钢合金化概论课件

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1、 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）；？氢氢 脆脆 H 白点。白点。2、合金元素（、合金元素（alloying-element）为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。钢中常用合金元素：钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。二、二、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-C相图的变化特点。相图的变化特点。Me和和Fe的作用：的作用：1、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区扩大区扩大a)与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、C

2、o 开启开启区区 量大时，量大时，室温为室温为相；相；b)与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。2、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区缩小区缩小a)完全封闭完全封闭区区 Cr、V、W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相?W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b)缩小缩小区区 B、Nb、Zr等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 F形成元素。形成元素。(a)Ni，Mn，Co(b)C，N，Cu (c)Cr，V(d)Nb,B等等 图1 合金元素和Fe的作用状态 1.2 1.2 MeMe对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响一、对

3、一、对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动；移动；F形成元素使形成元素使S、E点向点向左上方左上方移动；移动；S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小；E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响合金元素对共析碳量的影响 二、对临界点的影响二、对临界点的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）线向下移动；线向下移动；F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向上移动。线向上移动。三、对三、对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形

4、成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；奥氏体钢；F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高钢在高温下仍为温下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 1.3 铁基固溶体铁基固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度-Fe7(1340)无限无限376100.20.020.1-Fe0.681.412.8*无限无限无限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与C量有关 不同元素的固溶情况是不同

5、的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么?（三个条件？）（三个条件？）简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3

6、d d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值（1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%，可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶；15%，溶解度极小。

7、，溶解度极小。结结论论 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律，即即Hume-Rothery规律规律 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似相同或相似.有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe。溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度溶解度。N溶解度比溶解度比C大大:RN=0.071nm，RC=0.077

8、nm。间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸变为最小。间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。二、间隙固溶体二、间隙固溶体1.4 碳（氮）化物碳（氮）化物 一、钢中常见的碳化物一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。重要的作用。非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）由强到弱排列）钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵

9、；M7C3：例例Cr7C3，复杂六方复杂六方；M23C6：例例Cr23C6，复杂立方复杂立方；M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方；MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属不是一种金属K。复杂六方点阵复杂六方点阵。K也有空位存在也有空位存在；可形成复合；可形成复合K,如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性

10、好。M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物,复杂结构，复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。1 1、K K类型类型 K类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径有关。各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下：Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 二、二、K K形成的一般规律形成的一般规律 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K；c

11、rme 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型。Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如如（Cr,M）23C6型型。2 2、相似者相溶、相似者相溶 完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电化学因素均相似。如如Fe3C，Mn3C(Fe,Mn)3C；TiC VC（有限）。（有限）。有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等.最大值为最大值为 20%Cr，2%W，400，Me开始开始

12、重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基体中，形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进形成元素逐步进入析出的入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。中，其程度决定于回火温度和时间。二、二、Me的偏聚（的偏聚（segregation ）偏聚偏聚现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为吸附现象。这种现象也称为吸附现象。偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关都与此有关.Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；溶质原子在刃型位错

13、处吸附，形成柯氏气团；Me+：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；Me+：溶质原子在螺位错吸附形成溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团气团.偏聚偏聚机理机理 溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。结构学结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；子容易存在；能量学能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总

14、是朝着力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。能量的方向发生。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。热力学热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。影响影响因素因素 缺陷处缺陷处溶质浓度溶质浓度 温度温度T：T，内吸附强烈；内吸附强烈；时间时间t：偏聚偏聚需要需要原子扩散原子扩散需要一定时间需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈，吸附也越强烈;其它元素：其它元素：间接作用间接作用:优先吸附问题优先吸附问题,B与与C 直接作用直接作

15、用:影响吸附元素影响吸附元素D,MnDP，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；扩散加快，促进了钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：点阵类型：bcc点阵内吸附较点阵内吸附较fcc强烈强烈1.6 1.6 合金钢的加热合金钢的加热A A化化 一、一、K K在在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越好，溶解度就越小；2）温度）温度，溶解度，溶解度，沉淀析出；沉淀析出；3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解;4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac，K的溶解；

16、非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相则相 反反,ac，K的溶解。如：较多的溶解。如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 二、二、A体均匀化体均匀化 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的的分布是不均匀的.合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别?三、三、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大；晶粒长大；2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大；3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大。1.7 1.7 过冷过冷A A体的分解体的分解一、过冷一、过冷A A体的稳定性体的稳定性 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持 C钢的钢的“C”线形状，使线形状，