钢的合金化基础

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1、第二章 钢的合金化基础,Chapter 2 钢的合金化基础,第一节 钢中合金元素及与Fe，C相互作用,第二节 钢强化机制,第三节 改善钢塑性、韧性的基本途径,第四节 合金元素对钢相变的影响,主要内容,第五节 合金元素对钢热处理工艺性能的影响,第六节 微量元素在钢中的作用,本章主要内容,重点及基本要求,第二章是本课程基础和重点，要求全面掌握了解钢中的常见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:合金元素对钢中基本合金相结构的影响,Chapter 2 钢的合金化基础,概 述,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

2、及力学性能要求的铁基合金,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。,我国的资源情况及合金系统,W，Mo的资源丰富，用途广泛,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,Ni，Cr，Co资源很少,第一节 钢中的合金元素及与Fe，C的相互作用,一、钢中的合金元素及分类,*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形成元素* S, P, As, Sb, Pb, Sn, Bi通常

3、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 。,钢中常加入的合金元素,（一） 按与Fe相互作用分类,*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.奥氏体形成元素 C, N, Cu, Mn, Ni, Co,2.铁素体形成元素 Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Si, Al,（二） 按与C相互作用（亲和力大小）分类,2.碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V， W，Mo， Cr，Mn， Fe,1.非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等,最强 中强 弱,（三） 按对奥氏体层错能的影响分

4、类,（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.提高奥氏体层错能元素 Ni，Cu，C等,2.降低奥氏体层错能元素 Mn，Cr，Ru（钌），Ir（铱）等,（四） 按合金元素的物理、化学 和其他有关特性分类,稀土金属 La（镧），Ce（铈），Nd（钕）等,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,二、 钢中合金元素的分布及在晶界的偏聚,复杂氧化物

5、 MgO.Al2O3，MnO.Al2O3,钢中氧化物夹杂,*特点：性脆，易断裂，一般无塑性。因此，氧化物在钢材锻扎后，沿加工方向呈链状分布,（一） 合金元素在钢中的分布（存在形式）,1.形成非金属相（非金属夹杂）,（1）氧化物,简单氧化物 FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等,钢中的MnS夹杂,（2） 硫化物,常见：MnS，FeS,特点：有较高的塑性，热加工时沿加工方向呈带状、纤维状或线状分布,不易变形的 Al2O3.SiO2 （与氧化物相似）,（3） 硅酸盐（常见的非金属夹杂),易变形的 MnO.SiO2 （与硫化物相似）,钢中常见的非金属相，密排六方，具有高稳定性，

6、弥散分布（析出）时可做强化相。,（4） AlN,总结：非金属夹杂物对钢的质量有重要的影响，这种影响与夹杂物的成分、形态、大小、数量和分布有关。它可能引起塑性、韧性、疲劳强度的降低，还会降低钢的耐磨性、耐蚀性和淬透性，一般都是有害的,钢中的AlN夹杂,金属元素易溶入F，A，M中，以固溶体形式存在，常见合金元素在A，F中的溶解度如表2-1,2. 溶入固溶体,Ti、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。,（1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）,Ni、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-Fe

7、为基的无限固溶体，Cr和V形成以-Fe为基的无限固溶体。,Mo和W 只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等。,（2）形成间隙固溶体（Hgg定则） 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 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,3. 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，AlN，Ni3Al，Ni3Ti，Fe2W等,4. 游离态存在或自由存在,Pb，Ag，Be，Cu含量超过其溶解度， 将以自由态存

8、在于钢中,小结：合金元素在钢中分布不同主要决定以下因素：合金元素种类和含量冶金加工方法和热处理制度,(二）合金元素在晶界的偏聚,1.晶界内吸附产生的原因和特点（1）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。,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。,3) 晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定时间保证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）,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

9、溶解度很小，其晶界内吸附的倾向很大2) 晶界处吸附溶质的浓度和温度有关： CgC1exp（E/RT),（2）晶界内吸附的特点,其中，Cg晶界溶质溶解度 C1晶内溶质溶解度 E溶质与晶界结合力 T温度,T Cg T Cg （热力学因素）,Zr，Ni，Mn，Re，P，B，Sb，As，Bi，C，N其中，B最强烈 3. 晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理论解释金属材料中的一些现象） 晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及B钢淬透性等. 另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关,2. 能在钢中产生内吸附的元素,HP炉管铸态微观组织 奥氏体+ M

10、7C3碳化物（右上角为M7C3对应的衍射斑点）,三、 合金元素与Fe，C的相互作用,（一） 合金元素与Fe的相互作用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转变温度A3和A4均有极大的影响。,1.扩大奥氏体()区元素 Ni, Mn, Co, C, N, Cu, Zn, Au 这些合金元素使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了相区。它包括以下两种情况:,FeNi相图,(1)开启相区的元素 Mn、Ni、Co属于此类合金元素。 在-Fe中形成无限固溶体,(2)扩展相区的元素 C、N、C

11、u，Zn，Au属于此类合金元素。 它们在-Fe中形成有限固溶体,这些合金元素是铁素体形成元素，又称-Fe稳定化元素，Cr，V，Mo，W，Ti，Al，Si，Be，B，Nb，Ta，Zr 它们使A3温度上升，A4温度下降，它包括以下两种情况：,2. 缩小奥氏体()区元素,FeCr相图,Cr， V，Ti，W，Mo，Al，Si，Be属于此类合金元素。其中Cr，V与-Fe形成无限固溶体,(1)封闭相区的元素,B，Nb，Ta，Zr属于此类合金元素。,(2)缩小相区元素,为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般认为以下几个因素共同作用的结果(1) 合金元素的点阵类型（与-Fe相同还是-Fe相同）(2)

12、 原子尺寸因素（与Fe原子半径之比） r/r铁 15% 很小的固溶度，Zr，Hf,3. 合金元素扩大、缩小相区的影响因素,Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu3d层电子数 2 3 5 5 6 7 8 10 Zr Nb Mo 4d层电子数 2 4 5 Hf Ta W （Re）5d层电子数 2 3 4 5次电子层，电子数5，缩小区，次电子层，电子数5 (Mn除外) ，扩大区。,(3)电子层结构因素,所以Ni，Mn，Co能在Fe中形成无限固溶体，Cr，V在-Fe中形成无限固溶体。( C、N扩展区),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

13、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,4.合金元素与Fe相互作用理论在工程实际中的意义,1.合金元素与C的相互作用特点碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，Fe非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，Co，P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。,（二） 合金元素与C的相互作用,（1） 碳化物形成规律,都是过渡族元素，在周期表中位于Fe的左侧,2.碳化物,碳化物形成元素与碳的亲和力的大小，取决于合

14、金元素d层电子数。金属元素的次电子层电子数越少，它与碳的亲和力就越大。,（2） 碳化物形成元素与碳的结合强度,Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu3d层电子数 2 3 5 5 6 7 8 10 Zr Nb Mo 4d层电子数 2 4 5 Hf Ta W （Re）5d层电子数 2 3 4 5,在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： Hf Zr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe,（3）碳化物类型,1）简单点阵类型MC型： TiC，ZrC，NbC，VC，TaC，WC等M2C型：W2C，Mo2C，Ta2C,特点：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； rc/rMe0.59 碳原子半径小于金属元素间隙半径，只占据金属的间隙位置； 所形成的碳化物可保持金属的点阵，有明显的金属特性（虽然可能含有5060的碳原子）。,