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1、第一章 钢铁中的合金元素,钢:是一种以Fe为基的合金,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:Ni,Si,Al 等3、按照对奥氏体层错能的影响分
2、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,第一节 Fe 基固溶体,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,A4G点,A3,6.67,L,钢:A4线NH A3线GS,Return 2,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,扩大区的元素,1.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,2
3、、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,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),它包括以下两种情况,扩大区的元素,1、封闭型:无限扩大区,Cr(铬)、V(钒),扩大区的元素,2、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
4、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,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,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
5、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,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,第三节 钢铁中的碳化物和氮化物,一、钢铁中碳化物和氮化物的特点:高熔点,高硬度,p8,表12,表13 高稳定性,判定,越大,化
6、合物越稳定,图17,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,钢铁中的碳化物,在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下:ZrTi 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,钢铁中的碳化物,合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定
7、性有关,钢铁中的碳化物,三、碳化物的结构a rc/rme 0.59 形成复杂点阵结构,复杂C化物,C 化物稳定性差,如 Cr23 C6,Cr7C3b rc/rme0.59,晶格简单的C化物,MC和M2C型,稳定 性高 W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属于 此类型。,钢铁中的碳化物,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。影响不同类型碳化物溶解度的因素(自学):碳化物的点阵类型;合金元素的尺寸因素;合金元素的电化学因素。,四、碳化物的相互溶解,钢铁中的碳化物,1、完全互溶 各种碳化物
8、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)3CVC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)C Mo2C-W2C Fe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C,钢铁中的碳化物,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MN/M
9、均小于0.59,所以氮化物都呈简单密排结构。,第四节 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,钢中的金属间化合物,一、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,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
10、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,钢中的金属间化合物,二、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CuAl2等,(原子直径之比),钢中的金属间化合物,三、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),图18,p12,第五节 合金元素对铁碳相图的影响,1、改变
11、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,合金元素对铁碳相图的影响,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,合金元素对铁碳相图的影响,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,合金元素对铁碳相图的影响,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,第六节 合金元素对钢在加热时转变的影响,钢在加热时的转变:相的形成 碳化物溶解相中合
12、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,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 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,第七节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响,一、影响相变临界
13、点,从而影响相变的过冷度和驱 动力 式(15)和式(16),定量表示各元素 对Ac3和Ac1影响,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 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。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
14、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,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,
15、钢中的残余量,但有Co和Al相反。p20,式(1-8)和(1-9),p20,表1-5 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,第八节 合金元素对淬火钢 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400500,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,合金元素对淬火钢回火转变的影响,对残余奥氏体分解的影响 残余分解温度,合金钢中
16、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: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、稳定、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温强度和硬度。,合金元素对淬火钢回火转变的影响,对C化物的形成,聚集和长大的影响 含一种或数种足够浓度W、Mo.V.Cr等强C化物形成元素的合金钢,淬火后较高温度回火(450650)时,产生稳定的、
17、细小弥散的、不易聚集长大的C化物颗粒。细小弥散、不易聚集长大的C化物的析出及二次淬火共同造就了二次硬化现象。Co虽不阻碍扩散,但固溶体的原子结合力,也使析出相不易长大。,合金元素对淬火钢回火转变的影响,合金元素对析出金属间化合物的影响,低碳和微碳合金马氏体在高温回火时,从基体相中析出金属间化合物,并产生沉淀强化效应。表16,第九节 钢的强化机制,强化即提高塑变抗力,而塑变本质是位错运动,所以提高强度即着眼于阻碍位错运动,造成位错运动困难。这样合金元素的强化方式主要有四种:,一、固溶强化:溶质造成基本金属晶格畸变,产生弹性应力场,应力场作用于位错,增大位错运动阻力,导致强化。,钢的强化机制,二、
18、晶界强化 细晶强化 晶界存在,变形过程中由 于位错的运动Fe难以穿越晶界,在晶界附近产生位错 塞积,形成加工硬化微区阻碍位错运动。所以,归 根结底,是因为晶界的存在而使位错运动受阻,从 而达到强化目的。而晶粒越细,晶界越多,强化效 果好。,Hall-patch公式,Ks晶格阻碍强度系数,钢的强化机制,晶界强化的具体方法:向钢中加入表面活性元素C、N、Ni等,使其于-Fe晶 界偏聚,提高晶界阻碍位错运动能力。利用合金元素细化晶粒。加入Nb.Ti.V等C化物形成元 素,形成稳定的,细小均匀的,不易聚集长大的C化物,阻 碍高温奥氏体化过程晶粒长大,相同的冷却条件下产物晶 粒越细小,s越高。注意:细小
19、、弥散。因为第二相粒子长大到一定尺寸后,失去对奥氏体晶粒长大的阻碍作用,有一临界尺寸。,钢的强化机制,三、第二相强化 第二相粒子阻碍位错运动,位错运动遇 到第二相粒子,或切过或绕过,滑移才能进行,而切过 或绕过都需要消耗额外能量,故需提高外加应力,所以 造成强化。,沉淀强化:位错切过二相粒子,合金化+淬火时效,NiTi Ni3Mo等,(第二相与母相共格,有一定的变形能力),弥散强化:位错绕过第二相粒子,强C化物形成元素Ti Mo W Nb等成稳定,细小,弥散,的C化物颗粒。(第二相析出,与母相非共格,不参与变形),钢的强化机制,四、位错强化 晶界处位错塞积,阻碍继续变形,所以位错强化着眼于提高
20、位错密度。合金化使塑性变形时位错易于增殖,加工硬化率,细化晶粒,通过增加晶界数量,使晶界附近因变形不协调诱发几何上需要的位错,增加晶粒内位错塞积群数量。第二相粒子,位错绕过时留下拉错圈,使位错数量增多,淬火造成位错型亚结构,合金元素淬透性。马化体切变形成高密度位错胞的亚结构层错能,使位错易干扩展和形成层错,增加位错交互作用,防止交叉滑移,加入层错能元素Mn,错的强化四种机制,总的强化效果可看成是各种机制所强化效果之和。,注意:强化必然以损失塑性和韧性的为代价。合金元素通过以上四种机制钢的强度,必然使塑性,韧性下降,所以不同情况,不同要求,要严格控制合金元素含量。,第十节 改善钢的塑性和韧性,一
21、、改善钢的塑性,p,颈缩后变形,取决于微孔坑,微裂纹形成难易,塑性的基本思路:在提高均匀塑性的同时尽量避免和或推迟微孔坑形成,改善钢的塑性和韧性,1、溶质原子的影响 Fe中溶质原子使塑性下降,C、N间隙固溶比代位固溶元素作用更大。Fe中合金元素对塑性影响复杂。往往使塑性在一定溶质浓度处出现最大值影响(“王”P15,图1.5),影响塑性的主要因素:,改善钢的塑性和韧性,影响塑性的主要因素:,2、晶粒大小对塑性的影响 晶粒,应力集中,推迟微孔坑或微裂纹形成,p,T,3、第二相的影响 第二相数量的影响 第二相粒子的尺寸、形状、和分布特点的影响大尺寸第二相粒子,极限塑性第二相粒子呈针状或片状时对极限塑
22、性危害大,球状时危害小。第二相粒子沿晶界分布危害大,均匀分布危害小。第二相为球状,细小,均匀,弥散分布最好。(第二相强化,C化物,通过热处理改变大小,形状和分布)(第二相为杂质时,如S化物,氧化物,冶炼时向钢中加入Zr、Ca或稀C元素,改变第二相形状,使之成为球形。),改善钢的塑性和韧性,影响塑性的主要因素:,位错强化塑性,特别是当有C、N溶质原子时,C、N原子易偏聚于位错处形成“柯氏气团”,使变形困难,塑性,4、位错强化对塑性影响,可向此类钢中加入Ti.V.Nb等元素以固定间隙原子N、C使之不向位错处偏聚。,改善钢的塑性和韧性,二、改善钢的韧性,冲击韧性(K),断裂韧性(KIC),脆性转折温
23、度TK),1、改善延性断裂 延性断裂是微孔坑形成,聚集长大过程,断口为孔坑型,途径:(1)改善第二相的尺寸、形态 对于用第二相强化的钢,应尽量减小第二相尺寸,尽量使第二呈现相球状(球状、细小、均匀、弥散与基体结合良好的第二相强化 颗粒)(2)提高组织均匀性 防止塑性变形不均匀性,减少应力集中(何为应力集中?)(3)提高基体塑性 塑性,使裂纹扩展消耗更多的能量,或者说基体吸收本来用于裂纹扩展的能 量更多),改善钢的塑性和韧性,2、改善解理断裂抗力,二、改善钢的韧性,解理断裂:一种脆性断裂,断裂前无塑变,当材料使用温度化于某一温度TK,塑性脆性,TK=ABlnd-1/2,A、B 均为常数结论:晶粒细化 TK奥氏体钢的TK很低,最低可到接近OK,绝对零度,改善钢的塑性和韧性,二、改善钢的韧性,3、改善沿晶断裂,回火脆,过热,过烧等引起晶界弱化,从而导致沿晶断裂,方法:防止P.As(砷),Sb(锑)等在晶界上偏聚。因为它 们降低晶界能量g 防止第二相质点(Fe3C.MnS)沿晶界析出,因为这 会导致裂纹传播时消耗的塑性变形功P下降。,断裂应力:,半裂纹长度,