金属材料科学(第一章钢的合金化)2

1、二、合金元素的分类二、合金元素的分类 1. 按照与铁相互作用的特点：（1）奥氏体形成元素（降低AC3，减少过冷度） C、N、Mn、Ni、Cu、Co 优先分布在奥氏体中（2）铁素体形成元素（升高AC3，增加过冷度） Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al 优先分布在铁素体中1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素的分类二、合金元素的分类 2. 按照与碳相互作用的特点：（1）碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Nb、Zr等（2）非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Cu、P等 Ni、Cu、C提高奥氏体层错能 Mn、Cr 降低奥氏体层错能1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元

2、素与铁的相互作用三、合金元素与铁的相互作用 1 相稳定化元素 相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：开启相区(无限扩大相区)（图1-1）扩展相区(有限扩大相区)（图1-2）1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元素与铁的相互作用三、合金元素与铁的相互作用开启相区(无限扩大相区)（图1-1） 这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，相保持到室温（即A1点降低），故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。 与-F

3、e无限固溶；与-Fe有限固溶1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用图1-1 扩大相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)三、合金元素与铁的相互作用三、合金元素与铁的相互作用扩展相区(有限扩大相区)（图1-2）虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。1

4、. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用图1-2 扩大相区并与-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区扩大区扩大a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启开启区区 量大时，量大时， 室温为室温为相；相；b) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用2 相稳定化元素 合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：封闭相区(无限扩大相区)（图1-3）

5、缩小相区(但不能使相区封闭)（图1-4）1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用封闭相区(无限扩大相区)（图1-3）当合金元素达到某一含量时，A3与A4重合，其结果使相与相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有-相变，与-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用图1-3 1-3 封闭相区并与-Fe-Fe无限互溶的Fe-MeFe-Me相图(a)(a)及Fe-CrFe-Cr相图(b)(b)1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用这类合金元素有：Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但应该指出，含Cr量小于7%时，A3下

6、降；含Cr量大于7%时，A3才上升。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用缩小相区(但不能使相区封闭)（图1-4）合金元素使A3升高，A4下降，使相区缩小但不能使其完全封闭。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用图1-4 缩小相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区缩小区缩小a) 完全封闭完全封闭区区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b) 缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元

7、素，稳定形成元素，稳定相相 F形成元素。形成元素。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用n3、合金元素与铁相互作用的机理解释n 与点阵类型、原子半径之比、电子结构及作用有关。n 相稳定化元素：Ni、Mn、Co与Fe原子半径差小n 与Fe无限固溶n 相稳定化元素：除Si、Al外，均为体心立方结构n Cr与Fe原子半径接近，无限固溶n 其它元素，半径差大，有限固溶1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用4、工程应用： 根据合金元素缩小和扩大区的作用，可以通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。 如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素； 欲发展铁素体钢时，需要往

8、钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。 1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用课堂作业：1）不锈钢中Cr、Ni的作用是什么？为什么1Cr13也是不锈钢？2）Mn13 为什么常用于挖掘机镐齿、破碎机颚板？四、合金元素与碳的相互作用四、合金元素与碳的相互作用 碳化物是钢的重要强化相。碳化物形成元素都碳化物是钢的重要强化相。碳化物形成元素都属于过渡族金属，周期表中位于铁的左侧。属于过渡族金属，周期表中位于铁的左侧。 CoCo、NiNi碳化物不稳定，非碳化物形成元素碳化物不稳定，非碳化物形成元素非碳化物形成元素非碳化物形成元素1.1. 碳化物形成元素碳化物形成元素1. 2 合金元素

9、与铁和碳的相互作用1 1、非碳化物形成元素、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，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。 非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。 Si、Al强烈的石墨化作用 Cu、Ni、Co促进石墨化 W、Mo溶入Fe3C，降低其稳定性1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用2 2、碳化物形成元素、碳化物形成元素 （由强到弱排列）（由强到弱排列）Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe 可以根据熔点、硬度，判断碳化物的稳定性可以根据熔点、硬度，判断碳化物的稳定性 （教材：（教材：p5，表，表

10、1-1） 稳定的碳化物，熔点高，分解温度高，稳定的碳化物，熔点高，分解温度高， 加热时难于溶入固溶体，难以聚集长大加热时难于溶入固溶体，难以聚集长大1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用3 3、常见碳化物、常见碳化物钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有： M3C：渗碳体，正交点阵；：渗碳体，正交点阵； M7C3：例：例Cr7C3，复杂六方，复杂六方 ； M23C6：例：例Cr23C6，复杂立方，复杂立方 ； M2C：例：例Mo2C、W2C。密排六方。密排六方 ； MC：例：例VC、TiC，简单面心立方点阵，简单面心立方点阵 ； M6C：不是一种金属：不是一种金属K。复杂六方点阵。复杂六方点阵 。

11、 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成复合；可形成复合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C31. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差； 简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。 M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物, 复杂结构，复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。4 4、碳化物的结构形式、碳化物的结构

12、形式 间隙相：间隙相：MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、TaTa、ZrZr 稳定性好，熔点高，加热不易溶解稳定性好，熔点高，加热不易溶解 复杂结构：复杂结构：FeFe、MnMn、CrCr 稳定性差，熔点低，加热易于溶解稳定性差，熔点低，加热易于溶解1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1 1、K K类型类型 K类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径有关。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.

13、53 0.53 1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如（，如（Cr, M）23C6型型 。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用相似者相溶相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC

14、 VC。 有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值为最大值为 20%Cr， 2%W， 0.5%V； MC型不溶入型不溶入Fe，但可溶入少量，但可溶入少量W、Mo。 溶入强者溶入强者,使使K稳定性稳定性 ;溶入弱者溶入弱者,使使K稳定性稳定性1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用强者先，依次成强者先，依次成 K形成元素中，强者优先与形成元素中，强者优先与C结合，随结合，随C，依次形成依次形成K。如：在含。如：在含Cr、W钢中，随钢中，随C，依，依次形成次形成M6C，Cr23C6 ，C

15、r7C3 , Fe3C。 如果钢中如果钢中C量有限，则弱的量有限，则弱的K形成元素溶入固形成元素溶入固溶体。如：在低碳含溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分的钢中，大部分Cr都都在基体固溶体中。在基体固溶体中。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用NM/NC比值决定了比值决定了K类型类型 形成什么形成什么K主要决定于当时的主要决定于当时的NM/NC比值。比值。 退火态退火态: 在在Cr钢中，随钢中，随NM/NC ，先后形，先后形 成顺序为：成顺序为：M3CM7C3M23C6 。 回火态回火态:基体中的基体中的NM/NC，则析出的，则析出的K中中 NM/NC也也。如。如W钢回火时，析出顺序为：

16、钢回火时，析出顺序为： Fe21W2C6 WC Fe4W2C W2C，NW/NC 是不断是不断。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用强者稳，溶解难，强者稳，溶解难， 析出难，聚集长大也是难析出难，聚集长大也是难 MC型在型在1000以上才开始溶解；回火时，以上才开始溶解；回火时，在在500700才析出，并且不易长大，产生才析出，并且不易长大，产生“二二次硬化次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。化方法。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用五、合金元素对铁碳相图的影响（一）对临界点的影响1. 对对A1（A3）的影响）的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn、

17、Co等使等使A1（A3）线向下移动；）线向下移动； F形成元素形成元素Cr、Mo、V、Ti、Si等使等使A1（A3）线向上移动）线向上移动2. 对对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向左下方移动，点向左下方移动， F形成元素使形成元素使S、E点向左上方移动。点向左上方移动。 S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小 ； E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低 。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用所有合金元素，降低共析含碳量（S点左移）： 一般碳钢：0.77， 4%Mn：0.6 4Cr13：过共析钢多数合金元素，降低共晶含碳量（E点左移

18、）： W18Cr4V: 1%C，出现莱氏体 1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用（二）对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 A A形成元素形成元素NiNi、MnMn、CoCo等使等使-Fe-Fe区扩大区扩大钢在室温钢在室温下也为下也为A A体体 奥氏体钢；奥氏体钢； 其中完全扩大其中完全扩大相区的合金元素相区的合金元素NiNi或或MnMn的含量较多时，的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如1Cr18Ni91Cr18Ni9高高镍奥氏体不锈钢和镍奥氏体不锈钢和ZGMn13ZGMn13高锰耐磨钢等。高锰耐磨钢等。1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用（二）对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 F形成元素形成元素Cr、Si、Ti等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高温下钢在高温下仍为仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。 其中完全