金属材料科学第一章-钢的合金化3

第1章钢铁中的合金元素,1.3合金钢中的相组成,合金元素加入钢中，一般要形成各种相：1、形成固溶体间隙固溶体C、N置换固溶体2、形成具有金属性质的化合物C、N、B（碳化物、氮化物、硼化物）金属间化合物3、非金属相氧化物、硫化物、硅酸盐,1.3合金钢中的相组成,3、非金属相：一般为非金属夹杂物。降低钢的塑形、韧性、疲劳强度，影响抗蚀、耐磨性氧化物：脆性相简单氧化物：FeO、MnO、TiO、SiO2、Al2O3复杂氧化物：MgOAl2O3、MnOAl2O3经锻造、轧制：沿加工方向呈破碎的链状分布,1.3合金钢中的相组成,（1）碳化物特性：硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达1200）；间隙相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。,1.3合金钢中的相组成,（2）氮化物氮的来源：冶炼时吸收大气的氮，合金化时气氛加入间隙相：原子半径小，简单密排结构特性：与碳化物相似，高硬度，高熔点性质：氮化物之间可相互溶解，复合氮化物与碳化物之间相互溶解，碳氮化物,1.3合金钢中的相组成,（2）氮化物含氮不锈钢(Fe、Cr)23(C、N)6V、Ti、Nb：V(CN)、Ti(CN)、Nb(CN)在微合金钢中，利用了氮化物的弥散强化作用表面渗氮：渗氮层中形成-Fe4N、-Fe23N合金氮化物：Mo2N、VN、AlN,1.3合金钢中的相组成,（3）硼化物硼：合金化，强化晶界；表面渗硼硼化物特点：高熔点，高硬度，脆性大FeB,1.3合金钢中的相组成,(4)金属间化合物：定义：金属与金属、金属与准金属形成的、由电子浓度决定的电子化合物化合物。存在于高合金钢、高温合金中金属互化物与普通化合物不同。（1）组成常可在一定范围内变动；（2）组成元素的化合价很难确定，但有显著的金属键。特点：高温性能，高温下高强度和高模量、优良的抗蠕变和抗氧化性能。典型：Ti3Al，高温结构材料：航空发动机,1.3合金钢中的相组成,(4)金属间化合物：特性：优先形成碳化物，超量时才形成金属间化合物不锈钢，耐热钢，高温合金：强化相,1.3合金钢中的相组成,1）相在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现相。伴随着相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。属四方点阵，最大配位数为15。相的成分范围比较宽，镍基高温合金中为(Cr，Mo)x(Ni，Co)y，式中x、y值在17之间，铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。主要金相形态为颗粒状和片(针)状，数量多时可呈魏氏体组织。,(4)钢中的金属间化合物,1）相（AB、AXBY）相常在晶界形核，但也在M23C6颗粒上形核。最快析出的温度范围为750870C。镍阻止相形成，铁、钴、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进相形成。片(针)状相是裂纹产生和传布的通道，使合金脆化，有时还降低持久强度。晶界相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。,(4)钢中的金属间化合物,2）Laves相（AB2）析出温度范围较宽，约为6501100，其上限温度随成分而异。由于Laves相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺，获得细晶材料。铁基高温合金容易产生Laves相。钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素都促进Layes相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。呈细小弥散质点析出的Laves相对合金有一定的硬化作用。大量针状Layes相会降低室温塑性。少量短棒状Laves相没有严重的有害作用。,(4)钢中的金属间化合物,3）相（AB3）化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。存在于铁基、镍基高温合金中。与基体的结构相似，所以相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。这些基本特点使相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状。,(4)钢中的金属间化合物,3）相（AB3）高温时效时，相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形相。在长期时效和使用过程中，相会聚集长大。相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，相的强度也增加。,1.4钢的强韧化机制,合金化目的：提高性能结构钢：力学性能强度与韧性、塑性的矛盾综合性能：强度与韧性的匹配高强钢：韧性疲劳：表面硬度耐磨：硬度与韧性,1.4钢的强韧化机制,Me对相图的影响,Me与C的作用,Me在材料处理各过程中的行为表现,加热,冷却,回火,温度,时间,材料处理各过程的演化规律;Me在各过程中的作用和影响.为理解Me的作用要了解钢的基本强化机理.,1.4钢的强韧化机制,一、钢的强化机理强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,1.4钢的强韧化机制,表达式,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,机理,效果,提高强度，降低塑韧性,原子固溶晶格发生畸变产生弹性应力场，与位错交互作用位错运动阻力,1、固溶强化,1.4钢的强韧化机制,合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响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。C、N固溶强化效应最大。,1.4钢的强韧化机制,表达式,机理,位错密度位错交割、缠结，有效地阻止了位错运动钢强度。对bcc晶体，位错强化效果较好?,效果,在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度TK,2、位错强化,1.4钢的强韧化机制,表达式,机理,晶粒越细晶界、亚晶界越多有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。,效果,钢的强度，又塑性和韧度这是最理想的强化途径.,著名的Hall-petch公式式中，d为晶粒直径，Kg为系数,3、细晶强化,1.4钢的强韧化机制,表达式,机理,微粒第二相钉扎位错运动强化效果主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，淬火时残留第二相强化。,效果,有效提高强度，但稍降低塑韧性。,钢强度表达式,4、第二相强化,1.4钢的强韧化机制,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,1.4钢的强韧化机制,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,1.4钢的强韧化机制,二、钢的韧化途径1、影响韧性的因素,强化因素,一般情况，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。危害最大是间隙固溶；沉淀强化较小,但对强化贡献较大。,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,1.4钢的强韧化机制,晶粒度,细晶既S，又TK,即韧性最佳组织因素。,第二相,K韧性。K小、匀、圆、适量工艺努力方向。,杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，提高钢的冶金质量是必须的。,杂质,1.4钢的强韧化机制,合金元素对铁素体冲击韧度的影响,晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响,1.4钢的强韧化机制,20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能,1.4钢的强韧化机制,1）细化晶粒、组织如Ti、V、Mo；2）提高冶金质量，降低有害元素含量3）细化K适量Cr、V，使K小而匀；4）细化亚结构消除粗大组织5）利用残余奥氏体韧化6）利用相变诱发韧性回火稳定性如强K形成元素；回脆W、Mo；在保证强度水平下，适当含C量,2、提高钢韧性的合金化途径,1.5合金元素在晶界的偏聚,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、回火态低回:Me不重新分布；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。,1.5合金元素在晶界的偏聚,二、Me的偏聚（segregation）,偏聚现象,Me偏聚缺陷处C基体平均C这种现象也称为吸附现象。,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、相变形核等都与此有关.,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.,1.5合金元素在晶界的偏聚,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。（在没有强制外力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。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，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。,1.5合金元素在晶界的偏聚,影响因素,缺陷处溶质浓度,温度T：T，内吸附强烈；时间t：偏聚需要原子扩散需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈;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,Mn，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。点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈,1.6钢中微量合金元素的作用,一、钢中常见的微量元素1微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土2净化、变质、控制夹杂物形态：B、Ca、Ti、Zr、稀土3改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi4有害元素：P、Pb、Sn、As、Sb,1.6钢中微量合金元素的作用,二、微量元素对钢的有益作用1净化作用B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成比重小的难熔化合物。B、Zr、Mg、稀土可与低熔点的Pb、Sn、As、Sb、Bi，形成高熔点的金属间化合物,1.6钢中微量合金元素的作用,二、微量元素对钢的有益作用2变质作用B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成非常细小的质点，提高形核率，促进自发形核，阻止晶粒长大。稀土，提高钢液的流动性,1.6钢中微量合金元素的作用,二、微量元素对钢的有益作用3控制夹杂物形态改变夹杂物成分，从而改变其性能，降低危害MnS：典型的塑性夹杂物导致：降低强度，产生各向异性，形成织构措施：加入Zr，先于Mn与S结合加入稀土，降低O、S溶解度加入Ca，强氧化物硫化物形成元素,1.6钢中微量合金元素的作用,二、微量元素对钢的有益作用4微合金化微合金元素：0.2%，0.001%微合金钢：Nb、V、Ti形成细小、弥散的Me(CN)第二相质点，沉淀强化，细化晶粒,1.6钢中微量合金元素的作用,三、微量元素对钢的有害影响Pb、Bi、Sb、Sn、P、As熔点低，影响热塑性，蠕变强度，焊接性导致钢产生回火脆性,1描述下列元素在普通碳素钢的作用：(a)锰、(b)硫、(c)磷、(d)硅