第一章++钢铁中的合金元素2009级20120910.ppt

1、第一章 钢的合金化基础,1.1 钢中的合金元素及其分类,合金元素：合金钢， 杂质？ 低合金钢： 中合金钢： 高合金钢： 微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。,钢： 是一种以Fe为基的合金,钢铁中的合金元素,表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金 元素;字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成 元素。,钢中合金元素的分类,1、按与Fe相互作用的特点分： 形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等 形成元素：Cr，Mo，Si等 2、按照与碳（C）相互作用的特点分： 碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr 等 非碳化物形成元素：

2、Ni，Si，Al 等 3、按照对奥氏体层错能的影响分 提高奥氏体层错能的元素：Ni，Cu等 降低奥氏体层错能的元素：Mn，Cr等,1.2 合金元素与铁和碳的相互作用,纯铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变:,合金元素对-Fe，-Fe和-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有极大的影响。,链接Fe C相图 ！,6.67,L,return 1,纯铁： N点， A4 G点， A3,6.67,L,钢： A4线NH A3线GS,Return 2,合金元素与铁的相互作用： （1）扩大奥氏体（）区的元素 （奥氏体形成元素）,使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了相区。,FeC相图,两种情况

3、,扩大区的元素,无限扩大相区的元素：与Fe无限固溶,Ni、Mn、 Co（钴）属于此类合金元素,扩大区的元素,有限扩大相区的元素：有限固溶 与 Fe 和 Fe均形成有限固溶 , 相有稳定存在的最低温度点 。,C、N、Cu等,合金元素与铁的相互作用：（2）扩大铁素体（）区的元素（铁素体形成元素）,这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降（链接FeC相图）,包括以下两种情况:,扩大区的元素,封闭型：无限扩大区,Cr（铬）、V （钒）,扩大区的元素,缩小型：出现金属间化合物,B（硼）、Nb（铌）等,两类元素生产上的指导意义,合金元素这种扩大或缩小相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能

4、将产生重大的影响，对钢铁材料的成分设计有很重要的指导意义，eg.不锈钢的成分设计：使钢在室温具有单相、或单相的组织 奥氏体不锈钢：加入大量的Ni，Mn等奥氏体 形成元 素，如 1Cr18Ni9，（wCr 18 促进Ni 的奥氏体化作用） 铁素体不锈钢： 加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素， 如 Cr25Ti,（p8）,与Fe形成代位固溶体的合金元素，扩大或缩 相区的能力与它们在-Fe和 Fe中的溶解度有关, 主要有3个影响因素: （自学） 1.合金元素与铁元素电子结构的差异; 2.合金元素与铁元素点阵类型的差异; 3.合金元素与铁元素原子尺寸因素的差异,热力学解释合金元素对相区的作用,H元素

5、在相中的摩尔焓； H 元素在相中的摩尔焓； H H H,H 0, 元素扩大相区,合金元素与铁的相互作用：（3）、形成金属间化合物,相 钢中的相：在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现相。 （P11 相） 例如：FeCr 相 （p5，图1.3（b）,在钢中为有害现象：相具有较高的硬度，钢中FeCr 析出通常在晶界处，析出时伴随较大的体积变化，所以在铬镍钢中伴随着相的出现，钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。同时造成钢的耐腐蚀性能下降。,、AB2相(拉维斯相),尺寸因素起主导作用形成的相：,AB2金属间化合物是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，如耐热钢中的NbFe2，耐热铝合金中的CuA

6、l2等,（原子直径之比）,AB3相(有序相) 是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。 是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，例如：Ni3Al等。,Ni3Al中可溶解多种元素，电负性和原子半径决定,Ni（Co，Cu）3 Al（Ti，Nb）,合金元素与铁的相互作用：（4）对奥氏体层错能的影响,Ni提高奥氏体的层错能，Mn降低奥氏体层错能,奥氏体不锈钢,第二节 合金元素与钢中晶体 缺陷的相互作用,合金中的晶体缺陷：晶界、相界、亚晶界、位错等 溶质原子与晶界结合 晶界偏聚 溶质原子与位错结合 柯垂尔气团，C、N 热力学解释：柯氏气团、晶界偏聚为使体系能量 降低的自发过程 p7 解释， McLean公式，

7、偏聚程度与畸变能差 有关,合金元素晶界偏聚的富积系数,原子尺寸， 相差大，E大，晶界偏聚大 固溶度小，C0小，晶界偏聚大 温度降低，E不变，晶界偏聚大 几种溶质原子之间同时在晶界偏聚： E值大的优先； 影响晶界偏聚速度； 共偏聚作用：溶质原子之间有强相互作用，在晶界产生沉淀,Cg 晶界区的溶质偏聚浓度； C0溶质在基体晶内的浓度,合金元素与碳的相互作用,一、钢铁中碳化物的特点： 高熔点，高硬度，高稳定性，p10，表1-1 判定， 越大， 化合物越稳定，为什么？,钢中碳化物,合金元素的d层电子数决定其与C、N原子形成的键的强度，d层电子越少，碳、氮化合物越稳定,链接元素周期表,二、钢中碳化物的稳

8、定性,部分合金元素的d层电子数,对第四周期合金元素： 与碳的亲和力TiVCrMn,而Co和Ni的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。,return,钢中的碳化物,在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： TiZr Nb V Mo W Cr Mn Fe Ti、Nb、Zr 、V强碳化物形成元素； W、Mo，Cr 中强碳化物形成元素； Ni，Co，Cu 的碳化物在钢中不出现,钢中的碳化物,合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关,钢中的碳化物,a rc/rme 0.59 形成复杂点阵结构，复杂碳化物， 碳化物稳定性差，如 Cr23 C6，Cr7C3 b rc/rme0.59，晶

9、格简单的C化物，MeC和Me2C型，稳 定性高 W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属 于此类型。,钢中的碳化物,复合碳化物：在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金元素碳化物，如（Fe，V）3C，（Fe，Mn）3C 等。 各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。,四、碳化物的相互溶解,钢中的碳化物,1、完全互溶 各种碳化物具有相同的点阵类型，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差8-10%，碳化物彼此能够完全互溶，即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换 例如： Mn3C - Fe3C -(Fe,Mn)3C VC - TaC - NbC - (V,Nb,Ta)C Mo2C - W

10、2C Fe3W3C - Fe3Mo3C - Fe3(W,Mo)3C,钢中的碳化物,2、有限溶解： 如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。 例如： Fe3C中可溶解28%Cr, 14%Mo, 2%W, 3%V,形成合金渗碳 体。,钢铁中的氮化物,氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。 氮原子比碳原子小，氮原子半径N和金属原子半径Me,N/Me均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。,钢中的金属间化合物,合金钢中合金元素之间以及合金元素与铁之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。金属间化合物保持着金属的特点，对奥氏体不锈钢、马氏体时效钢和许多高温合金的

11、强化有较大的影响。,钢中的金属间化合物,一、相,第一长周期的第七族（VIIB）和第八族（VIIIB）能和第五族（VB）及第六族（VIB）元素形成相，如CrMn，CrFe等,1.5 合金元素钢相变的影响,1、改变了奥氏体相区的位置,Mn, Ni等 ： 形成元素，扩大 区，室温,Cr，Mo等：铁素体形成元素， 会消失，室温,1-6,1-7,合金元素钢相变的影响,扩大相区元素降低了A3温度，也降低了A1温度； 缩小相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度,2、改变了共析温度,1-8,合金元素钢相变的影响,3、改变了共析体的含碳量,所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移,1-9,合金元素钢相变

12、的影响,合金元素添加量使C0.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C2.11%的钢中出现合金莱氏体,总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示,合金元素对奥氏体形成的影响,钢在加热时的转变： 相的形成 碳化物溶解 相中合金元素的均匀化 溶质元素的晶界平衡偏聚 奥氏体晶粒长大,合金元素对奥氏体形成的影响,改变临界点温度S点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及C浓度条件。 合金元素影响奥氏体均匀化 强碳、氮化物形成元素稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致。合金工具钢保留部分C化物。,影响奥氏体均匀化,合金元素对钢在加热时转变的影响,合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,

13、p15,非碳、氮化物形成 元素Mn、P、有助长 奥化体晶粒长大 非碳、氮化物形成 元素，Ni. Co 等对 长大无影响,强碳、氮化物形成元素 奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用,合金元素对过冷奥氏体转变的影响,一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱 动力 元素 对Ac3和Ac1影响可定量表示， 形成元素， 形成元素,二、在恒温转变曲线上的影响,C化物形成元素 C 曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子” 温 度 （图1.10） 非C化物形成元素 使C-曲线右移，形状不变， 特殊情况Co C扩散，C曲线左移 综述： C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透 性

14、。除Co外，所有合金元素 均稳定性，淬透性， 钢中常用于提高淬透性元素： Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等,共析钢的“ C ”曲线（TTT曲线）,return,合金元素扩散慢，是珠光体转变时碳化物形核的 控制因素 合金元素影响 形核功或转变激活能，降低 相转变速度，p17（Ti，V，Nb）（Cr，Mo，W） （Al，Si） 合金元素对先共析铁素体析出的影响：C在相变前端 的扩散为控制因素，强碳化物形成元素对析出不利，Ni、 Mn也减慢这种转变 相间沉淀:碳化物相间沉淀，尺寸取决于转变温度和碳化 物形成元素的种类 合金元素对过冷奥氏体转变的综合作用,合金元素对珠光体转变的影响（自学）,P19，

15、合金元素对贝氏体转变的影响 （自学）,合金元素对贝氏体转变的影响,合金元素对贝氏体转变上限温度的影响。 合金元素改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。碳、硅、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。,(自学),绝大多数合金元素都降低MS，钢中的残余量,但有Co和Al相反。P22，read together 合金元素影响马氏体的结构:C和合金元素增加形成 针状马氏体的倾向,合金元素对马氏体转变的影响,合金元素对回火转变的影响,对马氏体分解的影响： M分解温度，M分解速度 ，回火抗力， 回火稳定性 合金元素： M分解速度 C钢中C化物析出温度250350 合金钢中4005

16、00，甚至更高，形成的碳化物越稳定，元素的这种作用越强 Cr，V，Ti，W， Mo等强C化物形成元素，阻碍C扩散，使M分解速度 锰（弱）和镍（非）对M分解影响甚小,合金元素对回火转变的影响,对残余奥氏体分解的影响 分解温度，合金钢中甚至加热至500700也不分解成珠光体等产物，但析出C化物使在回火随后的冷却时转变为M，这种现象称为二次淬火。 含V、Mo等元素的合金钢回火的二次硬化效应：随回火温度的升 高，硬度不是持续下降，而是在600左右有硬度最高点。 原因： 二次淬火作用：高温下C化物析出使内C及合金元素贫化，Ms,冷却时转变成M。 在600左右回火，体系中有大量细小、弥散、不易聚集长大的C化物析出，产生强烈的第二相强化，从而使钢具有很好的高