钢铁中的合金元素.ppt
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1、关于钢铁中的合金元素现在学习的是第1页,共54页概概 述述l碳钢在性能方面的不足:合金化l1、淬透性低。水淬的最大淬透直径只有15mm20mm。l2、强度和屈强比较低l3、回火稳定性差l4、不能满足特殊性能要求现在学习的是第2页,共54页l在碳钢中加入合金元素所获得的钢,称之为合金钢合金钢。它具有更优良的或特殊的性能。l1 1、在在使使用用性性能能方方面面,有有高高的的强强度度与与韧韧性性的的配配合合,或或高高的的低低温温韧韧性性,或或高高温温下下有有高高的的蠕蠕变变强强度度、硬硬度度及及抗抗氧氧化化性性,或或具具有有良良好的耐蚀性。好的耐蚀性。l2 2、在在工工艺艺性性能能方方面面,有有良良
2、好好的的热热塑塑性性、冷冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等变形性、切削性、淬透性和焊接性等。现在学习的是第3页,共54页l钢中常用合金元素有:lB(硼)、C(碳)、N(氮)、Al(铝)、Si(硅)、P(磷)、S(硫)、Ti(钛)、V(钒)、Cr(铬)、Mn(锰)、Co(钴)、Ni(镍)、Cu(铜)、Y(钇)、Zr(锆)、Nb(铌)、Mo(钼)、La族(稀土)、Ta(钽)、W(钨)等。现在学习的是第4页,共54页第一节第一节 铁基固溶体铁基固溶体铁在加热和冷却过程中产生如下的多型性转变:-Fe-Fe(910910A A3 3)-Fe -Fe (13901390A A4 4)-Fe-Fe 现在学习
3、的是第5页,共54页合金元素对铁多型性转变的影响分为两大类:奥氏体形成元素奥氏体形成元素:在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素(Mn、Ni、Co、C,N,Cu等);铁素体形成元素铁素体形成元素:在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素(Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等)。现在学习的是第6页,共54页1 1、扩大、扩大 区的元素(奥氏体形成元素)区的元素(奥氏体形成元素)它们能扩大相存在的温度范围,使A3下降,A4上升。可分为两种情况:l(1)完全扩大区(开启相区):如 MnMn,NiNi,CoCo等,它们可与-Fe 无限固溶,使和相区缩小;现在学习的是第7页,共
4、54页l(2)部分扩大区:如C C,N N,CuCu等,它们只能与-Fe 有限固溶。现在学习的是第8页,共54页2 2、扩大、扩大 区的元素(铁素体形成元素)区的元素(铁素体形成元素)它们能缩小相而扩大相存在的温度范围,使A3上升、A4下降。可分为两种情况:l(1)完全封闭区元素:如 CrCr,MoMo,W W,V V,TiTi,AlAl,SiSi等,相区被相区封闭,在相图上形成圈;现在学习的是第9页,共54页l(2)部分缩小区元素:如 B B,NbNb,ZrZr等,主要是出现了金属间化合物,破坏了圈。现在学习的是第10页,共54页现在学习的是第11页,共54页第二节第二节 合金元素与钢中合金
5、元素与钢中晶体缺陷的相互作用晶体缺陷的相互作用l溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高,因此比基体原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界和位错等缺陷区,以降低能量。l1、溶质原子与晶界结合,形成晶界偏聚(内吸附);l2、溶质原子与位错结合,形成柯垂耳气团。现在学习的是第12页,共54页l晶界偏聚及其偏聚浓度晶界偏聚及其偏聚浓度l溶质元素在合金中含量虽少,但因与晶体溶质元素在合金中含量虽少,但因与晶体缺陷的交互作用,使其在缺陷区富集到很缺陷的交互作用,使其在缺陷区富集到很高浓度,从而对合金的组织和性能产生巨高浓度,从而对合金的组织和性能产生巨大的影响,如大的影响,如晶界强化、晶界脆性、晶间晶
6、界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核等。等。l可以用下式估算晶界区的溶质偏聚浓度c cg g:(c0为溶质在基体晶内的浓度,E值为畸变能)现在学习的是第13页,共54页溶质原子与位错的交互作用溶质原子与位错的交互作用(a)比基体原子大的溶质原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵;(b)比基体原子小的溶质原子趋向于缺陷区受压缩的点阵;(c)间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置。现在学习的是第14页,共54页l溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点阵畸变松弛,从而降低体系内能,所以阵畸变松弛,从而降低体系内能,所以这
7、种这种偏聚过程是自发进行的偏聚过程是自发进行的。l晶界偏聚是一个扩散过程,晶界偏聚是一个扩散过程,只有在溶质只有在溶质原子能扩散的温度范围才能发生原子能扩散的温度范围才能发生,并需,并需要一定时间才能达到该温度下溶质的晶要一定时间才能达到该温度下溶质的晶界平衡偏聚能度。界平衡偏聚能度。l溶质元素之间发生强相互作用,叫做溶质元素之间发生强相互作用,叫做共共偏聚偏聚。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共偏聚而促进回火脆性。偏聚而促进回火脆性。现在学习的是第15页,共54页第三节第三节 钢中的碳化物和氮化物钢中的碳化物和氮化物l1 1、碳化物的类型、碳化物的类型l当rcrM0.
8、59时形成简单密排结构的间隙化合物;l当rcrM0.59时,形成复杂结构的间隙化合物。现在学习的是第16页,共54页简单点阵碳化物结构示意图现在学习的是第17页,共54页复杂点阵碳化物结构示意图现在学习的是第18页,共54页l简单点阵的碳化物,也叫间隙相,主要有MC和M 2C类型。l复杂点阵的碳化物 主要有 M 23C6、M 7C3和 M 3C类型。l钢中由于 FeMeC三种元素存在,还会形成三元碳化物,包括 MC、M 2C、M 23C6、M 7C3、M 3C 和 M 6C六种类型。现在学习的是第19页,共54页l2 2、碳化物及其稳定性、碳化物及其稳定性l碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与
9、碳碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小,主要取决于其亲和力的大小,主要取决于其d d层电子数层电子数。d d层电子愈少,则金属元素与碳的结合强度愈层电子愈少,则金属元素与碳的结合强度愈大,在钢中的稳定性也愈大。大,在钢中的稳定性也愈大。l也可以用生成热也可以用生成热H H值来比较,生成热绝对值值来比较,生成热绝对值愈高,其稳定性也愈高。愈高,其稳定性也愈高。生成热生成热H H绝对值绝对值由大到小顺序为:由大到小顺序为:TiTi、ZrZr、V V、NbNb、TaTa、WW、MoMo、CrCr、MnMn、FeFe现在学习的是第20页,共54页l因此,过渡族金属元素可依其与碳的结合强度
10、的大小分类:l1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素;l2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元素;l3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。现在学习的是第21页,共54页l强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定,其溶解温度也较高,而溶解速度较慢,析出后聚集长大速度也较低。lMC型碳化物:由强碳化物形成元素TiTi、V V、NbNb、ZrZr形成,在900以上才开始溶解于-Fe中,1100以上才大量溶解,在500700范围析出时,具有较低的聚集长大速度,因而可以成为钢中的强化相。现在学习的是第22页,共54页lM2C型碳化物:主要是中强碳化物形成元素WW和和MoMo形成的,在钢中的稳定性较差,但仍可做5006
11、50范围的强化相。现在学习的是第23页,共54页lM23C6型碳化物:Cr23C6的稳定性更差,只有在少数耐热钢中,经过综合合金化后,才有较高的稳定性,例如(Cr,Fe,V,Mo,W)23C6可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化相。lMM7 7C C3 3及及MM3 3C C型碳化物:很容易溶解和析出,并有较大的聚集长大速度,因此不不能作为高温强化相能作为高温强化相。现在学习的是第24页,共54页l3 3、氮化物及其稳定性、氮化物及其稳定性l根据过渡族金属与氮的结合强度分类:l强氮化物形成元素:Ti、Zr、Nb、V;l中强氮化物形成元素:W、Mo;l弱氮化物形成元素:Cr、Mn、Fe。现在学习的是第
12、25页,共54页l当钢中存在多种过渡族金属元素时,存在着复合碳化物和复合氮化物,例如(Cr,Fe)23C6。l氮化物和碳化物之间也可互相溶解,形成碳氮化物碳氮化物。例如氮可置换部分碳原子,在含钒、钛、铌微合金钢中形成Ti(C,N)、V(C,N)和Nb(C,N)。现在学习的是第26页,共54页l此外,冶炼中钢液用铝脱氧,因而存在铝的氮化物AlN。AlN在钢中有很高的稳定性,只有在1100以上才大量溶于-Fe,在较低温度下又重新析出。l在在生生产产中中可可以以利利用用氮氮化化物物的的弥弥散散强强化化作作用用来来提提高高钢钢的的疲疲劳劳强强度度,利利用用氮氮化化物物的的高硬度来进一步提高表面硬度和耐
13、磨性。高硬度来进一步提高表面硬度和耐磨性。现在学习的是第27页,共54页第四节第四节 钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物 l金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的晶体结构和金属基本特性的化合物。l一、相l在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中,在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中,都会出现都会出现相。其化学式为相。其化学式为ABAB或或 AxByAxBy,如如FeCrFeCr、FeMoFeMo、FeVFeV等。等。相对合金性能相对合金性能有害,在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆性,有害,在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆性,在耐热钢和高温合金中引起脆性。在耐热钢和高温合金中引起脆
14、性。现在学习的是第28页,共54页l在二元系中,形成相的条件是:l1 1)原子尺寸差别不大。)原子尺寸差别不大。l2 2)钢和合金的)钢和合金的“平均族数平均族数”(或(或s sd d层电子浓度)层电子浓度)在在 5.77.6范围。范围。现在学习的是第29页,共54页l为避免在合金中出现为避免在合金中出现 相,可用元素的电子缺位相,可用元素的电子缺位数数N NV V来进行合金设计。来进行合金设计。lN NV V =0.66Ni 0.66Ni+1.71Co 1.71Co+2.66Fe 2.66Fe+3.66Mn 3.66Mn+4.66(Cr+4.66(Cr+Mo Mo+W)W)+5.66 5.6
15、6(V(V+Nb Nb+Ta Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al6.66(Ti+Si)+7.66All当当N NV V值值 2.522.52时,不出现时,不出现 相相 。现在学习的是第30页,共54页l二、AB2相(拉维斯相)l含含钨、钼、铌和钛钨、钼、铌和钛的复杂成分耐热钢和的复杂成分耐热钢和耐热合金中,均存在耐热合金中,均存在ABAB2 2相。它是现代耐相。它是现代耐热钢和合金以及镁合金中的一种热钢和合金以及镁合金中的一种强化相强化相。lABAB2 2相是尺寸因素起主导作用的化合物,相是尺寸因素起主导作用的化合物,但它具有哪一种点阵,则受电子浓度的但它具有哪一种点阵,则受电子浓度
16、的影响。周期表中任何两族金属元素,只影响。周期表中任何两族金属元素,只要符合原子尺寸要符合原子尺寸b bA A/b/bB B=1.2/l =1.2/l 时,时,都能形成都能形成ABAB2 2相。相。现在学习的是第31页,共54页l三、AB3相(有序相,如-Ni3Al)l钢和合金中存在着多种有序结构的相,钢和合金中存在着多种有序结构的相,它们各组元之间尚不能形成稳定的化合它们各组元之间尚不能形成稳定的化合物,处于固溶体到化合物之间的过渡状物,处于固溶体到化合物之间的过渡状态。态。l -Ni-Ni3 3AlAl为为L1L12 2型结构,属面心立方结型结构,属面心立方结构,在复杂成分耐热钢和耐热合金
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- 钢铁 中的 合金 元素
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