《钢的合金化基础》PPT课件

1 第一章钢的合金化基础 2 主要内容 0 前言1 钢中合金元素及其分类依据2 合金元素对钢的作用3 钢的强化机制4 改善钢塑性和韧性的途径5 合金元素对钢相变的影响6 钢的冶金质量 3 0前言 合金化 加入适当元素改变金属性能的方法 合金元素 合金钢 主要元素 Cr Ni Mo W V常存元素 Mn Si 注意 合金元素不一定直接影响钢性能 大部分是由于影响相变过程 4 1 钢中合金元素及其分类依据 一 合金元素在钢中的分布第二周期 B C N 第三周期 Al Si第四周期 Ti V Cr Mn Co Ni Cu 第五周期 Zr Nb Mo第六周期 W第七周期 稀土元素 TaS P一般为杂质元素 5 1 钢中合金元素及其分类依据 一 合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式 溶于钢中或形成新相 主要包括 溶于铁素体 奥氏体或马氏体中 形成固溶体 溶入基体形成强化相 形成碳化物或金属间化合物 强化相形成非金属夹杂物 氧化物 氮化物或硫化物等 第二相以游离状态存在 单质取决于种类特点 含量 冶炼方法及热处理工艺等 6 1 钢中合金元素及其分类依据 二 合金元素的分类1 与铁的相互作用 1 奥氏体 austenite 形成元素 C N Mn Cu Ni Co W等 优先分布于奥氏体中 奥氏体形成能力 Ni 30C 30N 0 5Mn 0 25Cu 2 铁素体 ferrite 形成元素 Cr V Si Al Ti Mo W等 优先分布于铁素体中 7 1 钢中合金元素及其分类依据 二 合金元素的分类2 与碳的相互作用 1 非碳化物形成元素 Al Si Cu Ni P等 易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂 2 碳化物形成元素 Cr V Ti Mo Zr Nb等 形成碳化物或溶于固溶体中 8 1 钢中合金元素及其分类依据 二 合金元素的分类3 对奥氏体层错能的影响分类 1 提高奥氏体层错能的元素 Cu Ni C等 2 降低奥氏体层错能的元素 Mn Cr Ru 钌 Ir 铱 等 层错是一种晶体缺陷 它破坏了晶体排列的周期性 引起能量升高 产生单位面积的层错所需能量为 层错能 层错能愈小 出现层错的几率愈大 9 2 合金元素对钢的作用 一 合金元素与铁的相互作用二 合金元素与碳的相互作用三 合金元素对奥氏体层错能的影响 10 2 合金元素对钢的作用 一 合金元素与铁的相互作用研究的目的 利用各元素和铁的相互作用规律 通过控制钢中合金元素的种类和含量 获得所需要的组织 同素异构转变 同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化 11 2 合金元素对钢的作用 一 合金元素与铁的相互作用 1 扩大 区的元素 C N Cu Mn Ni Co等 A4上升 A3下降 Fe M无限互溶 Fe M有限互溶 12 2 合金元素对钢的作用 一 合金元素与铁的相互作用 2 缩小 区的元素 Cr V Si Al Ti Mo W等 A3上升 A4下降 与铁素体无限互溶元素 Cr V Si Al Ti Mo W 等 使奥氏体区被封闭 与铁素体有限互溶元素 B Nb Ta Zr 等 使奥氏体区缩小 13 2 合金元素对钢的作用 一 合金元素与铁的相互作用影响因素 点阵类型 原子尺寸 原子结构和电化学因素等 合金元素与铁还可能形成金属间化合物 如Fe Cr Fe V Fe Mo等合金 总结 运用合金元素和铁的相互作用规律 控制合金元素种类和含量 得到所需要的组织 14 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用表现在是否形成碳化物或形成碳化物倾向性的大小 强化相 研究目的 所形成碳化物种类 性质和在钢中的分布 对钢的相变的影响 1 非碳化物形成元素 不与C形成化合物 但可固溶于 Fe或 Fe中 或形成氮化物等化合物 元素包括 Ni Cu Si Co Al N P等 15 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用2 碳化物形成元素 Fe Mn Cr W Mo V Nb Zr Ti 1 周期表中Fe的 左 但有例外 Ni Co也可形成碳化物 但比Fe3C稳定性差Mn是碳化物形成元素 但易进入Fe3C中 形成合金渗碳体 2 d电子层未满 碳化物具有金属键结合的性质 3 碳化物的稳定性 主要由d电子层的未填满程度决定 由强到弱 Ti Zr Nb V Mo W Cr Mn Fe 16 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用碳化物的不同种类1 rc rme 0 59 复杂点阵碳化物Cr23C6 Cr7C3 Fe3C等2 rc rme 0 59 简单点阵碳化物 间隙相 MeX型 WC VC TiC MoC TaC ZrC等Me2X型 W2C Mo2C Ta2C等特点 1 硬度大 熔点高 分解温度高 2 间隙相碳化物含50 60 非金属原子 但很 金属 3 可溶入金属原子 使其成为缺位固溶体碳化物 17 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用碳化物的不同种类此外 还有两种类型 合金元素很少时 不能形成碳化物 可以置换渗碳体中的Fe原子 以合金渗碳体的形式存在 如 FeCr 3C FeMn 3C合金元素含量高但不能生成碳化物时 生成复杂结构的合金碳化物 如 Fe2W4C Fe4W2C Fe3Mo3C 18 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用碳化物的稳定性 由强到弱 Fe3C M23C6 M6C MC稳定性高 在温度和应力作用下不易长大 可提高材料性能及寿命 在高温下工作可以保证高的强度和硬度 可以在高的温度回火 进一步改善塑性韧性 19 2 合金元素对钢的作用 二 合金元素与碳的相互作用总结 1 合金元素与碳的作用关系到所形成碳化物种类 性质和在钢中的分布 2 对钢的相变的影响 由于合金元素与碳有不同的亲和力 对相变过程中碳的扩散速度有较大影响 20 2 合金元素对钢的作用 三 合金元素对奥氏体层错能的影响 1 提高奥氏体层错能的元素 Cu Ni C等 2 降低奥氏体层错能的元素 Mn Cr Ru Ir等 层错能越低 有利于位错扩展和形成层错 使滑移困难 使钢的加工硬化趋势增大 如 高镍钢和高锰钢 锰 加工硬化特点 21 2 合金元素对钢的作用 三 合金元素对奥氏体层错能的影响对钢相变行为的影响 奥氏体层错能对Fe Ni C合金中马氏体形态的影响 22 3 钢的强化机制 强化 使金属强度 屈服强度 增大的过程 本质是塑性变形抗力 钢铁材料强度提高 即塑性变形抗力提高 亦即位错运动阻碍增加 钢铁材料塑性流动的本质是位错运动 钢中合金元素的强化作用包括 固溶强化 晶界强化 第二相强化和位错强化强度增加 塑性和韧性降低 强化作用只能应用在一定范围内 23 3 钢的强化机制 一 固溶强化solutionstrengthening强化机制 以合金元素作为溶质原子阻碍位错运动 加入合金元素 溶质原子 基体晶格畸变阻碍位错运动位错阻力增加强化强化的同时要保证塑性 韧性 因此强化元素量要控制 24 3 钢的强化机制 一 固溶强化solutionstrengthening强化量 屈服强度增量 Ci 间隙溶质原子分数 Cs 置换式溶质原子分数 Ki Ks 比例系数由公式可知 间隙式原子强化作用更大 因此 C N是钢中最重要的强化元素 但溶解度有限 固溶作用受到限制 置换式原子 Mn Si Cr Ni Mo W等 强化作用可以叠加 25 3 钢的强化机制 二 晶界强化 grainboundarystrengthening可以提高强度 还能改善韧性 强化机制 晶界的存在使位错运动受阻 达到强化的目的 强化过程 晶界存在 导致晶界处产生弹性和塑性变形不协调 引起晶界处应力集中 结果在晶界附近引起二次滑移 使位错增殖 形成加工硬化微区 阻碍位错运动 晶界两侧变形不协调性 诱发位错并增殖 阻碍位错运动 26 3 钢的强化机制 二 晶界强化 grainboundarystrengthening晶界的存在使位错运动受阻 因此 晶粒越细 晶界数量越多 强化效果越好 Hall petch公式 描述晶界强化 S 0 ks d 1 2 S 屈服强度 0 摩擦阻力 ks 晶格障碍强度系数 d 晶粒直径 27 3 钢的强化机制 二 晶界强化grainboundarystrengthening S 0 ks d 1 2利用晶界强化的途径 1 利用合金元素改变晶界的特性 提高Ks和 0 加入C N Ni Si等可在 Fe晶界上偏聚 提高位错运动阻力 2 利用合金元素细化晶粒 增加晶界数量 加入Al Nb V Ti等 形成难熔的第二相质点 阻碍晶界移动 间接细化铁素体或马氏体颗粒 28 3 钢的强化机制 二 晶界强化grainboundarystrengthening细化晶粒要求所形成的第二相稳定性高 不易聚集长大 因此 加入能生成强碳化物或强氮化物的元素 如Al Nb V Zr Nb等 另外 细化晶粒还可以通过热处理方法 如正火 反复快速奥氏体化等 29 3 钢的强化机制 三 第二相强化thesecondphasestrengthening机制 当运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时 或切过 沉淀强化 或绕过 弥散强化 滑移变形才能进行 这一过程需要消耗额外的能量 而需要提高外应力 造成强化 沉淀强化precipitationstrengthening 可变形 与母相有共格关系 弥散强化dispersionstrengthening 不参与变形 与基体非共格关系 不溶于基体 30 3 钢的强化机制 三 第二相强化thesecondphasestrengthening沉淀强化和弥散强化沉淀相 与母相有共格关系 又叫时效强化相 通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出来的 合金化加淬火时效 造成理想的沉淀相 如 在马氏体时效钢中加入Ti Mo 形成Ni3Ti Ni3Mo强化相 在亚共析钢中加入过冷奥氏体稳定化元素Cr Mn Mo等 可以得到片间距小的珠光体及细小铁素体 31 3 钢的强化机制 三 第二相强化thesecondphasestrengthening弥散相 与母相有非共格关系 利用碳化物做弥散相 不参与变形 如 淬火回火钢及球化退火钢利用碳化物做弥散强化相 合金元素作用使碳化物呈细小均匀分布 并防止碳化物长大 加入强碳化物生成元素V Ti W Mo Nb等 32 3 钢的强化机制 三 第二相强化thesecondphasestrengthening总之 第二相强化考虑因素 第二相的大小 数量 形态 分布以及性能等 涉及到热处理工艺及参数及合金元素种类及含量 合金元素的作用主要是为形成所需要的第二相粒子提供成分条件 33 3 钢的强化机制 四 位错强化dislocationstrengthening着眼于位错数量与组态对钢塑变抗力的影响 位错强化机制 位错密度高 位错运动时容易发生相互交割 形成割阶 位错缠结 阻碍位错运动 塑性变形困难 使强度提高 强化量 G b 1 2 强化系数 切弹性模量 G 位错密度 布氏矢量 b 34 3 钢的强化机制 四 位错强化dislocationstrengthening钢中加入合金元素应着眼于使塑性变形时位错易于增殖 或易于分解 提高钢的加工硬化能力 具体途径 细化晶粒形成第二相粒子促进淬火效应降低层错能 35 3 钢的强化机制 四 位错强化dislocationstrengthening细化晶粒 晶界数量增加 位错数量增加 宜加入细化晶粒的合金元素Al Nb V Ti等 晶界强化 形成第二相粒子 位错遇到第二相粒子会绕过时 位错数量增多 宜加入强碳化物形成元素V Ti W Mo Nb等促进淬火效应 淬火后获得板条M 位错形亚结构 宜加入提高淬透性元素Mo Mn Cr Ni Si B等降低层错能 使位错易于扩展和形成层错 位错交互作用增加 滑移困难 加入降低层错能的元素Mn Cr Ru Ir等 36 3 钢的强化机制 小结 工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果 0 派纳力 i 某种强化机制引起的屈服强度增加量 37 4 改善钢塑性和韧性的途径 塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述 与应力集中 应力缓和 能量吸收及消散 加工硬化及裂纹的形成和扩散有关 塑性plastic 静拉伸时 断后伸长率和断面收缩率表示 韧性toughness 断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力 包括 变形和断裂吸收功 冲击韧度 K 断裂韧性KIC 韧脆转变温度Tk通常以冲击强度的大小来衡量 38 4 改善钢塑性和韧性的途径 一 改善钢塑性的基本途径塑性指标 均匀真应变 u 表征均匀塑性变形能力的大小 主要取决于塑性失稳是否易于出现 总真应变 T u p 表征钢的极限塑性变形的能力 p 颈缩后的变形 取决于微孔坑或微裂纹形成的能力 途径 提高均匀塑性的同时 尽量避免或推迟微孔坑的形成 防止裂纹扩展 39 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素包括 强化机制溶质原子的影响固溶强化晶粒大小的影响晶界强化第二相的影响第二相强化位错的影响位错强化 40 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素1 溶质原子的影响 在 Fe中 加入合金元素 塑性降低 强化元素量增加 塑性降低 间隙式溶质原子C N使塑性下降成都远高于置换式溶质原子 其中Mn Si使塑性损失最大 且加入量越多 均匀应变越低 在 Fe中 一般塑性在一定溶质含量处出现最大值 见图1 5 41 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素2 晶粒大小的影响 细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性 因为 晶粒尺寸减小 应力集中减弱 推迟微孔坑的形成 工具钢合金化的主要的出发点 42 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素3 第二相的影响 第二相强化 极限塑性 T 第二相粒子通过本身断裂 或与基体的界面开裂 成为诱发微孔坑的部位 第二相数量越多 易形成微孔坑 第二相尺寸越大 越低 粒子呈针状或片状对 T危害较大 球状时危害较小 第二相粒子均匀分布时对 T危害较小 沿晶界分布危害较大 因此 第二相粒子应为球状 细小 均匀 弥散的分布 发挥弥散强化的作用 43 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素3 第二相的影响 第二相粒子包括 硫化物 碳化物 氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成 碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形 对极限塑性危害较小 因此 改善钢塑性可以对第二相粒子控制 44 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素3 第二相的影响 第二相粒子强化时 改善塑性的方法 控制碳化物数量 尺寸 形状和分布 可以通过合金化与回火 球化处理等方式 使碳化物呈球状 细小 均匀 弥散分布 减少钢中夹杂物数量 控制夹杂物形态 减少钢中硫和氧含量 并使其氧化物呈球状 加入Ca Zr或稀土元素 与钢形成难溶硫化物 铸锭时以小颗粒析出 45 4 改善钢塑性和韧性的途径 二 影响钢塑性的主要因素4 位错的影响 位错密度增加 塑性降低 如 在钢强化时 如有间隙原子C N会钉扎位错 碳氮等小原子偏聚在位错下 使位错稳定化 阻碍位错运动 降低塑性 此时 加入少量Ti V Nb等微量元素固定间隙原子 使之不向位错处偏聚 可一定程度改善塑性 46 三 改善钢韧性的途径 断裂抗力 冲击韧性Ak 断裂韧性KIC 脆性转变温度Tk断裂类型 延性断裂 解理断裂 沿晶断裂 1 延性断裂 断口为孔坑型微观机制 微孔坑的形成 聚集和长大的过程 宏观上 塑性断裂 断裂前有大的塑性变形 脆性断裂 断裂前无大塑性变形 4 改善钢塑性和韧性的途径 47 三 改善钢韧性的途径 1 改善延性断裂的途径减少或细化钢中第二相