钢的合金化基础

1、钢的合金化基础,加入化学元素改变金属性能的方法叫做合,金化。为了合金化所加入的化学元素称为合金,元素，合金化钢即,合金钢,。,工程材料学,合金化元素总量,分,类,W5,低合金钢,W,5,10,中合金钢,W,10,高合金钢,钢中的合金元素种类很多，不同国家所使用的合金元素与各国,的资源条件有关,从理论上掌握合金元素在钢的作用：,?,钢中合金元素及其分类依据；,?,钢的强化机制；,?,改善钢塑性和韧性的途径；,?,合金元素对钢中相变及热处理的影响；,钢的合金化基础,工程材料学,1.1,钢中合金元素及其分类依据,?,在钢中常常加入的合金元素：,1.1,合金元素在钢中的分布,钢中的合金元素种类很多，不

2、同国家所使用的合金元素与各国,的资源条件有关,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、,Ta,Mn,、,Ni,、,Cr,、,Mo,；,W,、,Si,、,V,、,Ti,S,、,P,工程材料学,Mn,、,Ni,、,Cr,、,Mo,；,W,、,Si,、,V,、,Ti,1.1,合金元素在钢中的分布,(1),溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以,固溶体,的溶质形式存在。,(2),形成强化相,，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金,

3、属间化合物等。,(3),形成,非金属夹杂物,，如合金元素与,O,、,N,、,S,作用形成氧化物、氮化,物和硫化物。,(4),有些元素如,Pb,、,Ag,等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中,以,游离状态存在,，碳钢中碳有时也以自由状态,(,石墨,),存在。,合金元素究竟以哪种形式存在，主要决定于合金元素的种类、含萤、,冶炼方法及热处理工艺等；此外还取决于合金元素本身的特性。,?,猛烈落幕、乌龟怀胎？,工程材料学,合金元素的特性首先表现在与钢中的两个主要元素,铁,和,碳,的相互作用上，,其次还表现在对奥氏体层错能的影响上，因此一般常将钢中的合金元素按下述,方法分类：,1.1,合金元素的分类,

4、1.,按照与铁相互作用的特点分类,(1),奥氏体形成元素，如,C,、,N,、,Cu,、,Mn,、,Ni,、,Co,等；,(2),铁素体形成元素，如,Cr,、,V,、,Si,、,Al,、,Ti,、,Mo,、,W,等。,一般情况下，奥氏体形成元素易予优先分布在奥氏体中，铁,素体形成元素易于优先分布在铁素体中。而合金元素的实际分,布状态还与加入量和热处理条件有关。,FCC,：,Al,、,Cu,、,Ni,、,Co,、,Ag,BCC,：,Cr,、,V,、,Mo,、,W,、,?,-Ti,工程材料学,2.,按照与碳相互作用的特点分类,(1),非碳化物形成元素，如,Ni,、,Cu,、,Si,、,Al,、,P,

5、等；,(2),碳化物形成元素，如,Cr,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Zr,、,Nb,等。,虽然非碳化物形成元素易溶入铁素体或奥氏体中，而碳化物形成,元素易存在于碳化物中，但当加入数量较少时，碳化物形成元素也可,溶入固溶体或渗碳体，当加入数量较多时，可形成特殊碳化物。,合金元素的特性首先表现在与钢中的两个主要元素铁和碳的相互作用上，,其次还表现在对奥氏体层错能的影响上，因此一般常将钢中的合金元素按下述,方法分类：,1.1,合金元素的分类,工程材料学,3.,按照对奥氏体层错能的影响分类,(1),提高奥氏体层错能的元素，如,Ni,、,Cu,、,C,等；,(2),降低奥氏体层错能的元素，如,Mn,

6、、,Cr,、,Ru,（钌）、,Ir,（,铱,）等。,实际上，每种分类方法都是从不同的侧面反映了合金元素的特性。,以上三种分类方法很好地揭示了钢中合金元素三个方面的基本特性，,对深入了解合金元素在钢中的基本作用有一定的指导意义。,合金元素的特性首先表现在与钢中的两个主要元素铁和碳的相互作用上，,其次还表现在对奥氏体层错能的影响上，因此一般常将钢中的合金元素按下述,方法分类：,1.1,合金元素的分类,工程材料学,1.2,合金元素与铁和碳的相互作用及其,对奥氏体层错能的影响,1.2.1,合金元素与铁的相互作用,1.2.1,合金元素与铁的相互作用,合金元素加入钢中之后，对钢的相变、组织和性能的影响一般

7、取决于,合金元素与铁和碳的相互作用,。,（,1,）扩大,区元素：,C,、,N,、,Cu,、,Mn,、,Ni,、,Co,（,2,）缩小区元素,Cr,、,V,、,Si,、,Al,、,Ti,、,Mo,、,W,工程材料学,(1),扩大,区元素：,镍、锰、钴、碳、氮、铜等元素,1.2.1,合金元素与铁的相互作用,-Fe,-Fe,-Fe,910,1400,A,3,A,4,A4,点上升，点,A3,下降，奥氏体稳定存在的区域扩大,(,奥氏体形成元素,),扩大,区并与,Fe,无限互溶的,Fe-M,状态图,M=Ni,、,Mn,、,Co,扩大,区并能与,Fe,有限互溶的,Fe-M,状,态图，,M=C,、,N,、,C

8、o,，这类元素质量,分数较低时，扩大,区，当达到某一元素,的质量分数后，,区,有逐渐缩小。,工程材料学,(2),缩小,区元素：,?,又称铁素体形成元素。这类元素的共同特点是：点,A4,下降，点,A3,上升，奥氏,体区缩小。当含铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、铍等元素时，能使,区范围急,剧缩小，以至达到某一元素的质量分数时，点,A3,与点,A4,重合，,区被封闭。,1.2.1,合金元素与铁的相互作用,封闭,区，并与,Fe,无限,互溶的,Fe-M,状态图,缩小,区的,Fe-M,状态图,工程材料学,1.2.1,合金元素与铁的相互作用,为什么有的合金元素与铁相互作用能扩大奥氏体区，而有的合金元素则缩,小奥

9、氏体区呢,?,目前只能从点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学因素等方面,考虑。,应该指出的是，在上述各类铁基二元合金中，合金元素除溶于,Fe,或,Fe,外，含量高时，还可能形成金属间化合物。如在,Fe-Cr,、,Fe-V,、,Fe-Mo,等系合,金中，当条件合适时，可能产生分子式分别相当于,FeCr,、,FeV,、,FeMo,的金属,间化合物，一般称为,相。此问题在特殊钢中会遇到。,合金元素与铁的相互作用这一理论的工程实际意义在于：为了保证钢具有,良好的耐蚀性,(,如不锈钢,),，需要在室温下获得单一相组织，就是运用上述合金,元素与铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温

10、,条件下获得单相奥氏体或铁素体等单一组织。,工程材料学,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,合金元素与钢中碳的作用主要表现在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物,倾向的大小。碳化物是钢中最重要的强化相，对于决定钢的组织和性能具有极其,重要的意义。,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,1.,非碳化物形成元素,非碳化物形成元素包括,Ni,、,Si,、,Co,、,Al,、,Cu,、,N,、,P,、,S,等。它们与碳不形,成碳化物，但可固溶于,Fe,中形成固溶体，或者形成其他化合物，如氮可形成氮,化物。,2.,碳化物形成元素,碳化物形成元素包括,Fe,、,Mn,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,N

11、b,、,Zr,、,Ti,等。它们都,是,过渡族元素,。碳化物是钢中主要的强化相。,工程材料学,碳化物形成元素,形成碳化物的规律,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,从周期表中的位置来看，碳化物形成元素,(Ti,、,V,、,Cr,、,Mn,、,Zr,、,Nb,、,Ti,、,W,、,Mo,等,),均位于,Fe,的左侧，而非碳化物形成元素,(Ni,、,Si,、,Co,、,Al,、,Cu),等均处于周期表,的右侧。,Ni,和,Co,也可形成独立的碳化物，但由于其稳定性很差（比,Fe,3,C,还小,),，在钢中不,会出现，故通常被当做非碳化物形成元素看待。,Mn,是碳化物形成元素，但,Mn,极易溶,入渗

12、碳体中，故钢中没有发现,Mn,的独立碳化物。,碳化物形成元素均有一个未填满的,d,电子层，当形成碳化物时，碳首先将其外层,电子填入合金元素的,d,电子层，从而使形成的碳化物具有金属键结合的性质。因此，,具有金属的特性。合金元素与,Fe,原子比较，,d,电子愈是不满，形成碳化物的能力就愈,强，即与碳的亲和力愈大，所形成的碳化物也就愈稳定。,按照碳化物形成元素所生成的碳化物稳定程度由强到弱的顺序，可将这些元素依,次排列为：,Ti,、,Zr,、,Nb,、,V,、,Mo,、,W,、,Cr,、,Mn,、,Fe,。,工程材料学,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,按照碳化物晶格类型的不同，碳化物可分为两类

13、：,当,r,c,/r,Me,0.59,时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。,Cr,、,Mn,、,Fe,属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物：,Cr,23,C,6,、,Cr,7,C,3,、,Fe,3,C,等。,当,r,c,/r,Me,0.59,时，形成简单点阵的碳化物,(,间隙相,),。,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Nb,、,Ta,、,Zr,均属于此类元素，它们形成的碳化物是：,MeX,型：,WC,、,VC,、,TiC,、,NbC,、,TaC,、,ZrC,。,Me,2,X,型：,W,2,C,、,Mo,2,C,、,Ta,2,C,。,实际上钢中的碳化物，除上述两种类型以外，在某些

14、条件下，还可出现下述两,种情况：,一种是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，常以合金渗碳体的形式出现，如,(FeCr),3,C,、,(FeMn),3,C,等；另一种是合金元素含量有所升高，但仍不足以生成自己特有的碳化物，这时将,生成具有复杂结构的合金碳化物，如,Fe,2,W,4,C,、,Fe,4,W,2,C,、,Fe,3,Mo,3,C,等。,工程材料学,?,碳化物具有下列特点：碳化物硬度大、熔点高,(,可达,3000,),，分解温,度高,(1200,),；形成碳化物倾向愈强的元素，其碳化物硬度愈高；,?,稳定的碳化物具有高熔点、高分解温度

15、，难于溶入固溶体，因而也难,以聚集长大，可大大提高材料的性能和使用寿命；,?,碳化物的稳定性对于钢的热强性有重要的意义，可以使钢在更高的温,度下使用，可在达到同样硬度下，使钢可以在更高的温度下回火，获,得好的塑性和韧性；,?,间隙相碳化物虽含有,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，呈缺位固溶体形式，在合金钢中常遇到,这类碳化物。,碳化物形成元素,碳化物的特性,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,工程材料学,合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义。,一方面它关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布。而所,有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、

16、耐性、塑性、韧,性、红硬性和某些特殊性能。同时对钢的热处理亦有较大影响，如奥氏,体,(A),化温度和时间，,A,晶粒的长大等。,另一方面由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过程中碳的,扩散速度亦有较大影响；强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原的,扩散速度；弱碳化物形成元素,Mn,以及大多数非碳化物形成元素则无此,作用，甚至某元素如,Co,还有增大碳原子扩散的作用。因而合金元素与碳,的作用对钢的相变有重要影响。,1.2.2,合金元素与碳的相互作用,工程材料学,1.2.3,合金元素对奥氏体层错能的影响,1.2.3,合金元素对奥氏体层错能的影响,1,合金元素的影响趋势,奥氏体层错能是一个很重要

17、的参量，对于钢的组织和性能都有很大影响。,目前影响趋势看是一致的：,镍、铜和碳使奥氏体层错能提高，而锰、铬、钌和铱降低奥氏体层错能。,2,奥氏体层错能对钢的力学性能的影响,一般认为，层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导,致钢的加工硬化趋势增大。所以奥化体层错能的高低将直接影响到奥氏体钢,(,室,温下为奥氏体组织,),的力学行为。,典型的例子是高镍钢和高锰钢,；锰和镍都是,A,形成元素，单独加入相当数量的镍,和锰都可以使钢在室温下获得单相奥氏体，但却发现镍钢的冷变形性能优异，易于变,形加工。而锰钢的冷变形性能很差，却表现有很高的加工硬化趋势与耐磨性。显然，,造成这种性能差异的原

18、因，乃是镍和锰奥氏体层错能的影响不同所致。,工程材料学,1.2.3,合金元素对奥氏体层错能的影响,3,奥氏体层错能对钢相变行为的影响,由于奥氏体是钢中相变产物的母相，改变奥氏体层错能必然会影响到,钢的相变行为。,通常，奥氏体层错能越低，易于形成板条马氏体，具有位错型亚结构；,而奥氏体层错能越高，易于形成片状马氏体，具有孪晶型亚结构。,一般认为，奥氏体层错能的高低，反映马氏体层错能高低。降低奥,氏体层错能，相应于提高马氏体的层错能，使位错不易分解，导致不均匀,切变时易发生滑移变形，形成位错结构。反之，提高奥氏体层错能，相应,于降低马氏体的层错能，便使马氏体相变时易于形成孪晶亚结构。,工程材料学,

19、1.3,钢的强化机制,使金属强度,(,主要是屈服强度,),增大的过程称为强化。金属的强度一般是指,金属材料对塑性变形的抗力，发生塑性变形所需要的应力越高，强度也就越,高。,由于钢铁材料的实际强度与大量的位错密切相关，其力学本资是塑变抗,力。为了提高钢铁材料的强度，要把着眼点放在提高塑变抗力上，阻止位错,运动。钢的强化机制的基本出发点是造成障碍，,阻碍位错运动,。,1.3,钢的强化机制,?,固溶强化,?,晶界强化,?,第二相强化,?,位错强化,通过分这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。,工程材料学,固溶强化,1.3,钢的强化机制,间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈，

20、其强化作用相差,10,100,倍，因此，间隙原子如,C,、,N,是钢中重要的强化元素。然而在室温,下，它们在铁素体中的溶解度十分有限，因此，其固溶强化作用受到限制,固溶强化效果越大，则塑性韧性下降越多。因此选用固溶强化元素时,一定不能只着眼强化效果的大小，而应对塑性、韧性给予充分保证。所以，,对溶质的浓度应加以控制。,在工程用钢中置换式溶质原子的固溶强化效果不可忽视。能与,Fe,形成,置换式固溶体的合金元素很多，如,Mn,、,Si,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,W,等。这些合,金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化效果增大，,尤其是,Si,、,Mn,的强化作用更大。,工程材

21、料学,晶界强化,1.3,钢的强化机制,(1),利用合金元素改变晶界的特性，提高,Ka,值。可向钢中加入表面活性元,素如,C,、,N,、,Ni,和,Si,等，以使在,aFe,晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的,能力。,(2),利用合金元素细化晶粒，通过减少晶粒尺寸增加晶界数量。常用的方,法是向钢中加入,Al,、,Nb,、,V,、,Ti,等元素，形成难熔的第二相质点，阻碍奥氏,体晶界移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒。,从细化晶粒角度出发，希望所形成的第二相稳定性高，不易聚集长大。,为此，可向钢中加入能形成强碳化物或强氮化物形成的元素，如,Al,、,V,、,Ti,、,Nb,等，这常常是钢合金化的一

22、个重要着眼点。,细化晶粒还可以用热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化及控制轧,制等。,工程材料学,第二相强化,1.3,钢的强化机制,弥散强化是钢中常见的强化机制。例,如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳,化物作弥散强化相。这时合金元素的主要,作用在于为制造在高温回火条件下，使碳,化物呈细小均匀弥散分布，并防止碳化物,聚集长大，故需向钢中加入强碳化物形成,元素,V,、,Ti,、,W,、,Mo,、,Nb,等。,利用沉淀强化的基本途径是合金化加,淬火时效。合金化的目的是为造成理想的,沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效,钢中加入,Ti,和,Mo,，形成,Ni,3,Ti,、,Ni,3,Mo,理想,的强

23、化相，以获得良好的沉淀强化效果。,对于珠光体来说，为了达到强化目的，需向钢中加,入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素,Cr,、,Mn,、,Mo,等，,使,C,曲线右移，在同样冷却条件下，可以得到片间距细,小的珠光体，同时还可起到细化铁素体晶粒的作用，从,而达到强化的目的。,工程材料学,位错强化,1.3,钢的强化机制,从位错强化机制出发，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。,(1),细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形,不协调诱发几何上需要的位错，同时还可使晶粒内位错,塞积群的数量增多。宜向钢中加入细化晶粒的合金元素,.,(2),形成第二相

24、粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望,位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增,多。宜向钢中加入强碳化物形成元素。,(3),促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏体，造成,位错型亚结构。宜向钢中加入提高淬透性的合金元素。,(4),降低层错能。通过降低层错能，使位错易于扩展和,形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。,工程材料学,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,?,与强度一样，塑性和韧性也是钢的重要力学性能指标。塑性、韧性的,好坏，不仅涉及钢的冷变形加工工艺性能，而且还会直接影响使用的,安全性。,?,塑性和韧性与强度比较是对组织更为敏感的性能。例如，成分、组织,的不均匀性、非金属夹杂

25、物的形态、分布等对材料的强度虽有影响，,但对塑性和韧性的影响更为严重。,?,选择材料时，不但要着眼于强度，同时还要顾及塑性和韧性。为此，,有必要深入理解合金元素对钢的塑性和韧性影响的机制，以便提高合,理选用合金元素的能力。,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,工程材料学,一、改善钢塑性的基本途径,?,钢的塑性有两个基本指标：,均匀真应变；,断裂真应变。,?,物理意义是表征钢的极限塑性变形的能力。这一塑性指标除与均,匀真应变有关外，还取决于颈缩后继续变形的程度。颈缩后的变,形，主要取决于微孔坑或微裂纹形成的难易程度。,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,改变钢塑性的途径是：在提高均匀塑性的同

26、时，尽量避免或推,迟微孔坑的形成。,工程材料学,二、影响钢塑性的主要因素,1,溶质原子的影响,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,2,晶粒大小对塑性的影响,3,第二相对塑性的影响,4,位错强化与钢的塑性,在,Fe,中加入合金元素时，一般都使塑性下降。强化效果越大的合金,元素使塑性下降得越多。间隙式溶质原子,(C,、,N),使塑性下降的程度较置换,式溶质原子大得多。在置换式溶质原子中，以,Si,和,Mn,使塑性损失较大，而,且其加入数量越多，均匀应变就越低。,合金元素对奥氏体塑性的影响比较复杂，往往使塑性在一定的溶质含量,处出现最大一值。如钢中,w(Cr)=17,时，改变,Ni,的质量分数，则

27、在约,w(Ni)=10,处，使塑性出现最大值。反之固定,w(Ni)=8,时，改变,Cr,的质量,分数，则在约,w(Cr)=19,处，使塑性达到最大。,工程材料学,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,1,溶质原子的影响,2,晶粒大小对塑性的影响,3,第二相对塑性的影响,4,位错强化与钢的塑性,二、影响钢塑性的主要因素,一般认为细化晶粒的合金元素对改善钢的均匀塑性贡献不大，但对极,限塑性却会有一定好处。这是因为随着晶粒尺寸的减少，使应力集中减弱，,推迟孔坑或微裂纹的形成。,例如，在工具钢中加入细化晶粒的合金元素，对塑性改善或提高断裂,抗力会有一定好处，这是工具钢合金化的一个主要的出发点。,工程材

28、料学,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,1,溶质原子的影响,2,晶粒大小对塑性的影响,3,第二相对塑性的影响,4,位错强化与钢的塑性,二、影响钢塑性的主要因素,第二相强化,(,特别是弥散强化,),是钢中重要的强化途径。一般说,来，第二相强化对极限塑性有害。极限塑性除与均匀真应变有关,外，还取决于颈缩后应变。后者又与微孔坑是否易于形成有关。,(1),第二相粒子尺寸越大，极限塑性越低。,(2),第二相粒子呈针状或片状对极限塑性危害较,大，而呈球状时危害较小。,(3),第二相粒子均匀分布时对极限塑性危害较小，,而沿晶界分布危害较大。,因此，为了改善钢的塑性，钢中第二相应,为球状、细小、均匀、弥散

29、的分布。这是充分,发挥弥散强化作用的重要条件。,(1),控制碳化物的数量、尺寸、形状和分布。可,通过合金化与回火、球化处理相结合等方法，,使碳化物呈球状、细小、均匀、弥散的分布状,态。,(2),减少钢中夹杂物的数量，控制夹杂物形态。,要尽量减少钢中硫和氧的含量，并使硫化物与,氧化物呈球状。为此向钢中加人,Ca,、,Zr,或稀土,元素，能与钢中的硫形成难熔的硫化物，铸锭,时可以从钢液中以小质点颗粒析出。,工程材料学,?,一般说来，增加位错密度可使钢的塑性下降。例如采用冷变形作为钢,的强化方式时，虽然钢的强度提高，但却使钢的塑性下降，此为这种,强化方式的一大弊病，使用时要充分注意。特别是当有间隙原

30、子,C,和,N,钉扎位错时，位错的可动性大大降低，对塑性的影响更为不利。在,这种情况下，加入少量的,Ti,、,V,、,Nb,等微量元素以固定间隙原子，使,之不向位错处偏聚，可使钢的塑性得到一定程度的改善。,二、影响钢塑性的主要因素,1,溶质原子的影响,2,晶粒大小对塑性的影响,3,第二相对塑性的影响,4,位错强化与钢的塑性,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,工程材料学,三、改善钢韧性的途径,?,韧性是表征材料断裂抗力的一种力学参量。通常用,冲击韧性,k,、,断裂,韧度,K,IC,和,脆性转折温度,(T,k,),等表示。由于外界条件的变化，通常可以,表现出三种基本断裂类型：,延性断裂,、,解

31、理断裂,和,沿晶断裂,。由于其,断裂机制不同，所以改善和提高韧性的途径也不同。,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,1.,改善延性断裂的途径,改变解理断裂抗力的途径,2.,改善解理断裂抗力的途径,3.,改善沿晶断裂抗力的途径,工程材料学,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,1.,改善延性断裂的途径,2.,改善解理断裂抗力的途径,3.,改善沿晶断裂抗力的途径,三、改善钢韧性的途径,?,延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程。,(1),减少钢中第二相的数量。为了防止微孔坑的形成，尽量减少钢,中第二相的数量，如氧化物、硫化物、硅酸盐、碳化物、氮化物等。,(2),提高基体组织的塑性。裂

32、纹主要在基体中扩展，改善基体的塑,性，使裂纹扩展时塑性区宽度增大，消耗较多的能力。如：减少基体,组织中固然强化效果大的元素：,Si,、,Mn,、,P,、,C,、,N,等。,(3),提高组织的均匀性。防止塑性变形的不均匀性，减小应力集中。,如：强化相呈细小弥散分布、非沿晶分布；淬火回火钢，提高回火温,度。,工程材料学,三、改善钢韧性的途径,?,晶粒越细，位错塞积的数目下降，不易产生应力集中，解理断裂不易,发生；防止解理断裂的第一种方法就是细化晶粒，具体是正火、控制,轧制、加入细化晶粒的合金元素。如,Ni,可以显著降低钢的,Tk,值；采用,没有冷脆现象的面心立方奥氏体钢。,1.4,改善钢的塑性和韧

33、性的基本途径,1.,改善延性断裂的途径,2.,改善解理断裂抗力的途径,3.,改善沿晶断裂抗力的途径,工程材料学,三、改善钢韧性的途径,(1),溶质断裂,(,如：,P,、,As,、,Sb,、,Sn,等,),在晶界上偏聚，造成晶界能量,rg,下降，,因而裂纹易于沿晶形成和扩展。,1.,改善延性断裂的途径,2.,改善解理断裂抗力的途径,3.,改善沿晶断裂抗力的途径,?,沿晶断裂的类型有如：回火脆、过热、过烧等晶界弱化而引起沿晶断裂。,(2),第二相质点,(,如,MnS,、,Fe,3,C),沿晶界分布，致使裂纹易于在晶界处形成，并,使主裂纹易于沿晶界传播。,为此，要提高沿晶界的断裂抗力，就要防止溶质原

34、子沿晶界分布和第二,相沿晶界析出。如加入合金元素,Mo,、,Ti,或,Zr,，这几个元素与杂质元素有更强,的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界偏聚，从而减轻回火脆倾向；减少钢,中,S,含量或加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物,(,熔点高,),，在高温加热时不会,熔解，可防止,MnS,在晶界析出。,1.4,改善钢的塑性和韧性的基本途径,工程材料学,1.5,合金元素对钢相变的影响,?,由于,Fe-C,相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时选择加热温度的,依据，要了解合金元素对,Fe-C,相图的影响。,?,另外，在大多数合金钢中，预期性能主要是通过合金元素对相变过程,的作用来实现的，因此，合金元素对相变

35、过程的影响具有特别重要的,意义。,?,钢中有三个基本的相变过程，即,加热时奥氏体的形成,、,冷却时过冷奥,氏体的分解,以及,淬火马氏体回火时,的转变。,1.5,合金元素对钢相变的影响,工程材料学,一、合金元素对,Fe-C,相图的影晌,凡是扩大,相区的元素,(,如,Ni,、,Co,、,Mn,等,),均使点,S,左移、,A3,线下降；凡是缩小,相区的元素,(,如,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Si,等,),均使,A3,线上升，也使点,S,左移。大,多数元素均使,ES,线左移，点,E,左移，这就意味着钢中,C,的质量分数不足,2,时，就会出现共晶莱氏体，例如,W18Cr4V,高速钢中

36、，尽管其,w(C)=0.7-0.8,，但在铸,态组织中已出现了莱氏体。此外，扩大,相区的元素如,Ni,、,Mn,的质量分数足够高时，可使,相区扩展到室温,以下，得到奥氏体钢；,Cr,和,Si,等元素则限制,相区，甚,至使其完全消失，得到铁素体钢。,1.5,合金元素对钢相变的影响,1,对奥氏体相区的影响,2,对共析温度的影响,3,对共析点位置的影响,Mn,对相区的影响,Cr,对相区的影响,工程材料学,一、合金元素对,Fe-C,相图的影晌,1.5,合金元素对钢相变的影响,1,对奥氏体相区的影响,2,对共析温度的影响,3,对共析点位置的影响,?,共析反应涉及,的同素异晶转变,和碳化物的析出和溶解。合

37、金元素的,存在，将改变钢的共析温度。如扩大,相区的元素，降低,A3,和,Al,，使点,S,左,移；缩小,相区的元素，使,A3,和,A1,升,高，也使点,S,左移。,合金元素对共析温度的影响,工程材料学,一、合金元素对,Fe-C,相图的影晌,1.5,合金元素对钢相变的影响,1,对奥氏体相区的影响,2,对共析温度的影响,3,对共析点位置的影响,所有合金元素均使点,S,左移，这就意味着钢,中,C,的质量分数不足,0.77,时，钢即可变为过,共析钢，而析出二次渗碳体，也就是说合金,元素使点,S,左移，降低了共析体中,C,的质量分,数。例如叫,(C)=0.4,的,4Cr13,钢已不是亚共,析钢，而是过共

38、析钢了。,合金元素对共析体的,影响,工程材料学,二、合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响,1.5,合金元素对钢相变的影响,?,合金元素的影响在于：一方面合金元素的加入改变了临界点的温度、点,S,的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度,条件发生了变化；另一方面，由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金,元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影,响奥氏体化过程。,工程材料学,?,奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散,有关。,二、合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响,?,钴和镍提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。,?

39、,硅、铝、锰等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速,度影响不大。,?,由于碳化物形成元素与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，,大大减慢了奥氏体的形成速度。,?,奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳化,物，要使其分解并溶人奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临,界点几十或几百度。,1.5,合金元素对钢相变的影响,工程材料学,合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。,1.5,合金元素对钢相变的影响,二、合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响,?,Ti,、,Zr,、,Nb,、,V,等强碳化物形成元素强烈阻止奥氏体晶粒长大，起细,化晶

40、粒的作用；,?,W,、,Mo,、,Cr,等阻止奥氏体晶粒长大的作用中等；非碳化物形成元素如,Ni,、,Si,、,Cu,、,Co,等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微；,?,Mn,、,P,则有助长奥氏体晶粒长大的倾向。,工程材料学,?,合金元素可以使钢的,C,曲线发生显著变化。几乎所有的合金元素,(,除,Co,外,),都使,C,曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。除,Co,、,Al,以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降，如图。,三、合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响,1.5,合金元素对钢相变的影响,非碳化物形成元素,碳化物形成元素,对碳钢,C,曲线的影响,?,钢中最常用的提高淬透性

41、元素有：,Cr,、,Mn,、,Mo,、,Si,、,Ni,、,B,工程材料学,三、合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响,?,合金元素只有当淬火加热溶人奥氏体中时，才能起到提高,淬透性的作用。含,Cr,、,Mo,、,W,、,V,等强碳化物形成元素的,钢，若淬火加热温度不高、保温时间较短、碳化物未溶解,时，非但不能提高淬透性，反而会由于未溶碳化物粒子能,成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。,1.5,合金元素对钢相变的影响,工程材料学,三、合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响,?,钢中加入合金元素将使点,Ms,、,Mf,下降，而使残余奥氏体增多，因此在相,同的含碳量下，合金钢中的残余奥氏体质量分数比碳钢中

42、的多。,?,在许多工业用高碳、高合金钢中，淬火钢中的残余奥氏体质量分数甚至,可大于,30,40,以上。这对钢的性能将产生很大影响。残余奥氏体量过,高时钢的硬度降低，疲劳抗力下降。,?,为了将残余奥氏体量控制在合适范围，往往要进行附加的处理，例如冷,处理,(,即将钢冷至点肌以下，让奥氏体转变成马氏体,),或多次回火。,?,多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，使残余奥氏体的点,Mf,、,Mf,升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体,(,称为二,次淬火,),，从而使残余奥氏体量减少。,?,下列元素可明显地降低钢的点,Ms,、,Mf,，并增加残余奥氏体量，按照作用,的强弱可列为,

43、Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,W,、,Si,。,1.5,合金元素对钢相变的影响,工程材料学,三、合金元素对回火过程的影响,1.5,合金元素对钢相变的影响,?,回火过程是使钢获得预期性能的关键工序，合金元素的,主要作用是提高钢的回火稳定性,(,钢对回火时发生软化过,程的抵抗能力,),，使回火过程各个阶段的转变速度大大减,慢，将其推向更高的温度,1,对马氏体分解的影响,2,对残余奥氏体转变的影响,3,对碳化物的影响,4,对铁素体回复再结晶的影响,5,对回火脆性的影响,工程材料学,1.5,合金元素对钢相变的影响,1,对马氏体分解的影响,?,碳化物形成元素,V,、,Nb,、,Cr,、,Mo,

44、、,W,等对碳有较强的亲和力，溶于马,氏体中的碳化物形成元素阻碍碳从马氏体中析出，因而使马氏体分解,减慢。在碳钢中，实际上所有的碳从马氏体中的析出温度都在,250,350,左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高,的温度,400,500,，其中,V,、,Nb,的作用比,Cr,、,W,、,Mo,更强烈。,?,非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但,Si,的作用比较独特。,Si,可以,显著减慢马氏体的分解速度。如,w(Si)=2,的钢，可把马氏体的分解温,度提高到,350,以上。,工程材料学,1.5,合金元素对钢相变的影响,2,对残余奥氏体转变的影响,?,合金元素大都使残余奥氏体的

45、分解温度向高温方向推移，其中尤以,Cr,、,Mn,、,Si,的作用最为显著。,3,对碳化物的影响,?,在含,W,、,Mo,、,V,较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的,升高不是单调降低，而是在某一回火温度后，硬度反而增,加，并在某一温度,(,一般为,550,左右,),达到峰值。这种在一,定回火温度下硬度出现峰值现象称为二次硬化。,?,二次硬化是由高温回火时从马氏体中析出的高度分散的合,金碳化物粒子所造成的。这类碳化物粒子在高温下非常稳,定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度。,这对在高温下工作的钢，特别是高速切削工具及热变形模,具用钢，是极为重要的。,工程材料学,4,对铁素体回复再结

46、晶的影响,?,大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再结晶过程，其中,Co,、,Mo,、,W,、,Cr,、,V,显著提高,相的再结晶温度，,Si,、,Mn,的影响次之，,Ni,的影响较小。,?,在碳钢中，,相高于,400,开始回复过程，,500,开始再结晶。当往钢中,加入,Co(w(Co)=2,),时，可将,相的再结晶温度升高到,630,，几种元素,的综合作用可以更显著地提高再结晶温度。,1.5,合金元素对钢相变的影响,工程材料学,回火脆性,1.5,合金元素对钢相变的影响,回火脆性是指淬火钢回火后出现韧性下降的,现象,。,回火,脆性：淬火钢在回火时，随着回火温度的升高，硬度降低，韧性,升高，但是在

47、许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了,两个低谷，一个在,200350,之间，另一个在,450650,之间。,随回火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象，回火脆性可分为,第一类回火脆性和第二类回火脆性。,工程材料学,第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，低温回火脆性，主要,发生在回火温度为,250,400,时。,?,特征,（,1,）具有不可逆性；（,2,）与回火后的冷却速度无关；（,3,）断口,为沿晶脆性断口。,?,3,、产生的原因三种观点：,（,1,）残余,A,转变理论,（,2,）碳化物析出理论（,3,）杂质偏聚理论,工程材料学,?,4,、防止方法,无法消除,不在这个温度范围内回火，没有能够

48、有效抑制产生这种回,火脆性的合金元素,（,1,）降低钢中杂质元素的含量；,（,2,）用,Al,脱氧或加入,Nb,、,V,、,Ti,等合金元素细化,A,晶粒；,（,3,）加入,Mo,、,W,等可以减轻；,（,4,）加入,Cr,、,Si,调整温度范围（推向高温）；,（,5,）采用等温淬火代替淬火回火工艺。,工程材料学,?,第二类回火脆性又称可逆回火脆性，高温回火脆性。发生的温度在,400,650,，特征,（,1,）具有可逆性；,（,2,）与回火后的冷却速度有关；回火保温后，缓冷出现，快冷不出现，出现,脆化后可重新加热后快冷消除。,（,3,）与组织状态无关，但以,M,的脆化倾向大；,（,4,）在脆化

49、区内回火，回火后脆化与冷却速度无关；,（,5,）断口为沿晶脆性断口。,工程材料学,?,4,、影响第二类回火脆性的因素,（,1,）化学成分（,2,）,A,晶粒大小（,3,）热处理后的硬度,?,5,、产生的机理,（,1,）出现回火脆性时，,Ni,、,Cr,、,Sb,、,Sn,、,P,等都向原,A,晶界偏聚，,都集中在,23,个原子厚度的晶界上，回火脆性随杂质元素的增多而,增大。,Ni,、,Cr,不仅自身偏聚，而且促进杂质元素的偏聚。（,2,）淬,火未回火或回火未经脆化处理的，均未发现合金元素及杂质元素的,偏聚现象。（,3,）合金元素,Mo,能抑制杂质元素向,A,晶界的偏聚，而,且自身也不偏聚。,以

50、上说明：,Sb,、,Sn,、,P,等杂质元素向原,A,晶界偏聚是产生第二,类回火脆性的主要原因，而,Ni,、,Cr,不仅促进杂质元素的偏聚，且本,身也偏聚，从而降低了晶界的断裂强度，产生回火脆性。,工程材料学,?,6,、防止方法,（,1,）提高钢材的纯度，尽量减少杂质；,（,2,）加入适量的,Mo,、,W,等有益的合金元素；,（,3,）对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法；,（,4,）采用亚温淬火（,A1A3,）：,细化晶粒，减少偏聚。加热后为,A+F,（,F,为细条状），杂质会在,F,中富集，且,F,溶解杂质元素的能力较大，可抑,制杂质元素向,A,晶界偏聚。,（,5,）采用高温形变

51、热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大，降低杂质元,素偏聚的浓度。,工程材料学,Al,?,Al,主要作用为细化晶粒和脱氧；,?,在渗氮钢中能促成渗氮层；,?,含量高时，能提高高温抗氧化性，耐,H,2,S,气,体的腐蚀作用；,?,固溶强化作用大，提高耐热合金的热强性，,有促使石墨化倾向。,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,B,?,B,微量硼能提高钢的淬透性，但随钢中碳含量增加，淬透,性的提高逐渐减弱以至完全消失；,?,钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高,强度。,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,C,?,C,含量增加，钢的硬度和强度也提高，但塑性和韧性随之,下降；,附：合金元素对钢

52、的影响,工程材料学,Co,?,钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢,和磁性材料。,?,Co,有固溶强化作用，使钢具有红硬性，提高高温性能、,抗氧化和耐腐蚀性，为高温合金及超硬高速钢的重要合金,元素，提高钢的,Ms,点，降低钢的淬透性；,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,Cr,?,Cr,提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加高碳钢的,耐磨性，含量超过,12,时，使钢具有良好的高温抗氧化性,和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸,钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性；,?,在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢

53、的抗氧化性和耐腐,蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,Cu,?,Cu,含量低时，作用和镍相似，含量较高时，对热变形加,工不利，如超过,0.30,时，在热变形加工时导致高温铜脆,现象，含量高于,0.75,时，经固溶处理和时效后可产生时,效强化作用。在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，可,提高钢的抗大气腐蚀性，,2,3,的铜在不锈钢中可提高,对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性；,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,Mn,?,在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含,锰,0.30,0.50%,。在碳素钢中加入,0.70%,以上时就

54、算“锰,钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强,度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如,16Mn,钢比,A3,屈服点高,40%,。含锰,11,14%,的钢有极高的耐磨性，,用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗,腐蚀能力，降低焊接性能。,?,Mn,降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细,化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金,元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火,脆性的不利倾向；,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,Mo,?,Mo,提高钢的淬透性，含量,0.5,时，能降低回火脆性，有,二次硬化作用。提高热强性和蠕变强度，含量,2

55、,3,时，,提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力；,?,钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时,保持足够的强度和抗蠕变能力,(,长期在高温下受到应力，,发生变形，称蠕变,),。结构钢中加入钼，能提高机械性能。,还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提,高红性。,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,N,?,N,有不明显的固溶强化及提高淬透性的作用，提高蠕变强,度，与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用，表面渗氮，,提高硬度及耐磨性，增加抗蚀性，在低碳钢中，残余氮会,导致时效脆性；,附：合金元素对钢的影响,工程材料学,Nb,?,Nb,固溶强化作用很明显，提高钢的淬透性,(,溶于奥氏体,时,),，增加回火稳定性，有二次硬化作用，提高钢的强度、,冲击韧性，当含量高时,(,大于碳含量的,8,倍,),，使钢具有良,好的抗氢性能，并提高热强钢的高温性能,(,蠕变强度等,),?,铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强,度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌