固溶体中溶质的溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙原子的尺寸大小c、钢常见的间隙原子有B、C、N、O和H。原子半径减小在钢中的溶解度增加d、同一间隙原子(如C）在γ－Fe

中比在α-Fe中具有更大溶解度（为什么？）第14页,共38页，2024年2月25日，星期天2、溶质原子的位置

对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。

对α-Fe，间隙原子优先占据的位置也是八面体间隙。在面心立方(a,b)和在体心立方(c,d)点阵中的四面体间隙(a,c)与八面体间隙(b,d)第15页,共38页，2024年2月25日，星期天§2.2碳化物与氮化物这一节要解决的问题有两个：1、碳化物与氮化物的一般规律：稳定性规律和结构规律2、钢中常见的碳化物和氮化物第16页,共38页，2024年2月25日，星期天一、碳化物与氮化物的一般规律1、稳定性规律NaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSKCaSeTi

V

Cr

Mn

FeCo

Ni

Cu

ZnGaGeAsSePbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTiPdBiPo元素周期表关于元素活性的一般规律：①、越往左的元素（族数的降低），金属性（还原性）越强，约容易失去电子成为阳离子②、越往下的元素（周期数的增加），金属性（还原性）越强，约容易失去电子成为阳离子第17页,共38页，2024年2月25日，星期天钢中的主体元素是：钢中的主要相组成是：Fe、CFe基固溶体和Fe3C若钢中含有在Fe左下边的元素会怎么样？这些元素会取代Fe3C中Fe元素，形成相应的碳化物，并且得到的相应碳化物的稳定性比Fe3C的更稳定，而且元素越往左，得到的碳化物的稳定性越高；元素越往下，得到的碳化物的稳定性亦越高。对氮化物亦然。——钢中碳化物和氮化物稳定性一般规律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第18页,共38页，2024年2月25日，星期天铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；钨、钼、铬是中强碳化物形成元素；锰、铁是弱碳化物形成元素合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关：强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低；弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。第19页,共38页，2024年2月25日，星期天2、钢中碳化物和氮化物的结构性规律①，所有情况下氮化物和碳化物的晶体点阵，均不同于相应的过渡族金属晶体点阵；②，沿周期自左向右（即随族数的增大），发生从体心立方到面心立方或密排六方点阵的过渡；③，第ⅣB和第ⅤB的MC型(如VC,TiC)等具有NaCI型面心立方点阵；④，第VI的M2C型，如W2C，Mo2C具有复杂六方点阵；第20页,共38页，2024年2月25日，星期天二、各类碳化物1、简单点阵类型（ⅣB和第ⅤB的MC型）碳化物和氮化物a，结构特征：金属原子以面心立方结构的方式排列，较小的C或N原子占据所有可以利用的八面体间隙，形成NaCl型的晶体结构。b，特殊性：不是所有的八面体间隙都被间隙原子占据，其中存在间隙空位。故其化学式的一般形式是MCx（x≤1，对碳化物，例如V4C3，就是x＝3/4=0.75；而对氮化物，由于N原子半径小，故可以进入四面体间隙，MNx中的x可能会大于或等于1）第21页,共38页，2024年2月25日，星期天2、复杂点阵类型（Ⅵ～ⅧB族）碳化物和氮化物a，W、Mo的M2C型和MC型：

M2C型的W2C和Mo2C具有复杂六方点阵，而WC和MoC具有简单六方点阵b，Cr7C3等：具有复杂六方点阵，单胞80个原子，一般出现在含Cr为3～4%的结构钢，Cr可以被Fe原子取代，得到Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3，常用(Cr,Fe)7C3或M7C3表示；第22页,共38页，2024年2月25日，星期天c，Cr23C6型的M23C6：出现在含大于Cr为5～8%的高合金钢，晶体结构为复杂立方，单胞原子数为116个。稳定性较Cr7C3高。Cr原子可以部分被Fe、W、Mo取代。但是W、Mo

在其中的最大含量只能是取代92个金属原子中的8个。常用M23C6或(Fe,Cr)23C6表示d，Fe2Mo4C，Fe4Mo2C等的M6C型：W、Mo在Cr23C6单胞中数量大于8后，M23C6向M6C转化，具有复杂立方点阵，单胞原子数112个，是复合碳化物。因W，Mo含量高，其稳定性高于Cr23C6.第23页,共38页，2024年2月25日，星期天e，渗碳体（正交点阵）M3C型：Fe3C，(FeCr)3C，(FeMn)3C等，单胞原子数16，①，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。其中Mn可以在渗碳体中无限溶解，得到(FeMn)3C；Cr的溶解度为20%，Mo在其中的溶解度较低；V、Nb、Zr、Ti几乎不溶其中。说明：②，碳化物形成元素的合金元素溶入渗碳体，提高渗碳体的稳定性，一般而言，越能形成稳定碳化物的元素溶入渗碳体，越提高渗碳体的稳定性（对其它合金碳化物亦适应），但是，Mo除外（Mo溶入渗碳体降低其稳定性）第24页,共38页，2024年2月25日，星期天对碳化物和氮化物的补充说明：①，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：（弱－强）

M3C，M7C3，M6C，M2C，MC②，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。提高钢的回火稳定性和回火抗力③，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.有利于组织稳定，提高高温力学性能，高温用钢的合金化元素④，钢中的碳化物和氮化物是这门课程的重点，贯穿整个课程，必须掌握和很好理解与运用第25页,共38页，2024年2月25日，星期天钢中常见的碳化物(K)(数字表示稳定性,越小越高)M3C:渗碳体,正交点阵(6)M7C3:例Cr7C3,复杂六方(4)M23C6:例Cr23C6,复杂立方(5)M2C:例Mo2C,W2C,密排六方(2)MC:例VC,TiC,简单面心立方点阵(1)M6C:不是一种金属碳化物,复杂六方点阵(3)第26页,共38页，2024年2月25日，星期天合金元素与钢中碳相互作用的实际意义直接影响钢的性能强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性、耐蚀性、热处理过程中奥氏体稳定性和奥氏体晶粒大小等。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则无此作用，而促进碳的扩散（Co特别显著）。第27页,共38页，2024年2月25日，星期天作业：比较下列碳化物的稳定性，并进行排序。MC、溶有V的M2C、M2C、M6C、Cr23C6、Fe3C、Cr7C3、溶有Mn的Fe3C、(Fe、Mo)3C。其中的M表示能与C形成对应碳化物的合金元素第28页,共38页，2024年2月25日，星期天§2.3金属间化合物金属间化合物有哪些，有什么性能？

所谓金属间化合物，是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子的排列遵循某种高度有序化的规律。第29页,共38页，2024年2月25日，星期天

钢中的过渡族金属元素之间形成一系列金属间化合物，即是指金属与金属、金属与准金属形成的化合物。其中最主要的有σ相(如Fe-Cr,Fe-Cr-Mn系)和Lσves相(如MnCu2,MoFe2)，它们都属于拓扑密排(TcP)相，它们由原子半径小的一种原子构成密堆层，其中镶嵌有原子半径大的一种原子，这是一种高度密堆的结构。它们的形成除了原子尺寸因素起作用外，也受电子浓度因素的影响。当它以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整体强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增强，这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。第30页,共38页，2024年2月25日，星期天1、钢中常见的金属间化合物有：σ相、η相(拉弗斯)相和B3A型密排有序结构(例如Ni3Al）NaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTiVCrMn

FeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn2、长周期以Mn为界，Mn左边的元素易与右边的元素因原子半径、电负性的原因形成金属间化合物(如TiAl)。第31页,共38页，2024年2月25日，星期天应用与前景目前已有约300种金属间化合物可用，除了作为高温结构材料以外，金属间化合物的其他功能也被相继开发，稀土化合物永磁材料、储氢材料、超磁致伸缩材料、功能敏感材料等相继汹涌而来。金属间化合物材料的应用，极大地促进了当代高新技术的进步与发展，促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化，促进了新一代元器件的出现。金属间化合物这一“高温英雄”最大的用武之地是将会在航空航天领域，如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景。第32页,共38页，2024年2月25日，星期天§2.4非金属夹杂定义：Fe及合金元素生成的氧化物、硫化物、硅酸盐等一般都不具有金属性或金属性极弱；另外，正常金属的碳化物、氮化物也不具有金属性。这些非金属相统称为非金属夹杂。第33页,共38页，2024年2月25日，星期天1、简单氧化物FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等2、复杂氧化物MgO与Al2O3；MnO与Al2O3一、氧化物钢中氧化物夹杂*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第34页,共38页，2024年