第一章钢的合金化基础.

第一章钢的合金化基础主讲：黄丽红主要内容0.前言1.钢中合金元素及其分类依据2.合金元素对钢的作用3.钢的强化机制4.改善钢塑性和韧性的途径5.合金元素对钢相变的影响6.钢的冶金质量0前言合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金元素、合金钢（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V常存元素：Mn、Si……）注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部分是由于影响相变过程。低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%（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。1.钢中合金元素及其分类依据热脆性——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。1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：W第七周期：稀土元素、TaS、P一般为杂质元素1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要包括：溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；—溶入基体形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物)-强化相形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物等）—第二相以游离状态存在。—单质取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等合金元素在钢中的存在形式固溶体化合物游离态固溶体碳化物金属间化合物非金属夹杂物合金渗碳体特殊碳化物合金元素在钢中的存在形式例：形成合金F合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生固溶强化，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧性略有下降。P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。固溶体固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，所以可以提高耐磨性。合金渗碳体如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入Ａ中。特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、金属间化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金属夹杂物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游离态如Pb、Cu等*合金元素改善钢的热处理工艺性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻碍晶界迁移，细化晶粒。P21《王晓敏工程材料学》1.细化奥氏体晶粒除Co外，固溶于A中的合金元素总是不同程度的增加Ａ稳定性，延缓Ａ的转变，使C曲线右移，淬透性提高。合金钢可选择油淬，高合金钢甚至空冷即可获得M组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B2.提高淬透性除Co、Al外，所有合金元素降低Ms、Mf增加残余奥氏体含量，按作用由强到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2.提高淬透性3.提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高。在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，塑韧性好。1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类1、与铁的相互作用（1）奥氏体（austenite）形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，(优先分布于奥氏体中)奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%（2）铁素体（ferrite）形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，(优先分布于铁素体中)1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类2、与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、Zr、Nb等，(形成碳化物或溶于固溶体中)1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类3、对奥氏体层错能的影响分类（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru(钌)、Ir(铱)等。层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为“层错能”。（层错能愈小，出现层错的几率愈大）一、Me和Fe的作用纯Fe→Fe-C相图的变化特点。Me和Fe的作用：1、γ稳定化元素使A3↓，A4↑，γ区扩大a)与γ区无限固溶——Ni、Mn、Co开启γ区——量大时，室温为γ相；b)与γ区有限固溶——C、N、Cu——扩大γ区。2.合金元素与铁碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响2、α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小a)完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、TiCr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相W、Mo、Ti等部分溶解b)缩小γ区——Nb等。稳定γ相——A形成元素，稳定α相——F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MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)无限无限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*无限无限无限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与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第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8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γ-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α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-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：ΔR≤±8%，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.①有限固溶C、N、B、O等②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γ-Fe与α-Fe。溶质原子大小：r↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。③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、间隙固溶体二、Me和碳（氮）的作用（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、Zr、Nb、V；W、Mo、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、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：MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53（二）K形成的一般规律rc/rMe0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe0.59—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→(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比值。退火态:在Cr钢中，随NM/NC↑，先后形成顺序为：M3C→M7C3→M23C6。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500~700℃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。（三）金属间化合物合金钢中由于M之间以及M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：σ相（AB）拉夫斯相（AB2）有序相（AB3）σ相在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐热合金中，都会出现σ相（如Cr46Fe52），伴随着σ相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。如Cr-Mn、Cr-Co、Mo-Mn等。AB2含钨，钼，铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在AB2相，强化相。如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2其组元A的原子直径和第二组元B的原子直径之比为1.2/1。AB3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。（四）Me对奥氏体层错能的影响（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。层错能越低，有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，使钢的加工硬化趋势增大。如：高镍钢和高锰钢。（锰：加工硬化特点）对钢相变行为的影响：奥氏体层错能对Fe-Ni-C合金中马氏体形态的影响高低马氏体层错能低高奥氏体层错能片状M透镜M蝴蝶状M板条M马氏体类型举例钢18-8奥氏体钢Fe-Ni合金（四）Me对奥氏体层错能的影响一、Me对钢强化的形式及其机理强