钢中的合金元素PPT演示课件

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1、1,钢中的合金元素,2016年 3月,2,一、合金元素在钢中的存在方式,3,合金化的作用,纯金属中只能采用位错强化和晶粒细化强化，且强化效果受到一定限制 金属结构材料广泛采用合金化，合金化后增加了固溶强化和第二相强化方式，同时使强化技术与工艺丰富多彩 传统认为合金化主要作用是提高钢材淬透性，但实际合金化的作用已远不止这一作用,4,Fe-C合金,钢铁材料实质上是Fe-C合金 Fe-C合金发现的偶然性 C的间隙固溶强化的经济有效性 C形成各种碳化物（最典型的是Fe3C） C的加入使铁的固态相变复杂多变，由此导致钢的性能变化范围大幅度扩大 热处理技术的发展,5,成分与相,合金元素加入后，使钢的基体化

2、学成分发生变化，同时还会产生新相 具有在一定程度内变化的化学成分、具有不同的晶体结构因而不同性能和性质、用相界面与其他相分隔的部分物质被称为相 成分分析，元素与含量 相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍射强度）和尺寸 组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌不同，如珠光体、索氏体、托氏体）,6,钢中基础相,-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生0.2866451nm，由此计算出的最小原子间距为0.248240nm，配位数为12时的原子直径为0.25715 nm，理论摩尔体积为0.70916510-5m3/mol，理论密度为7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度7.870Mg/m3，室

3、温线胀系数11.810-6/K。 合金化后称为铁素体,7,钢中基础相,-铁 ,9121394 稳定,面心立方点阵, 912 点阵常数0.36468nm,计算最小原子间距（即配位数12时原子直径）0.25787nm，理论摩尔体积0.73016310-5m3/mol，理论密度7.649Mg/m3，实测密度为7.694Mg/m3。相变时体积变化约-0.66%。室温下铁点阵常数0.35782nm，计算最小原子间距（即配位数12时原子直径）0.25302nm,理论摩尔体积0.68972810-5m3/mol，理论密度为8.097Mg/m3。 合金化后称为奥氏体,8,合金元素在钢中的存在方式,固溶于铁基体

4、，使其热力学行为和相变行为发生明显改变，产生固溶强化 形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同的作用 仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P 大多数合金元素即可固溶也可形成第二相,9,钢中第二相种类,碳化物 氮化物 硼化物 金属间化合物 非金属化合物（夹杂物） 单质如铜、石墨,10,固溶合金元素对相图的影响1,扩大相区的奥氏体形成元素 （使3温度降低，4温度升高 ）： 开启相区：主要有锰、钴和镍三种元素 扩大相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等元素,11,开启相区相图,12,锰对Fe-Fe3C相图

5、奥氏体区的影响,13,开启相区相图的特点,合金元素在-Fe中可以无限固溶，因而使相区存在的温度范围显著变宽，使和相区明显缩小，当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。 钴的特殊性，它开启相区，但却使3温度略微升高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的淬透性）。,14,扩大相区相图,15,扩大相区相图的特点,合金元素在-Fe中有限固溶，当合金元素含量超过溶解度限时，则将出现石墨、-铜等单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。 低于3温度的A1温度出现共析相变：第二相，该

6、温度下合金元素在-Fe中的固溶度大于在-Fe中的固溶度 相区的右端点一般连接一共晶相变,16,固溶合金元素对相图的影响2,缩小相区的铁素体形成元素 （使3温度升高、4温度降低 ）： 封闭相区：形成相圈，主要有钒、铬、钛、钼、钨、铝、硅、磷、锡、锑、砷等 ，其中钒和铬在-Fe中无限固溶 缩小相区：出现了金属间化合物，破坏了圈的完整性，使得-Fe相区与-Fe相区被分割开，主要有硼、锆、铌、钽、硫、铈,17,封闭相区相图,18,封闭与开启相区相图的对称性,19,溶解热差值H=H-H决定开启与封闭,20,钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响,21,铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响,22,封闭相区相

7、图的特点,最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图（开启相区相图由于上面开口连接液相，故一般应有一包晶相变） -Fe与-Fe相区合并,23,缩小相区相图,24,缩小相区相图的特点,出现金属间化合物限制合金元素的固溶 高于3温度出现包析相变：+金属间化合物，该温度下合金元素在-Fe中的固溶度小于在-Fe中的固溶度 相区的右端点一般连接一共析相变： +金属间化合物，该温度下合金元素在-Fe中的固溶度小于在-Fe中的固溶度,25,C在铁中的固溶度公式,(石墨在铁中,573-1011K） (石墨在铁中,1011-1427K) (Fe3C在铁中,473-1000K) (Fe3C在铁中,1000-1421K)

8、 (碳化物Fe2.2C在铁中，473-623K) (碳化物Fe2.4C在铁中),26,N、Cu在铁中的固溶度公式,（Fe4N在铁中,368-863K） （Fe4N在铁中,863-923K） (N2在铁中,500-1173K) (N2在铁中,1173-1350K) (铜在铁中,650-1116K) (铜在铁中,1116-1371K),27,合金元素在铁基体中最大固溶度,28,Hume-Rothery 规则,原子尺寸因素：当原子尺寸差小于1415时，有利于形成固溶度很大的固溶体 ，其他条件也有利时将形成无限固溶体 化学亲和力因素 ：负电性差越小，固溶度越大 电子浓度因素 ：极限电子浓度一般在1.4

9、左右，对面心立方点阵的溶剂约为1.36；对体心立方点阵的溶剂约为1.48。超过极限电子浓度，一般将导致中间相的出现。 晶体点阵因素：相同晶体点阵容易互溶,29,溶质偏聚,晶格畸变能U总是正值 溶质与基体的原子尺寸差是造成溶质元素在基体点阵产生晶格畸变的主要原因 基体中缺陷处的原子排列混乱程度将明显影响溶质偏聚程度，故不同缺陷处的溶质偏聚程度将不相同 对非金属溶质元素来说，除了原子尺寸差别的影响外，其化学键的特性将造成基体晶格畸变的非对称性,30,铁晶体结构中的间隙位置尺寸及主要间隙固溶元素原子半径,主要间隙固溶元素原子半径,铁晶体结构中的间隙位置尺寸,31,钢中主要合金元素的原子尺寸及其与铁原

10、子尺寸的相对差别,32,钢中的碳化物,33,不同类型的碳化物的形成规律,当rC/ rM0.59时，形成简单密排结构的碳化物，即间隙相，主要包括： NaCl型面心立方点阵的碳化物 MC相 六方点阵的碳化物 ，简单六方MC类型碳化物的点阵常数c/a比约为1.021.03 ；密排六方 M2C类型碳化物的点阵常数c/a比约为1.571.58,34,NaCl结构的微合金碳氮化物,35,六方点阵的碳化物,36,不同类型的碳化物的形成规律,当rC/ rM0.59时，形成复杂结构的碳化物，主要包括： 复杂立方点阵的M23C6型碳化物 复杂六方点阵的M7C3型碳化物 正交点阵的M3C型碳化物 复杂立方点阵的M6

11、C型碳化物,Fe3C,37,复杂立方点阵的M23C6型碳化物,38,复杂立方点阵的M6C型碳化物,39,碳化物的互溶,影响溶解度的因素主要是电化学因素、尺寸因素和点阵类型 1. 完全互溶 若上述三个因素均合适，即具有相同的点阵类型，金属原子外层价电子结构相近，且原子尺寸差小于8-10%，则碳化物之间可完全相互固溶 NaCl型MC型碳化物之间可完全相互固溶，形成连续固溶体 Fe3C、Mn3C之间可完全相互固溶 M6C型碳化物中W、Mo原子可无限制相互置换 Mo2C-W2C之间也可完全相互固溶,40,碳化物的互溶,2. 有限溶解 若上述三个因素中任意一个不合适，则仅能有限互溶 具有复杂正交点阵结构

12、的Fe3C中可大量溶解Mn，最多溶解28%Cr、14%Mo、2%W、3%V，形成合金渗碳体 具有复杂立方点阵结构的Cr23C6中可最多溶解25%Fe，还可溶解部分Mn、Mo、W、V、Ni等元素； 具有NaCl型面心立方点阵结构的MC型碳化物中可大量溶解W、Mo，少量溶解Mn、Cr； M2C相中可溶解Cr（W2C中最多可溶解75%，Mo2C中最多可溶解5%） 具有复杂六方点阵结构的M7C3型碳化物之间可大量相互有限固溶，如Cr7C3中可大量溶解Fe、Mn；此外，还可适当溶解W、Mo、V等碳化物形成元素,41,钢中的氮化物,42,氮化物的形成规律,钢中的氮化物rN/ rM 0.59，故只能形成具有

13、简单密排结构的碳化物，即间隙相 NaCl型面心立方点阵的氮化物，主要有TiN、NbN、VN、ZrN、Mo2N、W2N、CrN、-Fe4N、MnN、-Mn2N等 六方点阵的氮化物，主要有TaN、WN、Nb2N、MoN、Cr2N、-Fe23N、Mn2N等。其中TaN、Nb2N、-Fe23N、Mn2N与Mo2C密排六方点阵类似，c/a值在1.601.85范围；而MoN、WN、Cr2N则与MoC简单六方点阵 相似，c/a值在0.9771.016范围 AlN属于正常价非金属化合物，ZnS类型的密排六方点阵,43,ZnS结构的AlN,44,氮化物的互溶,互溶规律与前述碳化物的互溶规律类似，影响溶解度的因素

14、主要是电化学因素、尺寸因素和点阵类型 1. 完全互溶 若上述三个因素均合适，即具有相同的点阵类型，金属原子外层价电子结构相近，且原子尺寸差小于8-10%，则碳化物之间可完全相互固溶 具有NaCl型面心立方点阵结构的MN型氮化物之间可完全相互固溶，形成连续固溶体，同时它们还能与具有NaCl型面心立方点阵结构的MC型碳化物完全相互固溶，如在含钒、钛、铌微合金化的钢中，可形成如V（C,N）、Nb(C,N)、 Ti(C,N)甚至 (Nb,V,Ti)(C,N) 这样的复合碳氮化物,45,氮化物的互溶,2. 有限溶解 在复杂结构的碳化物中，氮原子可替代部分碳原子而形成碳氮化物，如含氮的不锈钢中氮原子可置换

15、(Cr, Fe)23C6中部分碳原子，形成(Cr, Fe)23(C, N)6 ；含硼钢中在特殊情况下硼可替代部分碳原子形成Fe23(C, B)6 3. 不溶解 若电化学因素、尺寸因素和点阵类型三个因素中任意一个完全不合适，则相互之间将完全不溶解。如AlN不属于间隙相或间隙化合物，其与间隙相之间完全不互溶，其他元素将不能置换Al、N,46,钢中的硼化物,47,硼化物的形成规律,钢中的硼化物rN/ rM 0.59，故不能形成间隙相，只能形成复杂晶体结构的硼化物 CuAl2型正方点阵结构的硼化物，如Ti2B、W2B、Mo2B、Cr2B、Fe2B、Co2B、Ni2B等，它们的c/a1，单位晶胞中原子数

16、为12，即8个金属原子和4个硼原子 FeB型正交点阵结构的硼化物，如TiB、WB、MoB、CrB、MnB、FeB等，属于正交晶系，单位晶胞中有8个原子，硼和金属原子各4个，其中硼原子呈链状排列,FeB,CuAl2,48,硼化物的互溶,各种硼化物之间根据电化学因素、尺寸因素和点阵类型的差别会互溶，且与碳化物、氮化物之间也会有限溶解，其互溶规律与前述碳化物互溶规律类似。如Fe3C中可大量溶入硼原子置换碳原子，其置换率最高可达80%，形成Fe3B0.8C0.2。但反过来碳在硼化物中则完全不溶解，即碳不能取代硼原子进入硼化物。此外，在Fe23C6中也可溶入部分硼原子替代碳原子，形成铁硼碳化物Fe23 (C,B)6或Fe23C3B3， 或复杂的硼碳化物T23xMxB6，其中x=23.5，T为Cr、Fe、Co、Ni等元素，M为Ti、Zr、Nb、V、Mo、W等元素。,49,金属间化合