第一章金属材料的合金化原理.ppt

金属材料学金属材料学 主编主编 伍玉娇伍玉娇绪绪 论论一、材料的分类一、材料的分类绪绪 论论二、金属材料的优势二、金属材料的优势 1、成熟的加工工、成熟的加工工艺艺；2、优优越的越的综综合性能合性能 具有具有导电导电性和磁性，并且其性和磁性，并且其韧韧性高于陶瓷的，性高于陶瓷的，弹弹性模量性模量高于高分子材料。高于高分子材料。3、在相当、在相当长长的的时时期内金属期内金属资资源不会枯竭源不会枯竭 多数金属多数金属矿矿物能物能满满足几百年的使用，随着科学技足几百年的使用，随着科学技术术的的发发展，展，可开可开发发一些低品位一些低品位矿矿石，并且海洋、地壳深石，并且海洋、地壳深处处都有大量的金都有大量的金属属矿矿物。物。4、具有、具有优优异的性价比异的性价比优势优势。5、更重要的是金属材料本身也在不断、更重要的是金属材料本身也在不断发发展。展。绪绪 论论三、金属材料的新进展三、金属材料的新进展1、非平衡、非平衡态态（亚稳态亚稳态）合金）合金 主要包括非晶、微晶和主要包括非晶、微晶和纳纳米晶，准晶也属于米晶，准晶也属于该该范畴。范畴。（1）非晶）非晶态态材料材料 具有短程有序、具有短程有序、长长程无序的特征。硬度和程无序的特征。硬度和强强度高、磁度高、磁导导率高，率高，矫顽矫顽力低。力低。非晶非晶态态磁性合金磁性合金Fe78B13.5Si9作作为变压为变压器材料，其器材料，其铁损为铁损为取取向硅向硅钢钢片的片的1/3左右，而价格左右，而价格仅仅高高50%。Fe80B20非晶非晶态态合金的断裂合金的断裂强强度高达度高达3700MPa，比一般超，比一般超高高强强度度钢钢高出高出50%，为为一般一般结结构构钢钢的的7倍，是很好的低膨倍，是很好的低膨胀胀系数和恒系数和恒弹弹性材料。性材料。绪绪 论论 （2）微晶）微晶态态材料材料 是液是液态态金属在快冷条件下的金属在快冷条件下的产产物，其特点有：物，其特点有：微晶的微晶的强强度遵循度遵循Hall-Petch公式，具有比一般金属更公式，具有比一般金属更高的高的强强度；度；微晶材料的偏析很小，主要表微晶材料的偏析很小，主要表现现在合金在凝固在合金在凝固过过程中程中形成的枝晶形成的枝晶间间距很小；距很小；由于在快冷由于在快冷过过程中溶程中溶质质原子的析出受到限制，因此，原子的析出受到限制，因此，通通过过快冷可大大提高固溶度。快冷可大大提高固溶度。绪绪 论论2、高比强度、高比刚度金属基复合材料、高比强度、高比刚度金属基复合材料 航天、航空技术的发展对材料提出越来越高的要求，如航天、航空技术的发展对材料提出越来越高的要求，如耐高温或要求高比强度和比刚度，以最大限度地减轻飞行器耐高温或要求高比强度和比刚度，以最大限度地减轻飞行器的重量。金属基复合材料的比刚度比树脂复合材料的高很多。的重量。金属基复合材料的比刚度比树脂复合材料的高很多。3、在特殊条件下使用的金属材料、在特殊条件下使用的金属材料 腐蚀介质、磨损、辐射、高（低）温等环境条件。腐蚀介质、磨损、辐射、高（低）温等环境条件。绪绪 论论4、新工艺和新技术是开发新型金属材料的动力。、新工艺和新技术是开发新型金属材料的动力。5、金属功能材料的发展、金属功能材料的发展 （1）金属磁性材料）金属磁性材料 （2）形状记忆合金和超弹性合金）形状记忆合金和超弹性合金 （3）储氢合金）储氢合金 （4）生物医学材料）生物医学材料第第1章章 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理u 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响u 钢的合金化钢的合金化u 合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式u 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响u 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响u 合金元素对钢工艺性能的影响合金元素对钢工艺性能的影响u 合金钢的编号方法合金钢的编号方法合金元素合金元素 为为了使了使钢获钢获得所需要的得所需要的组织结组织结构、物理、化学和构、物理、化学和力学等性能而添加在力学等性能而添加在钢钢中的元素。中的元素。钢钢中常用的合金元素有：中常用的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B、Re等。等。一、基本概念一、基本概念 1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响 热脆性：热脆性：SFeS（低熔点（低熔点989）；）；冷脆性：冷脆性：PFe3P（硬脆）；（硬脆）；氢脆、白点：氢脆、白点：H。1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响微量元素微量元素 0.1%;Nb、Ti、V、Zr、B等。等。碳化物形碳化物形成元素成元素 强强碳化物形成元素：碳化物形成元素：Hf、Zr、Ti、Nb、V等；等；中中强强碳化物形成元素：碳化物形成元素：W、Mo、Cr等；等；弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn。非碳化物非碳化物形成元素形成元素 Si、Al、Cu、Ni、Co等。等。1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响Fe在加热和冷却过程中产生如下的多晶型性转变：在加热和冷却过程中产生如下的多晶型性转变：碳在碳在Fe中形成的固溶体称为铁素体或奥氏体。中形成的固溶体称为铁素体或奥氏体。铁基固溶体铁基固溶体：合金元素溶在：合金元素溶在-Fe、-Fe和和-Fe中形成的固溶中形成的固溶体称为铁基固溶体。体称为铁基固溶体。1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响二、合金元素对铁碳相图的影响二、合金元素对铁碳相图的影响1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响1、相相稳稳定化元素定化元素 使使A3，A4，相区相区扩扩大。大。a)开启开启相区元素：相区元素：Ni、Mn、Co 量大量大时时，室温可，室温可获获得得相。相。b)扩扩大大相区元素：相区元素：C、N、Cu等；等；扩扩大大相区。相区。奥奥氏氏体体形形成成元元素素1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响2、相相稳稳定化元素定化元素 使使A3，A4，相相区区缩缩小。小。a)封封闭闭相区元素：相区元素：Cr、V、W、Mo、Ti等；等；Cr、V与与-Fe完全互溶，量大完全互溶，量大时获时获得得相。相。b)缩缩小小相区元素：相区元素：W、Mo、Ti 等；等；W、Mo、Ti等部分溶解。等部分溶解。铁铁素素体体形形成成元元素素1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响三、对三、对S、E点成分的影响点成分的影响 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碳量减小；意味着共析碳量减小；E点左移点左移意味着出现莱氏体的碳量降低。意味着出现莱氏体的碳量降低。当强和中强碳化物形成元素含量较高时，继续提高合金元素含当强和中强碳化物形成元素含量较高时，继续提高合金元素含量，会使量，会使S点含碳量有所回升。点含碳量有所回升。原因原因：形成了一部分不溶于奥氏体中的特殊碳化物，固定了钢：形成了一部分不溶于奥氏体中的特殊碳化物，固定了钢中一部分碳，使奥氏体碳含量下降，必须再增加一部分碳才能发中一部分碳，使奥氏体碳含量下降，必须再增加一部分碳才能发生共析转变。生共析转变。四、对四、对A1、A3温度的影响温度的影响1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响 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。五、对五、对-Fe相区的影响相区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室温下也钢在室温下也为奥氏体为奥氏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区缩小区缩小钢在室温下也钢在室温下也为铁素体为铁素体铁素体钢铁素体钢。1.1 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响a)Cr对对相区的影响相区的影响b)Mn对对相区的影响相区的影响1.2 钢的合金化钢的合金化一、合金元素在钢中的存在形式一、合金元素在钢中的存在形式1形成形成铁铁基固溶体基固溶体2形成合金渗碳体（碳化物）与氮化物形成合金渗碳体（碳化物）与氮化物 3形成金属形成金属间间化合物化合物 4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相5.自由自由态态 1）置换固溶体）置换固溶体1.2 钢的合金化钢的合金化1、形成铁基固溶体、形成铁基固溶体 合金元素的固溶合金元素的固溶规规律，律，即即Hume-Rothery规规律律 决定组元在置换固溶体中的溶解度因素决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是是点阵结构、原子半径和电子因素点阵结构、原子半径和电子因素，无限，无限固溶必须使这些因素相同或相似。固溶必须使这些因素相同或相似。1.2 钢的合金化钢的合金化1.2 钢的合金化钢的合金化1.2 钢的合金化钢的合金化结结论论2）间隙固溶体）间隙固溶体 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的点阵结构，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=0.077nm。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最小。畸变最小。间隙位置总是没有被填满。间隙位置总是没有被填满。1.2 钢的合金化钢的合金化 溶解度溶解度3、形成、形成 碳化物碳化物 1）钢中常见的碳化物）钢中常见的碳化物 碳化物类型、大小、形状和分部对钢的性能有很重要的作碳化物类型、大小、形状和分部对钢的性能有很重要的作用。用。1.2 钢的合金化钢的合金化 从元素周期表上可以看到，碳化物形成元素均位于铁元从元素周期表上可以看到，碳化物形成元素均位于铁元素的左侧。非碳化物形成元素均处与铁元素的右侧。素的左侧。非碳化物形成元素均处与铁元素的右侧。与合金碳化物相比，铁的碳化物最不稳定与合金碳化物相比，铁的碳化物最不稳定 （1）结合键结合键 是金属键与部分共价键的混合键，以金属键为主。（碳是金属键与部分共价键的混合键，以金属键为主。（碳化物形成元素均有一个未填满的化物形成元素均有一个未填满的d电子层。碳失去电子，填电子层。碳失去电子，填充在金属的次充在金属的次d层上，形成电子云）。层上，形成电子云）。（2）性能性能 具有金属性，如导电、导热性能，正的电阻温度系数，具有金属性，如导电、导热性能，正的电阻温度系数，具有高硬度、高熔点。具有高硬度、高熔点。2）碳化物的性质）碳化物的性质1.2 钢的合金化钢的合金化3）碳化物的类型）碳化物的类型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；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：复杂六方点阵。：复杂六方点阵。K也有空位存在，可形成复合也有空位存在，可形成复合K，如，如(Cr,Fe,Mo,)7C31.2 钢的合金化钢的合金化 M6C型具有复杂结构，存在于型具有复杂结构，存在于Fe-Mo(W)-C系系中，为间隙化合物。中，为间隙化合物。1.2 钢的合金化钢的合金化 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差。特点：硬度、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，稳定性好。4、形成氮化物、形成氮化物（1）过渡族金属的氮化物）过渡族金属的氮化物 N/M0.59，均为间隙相。，均为间隙相。A.面心立方点阵的氮化物面心立方点阵的氮化物 TiN，NbN，ZrN，VN，Mo2N，W2N，CrN，MnN，-Fe4N，-Mn2N。B.密排六方点阵的氮化物密排六方点阵的氮化物 WN，MoN，Nb2N，Cr2N，Mn2N。（2）铝的氮化物）铝的氮化物 AlN：正常价非金属化合物，密排六方点阵。：正常价非金属化合物，密排六方点阵。1）钢钢中氮化物的中氮化物的结结构构1.2 钢的合金化钢的合金化（1）强氮化物形成元素）强氮化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V 和碳化物一样，和碳化物一样，d层电子数少，和氮的亲和力大，在钢中形层电子数少，和氮的亲和力大，在钢中形成自己的固定氮化物，几乎不溶于奥氏体。成自己的固定氮化物，几乎不溶于奥氏体。（2）中强氮化物形成元素）中强氮化物形成元素：W，Mo 稳定性较高。稳定性较高。（3）弱氮化物形成元素）弱氮化物形成元素：Cr，Mn，Fe 高温时溶于奥氏体，低温时可析出。高温时溶于奥氏体，低温时可析出。（4）AlN 稳定性很高。稳定性很高。2）氮化物的）氮化物的稳稳定性定性1.2 钢的合金化钢的合金化3）氮化物的作用）氮化物的作用（1）细化晶粒：）细化晶粒：AlN本质细晶粒钢。本质细晶粒钢。（2）提高表面耐磨性和疲劳强度）提高表面耐磨性和疲劳强度（3）提高表面耐蚀性）提高表面耐蚀性4）氮化物的相互溶解）氮化物的相互溶解（1）完全互溶：氮化物类型相同，金属原子的电化因素、）完全互溶：氮化物类型相同，金属原子的电化因素、尺寸因素相近。尺寸因素相近。（2）有限溶解：如高）有限溶解：如高Cr钢表面渗氮后形成钢表面渗氮后形成(Fe，Cr)2N，(Fe，Cr)4N。（3）氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物：如含）氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物：如含Ti 钢中，可形成钢中，可形成Ti(C，N)。1.2 钢的合金化钢的合金化5、形成金属间化合物、形成金属间化合物在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现热合金中，都会出现相。伴随着相。伴随着相的析出，钢和合金的塑性和相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。韧性显著下降，脆性增加。1）相相2）AB2相（拉维斯相）相（拉维斯相）是含是含W、Mo、Nb、Ti的耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强的耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相，具有较高的稳定性。化相，具有较高的稳定性。3）AB3相（有序相）相（有序相）4）A6B7相相 组元之间的电化学性差别不足以形成稳定的化合物，是介于无组元之间的电化学性差别不足以形成稳定的化合物，是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。序固溶体和化合物之间的过渡状态。1.2 钢的合金化钢的合金化6、形成非金属相和非晶体相、形成非金属相和非晶体相 FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3等氧化物。等氧化物。MnS、FeS等硫化物；等硫化物；2MnOSiO2、CaOSiO2等硅酸盐；等硅酸盐；AlN7、自由态、自由态 Cu、Pb等元素的含量超过它在钢中的溶解度后，将以较纯的等元素的含量超过它在钢中的溶解度后，将以较纯的金属相存在。金属相存在。1.2 钢的合金化钢的合金化二、合金元素在不同热处理状态下的分布二、合金元素在不同热处理状态下的分布1.2 钢的合金化钢的合金化三、合金元素的偏聚三、合金元素的偏聚1.2 钢的合金化钢的合金化1.2 钢的合金化钢的合金化影响影响因素因素缺陷处缺陷处溶质浓度溶质浓度1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响一、对铁素体、奥氏体相自由能的影响一、对铁素体、奥氏体相自由能的影响 1、降低、降低Fv：C、Mn、Cr、Ni，相变驱动力；相变驱动力；2、提高、提高Fv：Al、Co，相变驱动力；相变驱动力；3、影响不大：、影响不大：Mo、W。二、对碳的扩散和活度的影响二、对碳的扩散和活度的影响 1、Cr、Mo、Ti、Nb：铁在奥氏体中的自扩散，铁在奥氏体中的自扩散，铁原子的铁原子的 活度，活度，铁原子间的结合力；铁原子间的结合力；2、C：铁原子间的结合力，铁原子间的结合力，铁原子扩散。铁原子扩散。1、碳化物形成元素：、碳化物形成元素：碳的活度，碳的活度，碳在固溶体中的结合力，碳在固溶体中的结合力，Q，D。2、非碳化物形成元素：、非碳化物形成元素：碳的活度，碳的活度，碳在固溶体中的结合力，碳在固溶体中的结合力，Q，D。三、对三、对Fe在奥氏体中自扩散的影响在奥氏体中自扩散的影响1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响四、对钢奥氏体化的影响四、对钢奥氏体化的影响 Co、Ni：碳的扩散，碳的扩散，相的形成速度；相的形成速度；Si、Al、Mn：影响不大；：影响不大；Cr、Mo、W、Ti、V：碳的扩散，碳的扩散，相的形成速度。相的形成速度。1、Me对奥氏体形成的影响对奥氏体形成的影响 通过对碳化物稳通过对碳化物稳定性的影响及对碳定性的影响及对碳在奥氏体相中的扩在奥氏体相中的扩散来影响的。散来影响的。相组成：相组成：（合金合金+合金合金K）碳含量：碳含量：0.02%2.11%点阵结构：点阵结构：bcc 各种晶型各种晶型 fcc2、对渗碳体溶解的影响、对渗碳体溶解的影响 4）强、中强）强、中强K形成元素会形成元素会碳化物的稳定性，碳化物的稳定性，碳化物的溶解，碳化物的溶解，奥氏体形成。奥氏体形成。5）弱）弱K形成元素对碳化物的溶解无影响。形成元素对碳化物的溶解无影响。K在在中中溶解溶解规律规律1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响 1）K稳定性越好稳定性越好溶解度越小；溶解度越小；2）温度）温度，溶解度，溶解度 K沉淀析出；沉淀析出；3）稳稳定性差的定性差的K先溶解；先溶解；1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响 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，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。较均匀的奥氏体，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。高的加热温度和过长的保温时间。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响3、对奥氏体成分均匀化的影响、对奥氏体成分均匀化的影响奥氏体奥氏体刚刚形成形成时时，C和和Me的分部是不均匀的。的分部是不均匀的。思考：合金钢加热均匀思考：合金钢加热均匀 化与碳钢相比有什么区化与碳钢相比有什么区别？别？4、对奥氏体晶粒长大、对奥氏体晶粒长大的影响的影响 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大；晶粒长大；由于形成的碳化物或氮化物稳定性高，高温时由于形成的碳化物或氮化物稳定性高，高温时不溶解，不溶解，可可钉扎晶界；若钉扎晶界；若溶解于奥氏体中溶解于奥氏体中，则会，则会Fe原子间的结合力，原子间的结合力，Fe的自扩散系数，的自扩散系数，奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒长大。2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大；由于它们溶于奥氏体后会由于它们溶于奥氏体后会铁原子的自扩散激活能。铁原子的自扩散激活能。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响 3）Ni、Co、Cu作用不大；作用不大；4）钢中碳含量在中等以上时，）钢中碳含量在中等以上时，Cr晶粒长大，晶粒长大，Mn晶粒长晶粒长大。低碳钢时，大。低碳钢时，Mn晶粒长大。晶粒长大。5）Al、Si含量少时，以夹杂物存在，可阻碍奥氏体晶粒长含量少时，以夹杂物存在，可阻碍奥氏体晶粒长大；当以合金元素大量加入时，在促进奥氏体晶粒长大。大；当以合金元素大量加入时，在促进奥氏体晶粒长大。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响五、对钢的过冷奥氏体分解转变的影响五、对钢的过冷奥氏体分解转变的影响1、过冷奥氏体的稳定性、过冷奥氏体的稳定性 实质是相变的孕育期和相变速度。实质是相变的孕育期和相变速度。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响1）Ni、Si和和Mn：大致保持碳：大致保持碳钢钢C曲曲线线形状，使形状，使C曲曲线线向右作不同程度的移向右作不同程度的移动动；2）Co：不改：不改变变C曲曲线线，使，使C曲曲线线左移；左移；3）碳化物形成元素：使）碳化物形成元素：使C曲曲线线右移，且改右移，且改变变形状。形状。其作用有五种。其作用有五种。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响强碳化物形成元素强碳化物形成元素非碳化物形成元素非碳化物形成元素中弱碳化物形成元素中弱碳化物形成元素2、过冷奥氏体的珠光体、贝氏体转变、过冷奥氏体的珠光体、贝氏体转变（1）珠光体转变：扩散型转变，需要）珠光体转变：扩散型转变，需要C和和Me都扩散。都扩散。P（合金（合金合金合金K）Fe：扩散型转变重建晶格。：扩散型转变重建晶格。C，Me：扩散重新分布。：扩散重新分布。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响Me对过冷奥氏体珠光体转变的综合作用对过冷奥氏体珠光体转变的综合作用K形核和长大形核和长大时时Fe的自扩散的自扩散时时相形相形核功核功Ti，Nb，V推迟（当奥氏体分解时，特殊碳化物的形核和推迟（当奥氏体分解时，特殊碳化物的形核和长大主要取决于长大主要取决于Ti、Nb、V原子的扩散富集，原子的扩散富集，而不取决于碳的扩散）而不取决于碳的扩散）W推迟推迟推迟（较强），因增推迟（较强），因增加了固溶体原子间的加了固溶体原子间的结合力结合力Mo推迟推迟推迟（弱）推迟（弱）Cr推迟推迟推迟（强烈）推迟（强烈）Mn推迟，因需要形成含推迟，因需要形成含Mn较高的合金渗碳体较高的合金渗碳体增加增加Ni增加增加Al推迟，因奥氏体分解时，它必须从渗碳体的形推迟，因奥氏体分解时，它必须从渗碳体的形核和长大区扩散开核和长大区扩散开Si推迟，原因同上推迟，原因同上推迟，提高了铁原子推迟，提高了铁原子的结合力的结合力1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响（2）贝氏体转变：半扩散型转变，）贝氏体转变：半扩散型转变，C作短程扩散，作短程扩散，Me几乎没有扩几乎没有扩散。散。转变的控制因素：转变的控制因素：C的扩散和的扩散和转变的形核功。转变的形核功。C、Si、Mn、Cr、Ni：相形核功，相形核功，转变，转变，贝氏贝氏 体转变。体转变。W、Mo、V、Ti：DC，贝氏体转变，但作用比贝氏体转变，但作用比Mn、Cr、Ni小小。W、Mo、V、Ti 推迟贝氏体转变的作用比推迟珠光体转变的推迟贝氏体转变的作用比推迟珠光体转变的弱，在空冷时易获得贝氏体组织。弱，在空冷时易获得贝氏体组织。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响3、Me对马氏体转变的影响对马氏体转变的影响降低降低Ms：C最强烈，最强烈，Mn，Cr，Ni次之，次之，V，Mo，W，Si再次之。再次之。升高升高Ms：Co，Al。Ms点越低，室温中残余奥氏体越多；当点越低，室温中残余奥氏体越多；当Ms点远低于室温时，点远低于室温时，在室温可获得稳定的奥氏体组织。在室温可获得稳定的奥氏体组织。合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响A、合金元素对马氏体分解、合金元素对马氏体分解马氏体分解过程：马氏体分解过程：MC在晶体缺陷处偏聚在晶体缺陷处偏聚(0.25%C)-FexCFe3C（完全分解）（完全分解）1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响4、合金元素对淬火钢回火转变的影响、合金元素对淬火钢回火转变的影响低温回火低温回火：C和和Me扩扩散散较较困困难难，Me影响不大；影响不大；中温以上中温以上：Me活活动动能力增能力增强强，对对M分解分解产产生不同程度影响：生不同程度影响：1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小；2）碳化物形成元素阻止）碳化物形成元素阻止M分解，其程度与它分解，其程度与它们们与碳的与碳的亲亲和和力大小有关。力大小有关。这这些些Meac，阻止了渗碳体的析出，阻止了渗碳体的析出长长大；大；1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响B、合金元素对回火时、合金元素对回火时AR转变的影响转变的影响（1）合金元素一般使）合金元素一般使AR分解温度升高，分解温度升高，Cr、Mn、Si作用最大。作用最大。（2）“二次淬火二次淬火”高合金钢高合金钢AR在中温稳定区（在中温稳定区（500600）保温一段时间后，冷却）保温一段时间后，冷却时将发生时将发生ARM转变。转变。AR在加热时析出部分碳化物，在加热时析出部分碳化物，AR中中C%和和Me%，Ms点，冷却时发生马氏体相变。点，冷却时发生马氏体相变。AR并未析出碳化物，而是发生反稳定化现象，使并未析出碳化物，而是发生反稳定化现象，使Ms 点点，冷却时发生马氏体相变。，冷却时发生马氏体相变。原原因因作用：用以消除高速钢、高合金模具钢等钢种的作用：用以消除高速钢、高合金模具钢等钢种的AR。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响C、合金元素对回火时、合金元素对回火时K形成、聚集和长大的影响形成、聚集和长大的影响 1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响3）特殊）特殊K的形成的形成 原位析出原位析出：M0+M3C MXCY（M7C3，M23C6）原位析出时，通常碳化物颗粒较粗大无弥散硬化作用。原位析出时，通常碳化物颗粒较粗大无弥散硬化作用。异位析出异位析出：MP+M3C 0+MXCY（MC，M2C）异位析出时，碳化物颗粒细小，有弥散硬化作用。异位析出时，碳化物颗粒细小，有弥散硬化作用。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响D、回火脆性、回火脆性1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响1）第一第一类类回火脆性回火脆性特特 征征 不可逆；不可逆；与回火后的冷速无关；与回火后的冷速无关；晶界脆断。晶界脆断。原原 因因 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成；杂质杂质元素元素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界，降低晶界降低晶界强强度。度。Me作用作用 Mn、Cr脆性；脆性；Si 脆性温度区；脆性温度区；V、Al、Mo等改善脆性。等改善脆性。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响1）第二第二类类回火脆性回火脆性特特 征征 可逆；可逆；回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制；晶界脆断。晶界脆断。原原 因因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界；形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物晶界晶界强强度。度。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化等是脆化剂剂；Mn、Ni与。与。杂质杂质元素共偏聚，是促元素共偏聚，是促进剂进剂；Cr促促进进其他元素偏聚，是助偏其他元素偏聚，是助偏剂剂；Mo、W、Ti抑制其他元素偏聚，是清除抑制其他元素偏聚，是清除剂剂。E、合金元素对、合金元素对相再结晶的影响相再结晶的影响 合金元素提高合金元素提高相再结晶温度，对保持回火组织的强度及相再结晶温度，对保持回火组织的强度及提高热强性有作用。提高热强性有作用。-Fe-Fe0.1%C2%Ni2%Si1%Mn2%Cr1.5W2%Mo再结晶再结晶温度温度520550550550575630655650原因：合金元素影响固溶体中原子间结合力及特殊碳化物钉扎位错。原因：合金元素影响固溶体中原子间结合力及特殊碳化物钉扎位错。1.3 合金元素对钢的相变影响合金元素对钢的相变影响一、一、Me对钢强度的影响对钢强度的影响1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响1、固溶、固溶强强化化1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响对对于于C、N等等间间隙原子，隙原子，n=0.332.0；对对于于Mo、Si、Mn等置等置换换式原子：式原子：n=0.51.0原子固溶原子固溶晶格发生畸变晶格发生畸变产生弹性应力场，与位错发生交产生弹性应力场，与位错发生交互作用互作用增加位错运动阻力增加位错运动阻力 提高强度，降低塑韧性。提高强度，降低塑韧性。2、细细晶晶强强化化1.4 合金对钢力学性能的影响合金对钢力学性能的影响晶粒越细晶粒越细晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多有效阻止位错运动有效阻止位错运动产生位产生位错塞积强化错塞积强化 既提高强度，又提高塑韧性，是最理想的强既提高强度，又提高塑韧性，是最理想的强化途径。化途径。1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响3、第二相、第二相强强化化1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响 第二相第二相钉钉扎位扎位错错，阻碍位，阻碍位错错运运动动，第二相，第二相间间距距越小，越小，强强化效果越大。化效果越大。运运动动位位错错遇到滑移面上的第二相粒子遇到滑移面上的第二相粒子时时主要通主要通过过切切过过或或绕过绕过机制，滑移才能机制，滑移才能继续进继续进行行提高提高强强度，但稍降低塑度，但稍降低塑韧韧性。性。钢中第二相粒子来源：钢中第二相粒子来源：回火时弥散沉淀析出；回火时弥散沉淀析出；淬火时残留的第二相。淬火时残留的第二相。1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响4、位、位错错强强化化1.4 合金对钢力学性能的影响合金对钢力学性能的影响位位错错密度密度增加增加位位错错交割、交割、缠结缠结有效地阻止了位有效地阻止了位错错运运动动提高提高强强度，降低塑度，降低塑韧韧性。性。位位错错强强化在化在强强化的同化的同时时，也降低了伸，也降低了伸长长率，提高了率，提高了韧韧脆脆转转变变温度温度TK。1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响二、二、Me对钢韧性的影响对钢韧性的影响1、断裂机制、断裂机制 1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响 （a）延性断裂）延性断裂 （b）解理断裂）解理断裂 （c）沿晶断裂）沿晶断裂 u延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程。延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程。u解理断裂抗力与晶粒大小有关：解理断裂抗力与晶粒大小有关：晶粒越细，则位错塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理晶粒越细，则位错塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性增高。断裂不易产生，因而韧性增高。u沿晶断裂是晶界弱化而引起的：沿晶断裂是晶界弱化而引起的：溶质原子（如溶质原子（如P、As、Sb、Sn）在晶界上偏聚；）在晶界上偏聚；第二相质点（如第二相质点（如MnS、Fe3C等）沿晶界分布。等）沿晶界分布。2、影响韧性的因素、影响韧性的因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧性塑韧性，称为，称为强韧性强韧性转变矛盾转变矛盾。除细化组织强化外，其他强化因素。除细化组织强化外，其他强化因素都会不同程度地降低韧性。都会不同程度地降低韧性。危害最大的是间隙固溶；危害最大的是间隙固溶；沉淀强化危害较小，但对强化贡献较大。沉淀强化危害较小，但对强化贡献较大。强化强化因素因素1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响合金合金元素元素 Ni韧韧性；性；Mn在少量在少量时时也有效果；其他常也有效果；其他常用元素都在不同程度上用元素都在不同程度上韧韧性。性。杂质杂质 杂质往往是形变断裂的孔洞形成的核心，杂质往往是形变断裂的孔洞形成的核心，因此提高钢的冶金质量时必须的。因此提高钢的冶金质量时必须的。第二第二相相 第二相第二相韧性。应尽量使第二相小、均匀、韧性。应尽量使第二相小、均匀、圆、适量。圆、适量。晶粒晶粒度度 细细化晶粒既化晶粒既强强度，又度，又TK，即，即韧韧性，是性，是最佳的最佳的组织组织因素。因素。3、提高钢韧度的合金化途径、提高钢韧度的合金化途径1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响（1）提高延性断裂抗力的主要途径：）提高延性断裂抗力的主要途径：减少钢中第二相的数量，特别是夹杂物数量，改善第二减少钢中第二相的数量，特别是夹杂物数量，改善第二相粒子的性质、尺寸、形状和分布；相粒子的性质、尺寸、形状和分布；提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶强化效果提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶强化效果大的合金元素，如降低大的合金元素，如降低Si、Mn、P、C、N的含量；的含量；提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧性的主要提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧性的主要措施是提高回火温度，故而发展了调质钢。措施是提高回火温度，故而发展了调质钢。1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响（2）提高解理断裂抗力的主要途径：）提高解理断裂抗力的主要途径：细化晶粒。如通过正火、控制轧制、加入细化晶粒的合细化晶粒。如通过正火、控制轧制、加入细化晶粒的合金元素；金元素；钢的解理断裂有一个很重要的特性钢的解理断裂有一个很重要的特性冷脆现象。向钢冷脆现象。向钢中加入中加入Ni元素可以显著降低钢的元素可以显著降低钢的Tk；更换基体组织，采用没有冷脆现象的面心立方更换基体组织，采用没有冷脆现象的面心立方-Fe为基为基的奥氏体钢。的奥氏体钢。1.4 合金元素对钢力学性能的影响合金元素对钢力学性能的影响（3）提高沿晶断裂抗力的主要途径：）提高沿晶断裂抗力的主要途径：防止溶质原子沿晶界分布，如加入合金元素防止溶质原子沿晶界分布，如加入合金元素Mo、Ti或或Zr，这几个元素与杂质元素有更强的交互作用，可以抑制杂质元，这几个元素与杂质元素有更强的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界偏聚，从而减轻回火脆性倾向；素向晶界偏聚，从而减轻回火脆性倾向；防止第二相沿晶界析出，如减少钢中防止第二相沿晶界析出，如减少钢中S含量或加入稀土元含量或加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物，在高温加热时不会熔解，可防止素形成难熔的稀土硫化物，在高温加热时不会熔解，可防止MnS在晶界析出。在晶界析出。1.5 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷成型性包括：深冲、拉延、弯曲等。冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。征参量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。P、Si、C等元素等元素冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格冷作硬化率。需要冷成型的材料应严格控制控制P、N量，尽可能量，尽可能Si、C等量。等量。一、冷成型性一、冷成型性1.5 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 热压力加工包括：锻造、轧制、拉拔等。热压力加工包括：锻造、轧制、拉拔等。Me溶入基体溶入基体产生畸变，产生畸变，热变形抗力热变形抗力热压力加工热压力加工性能性能。如。如Mo、W、Cr、V等元素影响较大。等元素影响较大。C和和Me量较量较多时，形成共晶多时，形成共晶K，热压力加工性更差。，热压力加工性更差。合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的。钢的热压力加工难度是较大的。二、热压力加工性二、热压力加工性1.5 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑加工速度；精不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑加工速度；精加工主要考虑表面粗糙度。为提高钢的切削性能，可加入加工主要考虑表面粗糙度。为提高钢的切削性能，可加入S、Pb、P。碳钢硬度在碳钢硬度在179230HB时，切削性能最好。时，切削性能最好。对组织来说，对组织来说，P:F=1:1时较佳。不同含碳量的钢要得到较时较佳。不同含碳量的钢要得到较好的切削性，其预处理是不同的：好的切削性，其预处理是不同的：对碳钢：对碳钢：0.1%C，宜淬火；，宜淬火；0.5%C，宜正火；，宜正火；0.8%C，宜球化退火。，宜球化退火。三、切削加工性三、切削加工性1.6 钢的编号钢的编号 我国的钢号表示方法，根据国家标准我国的钢号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法钢铁产品牌号表示方法（GB/T2212000）