钢的合金化基础

钢的合金化基础钢的合金化基础1钢中合金元素及与Fe，C相互作用2合金钢中的相组成3合金元素对钢相变的影响主要内容4合金元素对钢的性能影响5微量元素在钢中的作用主要内容重点及基本要求合金化基础是本课程基础和重点，要求全面掌握了解钢中的常见元素及合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。难点是合金元素对钢中基本合金相结构的影响钢的合金化基础第一章钢中的合金元素在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。钢的合金化目的是利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。第一章钢中的合金元素合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。（主动加入）杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。合金钢：在化学成分上有目的的加入合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及力学性能要求的铁基合金第一章钢中的合金元素微合金化钢：合金钢中加入的合金元素种类多（如Ti、V、B、Re、Nb），但含量低（0.1%），但显著地影响钢的组织与性能，这类钢称为微合金化钢。合金钢种类：根据合金元素含量分：低合金钢—合金元素含量5%中合金钢--5~10%高合金钢--10%我国的资源情况及合金系统储量丰富，可大量开采：Si，V，Ti，Nb，B，稀土等Mn的资源丰富，但由于用量大，应节约W，Mo的资源丰富，用途广泛Ni，Cr，Co资源很少第一章钢中的合金元素及其与Fe，C的相互作用1.1钢中的合金元素及分类钢中常加入的合金元素*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合金元素*S,P,As,Sb,Pb,Sn,Bi通常为有害元素，但S，P，Pb在易切削钢中用来改进切削加工性能。ⅠA0HⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAHeLiBeBCNOFNeNaMgⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧBⅠBⅡBAlSiPSClArKCaSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn1.1.1按与Fe相互作用分类奥氏体形成元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co铁素体形成元素Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al*一般情况下，奥氏体形成元素易优先分布于奥氏体中，铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。1.1.1按与Fe相互作用分类(a)Fe-Mn相图(b)Fe-Cu相图1.1.1按与Fe相互作用分类(a)Fe-Cr相图(b)Fe-Nb相图一、扩大奥氏体(γ)区元素1.开启γ相区的元素锰、镍、钴属于此类合金元素。2.扩展γ相区的元素碳、氮、铜属于此类合金元素。这些合金元素使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了γ相区。包括以下两种情况：二、缩小奥氏体(γ)区元素1.封闭γ相区的元素钒、钛、钨、钼、铝、磷、铬、硅属于此类合金元素。2.缩小γ相区的元素硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。即铁素体(α)稳定化元素。这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降，即缩小了γ相区。包括以下两种情况：合金元素这种扩大或缩小γ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。合金元素与Fe的相互作用1.1.2按与C相互作用（亲和力大小）分类非碳化物形成元素Ni，Cu，Si，Al，P等碳化物形成元素Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe最强中强弱1.1.3按对奥氏体层错能的影响分类提高奥氏体层错能元素Ni，Cu，C等降低奥氏体层错能元素Mn，Cr，Ru（钌），Ir（铱）等（1）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的能量。（2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响。一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。层错能对钢的力学性能、相变影响很大1.1.4按合金元素的物理、化学和其他有关特性分类Fe族元素Co，Ni，Mn难熔金属（高于Fe的熔点的1539℃）W，Mo，Nb，V，Cr等轻金属Ti，Al，Mg等稀土金属La（镧），Ce（铈），Nd（钕）等1.2合金元素对钢的临界点和铁—碳相图的影响1.2.1合金元素改变奥氏体区的位置我们以与γ-Fe形成无限固溶体的元素Mn和与α-Fe形成有限固溶体的元素Cr为例，来讨论这两种元素是怎样改变奥氏体位置的？1.2.1合金元素改变奥氏体区的位置1.对A相区的影响随Mn含量增加，SE向左下移，SG向左下移，使γ区逐渐增大。扩大A相区元素（Ni，Mn，Co）使E，S点左移，A3线下降。锰对奥氏体相区的影响ESG1.2.1合金元素改变奥氏体区的位置随Cr含量增加，SE向左上移，SG向左上移，使γ区逐渐缩小。缩小A相区的元素（Cr，W，Mo，V，Ti，Si等）使S点左移，A3线上升；铬对奥氏体相区的影响1.2.2合金元素对特征点S、E的影响所有合金元素都使S点左移，使得共析含C量降低，意味着钢中的碳含量不到0.77%就发生共析转变。如4Cr13就已经是共析钢；合金元素使E点左移，使得奥氏体中最大含C量降低，使得钢中碳含量不到2％就出现莱氏体。如W18Cr4V（0.7～0.8％含碳量）。1.2.3对临界点A1、A3与温度的影响奥氏体形成元素使A1、A3点下移，使得奥氏体温度下降；铁素体形成元素使A1、A3点上移，热处理时加热温度应该提高。2.1铁基固溶体2.1.1形成铁基置换固溶体①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta）只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。第二章合金钢中的相组成－合金元素在钢中的存在形式合金元素的溶解规律决定合金元素在置换固溶体中的溶解条件有三个：●晶体点阵---溶剂与溶质的点阵相同●原子尺寸---rMe-rFe/rFe8%无限固溶（原子半径差的比）8~10%有限溶解15%很难溶解●电化学因素，也叫电子结构，即在元素周期表中的位置与铁相差多远2.1.2置换固溶体的形成规律通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区的元素含量，就可以控制和调整钢的组织：为了得到室温奥氏体组织，可加Ni，Mn，N等为了得到室温铁素体组织，可加Cr，Si，Al，Ti等如：1Cr18Ni9奥氏体不锈钢1Cr17铁素体不锈钢合金元素与Fe相互作用理论在工程实际中的意义2.1.3间隙固溶体的形成规律□形成间隙固溶体①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。③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2.1.3间隙固溶体的形成规律间隙固溶体的特点与点阵类型间隙固溶体都是有限固溶体，它保持着溶剂金属的晶体点阵。间隙固溶体的形成条件r溶剂/r溶质0.59%才能形成间隙固溶体□形成强化相（化合物相）－形成碳化物、氮化物、金属间化合物：M3C，MC，M2C，M6C，M7C3，M23C6，Ni3Al，Ni3Ti，Fe2W等一般认为，非碳化物形成元素易于溶于F和A中，而碳化物形成元素易于形成碳化物或溶于碳化物中。2.2碳化物2.2.1碳化物形成规律碳化物形成规律TiCVCV2CCr23C6Cr7C3Mn3CMn23C6Mn7C3Fe3CCoNiZrCNbCNb2CMo2CMoCHfCTaCTa2CW2CWC都是过渡族元素，在周期表中位于Fe的左侧2.2.2碳化物的稳定性钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成和转变、溶解、析出和聚集、长大有着极大的影响。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：HfZrTiTaNbVWMoCrMnFeCoNi2.2.2碳化物的稳定性铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素；锰、铁是弱碳化物形成元素。合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关。强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低；弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。2.2.3碳化物类型（1）简单点阵类型MC型：TiC，ZrC，NbC，VC，TaC，WC等（面心点阵）M2C型：W2C，Mo2C，Ta2C（密排六方点阵）特点：1.这些碳化物是强碳化物形成元素及中强碳化物形成元素（Cr除外)形成的碳化物；2.rc/rMe0.59碳原子半径小于金属元素间隙半径，所形成的碳化物可保持金属的点阵，Ｃ只占据金属的间隙位置。3.明显的金属特性（虽然可能含有50～60％的碳原子）4.可以溶入金属原子，呈置换或固溶体形式，如V4C35.硬度高，熔点高2.2.3碳化物类型（2）复杂碳化物M6C型：Fe2Mo4C，Fe4Mo2C等（复杂立方点阵）M7C3型：Cr7C3等（复杂六方点阵）M23C6型：Cr23C6，Fe21Mo2C6，Fe21W2C6等（复杂立方点阵）特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化物；2.rc/rMe0.59引起点阵畸变，形成复杂点阵类型2.2.3碳化物类型（3）渗碳体（正交点阵）M3C型：Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称为合金渗碳体。2.2.4碳化物特点硬度高硬度，其形成碳化物的倾向越强，则碳化物硬度越高。稳定性形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。稳定性排序：（弱－强）M3C，M7C3，M6C，M2C，MC碳化物稳定性越高，熔点高，溶入A中的温度越高，自马氏体中析出的温度越高，聚集长大的倾向越小。碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或服役时不会发生明显的基体中固溶的合金元素向碳化物中扩散和再分配.碳化物对其他元素的溶解能力Fe3C能溶入大量的合金元素，如，淬火钢在回火的初级阶段所形成的Fe3C，其成分大体与钢的成分相同，但在提高回火温度和回火时间后，会溶入大量的合金元素，如Cr在Fe3C中可溶入25％，Mn则无限互溶；(FeCr)3C,(FeMn)3C,Mn3C强碳化物形成元素Ti，Nb，V等几乎不溶于Fe3C2.2.4碳化物特点合金元素与钢中碳相互作用的实际意义直接影响钢的性能强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性、热处理过程中奥氏体稳定性和奥氏体晶粒大小等。合金元素与碳的亲和力不同，对钢的相变过程和碳扩散有重大影响。碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子扩散速度，弱碳化物形成元素Mn以及大多非碳化物形成元素则无此作用，而促进碳的扩散（Co特别显著）。2.3合金元素在晶界的偏聚钢的溶质原子在晶界的浓度大大超过在基体中的平均浓度的现象，称为晶界偏聚或晶界内吸附。2.3.1晶界内吸附产生的原因和特点产生原因晶界原子排列疏松，置换式和间隙式溶质原子处于晶界处产生的畸变能比在晶内产生的要小的多，这种畸变能的差异导致晶界内吸附，使晶内溶质向晶界迁移，使体系能量降低，从而形成亚稳状态。晶界内吸附的特点（1）溶质原子的最大溶解度越小，晶界内吸附倾向越大，如B在铁中的溶解度很小，其晶界内吸附的倾向很大（2）晶界溶解度和温度有一定关系---热力学Cg=C1exp(E/RT)Cg：晶界溶质原子浓度C1：晶内溶质原子浓度E：结合强度温度（T）越高，Cg越小。（3）晶界内吸附与时间的关系---动力学晶界内吸附的形成和扩散需