钢铁培训教材金相.ppt

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1、金属材料学 学 时：80学时 理论课：48学时 实验课：32学时,一、金属材料的历史地位 二、金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展现状及趋势 六、关于本课程,绪 论,主要内容:,一、金属材料的历史地位,1.材料是衡量人类社会文明程度的标志之一。,金属材料是现代文明的基础。,2.目前，人类还处在金属器时期。,比高分子材料更高的强度、模量、耐热性；,比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；,石器时代青铜器时代铁器时代,二、金属材料的分类,黑色 金属,有色 金属,金属材料,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢(不锈钢

2、及耐热钢),轻金属(铝,镁,钛),重金属(铜,锌,铅,镍),贵重金属(金,银,铜),稀有金属(钨钼钒铌钴),放射金属(镭铀钍),三、金属结构材料的应用情况,1.总产量：钢铁材料占世界金属总产量的95，用量最大，且价格低廉。,2.世界金属矿产储量：铁:5.1，非铁金属中铝:8.8镁:2.1，钛:0.6。,3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。,4.非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备的特殊性能，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产量仍在迅速增长。,钢铁仍将是21世纪中国结构材料的支柱,生产能源消耗低,可大批量生产,丰富的矿产资源,低廉的生产成本和销售价格,优

3、异的使用性能和良好的加工性能,公元前4300年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺,公元前2800年：铁的熔炼,四、金属材料发展的历史,公元前3800年：人工冶炼的铜器；,公元前3000年：我国出现锡青铜甘肃东乡马家 窑文化的青铜刀（含610Sn）。,公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）,东汉时：反复锻打钢最原始形变热处理工艺。,淬火技术:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”现代的水淬、油淬。,我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。,现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。,19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧

4、气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。,20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。,非铁金属冶金方面:,19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；,用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；,同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。,20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。,19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为

5、门类众多的合金钢体系。,铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。,上图：吴王夫差矛和越王勾践剑右上：青铜鼎右下：商代青铜纵目人面像,上图 沧州铁狮子 铸于953年，重40余吨。右图 当阳铁塔 铸于1061年，八棱13层，塔体分段铸造,擂鼓礅二号墓编钟复制件 1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。,水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车,MX-400空中汽车 美国莫勒潜心研究.被誉为“

6、汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用2年多来，它最高飞行时速超过了600多公里，比直升机快2倍，可载4人，飞行最大高度9000米，航程1500公里。,材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变,机身材料的变迁:钢-铝合金-钛材料-各种复合材料,世界贸易大厦基本 上是用铝合金贴面的.在“9.11”事件中，该 双子大楼遭到袭击，毁于一旦。但它作为 一个大量使用铝合金 贴面的的雄伟建筑将 永远载入史册。,五、金属材料的发展现状及趋势,1继续重视高性能的新型金属材料,高强度及超高强度金属材料,超易切削钢和超高易切削钢,高温合金与难

7、熔合金,有序金属间化合物,硬质合金与金属陶瓷,金属基复合材料,共晶合金定向凝固材料,3材料的设计及选用科学化 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。,2非晶（亚稳态）材料日益受到重视,超细纳米颗粒金属材料,快速冷凝金属非晶及微晶材料,本课程的目的、内容及学习要求,1.目的：,讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。,金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢

8、、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。,3.本课程的内容,4.学习要求,掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。,掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。,能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，正确确定热处理技术条件。,能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。,5.参考书目录,戴起勋编著。金属材料学，化学工业出版社，2005。,王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，1987。,王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，1

9、999。,Chapter 1 钢铁中的合金相,1.1 碳钢概论,1.2 钢铁中的合金元素,1.3 合金钢的分类、牌号,主要内容,碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途,铁基固溶体 Me与钢中晶体缺陷的相互作用 钢铁中的碳化物和氮化物钢中的金属间化合物Fe-Fe3C相图及Me的影响,重点及基本要求:,1.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用;2.第二节是本章重点。要求全面掌握Me对钢的组织及性能的影响规律。难点是Me对钢中基本合金相结构的影响;3.掌握合金钢的分类、牌号.,1.1 碳钢概论,一、碳钢中的常存杂质-Mn和Si（1）,Mn和Si是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而

10、进入钢中的。,(1)Mn0.8%。主要固溶于铁中。产生固溶强化作用，钢的强度和硬度。,(2)适量的Mn和S可形成高熔点(1600)MnS夹 杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中MnS呈条状沿轧向分布。,(4)夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑性、韧性。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。,(3)Si0.5%。碳钢中的Si一般均可溶入铁中。产生固溶强化作用，钢的强度和硬度;也可形成SiO2夹杂物。,(2)S和Fe能形成FeS，并易于与-Fe形成低熔点(989)共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如11

11、00以上时，共晶体就将熔化，因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂(热脆)。,(1)S是炼钢时不能除尽的有害杂质,在固态铁中的溶解度极小。,一、碳钢中的常存杂质-S和P（2）,(3)若钢液脱氧不良，含有较多的FeO，还会形成熔点更低（940）的（Fe+FeO+FeS）三相共晶体，危害更大。,(4)铸钢件含S量高时会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。,(5)S容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。,(6)P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。P可固溶于-Fe。但钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，P-Fe合金的结晶范围很宽，因此P具有严重的偏析倾向。P可以提高钢

12、在大气中的抗腐蚀性能。,(7)S和P还可以改善钢的切削加工性能。,应变时效含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物，使低碳钢的强硬度，塑韧性的现象。,一、碳钢中的常存杂质N、H、O（3）,N是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。,含过饱和N的钢在室温长时间放置或稍微加热时,N逐渐以氮化铁的形式从F中弥散析出.使低碳钢的强度、硬度，塑韧性（时效硬化）（有害）。,N还会使低碳钢产生应变时效(不利)；,N可以与V、Ti、Nb等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化，N也可钢的耐热性能。(有利)。,N是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指钢在加热到150300时产生的硬度，塑韧性的现象，因为钢在空气中加热到1

13、50300 时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。（有害），但截断钢材时可加以利用。,H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。在钢中产生裂纹，钢的塑韧性；容易在焊缝处产生裂纹。,O在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3等非金属夹杂物，对钢的质量有重要影响。,H是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入钢中的。,二、碳钢的分类,1按钢中碳含量分为:,低碳钢，WC0.25%;中碳钢，0.25%WC0.6%;高碳钢，WC0.6%。,2按钢的质量（品质）分为:普通碳素钢：wS0.05%，wP0.045%。优质碳素钢：wS0.035%，wP

14、0.035%。高级优质碳素钢：wS0.02%，wP0.03%。特级优质碳素钢：wS0.015%，wP0.025%。,3按钢的用途分类:,4按钢冶炼时的脱氧程度分类:,沸腾钢：,脱氧不彻底的钢，代号为F。,镇静钢：,脱氧彻底的钢，代号为Z。,半镇静钢：,脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。,特殊镇静钢：,进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。,三、碳钢的用途,（2）供货状态：热轧后空冷。一般不需再进行热处理而直接使用。,1-普通碳素结构钢,（1）C%在0.060.38%范围内，主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可

15、供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%以上）。,标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；,（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法,由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。,等级符号：指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中：A级wS0.05%,wP0.045%，B级wS0.045%,wP0.045%，C级wS0.04%,wP0.04%，D级wS0.035%,wP0.035%

16、。其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。,Q195、Q275不分质量等级，Q215、Q235、Q255，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。,脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。,（4）典型牌号、性能与用途,Q195、Q215钢：,含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。,Q235A、Q255A：,用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；,Q235B、Q255B：,用作建筑工程中质量要求较高

17、的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；,强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。,Q235C、Q235D：,质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。,Q255、Q275钢：,牌号中的A级钢，一般用于不经锻压加工和热处理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。,B级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。,（1）这类钢中硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学

18、性能。（2）供货状态：热轧后空冷，退火、正火等状态，一般随用户需要而定。（3）牌号：一般用两位数字表示。表示钢中平均碳的质量分数的万倍,如45钢。,2-优质碳素结构钢,专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”等。,优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。,高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。,优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量(Mn%=0.250.8%)和较高含锰量(Mn%=0.71.2%)两组。含锰量较

19、高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。,注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。,1025等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。,（4）优质碳素结构钢共有31个钢号。,08F钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。,45等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。,高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的e和屈强比以及足够的

20、韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。,3-碳素工具钢（1）平均含C量在0.651.35%范围;主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其wS0.03%，wP0.035%）和高级优质碳素工具钢（wS0.02%，wP0.03%）两类。,（2）牌号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如T8A，T12A等。,T7、T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如

21、木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为4854HRC（工作部分）；,（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。,（4）典型的碳素工具钢,T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为6062HRC，T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；,T12、T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为6265HRC。T12A也可用于制造量具。T7T12、T7AT12A还可用于形状

22、简单的塑料模具。,（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。（2）牌号用标志性符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。,4-一般工程用铸造碳素钢,（3）典型的碳素铸钢,ZG200-400：,有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱壳等；,ZG230-450：,有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板

23、、阀体、犁柱等,ZG270-500：,有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等,（4）其他类型的铸钢件还有：焊接结构用碳素铸钢件（GB/T7659-1987），如ZG230-450H；低合金铸钢件（GB/T14408-1993），如ZGD535-720；耐热铸钢件（GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20；不锈耐酸钢铸件（GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；中、高强度不锈钢铸件（GB6967-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。,1.2 钢铁中的合金元素,特别添加到钢中为了保证获得

24、所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。(常用Me来表示）如：B,C,N;Al,Si,P,S;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La系,一.几个概念,1.合金元素,如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：H储氢合金；S易切削钢；P耐磨钢。,2.杂质元素,由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。,注意:同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。,在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基

25、合金。,3.合金钢,Me10,称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。,4.微合金元素与微合金化钢,微合金元素,有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。,微合金钢,加入了微合金元素,使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。,1.2.1 铁基固溶体,1合金元素与Fe的相互作用,奥氏体形成元素：在-Fe中有较大的溶解度,且能稳定-Fe；如 Mn,Ni,Co,C,N,Cu；,铁素体形成元素：在-Fe中有较大的溶解度并使-Fe 不稳定的元素。如：V，Nb,Ti 等。

26、,（1）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。,开启相区(无限扩大相区),Me与-Fe形成无限固溶体，与-Fe形成有限固溶体。如：Mn、Ni、Co等。,奥氏体C原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，fcc。硬度较低，塑性好。常用或A表示。,铁素体碳在-Fe中的固溶体，bcc。强度和硬度低，但塑性和冲击韧性好。常用或F表示。,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),如果加入足够量的Ni，可完全使bcc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

27、作获得奥氏体的元素。,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),扩展相区(有限扩大相区),Me也使A3降低，A4升高；相区也随Me的加入而扩大，但Me与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，最终不能使相区完全开启。,这类Me主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相区借助C及N而扩展，当C含量在02.11%范围内，均可以获得均匀化的固溶体（A），这构成了钢的整个热处理的基础。,（2）相稳定化元素 Me使A3，A4，在较宽的成分范围内，促使F形成，即了相区。,图1-3 封闭相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Cr相图(b),封闭相区(无限扩大相区),Me

28、使A3，A4，达到某一含量时，A3与A4重合，相区被封闭，或者说Me了F的形成，使相与相区连成一片。当Me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）。,这类Me有：Si、Al和强K形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。,Cr、V与-Fe完全互溶，W、Mo、Ti等部分溶解.,Me使A3，A4，使相区但不能使其完全封闭。这类Me有：B、Nb、Zr等。,图1-4 缩小相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b),缩小相区(但不能使相区封闭),可以利用Me扩大和缩小相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。,合金元素对

29、相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。,生产中的意义,如发展A钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等A形成元素；欲发展F钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等F形成元素。,同时向钢中加入两类Me时，其作用往往相互有所抵消。例外：Cr是F形成元素，在Cr18%与Ni同时加入时却促进了A的形成。,Me扩大或缩小相区的作用与该元素在周期表中的位置有关，与它们的点阵结构、电子因素和原子大小有关。有利于扩大相区的Me，其本身具有fcc点阵或在其多型性转变中有一种fcc点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。,决定组元在代位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

30、必须使这些因素相同或相似.,（1）代位固溶体(Hume-Rothery规律),表1-1 常用Me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。,（2）间隙固溶体,1、间隙固溶体的形成条件：,间隙固溶体总是有限固溶体，并且间隙原子仅占据溶剂金属

31、的部分间隙位置，即总有部分间隙没有被填满。,2、间隙固溶体的溶解度取决于溶剂金属点阵 结构和间隙原子的原子尺寸。,（1）同一溶剂金属的不同点阵结构，溶解度 是不同的 如-Fe与-Fe。,（2）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。,3、间隙原子总是优先占据有利的间隙位置，畸变为最小。对-Fe，是八面体间隙；对-Fe，是八面体或四面体间隙。,钢中晶体缺陷：晶界、亚晶界、位错、相界等，缺陷处能量高。Me与晶体缺陷有交互作用，会产生吸附或偏聚现象。,1.2.2 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用,Me偏聚缺陷处浓度基体平均浓度。,晶界脆性当P，As，Sn，Bi

32、，Sb在晶界发生偏聚时；,晶界迁移与晶界扩散,晶间腐蚀,相变成核相变时晶体缺陷处优先成核。,晶界强化耐热钢中加入B，Zr等，提高晶界强度；,对组织与性能影响很大,淬透性硼钢中的B在A体晶界上吸附，钢的淬透性；,缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多；,偏聚机理,结构学:,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。,能量学:,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。,热力学：,影响因素：,缺陷处溶质浓度：,从溶质和基体原子尺寸差引起的畸变能估计E值。E=020KJ/Mol,温度T：T，内吸附强烈；,偏聚是

33、一个扩散过程，溶质原子只有在能够扩散的温度范围内才能产生偏聚。,H原子：0左右扩散就比较显著并形成柯氏气团；,C、N原子：在室温左右即可产生偏聚；,Mo、Nb、V等高熔点溶质原子：在500以上才能发生明显的偏聚现象。,时间t：偏聚需要原子扩散需要一定时间；,可控制时间因素来控制吸附。,缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈;,其它元素：其它元素对偏聚元素的作用主要有 间接作用和直接作用两类。,间接作用：优先吸附问题,引起E值大的溶质元素优先发生偏聚，如B与C。,直接作用：影响吸附元素的D。,MnDP，使P扩散，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：,对置换式

34、溶质原子的内吸附无影响；,对间隙溶质原子有影响；间隙溶质原子在bcc结构中将产生强烈的吸附；,如C、N原子在F中的吸附比在A中更显著。,只有与完整晶体内原子间距偏差在一定临界值的晶体点阵，才能接纳大的或小的代位溶质原子。,一、钢中常见的碳化物,K的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。,非K形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等，与碳不能形成K，但可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其它化合物，如氮化物等。非K形成元素均处于周期表Fe的右侧。,K形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它们都是过渡族元素；K形成元素均位于Fe的左侧。,1.2.3 钢铁中的碳

35、化物和氮化物,M6C：(W，Mo，Fe)6C，不是一种金属K。复杂立方点阵。常在含W、Mo的合金钢中出现。,钢中常见K的类型：,M3C：渗碳体，正交点阵；,M7C3：Cr7C3，复杂六方；可形成复合K,如(Cr,Fe,Mo，)7C3,M23C6：Cr23C6，复杂立方；多为复合K,M2C：Mo2C、W2C。密排六方；,MC：VC、TiC，简单面心立方点阵；,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。,在钢中，铁的K与合

36、金K相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干Me的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等。,Fe-M-C形成的三元K M6C型 复杂立方，W、Mo的K：Fe3Mo3C,Fe4Mo2C,Fe3W3C,Fe4W2C。M23C6型 复杂立方，W、Mo的K：Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。,二、碳化物形成的一般规律,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 0.53,1、碳化物类型的形成,碳化物类型与Me的原子半径有关。,rc/rMe 0.59 复杂点

37、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、Nb、Zr等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。,Me量少时，形成复合碳化物，如(Cr,M)23C6型。,2、相似者相溶,完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电子因素均相似。,Ti,Zr,Nb,V,Ta的同类K之间可以溶解(V,Nb）C；（Nb,V,Ta）C；W与Mo的同类K之间；Fe,Mn同类之间,（Fe,Mn）3C,Cr23C6可溶解25%的Fe，还可溶解Mo、W、Mn、Ni等。,有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K，但都有一定的溶解度。,

38、如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为 28%Cr，2%W，3%V；,MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo；,W2C中Cr可置换75%的W原子；,但溶解后的影响不同：强形成元素溶解于弱形成元素形成的中可提高其稳定性；弱形成元素溶解于强形成元素形成的中可降低其稳定性；强K形成元素优先夺C，优先形成。,如：在含Cr、W钢中，随C，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。,钢中C量有限，弱K形成元素溶入固溶体。如：在含Cr、V的低碳钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。,4、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也难,MC型在1000以上才开始溶解；回火时，在500700才析出，并且

39、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。,强K形成元素形成的K比较稳定 其顺序为：Ti ZrNbV W,Mo CrMn Fe 各种K相对稳定性如下：MCM2CM6CM23C6 M7C3M3C（高-低）,三、氮化物及其形成规律,基本性能特点：高硬度、脆性、高熔点。,氮化物一般形成间隙相。,强氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中强氮化物形成元素：Mo、W；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe,氮原子比碳原子小，氮原子半径rN和金属原子半径rM之比rN/rM均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。,例如：(1)NaCl型简单立方点阵：TiN，VN，CrN，Fe4N（）

40、等(2)简单密排立方点阵：WN，MoN，Cr2N，Fe2-3N（）等氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化物相类似。,合金钢中由于Me间以及Me与Fe之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物，保持金属的特点。合金钢中比较重要的金属间化合物有：相（AB）拉维斯相（AB2）有序相（AB3）,1.2.4 钢中的金属间化合物,高Cr不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，会出现相。,一、相,伴随着相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。,周期表中第一长周期的第七族和第八族过渡族金属与周期表中第五族和第六族能形成相。,如：Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co、Mo-Mn等。,

41、第二长周期的第八族与第五族和第六族也能形成相。,AB2相是尺寸因素起主导作用的化合物，两组元原子直径之比为dA:dB=1.2:1.,二、AB2相,在含W、Mo、Nb和Ti的复杂成分耐热钢和耐热合金中存在。是现代耐热钢和耐热合金中的强化相。,如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2,Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al、Ni3Fe，,三、AB3相,各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于无序固溶体到化合物的过渡状态。有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体，如Ni3Fe,Ni3Mn等；,有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如Ni3Al,Ni3Ti,Ni3Nb。,Ni3Al是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的强化相。,