金属材料科学(第一章 钢合金化)1

1、0 钢的合金化概念一、为什么要合金化： 改变使用性能 （1）强韧性 （2）耐磨性 （3）抗蚀性 （4）高温强度 （5）磁性 改变工艺性能 （1）热塑性 （2）冷变形 （3）淬透性 （4）焊接性 （5）超塑性0 钢的合金化概念二、合金化概念： 成分组织性能 合金化热处理 合金元素： 为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学或力学性能而特别添加的化学元素，称为合金元素。 合金化： 加入适量的合金元素达到改变金属材料性能的方法，称为合金化1.0 钢的合金化概念三、合金钢： 加入了合金元素的钢 低合金钢：5% 中合金钢：510% 高合金钢：10% 1. 1 钢中的合金元素钢：Fe基合金 元素来源： 原

2、材料引入：矿石、废钢 工艺过程引入：脱氧、造渣、炉壁材料 合金化引入： S、P作为杂质元素； 其它作为残留元素； 1. 1 钢中的合金元素一、五大元素：C、Si、Mn、S、P1. C：钢中的主要强化元素，形成间隙固溶体，决定了钢的强度和硬度。是必要条件。重要的点：0.0218，0.77， 2.11，4.31. 1 钢中的合金元素2. Mn、Si： 炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形成高熔点MnS（1600）夹杂物。 MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布，各向异性。 Si：在钢中的含量通常小

3、于0.5%。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。 Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降1. 1 钢中的合金元素 3硫（S）和磷（P）S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS（熔点989），并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。 P：可固溶于-铁，剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性；形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。 1. 1 钢中的合金元素二、其它杂质元素氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后

4、析出氮化物机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。 H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。 O：在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。 N、H、O是有害杂质。 1. 1 钢中的合金元素三、合金元素：第二周期：B、C、N第三周期：Al、Si、P、S第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu第五周期：Y、Zr、Nb、Mo第六周期：La、Ta、W第七周期：稀土元素 1. 1 钢中的合金元素1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用一、合金元素的存在形式1形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶

5、体等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以-Fe为基的无限固溶体。 只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等。 只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用（2）形成铁基间隙固溶体对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用2形成合金渗碳体（1）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和

6、碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用2形成强化相（1）合金渗碳体，其中： 、族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等； 、金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。 在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23

7、C等。 1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用 （2）形成金属间化合物 1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。 2）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。 1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用3形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金属夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。 （3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据