第1章 钢合金化概论.ppt

1、第1章 钢的合金化原理,1.1 Me和Fe基二元相图 一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）,常存杂质,冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。,隐存杂质,偶存杂质,生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。,与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。,热脆性 S FeS(低熔点989)；？ 冷脆性 P Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 H 白点。,2、合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。,二、Me和Fe

2、的作用 纯Fe Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：,1、稳定化元素,使A3，A4，区扩大,a) 与区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启区 量大时， 室温为相；,b) 与区有限固溶 C、N、Cu 扩大区。,2、稳定化元素,使A3，A4，区缩小,a) 完全封闭区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与-Fe完全互溶，量大时相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解,b) 缩小区 Nb等。,稳定相 A形成元素，稳定相 A形成元素。,(a) Ni，Mn，Co,(b) C，N，Cu,(c) Cr，V,(d) Nb,B等,图1 合金元素和Fe的作用状态,1.2 Me对Fe-C相图的影响 一、对S、E点的影

3、响 A形成元素均使S、E点向左下方移动， F形成元素使S、E点向左上方移动。 S点左移意味着共析C量减小 ； E点左移意味着出现莱氏体的C量降低 。,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析碳量的影响,二、对临界点的影响 A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动,三、对-Fe区的影响 A形成元素Ni、Mn等使-Fe区扩大钢在室 温下也为A体 奥氏体钢； F形成元素Cr、Si等使-Fe区缩小钢在高 温下仍为F体 铁素体钢。,铬对钢区的影响 锰对钢区的影响,1.3 铁基固溶体 一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况,注：有些元素的固溶度

4、与C量有关,不同元素的固溶情况是不同的。为什么? 简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。,常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径,注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值,（1）Ni、Mn、Co与-Fe的点阵结构、原子 半径和电子结构相似无限固溶；,（2）Cr、V与-Fe的点阵结构、原子半径和 电子结构相似无限固溶；,（3）Cu和-Fe点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大有限固溶；,（4）原子半径对溶解度影响：R8%， 可以形成无限固溶；15%，形成有限 固溶； 15%，溶解度极小。,结 论,合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律,决定组元

5、在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似., 有限固溶 C、N、B、O等, 溶解度,溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的 如-Fe与-Fe 。,溶质原子大小：r，溶解度。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。,间隙位置 优先占据有利间隙位置 畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。,二、间隙固溶体,1.4 碳（氮）化物,一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很 重要的作用。,非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等 K形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo

6、、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）,钢中常见的K类型有： M3C：渗碳体，正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方 ； M2C：例Mo2C、W2C。密排六方 ； MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 ； M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵 。 K也有空位存在 ；可形成复合K , 如(Cr,Fe,Mo，)7C3,复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；,简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。,M6C型不属于金属型的碳化物, 复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。,1

7、、K类型 K类型与Me的原子半径有关。 各元素的rc/rMe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 0.53 0.53,二、K形成的一般规律,rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；,rc/rMe 0.59 简单结构相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。,Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。,2、相似者相溶,完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C (

8、Fe,Mn)3C；TiC VC。,有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 20%Cr， 2%W， 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。,溶入强者,使K稳定性 ;溶入弱者,使K稳定性,3、强者先，依次成,K形成元素中，强者优先与C结合，随C， 依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C，依 次形成M6C，Cr23C6 ，Cr7C3 , Fe3C。 如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固 溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都 在基体固溶体中。,4、NM/NC比值决定了K类型,形成什么K主要决定于当时的NM/NC比

9、值。,退火态: 在Cr钢中，随NM/NC ，先后形 成顺序为：M3CM7C3M23C6 。 回火态:基体中的NM/NC，则析出的K中 NM/NC也。如W钢回火时，析出顺序为： Fe21W2C6 WC Fe4W2C W2C，NW/NC 是不断。,5、强者稳，溶解难， 析出难，聚集长大也是难,MC型在1000以上才开始溶解；回火时， 在500700才析出，并且不易长大，产生“二 次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强 化方法。,1.5 Me在钢中的存在形式一、Me在不同状态下的分布,1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。

10、,2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。,3、回火态 低回: Me不重新分布； 400，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。,二、Me的偏聚（segregation ）,偏聚 现象,Me偏聚 缺陷处C 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。,偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.,Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+ ：溶质原子在螺位错吸附形成S

11、noek气团.,偏聚 机理,溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能， 符合自然界最小自由能原理。,结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；,能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能， 符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。,热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。,影响 因素,缺陷处 溶质浓度,温度T ：T，内吸附强烈； 时间t：偏聚需要原子扩散需要一定时间； 缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈; 其它元素：间接作用 : 优先吸附问题 , B与C 直接作用: 影响吸附

12、元素D , MnDP，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。 点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈,1.6 合金钢的加热A化 一、K在A中的溶解规律,基 本 规 律,1）K稳定性越好，溶解度就越小；,2）温度，溶解度， 沉淀析出；,3）K稳定差的先溶解 ;,4）A中有弱K形成元素，则会C 活度ac ， K的溶解；非K形成元素（如Ni）则相 反,ac，K的溶解。如：较多Mn的存在 使VC的溶解温度从1100降至900。,碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系,二、A体均匀化 A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有

13、什么区别 ?,三、A体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大； 2）C、N、B晶粒长大； 3）Ni、Co、Cu作用不大 。,1.7 过冷A体的分解一、过冷A体的稳定性,过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。,1）Ni、Si和Mn，大致保持 C钢的“C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；,2） Co不改变“C”线，但使“C”线左移；,3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。 Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致 有五种。,“C”曲线五种形状,常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响 (上左

14、) 强K形成元素 (上右) 中、弱K形成元素 (下左) 非K形成元素,二、过冷A体的P、B转变 P转变 ：需要C和Me都扩散 ； 综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变 ：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。 影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si ，而W、Mo等影响很小。 三、Me对Ms的影响 各种Me对Ms位置的影响程度是不同的。,思考题： W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解? 对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太低，为什么?,1.8 合金钢的回火转变一、M分解,低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大,中温以上：Me活动能力

15、增强，对M分解产生不 同程度影响:,1）Ni、Mn的影响很小；,2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们 与C的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了 渗碳体的析出长大；,3）Si比较特殊： 300时强烈延缓M分解,Si 和Fe的结合力 Fe和C的结合力 ,ac,-FeXC的形核、长大,Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要从中出去, Fe3C,效果: 含2% Si能使M分解温度从260提高到350以上,4）合金钢回火时M中含C量变化规律,基 本 规 律, 渗碳体形成开始温度与合金化无关；, 含非碳化物形成元素（Si除外）的合金 钢（线2）和C钢（线1）规律相同；, 在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体

16、中含 C量要比C钢的高，如图中的C3 C1，2 ；, 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是 不同的。,回火时马氏体中C量的变化 线1 -C钢; 线2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢; 线3 -含碳化物形成元素的合金钢,二、回火时K的形成,各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550,1）K长大 聚集温度：M3C型，350 400；其它K ， 450 600；,2）K成分变化和类型转变 K转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊K特殊K T, 500 能否形成特殊K，

17、取决于: Me性质、NM/NC比值； T和t 。,钒钢（0.3C,2.1V）在1250淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化,3）特殊K的形成 原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊K析出 二次硬化，直接析出 贡献最大,三、回火脆性 1、第1类回火脆性,脆性 特征, 不可逆； 与回火后冷速无关； 晶界脆断。,产生 原因,Me 作用, Fe3C薄膜在晶界形成； 杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界， 晶界强度。,Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性； Si 脆性温度区.,2、第2类

18、回火脆性,脆性 特征, 可逆； 回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断 .,产生 原因, 杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物,晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化 合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。,Me 作用,N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂,Me对相图的影响,Me与C的作用,Me在材料处理各过 程中的行为表现,加热,冷却,回火,温 度,时间,一方面要清楚材料处理各过程的演化规律; 另一方面要掌握Me在各过程中的作用和影响. 为理解Me的作用

19、要了解钢的基本强化机理.,1.9 Me对钢强韧化的作用,一、Me对钢强化的形式及其机理 强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,表达式,对于C、N等间隙原子， n = 0.332.0； 对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n = 0.51.0,机理,效果,提高强度，降低塑韧性,原子固溶 晶格发生畸变 产生弹性 应力场，与位错交互作用位错运动阻力,1、固溶强化,合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。,合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应 -间隙元素，-F形成元素

20、，-A形成元素,2、位错强化,表达式,机理,位错密度 位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动 钢强度。 对bcc晶体，位错强化效果较好 ?,效果,在强化的同时，同样也降低了伸长 率，提高了韧脆转变温度TK,3、细晶强化,表达式,机理,晶粒越细 晶界、亚晶界越多 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。,效果,钢的强度，又塑性和韧度 这是最理想的强化途径.,著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Kg为系数,晶界处位错塞积现象,4、第二相强化,表达式,机理,微粒第二相钉扎位错运动强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留

21、第二相强化。,效果,有效提高强度，但稍降低塑韧性。,钢强度表达式,位错被质点障碍物所挡住,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,二、合金钢强化的有效性 最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。 1、强化的有效性,强化: 弥散析出,P |-S|,硬度峰值,弱化: M分解,P |-S|,弱化缓慢,图 强化和弱化的演变 1- M分解；2-弥散析出；3-综合效应,2、Me对强化有效性的影响 强化有效性取决于形成弥散相的Me及其量。 Me量 弥散相量(有足够的C) 二次硬化,例：含0.10.15%C钢， 需0.10.2%V；0.080.12%Nb； 2.53.0%Cr,强化 弱化,Me最小浓度 临界值,K

22、类型 含C量,图 V对40钢回火硬度的作用,不同含C量 的V钢，如 产生二次硬 化，V的临 界浓度是不 同的，为什 么?,对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与C钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响，并且Me的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。,需要充分理解,三、Me对钢韧性的影响 1、影响韧性的因素,强化 因素,一般情况，钢强度塑韧, 称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地韧性。 危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小,但对强化贡献较大。,合金 元素,Ni韧性；Mn在少量时也有效果；其它 常用元素都在不

23、同程度上韧性,晶粒 度,细晶既S，又TK, 即 韧性 最佳组织因素。,第二 相,K韧性。K 小、匀、圆、适量 工艺努力方向。,杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， 提高钢的冶金质量是必须的。,杂质,合金元素对铁素体 冲击韧度的影响,晶粒大小对强度、韧脆转 变温度TK的影响,20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能,2、提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织 如Ti、V、Mo； 2）回火稳定性 如强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 Ni ； 4）细化K 适量Cr、V，使K小而匀 ； 5）回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当含C量. 冶金质量。,思考题： 有些零件为什么要经过调质处理，而

24、不直接用正火态?,1.10 Me对钢工艺性的影响,一、冷成型性 冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。 冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变 脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷 成型性差。P、Si、C等元素冷作硬化率。 需要冷成型的材料应严格控制P、N量，尽可能 Si、C等量。,二、热压力加工性 热压力加工有锻造、轧制、拉拔等。 Me溶入基体 产生畸变,热变形抗力 热压力加工性能。如Mo、W、Cr、V等元素 影响较大。C和Me量较多时，形成共晶K，热 压力加工性更差。 合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢 等高合金钢的热压力加工难度是较大的.,三、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工

25、，主要考虑 速度；精加工主要考虑表面粗糙度。 C钢 硬度在170230HB，切削性能最好. 对组织来说，P:F=1:1较佳。不同含C量的钢要 得到较好的切削性，其预处理是不同的： 对C钢: 0.8%C,宜球化退火,思考题： 为什么钢的切屑是连续的，而铸铁的切屑是碎 片状断开的?,四、材料的热处理工艺性,淬透性 一般是指淬火时获得M的能力. 合金元素复合作用大,不是简单加和.,在结构钢中，M淬透性作用显著的元素从大 到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 。,淬透 性好 的作 用,可以使工件得到均匀而良好的力学 性能，满足技术要求；,在淬火时，可选用较缓和的冷却介 质，以减小工件的变形与

26、开裂倾向,贝氏体 淬透性,合金化基本元素是0.5%Mo + 微量B。,淬硬性 理想淬火条件下,形成M能达到的最高硬度. 淬硬性主要与钢的含碳量有关。,变形开裂倾向 热应力变形;组织应力 开裂;附加应力 较复杂.影响因素比较复杂,要综合分析. 采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降 低应力，减小变形开裂倾向。采用调质、球 化退火等预先热处理也可减小零件的变形。,过热敏感性和氧化脱碳倾向 奥氏体晶粒急剧长大的敏感性, Mn.如 40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。 氧化和脱碳往往伴随产生. Si.含硅钢氧 化脱碳倾向较大，如9SiCr、42SiMn、 60Si2Mn、30CrMnSi等

27、。 脱碳会降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度， 脱碳对于工具、轴承、弹簧等零件是极其有 害的.,回火稳定性(热稳定性) 合金钢回火稳定性要比碳钢好.同样回火硬 度,合金钢的回火温度高,时间也可长些,应力 消除也大些;同样塑韧性,合金钢的强度比碳 钢高.,回火脆性 (前面已介绍),钢的编号方法自学,1.8 金属材料的环境协调性设计,目前世界上金属材料及其合金的种类大约有三 千多种。 材料的废弃物再生循环很困难,可再生循环设计已成为钢铁材料设计的一个 重要原则。传统的思路和方法应该更新。应该发 展少品种、泛用途、多目的的标准合金系列。所 以就出现了通用合金和简单合金的概念。,1.8.1 通用合金与简单合金,通用 合金,又称为泛用性合金。这种通用合金能满足通用性能，合金在具体用途中的性能要求则可以通过不同的热处理等方法来实现。 Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn钢. 通过改变Fe、Cr、Ni（Mn）的相对含量，其组织结构和性能也可以在很大范围内变化。 Cr-Mo钢, 耐热钢,简单 合金,组元组成简单的合金系就叫做简单合金。简单合金在成分设计上有几个特点： 合金组元简单，再生循环过程中容易分选； 原则上不加入目前还不能用精炼方法除去的元素； 尽量不使用环境协调性不好的合金元素。,两个 基本 原则,（1）在维