工程材料及热加工基础 17合金元素在钢中的作用-教案

授课教案课题名称合金元素在钢中的作用课次16教学目的与要求知识目标：1.了解加入合金元素的目的；2.熟悉常用的合金元素符号；3.了解合金元素的存在形式；4.掌握合金元素在钢中的作用。能力目标：1.能根据合金元素的作用大致判断合金钢的性能。重点、难点重点：合金元素对铁碳合金基本相的影响合金元素对钢的热处理的影响难点：合金元素对钢的热处理的影响教学设计（方法、教具、手段、内容）教学方法：多媒体、板书讲解、简图分析教学用具：教材、教案、PPT、视频教学内容：课题引入一、合金钢的基本知识1、概念；2、分类二、合金元素在钢中的形式三、合金元素对钢的作用四、内容小结课外作业总结和简述合金钢的分类及合金元素在钢中的作用。课后总结合金元素在钢中会影响钢的基本相、热处理过程中的加热温度、保温时间及冷却方式，使得合金钢的热处理不同于碳钢。合金元素在钢中的作用一、合金钢的基本知识1.合金钢的定义所谓的合金钢，就是特意地加入一些合金元素的钢。常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。钢中所含合金元素不同，其组织和性能也不同。2.合金钢的分类合金钢按其用途可以分为三大类：（1）合金结构钢合金结构钢包括普通低合金高强度结构钢和机器用钢两类。（2）合金工具钢合金工具钢主要包括刃具钢、模具钢和量具钢。（3）特殊性能钢特殊性能钢指的是具有特殊的物理或化学特性的钢，包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢。二、合金元素在钢中的形式1.合金元素在钢中的取决因素（1）合金元素本身的性质（2）合金元素的含量以及碳的含量（3）热处理条件（加热温度、冷却条件）2.合金元素在钢中的存在形式（1）合金固溶体α-Fe(Me)（2）合金渗碳体(Fe,Me)3C（3）合金碳化物TiC、NbC、WC、VC、Cr7C3、MoC（4）非金属夹杂MnS,MnO,SiO2,Al2O3（5）Cu，Pb以游离状态存在三、合金元素与铁、碳的作用1.合金元素与铁的作用（形成合金固溶体）合金元素溶入铁素体中形成合金铁素体，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，产生固溶强化效应。硅、锰、镍等与铁素体晶格不同的元素，溶于铁素体后引起的晶格畸变较大，固溶强化作用大；铬、钨、钼等与铁素体晶格相同，溶于铁素体后引起的晶格畸变较小、固溶强化作用小，如图1所示。（a）合金元素对硬度的影响（b）合金元素对韧性的影响图1合金元素对铁素体力学性能的影响2.合金元素与碳的作用大多数合金元素与碳形成合金碳化物。能与碳形成碳化物的合金元素称为形成元素：如Nb、Cr、W、Mo、Ti、V等,不与碳形成碳化物的合金元素称为非碳化物形成元素：如Ni、Si、Al、Co等。根据合金元素与碳亲和力的大小不同，可将碳化物形成元素分为以下三种：强碳化物形成元素（又称特殊碳化物），如Nb、Ti、V与C形成NbC、TiC、VC。较强碳化物形成元素，如Cr、W、Mo，当在钢中含量较低时，一般形成稳定性较差的合金渗碳体，如(Cr,Fe)3C、(Mn,W)3C等，当含量较高时，则形成稳定性较高的合金碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等。(Mn,Fe)3C，其稳定性和性能与渗碳体差不多。四、合金元素对Fe－Fe3C相图的影响A的影响（1）扩大A区具有面心立方晶格的合金元素可以扩大Fe－Fe3C相图中的A相区，如Ni、Mn、Co、C、N、Cu等元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn的影响更大，如图2（a）所示为Mn对Fe－Fe3C相图的影响。例如：室温下1Cr18Ni9和Mn13都是为单相A体不锈钢。（2）缩小A区具有体心立方晶格的合金元素可以缩小Fe－Fe3C相图中A相区，如Cr、W、Mo、V、Ti等，均使S点，E点向左上方移动，提高A3和A1温度。如图2（b）所示为Cr对Fe－Fe3C相图的影响。（a）Mn的影响（b）Cr的影响图2合金元素Mn、Cr对Fe－Fe3C相图的影响对铁碳相图中S点、E点的影响所有的合金元素都使S点左移，而大部分合金元素均使E点左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如图3所示为合金元素对共析成分的影响。使共析转变点S左移→钢中珠光体的含量升高，强度增加。使共晶转变点E左移→钢中出现Ld'。图3合金元素对S点共析成分的影响对共析转变温度A1的影响扩大A相区的元素使铁碳合金相图中共析转变温度A1下降；缩小A相区的元素则使其上升，并都使共析反应在一个温度范围内进行。如图4合金元素对共析温度的影响。图4合金元素对共析温度的影响五、合金元素对钢的热处理的影响1.合金元素对钢在加热时转变时的影响合金钢的奥氏体形成过程同碳钢一样。所不同的是,合金钢的奥氏体形成过程要比碳钢慢。除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co、等)。2.合金元素对钢在冷却时转变的影响对过冷奥氏体的转变的影响实质上是对C曲线的影响。大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还改变其形状，同时还可以提高钢的淬透性，如5所示。（a）非碳化物形成元素的对C曲线影响（b）强碳化物形成元素对C曲线的影响图5合金元素对C曲线的影响除Co、Al元素外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降，如图6所示。导致淬火后钢中残余奥氏体含量增加，如图7所示。图6合金元素对Ms点的影响图7合金元素对残余奥氏体的影响六、合金元素对钢回火转变的影响1.提高钢的耐回火性由于合金元素扩散速度小，而又阻碍碳原子扩散,从而使马氏体的分解及碳化物的析出和聚集速度减慢，将这些转变推迟到更高的温度，导致合金钢的硬度随回火温度的升高而下降的速度比碳钢慢。此外，若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，除了提高回火拉力外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。如图8所示，600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。产生回火脆性含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢，在450-600℃范围内长期保温或回火后缓冷均出