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1、1.3 钢的强化机制,一、Me对钢强化的形式及其机理 强化本质：,各种强化途径,塑变抗力,位错运动阻力,钢强度,表达式,对于C、N等间隙原子， n = 0.332.0； 对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n = 0.51.0,机理,效果,提高强度，降低塑韧性,原子固溶 晶格发生畸变 产生弹性 应力场，与位错交互作用位错运动阻力,1、固溶强化,固溶强化的规律,（1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶强化效果愈好。,置换元素对-Fe屈服强度的影响,固溶强化的规律,（2）溶质元素溶解量增加，固溶体的强度也增加。 例如：对于无限固溶体，当溶质原子浓度为50%时强度最大；而对于有限固溶体，其强度随
2、溶质元素溶解量增加而增大 （3）形成间隙固溶体的溶质元素（如C、N、B等元素在Fe中）其强化作用大于形成置换固溶体（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶质元素。但对韧性、塑性的削弱也很显著，而置换式固溶强化却基本不削弱基体的韧性和塑性。 （4）溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。,2、细晶强化,表达式,机理,晶粒越细 晶界、亚晶界越多 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。,效果,钢的强度，又塑性和韧度 这是最理想的强化途径.,著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数,3、第二相强化,表达式,机理,微粒第二相钉扎位错运动强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢
3、中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。,效果,有效提高强度，但稍降低塑韧性。,钢强度表达式,位错被质点障碍物所挡住,4、位错强化,表达式,机理,位错密度 位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动 钢强度。,效果,在强化的同时，同样也降低了伸长 率，提高了韧脆转变温度TK,晶界处位错塞积现象,在低碳结构钢中各种强化效果示意图,1.4 改善钢的塑性和韧性的基本途径,强化 因素,一般情况，钢强度塑韧, 称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地韧性。 危害最大是间隙固溶；,合金 元素,Ni韧性；Mn在少量时也有效果；其它 常用元素都在不同
4、程度上韧性,1、引言,晶粒 度,细晶既S，又 韧性 最佳组织因素。,第二 相,K韧性。K 小、匀、圆、适量 工艺努力方向。,杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， 提高钢的冶金质量是必须的。,杂质,溶质 原子, 韧性，间隙溶质原子 置换溶质原子。,2、影响塑性的因素,1.改善延性断裂的途径,2.改善解理断裂抗力的途径,3.改善沿晶断裂抗力的途径,3、改善钢韧性的途径,4、提高钢韧度的合金化途径,1）细化晶粒、组织 如Ti、V、Mo； 2）回火稳定性 如强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 Ni ； 4）细化K 适量Cr、V，使K小而匀 ； 5）回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当含C量.
5、冶金质量。,1.5 合金元素对钢相变的影响 一、Me对Fe-C相图的影响 1、对S、E点的影响 A形成元素均使S、E点向左下方移动， F形成元素使S、E点向左上方移动。 S点左移意味着共析C量减小 ； E点左移意味着出现莱氏体的C量降低 。,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析碳量的影响,2、对共析温度的影响 A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动， 使点S左移； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动， 也使点S左移。,锰对钢区的影响 铬对钢区的影响,3、对-Fe区的影响 A形成元素Ni、Mn等使-Fe区扩大钢在室 温下也为A体 A钢； F形成元素Cr、Si等使-Fe区缩
6、小钢在高 温下仍为F体 铁素体钢。,二、 合金钢的加热A化 + Fe3C (或 K) ： 需要Fe重组和 C扩散 Fe3C或K：需要溶解于,A形成过程,A的形核,A的长大,渗碳体的溶解,A成分均匀化,Me对钢的热处理的影响,（1）Me对A形成速度的影响 A的形成速度取决于A晶核的形成和长大，两者都与C的扩散有关。 非K元素 Co、Ni等提高C扩散速度，增大A的形成速度。Si、Al、Mn等对C在A中的扩散速度影响较小，对A的形成速度影响不大。 强K元素 Cr、Mo、W、V等与C的亲和力较大，显著妨碍C在A中的扩散，减慢A的形成速度。,碳化物的分解： A形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。
7、稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入A中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。 A的成分均匀化： 由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使A成分均匀化，C和Me均需扩散。,由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的A，从而充分发挥合金元素的作用。 但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。,（2）Me对A晶粒长大倾向的影响 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入A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： Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止A晶粒长
8、大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大；,AlN含量对A晶粒度的影响,MnNiMo钢中的AlN质点 （电解萃取碳复型）,W、Mo、Cr等阻碍A晶粒长大的作用中等； Ni、Si、Cu、Co等阻碍A晶粒长大的作用轻微； Mn、P、B则有助于A的晶粒长大。,三、 Me对过冷A分解转变的影响 主要表现在，使C曲线发生变化 （1）对高温转变（珠光体转变）的影响； （2）对中温转变（贝氏体转变）的影响； （3）对低温转变（M转变）的影响。,（1）对高温转变（珠光体转变）的影响 除Co外，使C曲线右移 （增大过冷A的稳定性，推迟P型转变）。 C曲线右移降低钢的临界冷却速度，
9、提高钢的淬透性。,Me的加入对钢还有固溶强化的作用； Me只有当淬火加热溶入A中时，才能起到提高淬透性的作用。 如果淬火加热温度不高，保温时间较短，Cr、Mo、W、V等强碳化物未溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于未溶碳化物粒子能成为P转变的核心，使淬透性下降。,Me同时加入对淬透性的影响: 1+12 例如铬锰钢、铬镍钢等。合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥Me提高淬透性的作用。 Me的加入推迟P型转变的同时,还可在连续冷却过程中得到B型组织的钢。,（2）对中温转变（B转变）的影响 Me作用影响转变和C原子扩散。 首先，对B转变上限温度BS点的影响。 Mn、Ni、Cr、Mo、V、T
10、i等元素都降低BS点，使得在B和P转变温度之间出现过冷A的中温稳定区，形成两个转变的C曲线。,Me还改变B转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。 Si、Mn、Ni、Cr作用 W、Mo、V、Ti,（3）对低温转变（M转变）的影响 Me的作用影响MsMf温度， 残留A含量， 及M的精细结构。 除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降。,残余A含量对性能的影响残余A量过高（有时达30%-40%），钢的硬度降低，疲劳抗力下降。 对于A不锈钢，为了要在室温下或零温度下（ Ms点远低于室温或零下）获得稳定的单相A组织，必须加入大量A形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。,对于合
11、金结构钢，为了降低残余A量，需要进行附加的处理： 1 冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余A转变为M的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70的低温。,2 多次回火过程中残余A发生合金碳化物的析出，降低了残余A中的合金成分，使残余A的Ms、Mf点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为M或B（称为二次淬火），从而使残余A量减少。,四、 Me对淬火钢的回火转变的影响 提高钢的回火稳定性使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具体为 （1）Me对M分解的影响 （2）Me对残余A转变的影响 （3）Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响 （4）Me对铁素体回复再结晶的影响
12、（5）Me对回火脆性的影响,（1）M分解,低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大,中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不 同程度影响:,1）Ni、Mn的影响很小；,2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们 与C的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了 渗碳体的析出长大；,3）Si比较特殊： 300时强烈延缓M分解,Si 和Fe的结合力 Fe和C的结合力 ,ac,-FeXC的形核、长大,Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要从中出去, Fe3C,效果: 含2% Si能使M分解温度从260提高到350以上,（2）对残余A转变的影响,（3）回火时K的形成,各元素明显开始扩散的温度为： Me Si M
13、n Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550,1）K长大 聚集温度：M3C型，350 400；其它K ， 450 600；,2）K成分变化和类型转变 K转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊K特殊K T, 500 能否形成特殊K，取决于: Me性质、NM/NC比值； T和t 。,3）特殊K的形成 原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊K析出 二次硬化，直接析出 贡献最大,（4）对F回复再结晶的影响,合金元素大都使F回复与再结晶的过程延缓，其
14、中 Co、Mo、W 、Cr 、V显著提高相的再结晶温度； Si 、 Mn次之；Ni最小。,碳钢中，相高于400 开始回复，500 开始再结晶， 加入2%的Co时， 相的再结晶温度可提高到630 。 几中合金元素的综合效果更显著。,（5）对回火脆性的影响 1）第1类回火脆性,脆性 特征, 不可逆；300 左右; 与回火后冷速无关； 晶界脆断。,产生 原因,Me 作用, Fe3C薄膜在晶界形成； 杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界， 晶界强度。,Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性； Si 脆性温度区.,2）第2类回火脆性,脆性 特征, 可逆； 450 650 ； 回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断 .
15、,产生 原因, 杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物,晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化 合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。,Me 作用,N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂,小 结,材料学核心是合金化基本原理，这是材料强韧 化矛盾的主要因素。,要真正理解“合金元素的作用，主要在于对合 金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合 适的处理条件下才能得到体现。”,掌握了合金元素作用及其在加工过程中的演 化规律，才能更好地理解各类钢设计与发展，才 能更
16、好地开发新工艺、新材料。,合金化 设计,K类型 及性质,K形成 规律,对相图 影响,对C线 的影响,组织 设计,Me对过 程影响,Me对工 艺性作用,强韧化矛盾 演化规律,钢强化 基本机理,合金韧化 基本途径,1.6 微量元素在钢中的作用,常见微量元素 O、N、B、V、Ti,微合金化B N V Ti Zr Nb RE 改善切削加工性S Se Bi Pb Ca 净化、变质Ti Zr RE Ca 有害P S As Sn Pb,净化 作用,脱氧，去氮，降氢，减少非金属夹杂物 改善夹杂物类型及分布,变质 作用,降低形核功，增大形核率 阻碍晶粒长大,夹杂物理想形态是球形,改变 夹杂物,有益作用,有害作用,偏析,晶界 吸附,P S As Sn Pb,微合金钢中的合金元素,影响钢相变的元素 Mn M
