金属材料学第0章第1章

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1、金属材料学Metallic Materials学 时：48Steelmaking flowlines主讲：尹 何 迟 电话：Chapter 0 绪 论一、金属材料的历史地位 二、金属材料的分类 三、金属结构材料的应用情况 四、金属材料发展的历史 五、金属材料的发展热点 六、关于本课程主要内容Steel Finishing flowlines一、金属材料的历史地位 1.材料在人类历史进程中的地位人所共知，材 料发展与社会进步行着密切关系。它是衡量人 类社会文明程度的标志之一。 l金属材料是现代文明的基础。 l石器时代青铜器时代铁器时代 l2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非 金属材料、高分

2、子材料的使用量与日俱增，但 在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。Chapter 0 绪 论二、金属材料的分类黑色 金属有色 金属金 属 材 料铸铁钢 工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银,铜)稀有金属(钨钼钒铌钴) 放射金属(镭铀钍)结构金属材料 功能金属材料Chapter 0 绪 论钢铁的分类钢铁的分类 纯铁：纯铁： 含碳量小于0.0008% 同素异构转变： -Fe -Fe -Fe (b.c.c) (f.c.c) (b.c.c) 居里温度：770 力学性能特点：强度、硬度低，塑性好：b=180 230MPa

3、,=3050%,=7080%,k=160 200J/cm2, HB=5080。 Chapter 0 绪 论碳钢的分类、牌号及应用碳钢的分类、牌号及应用1. 1.分类：分类：低碳钢低碳钢 WcWc0.6% 0.6% 普通碳素钢普通碳素钢 WpWp 0.59,形成复杂杂点阵阵的碳化物 (1)复杂杂立方点阵阵；(2)复杂杂六方点阵阵；(3)正交晶系点阵阵 1. 钢中的碳化物 三、钢中常见的碳化物（K）K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用 。 K具有混合键：具有正的电阻温度系数，金属特性 金属键；高硬度共价键。（金属键占优势） 根据Me和C的作用，可将Me分为两类：非K形成元素：Ni、Si

4、、Al、Cu等，几乎都在固溶体 中或形成其它化合物。K形成元素：Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn （由强到弱排列）。强弱顺序与其在元素周期表中 的位置有关，都在Fe的左边。 Me的d层电子愈少，与C的亲和力（电负性）愈强，形 成的K也愈稳定。 钢中常见的K有： M3C：渗碳体，正交点阵。 M7C3：例Cr7C3，复杂六方点阵，单位晶胞。 M23C6：例Cr23C6，复杂立方，单位晶胞。 M2C：例Mo2C、W2C。密排六方，单位晶胞。 MC：VC、TiC、NbC，一般为简单面心立方点阵 。MoC、WC是简单六方点阵。一般式：MCX ， X1。例V4C3，X=0.75。也就是说，K也有

5、空位存 在。 M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵。常在含W 、Mo的合金钢中出现。一般式： (W，Mo，Fe)6C 。 复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 简单点阵结构：M2C、MC。 M6C是复杂结构，性能接近简单点阵结构。四、碳化物的稳定性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层电层电 子数越少，它与碳的亲亲和力就越 大，所析出的碳化物在钢钢中就越稳稳定。在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： HfZr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni 碳化物的稳稳定性可由下式来归纳归纳 表示： 五、碳

6、化物的相互溶解1、相似者相溶影响不同类型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的点阵类型； (2)合金元素的尺寸因素； (3)合金元素的电电化学因素。各种碳化物之间间可以完全溶解或部分溶解：a.完全互溶；b.有限溶解 。 完全互溶：原子的尺寸、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，即形成复合 K。如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等，最大 值为 ZrTiTaNbV WMo CrMnFe CoNi 铁-碳-合金元素形成元素组成的三元系的合金元素为: 强碳化物形成元素时,仅出现MC和Fe3C型碳化物.如,钛 、锆、铌、钒、钽

7、等。钽还会出现M2C. 中强碳化物形成元素时,形成MC 、 M2C 、 M23C6 、 M6C及 Fe3C型碳化物,而铁-碳-铬系中出现M3C2、M7C3 、 M23C6 及 Fe3C型碳化物. 弱碳化物形成元素锰与铬相似,出现M7C3、M23C6 、 M3C三 种碳化物. 铁-碳-非碳化物形成元素组成的三元系中只含Fe3C型碳 化物.扩大相区元素 ，如Mn、Ni、C缩小相区元素 ，如Si、Mo、Al 、CrA1温度下降上升A3温度下降上升S点位置左移左移E点位置左移左移合金元素添加量使C0.8%的钢中出现共析组织; 合金元素添加量使C2.11%的钢中现合金莱氏体。 合金元素对临界点Fe-C相

8、图的影响可由下表表示：第六节 合金元素对钢在加热时转变的影响合金钢加热时的转变包括， 相的形成， 碳化物和铁素体的溶解， 相中合金元素的均匀化， 溶质元素的晶界平衡偏聚， 奥氏体晶粒长大。1.合金元素对奥氏体形成的影响一.K在A中的溶解规律(Rule of K dissolution) K溶解影响到钢热处理工艺的制定 ,决定了钢的组织与性能.基本 规律: 1）K稳定性越好,溶解度就越小 ，如图1-13. 2）温度,溶解度, 沉淀 析出；579(1/T )10-4，K-1 图4 不同碳（氮）化物的溶度 3）A中有较弱的K形成元素，则会C活度（ac）， K的溶解；非K形成元素（如Ni）则相反，ac

9、 ，K的溶解。如：较多Mn的存在使VC的溶解温度从 1100降至900。4）K稳稳定差的先溶解。Mn、Cr的K先溶解，V、Ti的 K后溶解。如：MC型的溶解温度 11001150， M7C3、M23C6 950。 合金元素对对奥氏体形成的影响钢中的形成可通过无扩散和扩散两种机制。 当高速加热时，温度高于Ac3,发生- 无扩散机制形 成奥氏体，然后碳化物溶解于奥氏体 在低速加热时，高于Ac1,温度，奥氏体是通过碳化物 溶解及- 扩散多型性转变形成的。转变量的增长依赖于碳化物的溶解、碳和铁原子的 扩散。合金元素对碳化物的稳定性及碳在奥氏体中扩 散的影响，直接控制着的形成速度。 强碳化物形成元素组成

10、的稳定碳化物，如(Ti/Nb/V)C只 有在高温下才溶于奥氏体。溶解度与温度的关系1-13。 钨钼等强碳化物形成元素组成的M23C6,M6C,M2C,MC 等,在奥氏体中溶解温度要低于钛铌钒的碳化物. 较弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性,加速 其溶解,如锰加入含钛钒铌的钢中,铬加入高速钢中都能 促使强碳化物的溶解. 碳化物形成元素可提高碳在奥氏体中的扩散激活能,对 奥氏体形成有一定的阻碍作用. 非碳化物形成元素镍和钴,可降低碳的扩散激活能,对奥 氏体形成有一定的加速作用. 溶解度与温度的关系1-13非碳化物形成元素:Si 、Mn 、Ni、Al、Co等，基本上可以溶入基体相铁素体中而形成

11、合金铁素体， 使钢的强度、硬度升高而韧性降低，当Cr 转变的影响。 3.合金元素对先共析铁素体析出的影响。 4.相间沉淀 5.合金元素对过冷奥氏体转变的综合作用1.合金元素对P转变时碳化物形核的影响 含强碳化物形成元素钒、钨、钼钢的过冷奥氏体转变时 ，首先形成合金元素的特殊碳化物而非渗碳体。 含中强碳化物形成元素铬的钢, 当Cr/C比高时,珠光体转变时,可直接生成特殊碳化物 Cr7C3或Cr23C6; 当Cr/C比低时,可形成富铬合金渗碳体,如：当Cr/C=2时, 在650600范围可直接生成w(Cr)8%10%合金渗碳体.当Cr/C=3时,在680可直接生成w(Cr)16%17%的合金渗碳

12、体.为钢中平均含量的46倍. 含弱碳化物形成元素锰的钢中，珠光体转变时只直接形 成富锰的合金渗碳体，其中锰含量为平均的4倍。 在C钢中P转变形成的是Fe3C，只需要C的扩散。而含 K形成元素的合金钢发生P转变时，形成的是合金渗碳 体或特殊K，还需要Me的扩散和重新分布。 间隙原子碳在奥氏体中的扩散激活能远小于代位原子 钒钨钼铬锰的扩散激活能。650左右，为10-10cm/s，而 碳化物形成元素扩散慢是珠光体转变时碳化物形核的 控制因素。 含镍和钴的钢中只形成渗碳体，其中镍和钴的含量为 钢中的平均含量，即渗碳体的形成不取决于镍和钴的 扩散。 含硅和铝的钢中，珠光体转变生成的渗碳体中不含硅 或铝，

13、即在渗碳体形核和长大区域，硅和铝原子必须 扩散开去才能有利于渗碳体形核和长大，这就是硅和 铝提高过冷奥氏体稳定性的原因之一，也可说明硅和 铝在高碳钢中推迟珠光体转变的作用大于在低碳钢中 的作用。2.合金元素对珠光体转变时转变的影响 珠光体转变温度范围， 转变是通过扩散方式进 行的。所以其转变动力学曲线同样具有C曲线形状。 1. Cr，Mn，Ni强烈推迟转变，以Cr为例。 2. W，Si也推迟转变。 3.单独加入Mo，V，Si在低含量范围对转变无影响。 而Co加快转变。 4.几种合金元素同时加入对转变影响更大。除了阻碍 转变，还能增长孕育期，减慢转变速度。 Cr ,W,Mo , Si合金对转变的

14、影响主要是提高相 的形成功， Ni合金元素都可提高铁原子自扩散激 活能。 以Cr-Ni、Cr-Ni-Mo或Cr-Ni-V合金化时，可同时提 高相的形核功和转变激活能。也可有效地提 高过冷奥氏体的稳定性。 Co的作用特殊，单独加入可使铁的自扩散系数增加，加快转 变，而Co、 Cr同时加入，作用相反，有Cr存在可增 加相中原子间接合力，提高转变激活能。 除Co、Al外，Me只要能溶入A体，都能推迟过冷A 体向P体的转变。综合影响的顺序：Mo、W、Mn 、Cr、Ni、Si 。 贝氏体转变时，只有C原子作短程扩散，Me几乎没 有扩散。相变形成的是合金渗碳体，Me含量和A中 的平均含量相近。所以，Me的

15、作用主要是影响了 相变驱动力和C 的扩散能力Dc 。影响的顺序：Mn 、Cr、Ni、Si 。而W、Mo、V等元素的影响很小 。 由以上分析可知；设计和生产上如需要获得贝氏体 组织，应选用含Mo、W元素的钢种。 3.合金元素对先共析铁素体析出的影响 先共析铁素体的形核和长大，既受转变的影响，又受 正在长大的相中碳原子必须向远处相中长距离扩散开去 ，的影响. 实验表明，钨钢中先共析铁素体长大过程的激活能为 140kJ/mol，相当于碳在含钨奥氏体中扩散激活能。这说明 碳原子从先共析铁素体和奥氏体界面向奥氏体中扩散开去， 是先共析铁素体长大的控制因素。 碳化物形成元素W、Mo 、Cr 等增高碳在奥氏体中的扩散 激活能，减慢先共析铁素体的形核和长大。 Ni、Mn在先共析铁素体析出时，要重新分配到相，并建立 局部平衡。由于先共析铁素体析出取决于Ni、Mn在相中的 扩散，因而析出被推迟和减慢。除奥氏体形成元素Ni、Mn外 ，不发生合金元素在、相间的重新分配。4.相间沉淀 含钛、铌、钒、钨、钼、铬的亚共析钢中，过冷奥氏 体析出先共析铁素体时候，特殊碳化物在/相间面 上周围形核并在相中长大。 当/相界面向相中推移后，留下成排的特殊碳化 物颗粒。 /相界面由平面和台阶组成。 平面相界为11