第1章+钢合金化概论.ppt

第1章钢的合金化概论,1.1合金元素（Me）和Fe的作用一、钢中的Me1、杂质元素（impurity-element）,常存杂质,冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除。,隐存杂质,偶存杂质,生产过程中形成，微量元素O、H、N等。,与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。,热脆性SFeS(低熔点989)；？冷脆性PFe3P（硬脆）；？氢脆H白点。,2、合金元素（alloying-element）为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。,二、Me和Fe的作用纯FeFe-C相图的变化特点。Me和Fe的作用：,1、稳定化元素,使A3，A4，区扩大,a)与区无限固溶Ni、Mn、Co开启区量大时，室温为相；,b)与区有限固溶C、N、Cu扩大区。,2、稳定化元素,使A3，A4，区缩小,a)完全封闭区Cr、V、W、Mo、TiCr、V与-Fe完全互溶，量大时相?W、Mo、Ti等部分溶解,b)缩小区Nb等。,稳定相A形成元素，稳定相A形成元素。,(a)Ni，Mn，Co,(b)C，N，Cu,(c)Cr，V,(d)Nb,B等,图1合金元素和Fe的作用状态,1.2Me对Fe-C相图的影响一、对S、E点的影响A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移意味着共析C量减小；E点左移意味着出现莱氏体的C量降低。,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析碳量的影响,二、对临界点的影响A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动,三、对-Fe区的影响A形成元素Ni、Mn等使-Fe区扩大钢在室温下也为A体奥氏体钢；F形成元素Cr、Si等使-Fe区缩小钢在高温下仍为F体铁素体钢。,铬对钢区的影响锰对钢区的影响,1.3铁基固溶体一、置换固溶体合金元素在铁点阵中的固溶情况,注：有些元素的固溶度与C量有关,不同元素的固溶情况是不同的。为什么?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。,常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径,注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值,（1）Ni、Mn、Co与-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似无限固溶；,（2）Cr、V与-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似无限固溶；,（3）Cu和-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大有限固溶；,（4）原子半径对溶解度影响：R8%，可以形成无限固溶；15%，形成有限固溶；15%，溶解度极小。,结论,合金元素的固溶规律，即Hume-Rothery规律,决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似.,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。,二、间隙固溶体,经计算：-Fe(720)八面体间隙半径=0.0192nm.-Fe(1148)八面体间隙半径=0.0535nm。,由此，我们可以看到：(1)面心立方晶格间隙大于体心立方晶格间隙，因此，C原子在-Fe中的最大溶解度(2.11wt%C)显著地高于-Fe中的最大溶解度(0.0218wt%C)；(2)氮具有比碳更小的原子半径，氮在-Fe、-Fe中的最大溶解度更高（2.8wt%）。,1.4碳（氮）化物,一、钢中常见的碳化物K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。,非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等K形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由强到弱排列）,钢中常见的K类型有：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,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型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。,1、K类型K类型与Me的原子半径有关。各元素的rc/rMe的值如下：MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53,二、K形成的一般规律,rc/rMe0.59复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；,rc/rMe0.59简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。,Me量少时，形成复合K，如（Cr,M）23C6型。,2、相似者相溶,完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiCVC。,有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为20%Cr，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.,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。,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。点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈,回顾：第一章：钢的合金化概论1.1合金元素（Me）和Fe的作用钢中的合金元素以及合金元素和铁的相互作用，Me对Fe-C相图的影响1.2合金钢中的相组成铁基固溶体（置换和间隙）、碳化物（碳化物的形成规律）、氮化物及金属间化合物1.3合金元素在钢中的分布及偏聚,1.4合金钢的相变,合金钢加热时的转变包括奥氏体相的形成，碳化物和铁素体的溶解，奥氏体相中合金元素的均匀化，溶质元素的均匀化，溶质元素的晶界平衡偏聚，奥氏体晶粒长大。,1.4.1合金钢的加热奥氏体化,一、K在A中的溶解规律,基本规律,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稳定差的先溶解;,4）A中有弱K形成元素，则会C活度ac，K的溶解；非K形成元素（如Ni）则相反,ac，K的溶解。如：较多Mn的存在使VC的溶解温度从1100降至900。,碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系,二、,Me对钢加热奥氏体形成过程的影响,三、Me对钢加热奥氏体晶粒长大的影响,Me对钢加热奥氏体晶粒长大的影响,1.4.2过冷A体的分解一、过冷A体的稳定性,过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。,1）Ni、Si和Mn，大致保持C钢的“C”线形状，使“C”线向右作不同程度的移动；,2）Co不改变“C”线，但使“C”线左移；,3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。,“C”曲线五种形状,常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响(上左)强K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素,二、合金元素对珠光体转变的影响,珠光体转变过程包括孕育期、碳化物形核长大和相形核长大几个步骤，在孕育期进行合金元素和碳的重新分配，在此基础上发生碳化物和相的形核长大过程。碳钢发生珠光体转变时，仅生成渗碳体，只需要碳原子的扩散和重新分布,含碳化物形成元素的钢中，碳化物形成元素是珠光体转变时碳化物形核的控制因素。,合金元素对珠光体转变的影响,三、合金元素对贝氏体转变的影响,三、合金元素对贝氏体转变的影响,四、合金元素对马氏体转变的影响,马氏体转变是无扩散形转变，形核和长大速度极快，合金元素对马氏体转变动力学影响小。,思考题：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?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?,1.4.3合金钢的回火转变一、M分解,低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大,中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响:,1）Ni、Mn的影响很小；,2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了渗碳体的析出长大；,3）Si比较特殊：Fe和C的结合力,ac,-FeXC的形核、长大,Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要从中出去,Fe3C,效果:含2%Si能使M分解温度从260提高到350以上,4）合金钢回火时M中含C量变化规律,基本规律,渗碳体形成开始温度与合金化无关；,含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢（线2）和C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，如图中的C3C1，2；,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。,回火时马氏体中C量的变化线1-C钢;线2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢;线3-含碳化物形成元素的合金钢,二、回火时K的形成,各元素明显开始扩散的温度为：MeSiMnCrMoWVT,300350400500500500550,1）K长大聚集温度：M3C型，350400；其它K，450600；,2）K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。,钒钢（0.3C,2.1V）在1250淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化,3）特殊K的形成原位析出：M0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)异位析出：MP+M3C0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出二次硬化，直接析出贡献最大,三、回火脆性1、第1类回火脆性,脆性特征,不可逆；与回火后冷速无关；晶界脆断。,产生原因,Me作用,Fe3C薄膜在晶界形成；杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，晶界强度。,Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性；Si脆性温度区.,2、第2类回火脆性,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。高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。,Me作用,N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂,回顾：1.4合金元素对相变的影响,合金元素对钢加热时转变的影响合金元素对过冷A转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响,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,一方面要清楚材料处理各过程的演化规律;另一方面要掌握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.,1.4.1.Me对钢化的影响+Fe3C(或K)：需要Fe重组和C扩散Fe3C或K：需要溶解于,1.M对相形成的影响对于（强）K形成元素:1）K稳定难于溶解,阻碍的形成；2）增加C在中的扩散激活能，减慢C的扩散。对于非K形成元素：降低C在中的扩散激活能，加速C的扩散。,2.M对成分不均匀的影响能阻碍均匀化-则查阻碍转变1）M扩散慢；2）K形成元素对C的亲和力较强，M均匀化前实际上C也很难均匀化；3）存在合金元素及杂质元素的内吸附;可通过提高淬火温度来促进成分均匀化,3.对晶粒长大的影响促进A晶粒长大C，P，Mn（高C）提高了Fe的自扩散系数。强烈阻碍晶粒长大Al、Ti、Nb、V等机械阻碍理论。中等阻止晶粒长大W、Mo等。,二.M对过冷转变的影响1.对P转变的影响2.对B转变的影响3.对M转变的影响,1.对P转变的影响合金钢中的P转变过程的分析1）孕育期：Me与C的重新扩散与分布2）K形核长大：A优先形成特殊K；B需要C和M的扩散，M本身扩散慢；对于非K形成元素：扩散开去以便K形成，也需要扩散。,2.Me对B转变的影响半扩散型转变，只有C的扩散和重新分布,Fe和M都不能扩散+Fe3C或-FexC（领先相）(T较低时)Si,Mn,Cr,B,Ni推迟B转变W,Mo,V,Nb推迟B转变的作用相对较小（主要推迟P转变）Co有加速作用,3.M对马氏体转变的影响,合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。合金元素的作用表现在：1）对马氏体点Ms-Mf温度的影响；2）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。,三.M对淬火钢回火转变的影响,淬火钢通常具有马氏体M和（Ar）两个介稳相。M：C要析出，形成K（Ar）：分解K：聚集长大：在回火过程中回复与再结晶这些过程有先有后，有的交叉进行。,1.5Me对钢强韧化的作用,一、Me对钢强化的形式及其机理强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,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,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。,合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应-间隙元素，-F形成元素，-A形成元素,2、位错强化,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,NiAl(7)合金中的位错结构,3、细晶强化,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,晶界处位错塞积现象,4、第二相强化,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,位错被质点障碍物所挡住,位错绕过和即将绕过质点形成的位错环P、S,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,二、合金钢强化的有效性最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。1、强化的有效性,强化:弥散析出,P|-S|,硬度峰值,弱化:M分解,P|-S|,弱化缓慢,图强化和弱化的演变1-M分解；2-弥散析出；3-综合效应,2、Me对强化有效性的影响强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。Me量弥散相量(有足够的C)二次硬化,例：含0.10.15%C钢，需0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr,强化弱化,Me最小浓度临界值,K类型含C量,图V对40钢回火硬度的作用,不同含C量的V钢，如产生二次硬化，V的临界浓度是不同的，为什么?,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,三、Me对钢韧性的影响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,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,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,20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能,2、提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织如Ti、V、Mo；2）回火稳定性如强K形成元素；3）改善基体韧度Ni；4）细化K适量Cr、V，使K小而匀；5）回脆W、Mo；6）在保证强度水平下，适当含C量.冶金质量。7）形成一定的残余奥氏体。,思考题：有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态?,调质是为了强化钢铁性能，如提高硬度和耐磨性，提高弹性，提高强韧性等。而正火是为了细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化，改善切削加工性能等。,1.6Me对钢工艺性的影响,一、冷成型性冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。P、Si、C等元素冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能Si、C等量。,二、热压力加工性热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。Me溶入基体产生畸变,热变形抗力热压力加工性能。如Mo、W、Cr、V等元素影响较大。C和Me量较多时，形成共晶K，热压力加工性更差。合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的.,三、切削加工性不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑速度；精加工主要考虑表面粗糙度。C钢硬度在170230HB，切削性能最好.对组织来说，P:F=1:1较佳。不同含C量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：对C钢:0.8%C,宜球化退火,思考题：为什么钢的切屑是连续的，而铸铁的切屑是碎片状断开的?,四、材料的热处理工艺性,淬透性一般是指淬火时获得M的能力.合金元素复合作用大,不是简单加和.,在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。,淬透性好的作用,可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；,在淬火时，可选用较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向,贝氏体淬透性,合金化基本元素是0.5%Mo+微量B。,淬硬性理想淬火条件下,形成M能达到的最高硬度.淬硬性主要与钢的含碳量有关。,变形开裂倾向热应力变形;组织应力开裂;附加应力较复杂.影响因素比较复杂,要综合分析.采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球化退火等预先热处理也可减小零件的变形。,过热敏感性和氧化脱碳倾向奥氏体晶粒急剧长大的敏感性,Mn.如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。氧化和脱碳往往伴随产生.Si.含硅钢氧化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度，脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有害的.,回火稳定性(热稳定性)合金钢回火稳定性要比碳钢好.同样回火硬度,合金钢的回火温度高,时间也可长些,应力消除也大些;同样塑韧性,合金钢的强度比碳钢高.,回火脆性(前面已介绍),钢的编号方法自学,1.8金属材料的环境协调性设计,目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三千多种。材料的废弃物再生循环很困难,可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所以就出现了通用合金和简单合金的概念。,1.8.1通用合金与简单合金,通用合金,又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn钢.通过改变Fe、Cr、Ni（Mn）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。Cr-Mo钢,耐热钢,简单合金,组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设计上有几个特点：合金组元简单，再生循