金属材料学第0章第1章.ppt

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1、金属材料学,Metallic Materials 学 时：48,Steelmaking flowlines,主讲：尹 何 迟 电话：,Chapter 0 绪 论,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、金属材料的发展热点 六、关于本课程,主要内容,Steel Finishing flowlines,一、金属材料的历史地位,1.材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步行着密切关系。它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。石器时代青铜器时代铁器时代 2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高

2、分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,Chapter 0 绪 论,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),结构金属材料 功能金属材料,Chapter 0 绪 论,钢铁的分类,纯铁：含碳量小于0.0008%同素异构转变：-Fe-Fe-Fe()()()居里温度：770力学性能特点：强度、硬度低，塑性好：b=180230MPa,=3050%,=7080%,k=160

3、200J/cm2,HB=5080。,Chapter 0 绪 论,碳钢的分类、牌号及应用,1.分类：低碳钢 Wc0.6%普通碳素钢 Wp=0.045%;Ws=0.055%按钢的质量分 优质碳素钢 Wp=0.040%;Ws=0.040%高级优质碳素钢 Wp=0.035%;Ws=0.030%普通碳素结构钢按质量和用途分 优质碳素结构钢 碳素工具钢,Chapter 0 绪 论,普通碳素结构钢：用Q+数字表示 主要保证力学性能若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，含硫、磷依次降低，钢材质量则依次提高。若牌号后面标注F则为沸腾钢，标注b为半镇定钢，不标则为镇静钢，TZ为特种镇静钢。,牌

4、号：,Chapter 0 绪 论,普通碳素结构钢应用:,一般可以在交货状态下直接使用。Q195、Q215、Q235钢的含碳量低，焊接性能好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通铆钉、螺钉、螺母等。Q255和Q275钢的含碳量比前几种略高一点，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成型钢、钢条和钢板作结构件、制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节和销子等,Chapter 0 绪 论,优质碳素结构钢:,采用两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几必须同时保证化学成分和力学性能。例如45钢表示平均含碳量为0.45%的钢，08钢表示钢中平均含碳量为0.08%。,Ch

5、apter 0 绪 论,优质碳素结构钢的应用:,主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。更具碳含量不同，有不同的用途。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等。15、20、25钢用于制作尺寸较小、符合较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理后具有良好的综合力学性能，用于制作轴类零件；,Chapter 0 绪 论,40、45钢常用于制造汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮和其他受力不大的轴类

6、零件；55、60、65钢热处理后具有高的弹性极限，常用于制作符合不大、尺寸较小的弹簧，如调压、调速弹簧、测力弹簧、冷卷弹簧等。,Chapter 0 绪 论,碳素工具钢:牌号用T+数字表示,如T8、T10分别表示钢中平均含碳量为0.80%和1.0%的碳素工具钢。若为高级优质碳素工具钢，则在钢的最后加“A”字。如T12A碳素工具钢 经热处理后具有高硬度，用于制造尺寸较小，要求耐磨性好的刃具、量具、磨具等。铸钢:“ZG”，含碳量一般小于等于0.65%。ZG45表示含碳量为0.45%的铸钢。当零件形状复杂，无法锻造成形，而铸铁又不能满足其力学性能要求时，可采用铸钢进行铸造成形。,Chapter 0 绪

7、 论,三、金属结构材料的应用情况,1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1，钛为0.6。,Chapter 0 绪 论,3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。,Chapt

8、er 0 绪 论,四、金属材料发展的历史,1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。,Chapter 0 绪 论,Chapter 0 绪 论,3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天工开物中有详细的阐述。,我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和

9、以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。,4.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。,5.在非铁金属冶金方面，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；同时，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；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

10、。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。,Chapter 0 绪 论,6.19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世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、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。7.20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。,Chapter 0 绪 论,五、金属材料的发展热点,1继续重视高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3特殊条件下应用的金

11、属材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。4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。,Chapter 0 绪 论,六、关于本课程,1.本课程的目的是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。,Chapter 0 绪 论,2.本课程的性质是材料科学与工程专业的一门主要专业课。它的主要内容是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

12、件及工模具用钢、不锈钢、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。,Chapter 0 绪 论,3.本课程的内容金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用。常用钢铁材料、有色金属及合金材料和新金属结构材料（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、有色金属及合金、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属材料等）。,Chapter 0 绪 论,金属材料是以过渡金属为基础的纯金属及含有金属、半金属或非

13、金属的合金。金属材料皆为晶体，其原子间的结合键主要为金属键。,Chapter 0 绪 论,七、提几个问题：,1、比利时在1958年召开世界工业博览会，大楼是Atomium大楼，是由9个巨大金属球组成，球直径为18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什么?说明什么意义?2、莫斯科列宁大街上有一40英尺高的雕象，纪念世界第一位宇航员加加林，材料是钛合金，为什么用钛合金做?代表什么意义?3、金子从古到今都作为世界上的流通货币，为什么?铜是人类最早认识和使用的金属，为什么?,Chapter 0 绪 论,4、1983年在上海召开的第4届国际材料及热处理大会的会标是小炉匠锤打的图案，什么意义?为什么古

14、代著名的刀剑都要经过反复锻打?5、以前学习课程的知识告诉我们：亚共析结构钢淬火加热温度一般原则是AC3+3050，而过共析工具钢是AC1+3050，这样处理两者在组织上有什么主要区别?为什么?,Chapter 0 绪 论,第一篇 钢铁材料,第一章：钢铁中的合金相(8学时)第二章：工程结构钢(6学时)第三章：机械制造结构钢(8学时)第四章：工具钢(6学时)第五章：不锈耐蚀钢(4学时)第六章：耐热钢和耐热合金（6学时）第七章：铸铁（4学时）第八章：非铁金属材料（4学时）第九章：讨论（2学时）,第一章 钢铁中的合金相,合金钢：是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼

15、钢的过程中加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铝、硼及稀土元素等。磷、氮等元素在某些情况下也会起到有益的作用。与碳钢相比合金钢的性能有显著提高，,低合金钢：中合金钢：高合金钢：微合金钢：,钢：是以铁为基的合金。合金钢：合金元素：杂质：,元素周期表中钢中常见的合金元素：,一、微量元素在钢中的作用,1.微量元素的有害影响 一些微量元素不是有意加入的，而是在炼钢过程中由原材料（矿石、合金元素、废钢）带入的，它们在钢中的总量0.1%，在钢的常规分析中常常不能测定出来，这些元素亦称为微量痕迹元素。例如，Pb,As,Bi,Sb,Cu,Sn

16、等元素在PPM数量范围内就会对钢的热塑性、蠕变强度、焊接性、耐腐蚀性等产生有害的影响，并且可能导致钢的不同形式的脆性（如回火脆性）。,2.微量元素的有益效应钢中添加微量合金元素，也可以产生很多方面的有益作用。1.净化作用2.变质作用3.控制夹杂物形态 3.钢的微合金化 例如:在低碳钢中加入微量Nb、Ti、V,通过控轧和控冷,生产量大面广的微合金高强度钢。例如:在高速钢、耐热钢中加入微量Nb、Zr、B,可改善钢的高温强度等。,第一节 铁基固溶体,铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变：912 1394-Fe-Fe-Fe A3线 A4线 合金元素对-Fe,-Fe和-Fe的相对稳定性以及同素异晶

17、转变温度A3和A4均有极大的影响。一、奥氏体()形成元素二、铁素体()形成元素分为两类：,1.使A3温度下降,A4温度升高,扩大奥氏体区的 奥氏体()形成元素:,两种情况开启相区的元素;扩展相区的元素;,如锰、镍、钴等开启相区的元素与-Fe无限固溶.,2、扩展相区的元素,如碳、氮、铜等扩展相区的元素与-Fe有限固溶.,1、封闭相区的元素,铁-铬相图,两种情况:,2.使A3温度升高,A4温度下降，缩小奥氏体相区的铁素体形成元素,2、缩小相区元素,如硼、锆、铌、钽、硫 等,钽-铌相图,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。合金元素这种扩大或

18、缩小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: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。,扩大或缩小相区的作用与元素在周期表中的位置有关。有利于扩大相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在其多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电负性相近，原子尺寸相近。,扩大区的元素有：,Cr、Si、V、Ti、W、Mo等可使A3线升高。加入一定量的Cr、Si 区可消失。得到全部的铁素体,如Cr=17%28%的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢均属于铁素体钢 如钒、钛、钨、钼、铝、磷、铬、硅 等,尺寸因素对溶解度起

19、着重要作用.,钛、铌钼和钨等元素由于原子尺寸较大，在铁中溶解度较小，他们与铁形成尺寸因素化合物拉维斯相（AB2）碳、氮、硼在铁中的溶解主要受畸变能影响。碳和氮与铁形成间隙固溶体，铁中八面体间隙比-Fe中的间隙大，所以碳、氮在铁中引起的畸变能小，故，在铁中有较大的溶解度，成为扩大相区的元素。而在-Fe中只有很小的溶解度。硼的原子半径大于碳和氮，硼与铁的原子半径之比为0.73。溶解度很小。,第二节 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用,钢中缺陷：晶界、相界、亚晶界、及位错、点缺陷，合金元素和杂质元素溶于合金中，从系统的能量考虑，基于原子的尺寸因素和电子因素，与这些缺陷产生作用。溶质与晶界结合形成晶界偏

20、聚，与位错结合形成柯垂尔气团。含量微小，但因作用在缺陷处富集明显，产生影响显著：如晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、晶界迁移、相变形核处。,产生晶界偏聚及柯垂尔气团主要原因：原子间的弹性作用。点阵畸变需很大能量，因而比基体原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界等缺陷处：1.比基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵；2.反之，趋向于缺陷受压缩的点阵。系统内能下降，故偏聚是自发进行。,溶质原子在晶界区和晶内所引起的组态熵，导出偏聚量普遍表达式：,式中，xb0为溶质在晶界区的饱和偏聚量；E为溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差-驱动力；Xc为溶质在基体内的溶解量。若cg表示晶界区的溶质偏聚浓度，c

21、0为基体晶体内的浓度，简化为：,影响晶界偏聚的因素,首先为驱动力E,其次为温度,溶质元素之间的相互影响:1.位置竞争,2.影响偏聚速度 3.影响元素在晶内的溶解度4.溶质元素间相互作用,共偏聚作用.,第三节 钢中的碳化物和氮化物,碳化物和氮化物是钢铁中重要的组成相,其类型,成份、数量、尺寸大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。与纯金属比，具有高硬度、高弹性模量和脆性，并具有高熔点。内聚力强：是由于碳原子中的p电子和金属中的d电子间形成的强共价键。,一、一般特点：二、碳化物的结构 金属元素的C/M值如下：1、当C/M 0.59,形成复杂点阵的碳化物(1)复杂立方点阵；(2)复杂六方点阵；(3

22、)正交晶系点阵,1.钢中的碳化物,三、钢中常见的碳化物（K）,K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。K具有混合键：具有正的电阻温度系数，金属特性金属键；高硬度共价键。（金属键占优势）根据Me和C的作用，可将Me分为两类：非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等，几乎都在固溶体中或形成其它化合物。K形成元素：Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn（由强到弱排列）。强弱顺序与其在元素周期表中的位置有关，都在Fe的左边。Me的d层电子愈少，与C的亲和力（电负性）愈强，形成的K也愈稳定。,钢中常见的K有：M3C：渗碳体，正交点阵。M7C3：例Cr7C3，复杂六方点阵，单位晶胞。M23C6

23、：例Cr23C6，复杂立方，单位晶胞。M2C：例Mo2C、W2C。密排六方，单位晶胞。MC：VC、TiC、NbC，一般为简单面心立方点阵。MoC、WC是简单六方点阵。一般式：MCX，X1。例V4C3，X=0.75。也就是说，K也有空位存在。M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵。常在含W、Mo的合金钢中出现。一般式：(W，Mo，Fe)6C。复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。简单点阵结构：M2C、MC。M6C是复杂结构，性能接近简单点阵结构。,四、碳化物的稳定性,碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d层电子数。金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力

24、就越大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：HfZr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni 碳化物的稳定性可由下式来归纳表示：,五、碳化物的相互溶解,1、相似者相溶 影响不同类型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的点阵类型；(2)合金元素的尺寸因素；(3)合金元素的电化学因素。各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解：a.完全互溶；b.有限溶解。,完全互溶：原子的尺寸、电化学因素均相似。如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiC VC。有限溶解：一般K都能溶解其它元素，即形成复合K。如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等，最大值为 20%C

25、r，2%W，0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。强弱碳化物互溶对其稳定性的影响：溶入强者，使K稳定性；溶入弱者，使K稳定性。,2、强者先，依次成,K形成元素中，强者将优先与C结合，随C，依次形成K（主要是平衡态）。如：在含Cr、W钢中，随C，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果C量有限，则弱的K形成元素溶入固溶体。如：在含Cr、V的钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。,3、Nm/Nc比值决定了K类型,一般，一种元素都能有几种K形式。除了Mn以外，当达到一定量时,都能形成自己特殊K。形成什么K主要决定于当时的Nm/Nc比值。例如：在Cr钢中,随Nm/Nc,先后形

26、成顺序为：M3CM7C3M23C6。在回火时,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：Fe21W2C6WC Fe4W2CW2C。Nw/Nc是不断。,4、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。,2.钢中的氮化物,氮化物基本性能特点：高硬度、高熔点、脆性。氮化物rN/rMe均小于0.59，所以一般都形成简单间隙结构相。K类型与Me的原子半径有+关。(1)NaCl型简单立方点阵:TiN,VN,CrN,Fe4N()等(2)简单密排立方点阵

27、：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。,第四节 钢中的金属间化合物,合金元素之间和合金元素与铁之间相互作用，可以形成各种金属间化合物。重要的有以下：一、相：第一长周期的第七族和第八族（铬钼钨钒）过渡金属，与第五族和第六族（锰铁钴镍）能形成相；第二长周期的第八族过渡金属，与第五族和第六族能形成相；条件：尺寸相差不大；合金平均族数s+d在5.77.6之间。如：W、Co系，其原字半径之差为12%，形成相与组元之间的尺寸因素和电子因素都有关，如Cr-Fe系含铬43.5%49%质量分数,(600)平均族数为7.17.0Cr-Mn系含铬19%24%质量

28、分数,(800)平均族数为6.846.78,为避免脆性相，考虑到电子因素对形成相的作用，用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计，Nv是基于接受磁性数据和结合键数据的d层电子缺位数的概念。根据实验，铁钴镍的d层电子缺位数分别是2.66。1.71，0.66。计算时，应扣除合金成分中沉淀相所占有元素含量，求得基体中各元素的原子分数浓度，按下式计算总Nv值:Nv=0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66(Cr+Mo+W)+5.66(V+Nb+Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al元素符号表示原子分数浓度.根据大量工业合金计算的结果,合金的Nv值2.52,则不出现相.对铁基和

29、钴基合金,当Nv约为2.7时出现相,相只是表示电子因素的一种方法.,二、AB2相(拉弗斯相),含钨钼铌钛的复杂成分的耐热钢和耐热合金中,均存在AB2相.是现代耐热钢和合金中的一种强化相.只要直径比为1.2:1,都能形成AB2相.随着B组元原子族数的增高,晶体结构发生由立方六方立方的转变.三种类型:MgCu2型复杂立方点阵,MgZn2型复杂六方点阵,MgNi2型复杂六方点阵,过渡族金属的AB2相的平均族数均不超过8.最高为TaCo2为23/3,例如：钢和合金中主要AB2相的为MgZn2型复杂六方点阵,他们是(Mo/W/Nb/Ti)Fe2多元合金中出现复合的AB2相中,尺寸小的合金元素铁锰铬镍处于

30、B原子的位置,而尺寸大的合金元素钨钼铌钛处于A原子的位置.铁基合金中存在复合如(Mo/W/Nb/Ti)(Fe/Ni/Cr)2,三、AB3相(有序相),钢和合金中使用多种有序结构的相,它们各组元之间尚不能形成稳定的化合物,处于固溶体到化合物之间的过渡状态.其中一部分有序相的有序无序转变温度较低,Ni3Fe,Ni3Mn,等另一部分其有序态可保持到熔点.更接近金属间化合物,如Ni3(Al/Ti/Nb)等AB3是耐热钢和耐热合金中重要的强化相。Ni3Al为Ll2型结构.属面心立方,在复杂成分耐热钢和耐热合金中,是重要强化相.可溶解多种合金元素.,电负性和原子半径与镍相近的元素可置换Ni,如钴铜.电负性

31、和原子半径与铝相近的元素可置换Al,如钛铌钨另一些元素,铁铬钼等电负性与镍有一定差别,在与镍的二元合金中形成有序固溶体,它们既可置换镍,也可置换铝.如,Ni3(Fe/Cr/Mo)钒锰硅等与镍的电负性差较大,与铝接近,与镍形成有序固溶体.如,Ni3(V/Mn/Si)在Ni3Al中置换Al.点阵常数随溶入的不同合金元素而变化,在3.563.60范围内,钛可置换60%的Al,铌可置换40%的Al,耐热合金中,溶入的钛铌对持久强度有很大的影响.,第五节 合金元素对铁碳相图的影响,一、合金元素对钢的临界点和Fe-C相图的影响二、Fe-C-M三元系,合金元素对钢的临界点和Fe-C相图的影响,影响可归纳为：

32、有扩大相区的元素；有缩小相区的元素；会改变Fe-C相图的共析温度；会降低共析点的碳含量。,一、改变了奥氏体相区的位置,（1）扩大区 Ni、Mn Cu、N、Co、C、等使A3线降低，加入一定量的Ni、Mn 区可消失，得到全部的奥氏体。只有Co使得A3和A1升高.如耐磨铸钢ZGMn13，1Cr18Ni9属于奥氏体钢，,扩大相区元素降低了A3温度,2、缩小相区元素,钨钼硅铝铌钒钛等使A3温度升高.钼使A3和Al温度升高,且使相缩小,其质量分数高于8.2%,使单相区消失.各缩小相区的元素使相区消失的临界浓度如下:W=12%,Si=8.5%V=4.5%,Ti=1%,Cr=20%.合金元素对共析温度和共析

33、含碳量的影响见图1-11,1-12,铁-碳-铬相图,二、改变了共析温度,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。,三、改变了共析体的含碳量,所有的合金元素所有合金元素如Ni、Mn、Co、C、N、Cu、Cr、Si、V、Ti、W、Mo、B、Nb、RE均能使相图中S点和E点左移，都降低共析点碳含量,致使共析和共晶成分的含碳量减少，碳当量。只有钨钼铬当其含量高时出现特殊碳化物时,所形成的共析组织的含碳量稍有升高.,合金元素对共析体含碳量的影响,如4Cr13中C=0.4%但属于过共析钢，合金工具钢中的W18Cr4V高速钢中0.70.8%的C,但在铸态中

34、却有莱氏体，故称莱氏体钢。,二、Fe-C-M三元系 合金元素类型不同出现的碳化物相不同.,由于 HfZrTiTaNbV WMo CrMnFe CoNi铁-碳-合金元素形成元素组成的三元系的合金元素为:强碳化物形成元素时,仅出现MC和Fe3C型碳化物.如,钛、锆、铌、钒、钽等。钽还会出现M2C.中强碳化物形成元素时,形成MC、M2C、M23C6、M6C及Fe3C型碳化物,而铁-碳-铬系中出现M3C2、M7C3、M23C6 及Fe3C型碳化物.弱碳化物形成元素锰与铬相似,出现M7C3、M23C6、M3C三种碳化物.铁-碳-非碳化物形成元素组成的三元系中只含Fe3C型碳化物.,合金元素添加量使C0.

35、8%的钢中出现共析组织;合金元素添加量使C2.11%的钢中现合金莱氏体。,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,合金钢加热时的转变包括，相的形成，碳化物和铁素体的溶解，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。,1.合金元素对奥氏体形成的影响,一.K在A中的溶解规律(Rule of K dissolution)K溶解影响到钢热处理工艺的制定,决定了钢的组织与性能.基本规律:1）K稳定性越好,溶解度就越小，如图1-13.2）温度,溶解度,沉淀析出；,579(1/T)10-4，K-1 图4 不同碳（氮）化物的溶度,3）A中有较

36、弱的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。4）K稳定差的先溶解。Mn、Cr的K先溶解，V、Ti的K后溶解。如：MC型的溶解温度 11001150，M7C3、M23C6 950。,合金元素对对奥氏体形成的影响,钢中的形成可通过无扩散和扩散两种机制。当高速加热时，温度高于Ac3,发生-无扩散机制形成奥氏体，然后碳化物溶解于奥氏体在低速加热时，高于Ac1,温度，奥氏体是通过碳化物溶解及-扩散多型性转变形成的。转变量的增长依赖于碳化物的溶解、碳和铁原子的扩散。合金元素对碳化物的稳定性及碳在奥氏体中

37、扩散的影响，直接控制着的形成速度。,强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如(Ti/Nb/V)C只有在高温下才溶于奥氏体。溶解度与温度的关系1-13。钨钼等强碳化物形成元素组成的M23C6,M6C,M2C,MC等,在奥氏体中溶解温度要低于钛铌钒的碳化物.较弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性,加速其溶解,如锰加入含钛钒铌的钢中,铬加入高速钢中都能促使强碳化物的溶解.碳化物形成元素可提高碳在奥氏体中的扩散激活能,对奥氏体形成有一定的阻碍作用.非碳化物形成元素镍和钴,可降低碳的扩散激活能,对奥氏体形成有一定的加速作用.,溶解度与温度的关系1-13,非碳化物形成元素:Si、Mn、Ni、Al、Co等，

38、,基本上可以溶入基体相铁素体中而形成合金铁素体，使钢的强度、硬度升高而韧性降低，当Cr2%Ni5%Mn1%时冲击韧性也有所提高。,合金元素在钢中形成合金铁素体作用,形成合金渗碳体或特殊碳化物,含有强碳化物形成元素Cr/Mo/B/W/V/Nb/Ti时，一部分溶入基体形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C,(Fe,Mn)3C;另一部分形成特殊碳化物Cr23C6,Cr7C3,WC,VC,TiC;也有部分溶入铁素体中。硬度和稳定性高于一般渗碳体，且这些细小碳化物经正常热处理时很难溶入奥氏体，也不易聚集长大，高度弥散分布于基体中，故可显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性。,二、合金元素和碳的均匀化,当奥氏体

39、转变完成后,还有一个合金元素和碳的均匀化过程.由于合金元素扩散慢,可以提高淬火温度或延长保温时间来达到成分均匀化,这是提高合金钢淬透性的有效方法.溶质原子在奥氏体晶界的偏聚过程.当奥氏体进行转变,相界面向相中推移时,相界捕获溶质原子,并一起移动,相界即产生溶质原子的偏聚.当转变结束形成多晶奥氏体组织时,晶界偏聚过程继续向平衡偏聚浓度进行.在钢中,元素碳硼磷锡铌钼和稀土都产生晶界偏聚.,A体的均匀化（Average austeniting）,A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的，一般钢的处理都要求有一定的均匀化。合金钢加热均匀化不仅是间隙原子C，置换原子Me也要比较均匀。因为Me扩散比C慢得多

40、，A体均匀化时间比较长，所以合金钢加热处理时的保温时间比较长。由于合金元素扩散慢，可以提高淬火温度或延长保温时间来达到成分均匀化，这是提高合金钢淬透性的有效方法。奥氏体均匀化过程中将发生溶质原子在奥氏体晶界的偏聚过程。在钢中，碳、硼、磷、锡、锑、铌、钼和稀土元素都将产生晶界偏聚。,三.A体晶粒长大Austenite grain growth,钢在高温情况下，A体晶粒容易长大。所谓钢过热敏感性就是晶粒长大问题。晶界呈球形状是稳定态，它总是力图向这方向进行，球形的第2相要比其它形状的要稳定，所以钢中第2相也要不断向球形转变。钢加热刚形成A时，晶粒形状是不稳定的，为降低系统表面能，晶粒会自发长大。,

41、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,控制奥氏体的晶粒度对改善合金钢的强韧性至关重要。钢中奥氏体晶粒长大的驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差,晶界移动是依靠晶界原子的扩散。凡能影响这两者的因素,都会改变晶粒长大的进程。合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。合金元素形成的碳化物在高温下越稳定,越不易溶入奥氏体中,能阻碍晶界长大,显著细化晶粒.按照对晶粒长大作用的影响,合金元素可分为：1.促进奥氏体晶粒长大的元素有：C/P/Mn(高碳时)；2.强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素的有：铝/钛/铌/钒等。3.中等阻碍奥氏体晶粒长大的元素的有：钨、钼等。碳和磷在奥氏体晶界偏聚降低了晶界铁原子的自扩散激活

42、能。碳在奥氏体晶界偏聚使之富集，则更使晶界铁原子间的结合力降低，从而促使奥氏体晶粒长大。,合金元素对奥氏体晶粒的大小的影响,除Ni、Co以外，绝大多数合金元素，特别是强碳化物形成元素，都降低Fe、C原子的扩散速度。因而延缓奥氏体化过程。细化晶粒。Ti、V、Zr、Nb 等强烈阻止奥氏体晶粒长大,Al 在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3 细质点,也能强烈组织晶粒长大；W、Mo、Cr 等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；Ni、Si、Cu、Co 等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；Mn、P、B 则有助于奥氏体的晶粒长大.Mn 钢有较强烈的过热倾向,其加热温度不应过高,保温时间应较短。锰在高碳钢中可促进晶粒长

43、大，是由于锰加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作用。铝/钛/铌等元素在钢中能形成稳定的氮化物、碳化物和碳氮化物，弥散质点钉扎奥氏体晶界，阻碍晶粒长大。,Me对晶粒长大的作用（Effect of Me on grain growth）：,1）强K形成元素Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大，有K存在和（或）DFe；2）C、N、B晶粒长大Dfe(Fe原子间结合力)3）Mn在低C钢中有细晶作用,其它钢中都晶粒长大;4）用Al脱氧的镇静钢是本质细晶粒钢 AlN、Al2O3稳定细小 晶粒长大。5）Ni、Co、Cu作用不大.,图1-14 AlN 含量对奥氏体晶粒度的影响,氮化物比碳化物有更低的溶解度和更高的稳定性，

44、因而弥散的氮化物阻碍晶粒长大更有效，如TiN、NbN、AlN、VN.工程上最常用AlN来细化晶粒，其影响见图1-14。当铝含量超过0.02%或AlN的铝量超过0.008%，可得到8-9级细晶粒。图1-15为MnNiMo中的超微AlN质点。,MnNiMo中的超微AlN质点（电解萃取碳复型）,第七节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响,合金元素对过冷奥氏体转变的影响，首先表现在临界点的影响。奥氏体形成元素降低Ac3点使转变温度降低，过冷度减小，转变的驱动力减小。铁素体形成元素升高Ac3点，使过冷度增大。有统计公式计算各元素对其影响：,铁-碳-锰相图,过冷A体的稳定性（Sub-cooling auste

45、nite steadiness）,过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期（incubation period）和相变速度。即“C”曲线中恒温下开始转变前的时间和转变开始和终了的水平距离（时间）。一般生产中主要关心的是孕育期。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。合金元素对过冷奥氏体转变动力学的影响集中表现在恒温转变曲线上。不同类型元素对珠光体和贝氏体转变有不同作用，除考虑合金元素与铁的相互作用外，还要考虑合金元素与碳的作用和晶界偏聚。,对过冷奥氏体转变的影响,1）除Co以外，大多数合金元素都使C曲线右移或变形，均可增加过冷奥氏体的稳定性 2）除Al、Co、Si外

46、，大多数合金元素（如Mn、Cr、Ni、Mo等）溶入奥氏体后，均降低钢的Ms点，使某些淬火钢中的残余奥氏体量增多，为消除影响，热处理工艺复杂化。,按照不同的影响，可分为三类：1)非K形成元素Ni,Si和弱K形成元素Mn,大致保持C钢的“C”曲线形状,只是使“C”曲线向右作不同程度的移动;2)非K形成元素，不改变“C”曲线，但使“C”曲线左移;,不同合金成分的“C”曲线形状是不同的。,3）K形成元素,不仅使C曲线右移,且改变C曲线形状.Me不同作用,使“C”曲线出现不同形状,大致有五种:a)只有一个过冷A体最不稳定的鼻子区,如:Ni,Si,Mn图a)b)出现二个过冷A区最不稳定的鼻子区,如:Cr,

47、Mo,W,V等,GCr15,42CrMo是典型例子;图b)c)只有P转变区,如Cr元素,不锈钢2Cr13;图c)d)只有B转变区,如W,Mo元素,钢34CrNi3Mo;图d)e)无P,B转变区,如Ni,Mn,不锈钢1Cr18Ni9;图e),如图：,Me对“C”曲线的影响,合金元素对C曲线的影响,重点：,钛、铌、钒、钨、钼等强和中强碳化物形成元素强烈推迟珠光体转变，推迟贝氏体转变较少；升高珠光体转变温度范围，降低贝氏体转变温度范围，明显出现珠光体和贝氏体两条C曲线。如图1-16。,(a)强碳化物形成元素,铬和锰等中、弱碳化物形成元素强烈推迟珠光体和贝氏体转变，推迟贝氏体转变更显著。因而出现图1-

48、17两条C曲线形式。,(b)中等及弱碳化物形成元素,非碳化物形成元素铝和硅都增加过冷奥氏体的稳定性，而推迟贝氏体转变更强烈。对C曲线的影响如图1-18镍强烈推迟珠光体转变，钴降低过冷奥氏体的稳定性，但镍钴不改变C曲线的形状。钢中晶界偏聚强烈的元素如硼、磷、稀土等元素使先共析铁素体转变显著推迟，对珠光体和贝氏体转变推迟较弱，但不改变C曲线的形状。,(c)非碳化物形成元素,一、合金元素对过冷A体的P转变的影响,过冷A体的珠光体P转变过程包括孕育期、碳化物形核长大和相形核长大几个步骤。在孕育期内进行着合金元素和碳的重新分配，以保证新相形核所必须的浓度起伏和能量起伏，在此基础上发生碳化物和相的形核长大

49、过程。,过冷A体的P、B转变(Sub-cooling austenite P/B transformation),1.合金元素对珠光体转变时碳化物形核的影响2.合金元素对珠光体转变时-转变的影响。3.合金元素对先共析铁素体析出的影响。4.相间沉淀5.合金元素对过冷奥氏体转变的综合作用,1.合金元素对P转变时碳化物形核的影响,含强碳化物形成元素钒、钨、钼钢的过冷奥氏体转变时，首先形成合金元素的特殊碳化物而非渗碳体。含中强碳化物形成元素铬的钢,当Cr/C比高时,珠光体转变时,可直接生成特殊碳化物Cr7C3或Cr23C6;当Cr/C比低时,可形成富铬合金渗碳体,如：当Cr/C=2时,在650600范

50、围可直接生成w(Cr)8%10%合金渗碳体.当Cr/C=3时,在680可直接生成w(Cr)16%17%的合金渗碳体.为钢中平均含量的46倍.含弱碳化物形成元素锰的钢中，珠光体转变时只直接形成富锰的合金渗碳体，其中锰含量为平均的4倍。,在C钢中P转变形成的是Fe3C，只需要C的扩散。而含K形成元素的合金钢发生P转变时，形成的是合金渗碳体或特殊K，还需要Me的扩散和重新分布。间隙原子碳在奥氏体中的扩散激活能远小于代位原子钒钨钼铬锰的扩散激活能。650左右，为10-10cm/s，而碳化物形成元素扩散慢是珠光体转变时碳化物形核的控制因素。,含镍和钴的钢中只形成渗碳体，其中镍和钴的含量为钢中的平均含量，