第一章 合金化基础ppt课件

.,1,工程材料学,上官晓峰,.,2,绪论,研究内容：工程材料学是研究材料的成分、组织、性能之间的关系的一门学科，它对生产、使用和发展材料起着重要的作用。基本矛盾：科学技术、工业生产对材料所提出的性能要求与材料本身所能提供的性能之间的矛盾，则构成了工程材料学的基本矛盾。,.,3,学习基本内容,钢的合金化基础理论（第1章）合金钢（第2-6章）铸铁（第7章）有色金属材料（第8章）非金属材料（第9-12章）,.,4,第1章为钢的合金化基础理论部分，我们将着重讨论钢和合金元素、合金钢中的相组成与相变、合金元素对钢的强韧性和工艺性的影响及微量元素在钢中的作用。第2-第8章通过对常用钢铁材料和有色金属材料的成分、组织结构、热处理工艺与性能之间的关系及应用范围进行比较全面、系统地学习。非金属材料部分自学,.,5,例：入厂复验，某元素不合格,分析：合金元素对材料各种性能的影响；零件受力情况(G、Z、一般件)；使用环境经济性最后决定此批材料是超差应用还是报废。,.,6,学习目标,着重掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。另外掌握有色金属的牌号、成份、热处理工艺、组织及其应用。熟悉铸铁的牌号、成份、热处理工艺、组织及其应用。一般了解铜合金的牌号、性能特点和应用,.,7,学习建议,1本学期介绍的金属材料是工程上最常用的工程材料。本课程的重点内容，需要认真学习，认真领会。一些常用金属材料的牌号要熟记。2学习每章内容均有相应的作业，以加深对内容的理解。3课堂会举例分析金属材料的应用情况。加深对课程内容的理解。4浏览相关网站，收集金属材料应用有关资料，了解新的金属材料研究情况，拓宽知识面。5本课程的学时：48H本课程的基础：材料科学基础、材料加工基础、力学性能、金属腐蚀与防护,.,8,教材及参考书,教材：工程材料学哈尔滨工业大学出版社王晓敏参考书：合金钢机械出版社合金钢编写组编写合金钢机械出版社华中工学崔崑主编有色金属材料及其热处理国防工业出版社北航西工大合编,.,9,第一章钢的合金化基础1.1钢中合金元素及其分类,一杂质元素（impurity-element）常存杂质：MnSiAlSP1分类隐存杂质：OHN偶存杂质：CuSnPbCr,2对钢性能的影响,热脆:S冷脆:P氢脆:H,.,10,二合金元素（alloying-element）,1定义合金元素合金钢2钢中常用合金元素,第三周期：Al、Si第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu第五周期：Nb、Mo、Zr第六周期：W第二周期：B、C第六、七周期：Re,.,11,3合金钢的分类,可按合金元素总的含量进行分类：高合金钢：Me10%中合金钢：Me=510%低合金钢：Me5%微合金钢：Me=0.1%,.,12,三、Me和Fe的作用,第一类：奥氏体稳定元素,Ni、Mn、Co,C、N、Cu、Zn、Au,.,13,奥氏体稳定元素,.,14,第二类：铁素体稳定元素,（1）封闭相区：Ti、V、Mo、W、Cr（强K形成元素）、Si、Al,（2）缩小相区：B、Zr、Nb、Ta,.,15,作用,使A3，A4，区缩小，促进形成总结：合金元素与铁的作用是由：合金元素的点阵类型、尺寸因素、电化学因素（电负性）所决定的。,.,16,以第四周期的合金元素为例说明：,.,17,1.2碳（氮）化物,.,18,一、钢中常见的碳化物,碳化物类型,复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；,简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。,M6C型属于复合碳化物,复杂结构.性能特点接近简单点阵结构,.,19,二K形成的一般规律,1K类型,M3C：渗碳体，正交点阵；M7C3：例Cr7C3，复杂六方；M23C6：例Cr23C6，复杂立方；M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵。K也有空位存在；可形成复合K,如(Cr,Fe,Mo，)7C3,.,20,2K形成规律,（1）rc/rMe0.59复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K。特点：硬度低；熔点低；稳定性较差，加热时易溶入中。作用：提高稳定性，增加钢的淬透性及回火稳定性。,.,21,（2）rc/rMe15%，溶解度极小。,.,33,2合金元素的固溶规律，即Hume-Rothery规律,（1）晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件，而不是充分条件。（2）原子尺寸因素结构相同，原子尺寸相近，溶解度大。（3）电负性因素（化学亲合力）,.,34,二、间隙固溶体,1溶质原子尺寸溶质原子尺寸接近于溶剂晶体结构中某些间隙尺寸元素：BCNOH半径，0.190.770.710.630.46尺寸条件:溶质原子与溶剂原子直径之比0.59,符合间隙相。间隙固溶体总是有限固溶体，总保持溶剂金属的点阵结构。,.,35,2间隙形状、尺寸,C在-Fe中溶解度最大为0.0218%；C在-Fe中溶解度最大为2.11%（1）对于-Fe：八面体间隙（由各面心的原子构成）尺寸大于四面体间隙，故C存在于八面体间隙中。C的原子半径0.77，-Fe八面体间隙半径0.53，C溶入后会引起畸变，使周围的间隙减小，C的溶解度受到限制，远低于八面体间隙间隙个数。（2）对于-Fe：720时：八面体间隙半径0.192；四面体间隙半径0.364。虽然四面体间隙大于八面体间隙，但C都存在于八面体间隙内。原因：因C堵塞于四面体间隙须四个Fe原子都被推开，需更高的应变能，而八面体间隙只须Z轴上的两个Fe原子都被推开，需应变能低。,.,36,间隙固溶体的形成规律,有限固溶：C、N、B、O等溶解度：溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的如-Fe与-Fe。溶质原子大小：r，溶解度。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm间隙位置：优先占据有利间隙位置畸变为最小。间隙位置总是没有被填满最小自由能原理。,.,37,1.5Me在钢中的存在形式,一、Me在不同状态下的分布1退火、正火态非K形成元素基本上固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶入基体。2淬火态Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。3回火态低温回火:Me不重新分布；温度400，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。,.,38,二Me的偏聚（segregation）,1现象：偏聚Me偏聚缺陷处C基体平均C这种现象也称为吸附现象。Me+：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；Me+：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.,.,39,2偏聚机理,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。结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子容易存在；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。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。,.,40,3影响因素,缺陷处溶质浓度：C=C0exp(E/RT),点阵类型：对置换式溶质原子无影响，但对间隙溶质原子，由于FCC、HCP间隙尺寸大于BCC，故BCC点阵内吸附较FCC强烈。其它元素：间接作用:优先吸附问题,B与C直接作用:影响吸附元素D,MnDP，使P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。,.,41,1.6合金钢中的相变,一合金元素对相变基本因素的影响相变的驱动力是两相的自由能差热力学相变的实现靠溶质原子的扩散完成动力学1合金元素对、两相自由能的影响,A,F,A,F,A,F,Mn、Cr,Co、Al,W、Mo,.,42,二合金钢中的扩散和C在铁中的活度,1扩散问题1）置换原子比间隙原子扩散慢几个数量级；-Fe中：D:1.510-7Ni7.710-13-Fe中：D:1.510-5Ni3.710-112)在特定的温度下，间隙溶质原子和置换溶质原子在中的扩散比中的扩散快；-Fe中：D:1.510-7Q=135KJ/mol-Fe中：D:1.510-5Q=85KJ/mol,.,43,3）K形成元素升高C的扩散激活能，降低C的扩散系数，而非K形成元素降低C的扩散激活能，提高C的扩散系数，Si例外，Qc，Dc。4）MeCr、Mn、Mo、Ti等减慢-Fe的自扩散速度，降低Fe原子的活度，增加Fe原子间的结合能，使Q-Fe，D-Fe。5）金属原子在晶界上扩散比在晶内快得多,.,44,2碳在铁中的活度问题,合金元素存在于固溶体中，会改变金属原子与C的结合力或结合强度。K形成元素增加固溶体中C与Me的结合力，降低其活度。而置换了固溶体中原子的非K形成元素，提高其活动性，即增加C的活度，同时将出现从固溶体中析出的现象。,.,45,三合金钢的加热A化,原始组织不同，转变机制不同,原始组织+Fe3C,A,.,46,组织遗传,组织遗传与加热速度、合金化程度有关,避免的办法焊接、锻造、铸造后进行退火或高温回火处理，使其组织变为F+K形式的无序组织；过热合金钢二次淬火前加一次回火或退火；A化温度高于A的再结晶温度，粗大的A晶粒发生再结晶，A晶粒会出现反常细化。,.,47,2K在A中的溶解规律,1）K稳定性越好，溶解度就越小；2）温度，溶解度，沉淀析出；3）K稳定性越好，溶解温度越高，K稳定差的先溶解;Fe3C、Cr23C6、W2C、TiC等K的溶解温度由低向高增加。4）A中的合金元素与K溶解温度的关系,.,48,3A体均匀化4A体晶粒长大1）K形成元素能阻止A晶粒长大，越强效果越好2）Al、Si含量少量（仅以非金属夹杂形式存在时），细化A晶粒；含量高时溶入A，则使A粗化。3）形成间隙固溶体的元素（C、N、B），当其溶入A中，A晶粒长大；4）Ni、Co、Cu作用不大。5）低碳钢中Mn可细化A，但中、高碳钢中，Mn使A粒化。,.,49,总结,促进A晶粒长大：C、P、Mn（中、高碳）；阻止A晶粒长大：Ti、V、W、Mo、Cr、Mn（低碳）；影响不大：Co、Ni、Cu等。,.,50,1.7过冷A体的分解,一、过冷A体的稳定性第一类：非K形成元素，不改变“C”曲线的形状，仅改变其位置，仍保持与碳钢相同的形式（一个C）。1）Ni、Si和Mn，大致保持C钢的“C”曲线形状，使“C”曲线向右作不同程度的移动；2）Co不改变“C”曲线形状，但使“C”曲线左移第二类：K形成元素，不仅改变其位置（上下、左右移动），而且改变“C”曲线的形状（两个C）。,.,51,五种类型的C曲线,4Cr13、3Cr13、2Cr17,GCr15、9Cr、9Cr2、CrMn、CrW、CrWMnP在前,20Cr、40Cr、30CrMo、12Co2Ni4W、40CrNi、30CrMnSiAB在前,碳钢、含非K元素Ni、Si和弱K形成Mn1.5%低合金钢,.,52,Mn13、45Cr14Ni14B2,0.150.25%C：CrNiMo、CrNiW钢,.,53,合金元素对C曲线的影响,强K形成元素,弱K形成元素,非K形成元素,.,54,二过冷A体的P、B转变,热力学和动力学凡扩大A区的元素：Ni、Mn、Cu等，降低A1点，使P相变区移向较低温度；凡缩小A区的元素：Si、Al、Cr、W、Mo、V等，升高A1点，使P相区变移向较高温度。综合影响顺序（P)：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si、V贝氏体转变：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。影响顺序（B）：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影响很小。,.,55,四Me对Ms的影响,Mn、Cr、Ni等，降低两相自由能差，故使Ms；Si、Cu作用不大；Co、Al增加自由能差，故使Ms。Me对Mf的影响规律与Ms相似。使Ms，增大AR量。,.,56,五Me对钢的淬透性的影响,凡使C曲线右移的元素均提高A的稳定性，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，反之，降低钢的淬透性。影响强弱程度：Mn、Mo、Cr、Si、Ni思考题：1、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解?2、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太低，为什么?,.,57,1.8合金钢的回火转变,回火过程的四个阶段：M分解K的形成及聚集长大AR的分解相的回复与再结晶,.,58,合金钢回火时M中含C量变化规律,渗碳体开始形成温度与合金化无关含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢（线2）和碳钢（线1）规律相同；在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含C量要比C钢的高不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是不同的。M中含有两K形成元素，则可观察到第二次强烈析出C的温度TK2，形成较强的K形成元素的特殊K,.,59,Me对M分解的影响,1）非K形成元素Ni、Cu和弱K形成元素Mn的影响很小；2）K形成元素强烈阻止M分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关3）Si比较特殊：Fe和C的结合力,ac；Si能溶于-K，不溶于Fe3C，K转变时Si要从中扩散出去。效果:提高M分解分解温度，如：含2%Si能使M分解温度从260提高到350以上。,.,60,二、回火时K的形成,1K长大聚集温度M3C型：350400；其它K：4506002K成分变化和类型转变K转变-FeXCFe3CM3C亚稳特殊K特殊KT,500能否形成特殊K，取决于:Me性质、NM/NC比值；T和t,.,61,例,.,62,3特殊K的形成,原位形核独立形核二次硬化：在含有K形成元素Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等的合金钢中，在500600回火时注意：二次硬化是在一定的回火温度，一定的回火时间才能达到，强K形成元素V、Nb等二次硬化效果较明显，W、Mo次之，Cr再次之？如果回火温度过高，时间过长二次硬化效果会发生变化吗？为什么？（温度低、时间短？）例：AF1410钢（16C014Ni10Cr2Mo）就是利用二次硬化高强高韧钢，0.21480MPa,b1620MPa,12%,60%(L),50%(T),K1c143MPam1/2。,.,63,三残余奥氏体分解,产物可为P、B、回火M等注意二次淬火,.,64,四相的回复与再结晶,不同Me对的再结晶温度的影响,合金元素可提高的再结晶温度，强弱顺序：W、Mo、Co、Cr、Mn、Si、Ni,.,65,五回火脆性,1第类回火脆性（250350）脆性特征：不可逆；与回火后冷速无关；晶界脆断。产生原因：Fe3C薄膜在晶界形成；杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，晶界强度。Me作用：Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性；Si脆性温度区。,.,66,防止措施：推迟渗碳体的形核和长大；减少杂质元素的含量或改变其分布；增加AR稳定性；具体方法：细化晶粒减轻晶界断裂，加W、V、Ti、Mo等或用Al脱氧。加Si阻止渗碳体的形成，脆性温度区。利用等温淬火得到B下。提高纯度。,.,67,2第类回火脆性（400650）,脆性特征：可逆；回火后慢冷产生，快冷抑制；晶界脆断产生原因：杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；形成网状或片状化合物,晶界强度。Me作用：N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂（脆化元素）Mn、Ni与杂质元素共偏聚（促进剂）；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂（本身不偏聚）；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚（与杂质结合），清除剂。,.,68,防止措施：,回火后快冷适用小件，大件快冷后会产生大应力；加W、Mo清除剂；细化晶粒，使晶界析出物不能成为网状提高冶金质量，尽可能降低有害杂质的含量。,.,69,1.9Me对钢的强韧化作用,一Me对钢强化的形式及其机理的影响强化本质各种强化途径塑变抗力位错运动阻力钢强度1.固溶强化：s=KiCin对于C、N等间隙原子：n=0.332.0；对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n=0.51.0,.,70,固溶强化,固溶强化效果：提高强度，降低塑韧性C、N固溶强化最强，但强烈降低塑韧性Si、Mn的固溶强化效应大，但Si1.1%，Mn1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降,.,71,2位错强化,d=Kd1/2效果：在强化的同时，同样也降低伸长率，提高韧脆转变温度TK，即降低塑韧性。例：加工硬化、相变强化,.,72,3细晶强化,Hall-petch公式：g=Kgd-1/2效果：钢的强度，塑性和韧度。这是最理想的强化途径。4.第二相强化表达式：p=Kp-1效果：有效提高强度，但稍降低塑韧性钢强度表达式：0.2=0+s+d+g+p,.,73,二合金钢强化的有效性,1强化的有效性强化弥散析出P|-s|出现硬度峰值弱化M分解P|-s|弱化缓慢,1-M分解2-弥散析出3-综合效应,.,74,2Me对强化有效性的影响,强化弱化Me最小浓度，临界值K类型和C量。例：含0.10.15%C钢，需0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr,对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与C钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响，并且Me的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥（需要充分理解）,.,75,三Me对钢韧性的影响,1影响韧性的因素强化因素：钢强度塑韧,称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地韧性。合金元素：Ni韧性；Mn在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上韧性。晶粒度：细晶既S，又TK,即韧性最佳组织因素。第二相：K韧性杂质：杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心,.,76,2提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织Ti、Nb、V、W、Mo；控制A化温度，细化A晶粒、细化亚结构。2）回火稳定性强K形成元素；3）改善基体韧度Ni；4）细化K适量Cr、V，使K细小均布；当K尺寸小于门槛值，不会引起裂纹扩展。5）回脆W、Mo；6）在保证强度水平下，适当含C量。冶金质量。7）形变热处理将塑性变形和相变强化结合起来8）利用相变诱发塑性,.,77,四合金化与强韧化机理的综合运用,1低碳马氏体的强化因素固溶强化s位错强化d细晶强化g析出强化p2低碳马氏体的韧化板条M亚结构是位错型，且分布均匀，易动性高于孪晶型；板条M平行生长，裂纹敏感度低；板条束很细，A越细，板条束越窄，TK越低，ak越高；板条间夹有连续或半连续的AR薄膜,.,78,325Si2Mn2CrNiMoV低碳马氏体型超高强度钢的合金设计思路,（1）强化低碳M的考虑强化：C：0.25%，同时加入合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo等来强化，它们对韧性的破坏比C低。（2）韧化亚结构为位错型；马氏体板条间存在AR薄膜；尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大恢复，但要避免回火脆。总结：强化作用：C、Si、Mn、Ni、Mo增加AR：C、Mn、Ni防止第一类回火脆：Si、Ni细化晶粒：Mo、V淬透性和耐蚀性：Cr,.,79,1.10Me对钢工艺性能的影响,工艺流程是：冶炼铸造压力加工预备热处理机加最终热处理精加工一冷成型性主要评定指标：应变硬化率n和塑性应变的各向异性=Kn二热压力加工性三切削加工性四材料的热处理工艺性淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、过热敏感性和氧化脱碳倾向、回火稳定性,.,80,总结,淬透性：（B）、MnMoCrNiSi作用较大；选择钢种，选择热处理工艺；冷