钢铁中的合金元素级讲稿.ppt

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1、关于钢铁中的合金元素级第一页，讲稿共五十一页哦1.1 1.1 钢中的合金元素及其分类钢中的合金元素及其分类合金元素合金元素：合金钢合金钢，杂质？杂质？低合金钢低合金钢：中合金钢中合金钢：高合金钢高合金钢：微合金钢微合金钢：合金元素合金元素(如如V,Nb,Ti,Zr,B)V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于含量小于或等于0.1%0.1%，而能显著影响组织和性能的钢，而能显著影响组织和性能的钢。钢：是一种以Fe为基的合金第二页，讲稿共五十一页哦钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素表中字体颜色为表中字体颜色为绿色绿色或或深蓝色深蓝色的元素为钢中常见合金的元素为钢中常见合金元素元素;字体颜色为深蓝色的

2、元素为钢中常见碳化物形成字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。元素。IIIIIIIVVVI第三页，讲稿共五十一页哦钢中合金元素的分类钢中合金元素的分类1、按与按与FeFe相互作用的特点分：相互作用的特点分：形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等形成元素：Cr，Mo，Si等2 2、按照与碳（、按照与碳（C C）相互作用的特点分：相互作用的特点分：碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr等非碳化物形成元素：Ni，Si，Al等3 3、按照对奥氏体层错能的影响分、按照对奥氏体层错能的影响分提高奥氏体层错能的元素：Ni，Cu等降低奥氏体层错能的元素：Mn，Cr等第四页，讲稿共五十一页哦1.2

3、1.2 合金元素与铁和碳的相互作用合金元素与铁和碳的相互作用纯铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变: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。Fe912CA3 Fe1394CA4 Fe链接Fe C相图！第五页，讲稿共五十一页哦合金元素与铁的相互作用：合金元素与铁的相互作用：（1）扩大奥氏体（）扩大奥氏体（）区的元素区的元素 （奥氏体形成元素）（奥氏体形成元素）使使A3温度下降，温度下降，A4温度上升，即扩温度上升，即扩大了大了相区。相区。FeC相图两种情况第八页，讲稿共五十一页哦扩大扩大区的元素区的元素 无限扩大无限扩大相区的元素：与相区的

4、元素：与Fe无限固溶无限固溶 Ni、Mn、Co（钴）属于此类合金元素第九页，讲稿共五十一页哦扩大扩大区的元素区的元素有限扩大有限扩大相区的元素：有限固溶相区的元素：有限固溶 与 Fe 和 Fe均形成有限固溶,相有稳定存在的最低温度点。C、N、Cu等第十页，讲稿共五十一页哦合金元素与铁的相互作用：合金元素与铁的相互作用：（2）扩大铁素体（扩大铁素体（）区的元素）区的元素（铁素体形成元素）（铁素体形成元素）这些合金元素使这些合金元素使A A3 3温度上升，温度上升，A A4 4温度下降温度下降（链（链接接FeFeC C相图）相图）包括以下两种情况包括以下两种情况:第十一页，讲稿共五十一页哦扩大扩大

5、区的区的元素元素封闭封闭 型：型：无限扩大无限扩大区区Cr（铬）、V（钒）第十二页，讲稿共五十一页哦扩大扩大区的元素区的元素 缩小缩小型型：出现金属间化合物B（硼）、Nb（铌）等第十三页，讲稿共五十一页哦两类元素生产上的指导意义两类元素生产上的指导意义合金元素这种扩大或缩小相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能将产生重大的影响，对钢铁材料的成分设计有很重要的指导意义，eg.不锈钢的成分设计：使钢在室温具有单相、或单相的组织奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢：加入大量的Ni，Mn等奥氏体形成元素，如1Cr18Ni9，（wCr18促进Ni的奥氏体化作用）铁素体不锈钢铁素体不锈钢：加入大量的

6、Cr、Si等铁素体形成元素，如Cr25Ti（p8）第十四页，讲稿共五十一页哦热力学解释合金元素热力学解释合金元素对对相区的作用相区的作用H元素在相中的摩尔焓；H 元素在相中的摩尔焓；H H HH 0,元素扩大相区第十六页，讲稿共五十一页哦合金元素与铁的相互作用：合金元素与铁的相互作用：（3）、形成、形成金属间化合物金属间化合物相相 钢钢中中的的相相：在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现相。（P11相）例如：FeCr相（p5，图1.3（b）在钢中为有害现象在钢中为有害现象：相具有较高的硬度，钢中FeCr析出通常在晶界处，析出时伴随较大的体积变化，所以在铬镍钢中伴随着相的出现，钢的

7、塑性和韧性显著下降，脆性增加。同时造成钢的耐腐蚀性能下降。第十七页，讲稿共五十一页哦、ABAB2 2相相(拉维斯相拉维斯相)尺寸因素起主导作用形成的相：AB2金属间化合物是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，如耐热钢中的NbFe2，耐热铝合金中的CuAl2等（原子直径之比）第十八页，讲稿共五十一页哦ABAB3 3相相(有序相有序相)是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，例如：Ni3Al等。Ni3Al中可溶解多种元素，电负性和原子半径决定Ni（Co，Cu）3 Al（Ti，Nb）第十九页，讲稿共五十一页哦合金元素与铁的相互作用：合金元素与铁的相互作用：（4）对奥氏体

8、层错能的影响对奥氏体层错能的影响Ni提高奥氏体的层错能，Mn降低奥氏体层错能奥氏体不锈钢第二十页，讲稿共五十一页哦合金元素与碳的相互作用一、钢铁中碳化物的特点钢铁中碳化物的特点：高熔点，高硬度高熔点，高硬度，高稳定性，高稳定性，p10p10，表，表1-1-1 1 判定，判定，越大，越大，化合物越稳定，化合物越稳定，为什么？为什么？第二十三页，讲稿共五十一页哦钢中碳化物钢中碳化物 合金元素的d层电子数决定其与C、N原子形成的键的强度，d d层电层电子越少，碳、氮化合物越稳定子越少，碳、氮化合物越稳定链接元素周期表二、钢中碳化物的稳定性二、钢中碳化物的稳定性第二十四页，讲稿共五十一页哦钢中的碳化物

9、钢中的碳化物在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：TiZr Nb V Mo W Cr Mn Fe Ti、Nb、Zr 、V强碳化物形成元素；强碳化物形成元素；W、Mo，Cr 中强碳化物形成元素；中强碳化物形成元素；Ni，Co，Cu 的碳化物在钢中不出现的碳化物在钢中不出现第二十六页，讲稿共五十一页哦钢中的碳化物钢中的碳化物合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关第二十七页，讲稿共五十一页哦钢中的碳化物钢中的碳化物a rc/rme 0.59 形成复杂点阵结构，复杂碳化物，碳化物稳定性差，如 Cr23 C6，Cr7C3b rc/rme0.59，晶格简单的C化物，MeC和Me2C型，稳 定性高 W、V、

10、Ti、Zr、Mo、Nb等属 于此类型。第二十八页，讲稿共五十一页哦钢中的碳化物钢中的碳化物1 1、完全互溶完全互溶 各种碳化物具有相同的点阵类型，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差8-10%，碳化物彼此能够完全互溶，即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换例如：Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3CVC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)C Mo2C-W2C Fe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C第三十页，讲稿共五十一页哦钢中的碳化物钢中的碳化物2 2、有限溶解：有限溶解：如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解28%Cr,

11、14%Mo,2%W,3%V,形成合金渗碳体。第三十一页，讲稿共五十一页哦钢铁中的氮化物钢铁中的氮化物氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。氮原子比碳原子小，氮原子半径N和金属原子半径Me,N/Me均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。第三十二页，讲稿共五十一页哦1.5 1.5 合金元素钢相变的影响合金元素钢相变的影响1 1、改变了奥氏体相区的位置、改变了奥氏体相区的位置 Mn,Ni等：形成元素，扩大 区，室温Cr，Mo等：铁素体形成元素，会消失，室温1-61-61-71-7第三十五页，讲稿共五十一页哦合金元素钢相变的影响合金元素钢相变的影响扩大相区

12、元素降低了A3温度，也降低了A1温度；缩小相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度2 2、改变了共析温度、改变了共析温度1-81-8第三十六页，讲稿共五十一页哦合金元素钢相变的影响合金元素钢相变的影响3 3、改变了共析体的含碳量、改变了共析体的含碳量所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移1-91-9第三十七页，讲稿共五十一页哦合金元素钢相变的影响合金元素钢相变的影响合金元素添加量使C0.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C2.11%的钢中出现合金莱氏体总结：总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示第三十八页，讲稿共五十一页哦 合金元素对奥氏体形成的影响合金元素对奥氏体形

13、成的影响钢在加热时的转变：相的形成碳化物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第三十九页，讲稿共五十一页哦合金元素对奥氏体形成的影响改变临界点温度改变临界点温度S S点位置等，改变奥氏体形点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及成的温度条件及C C浓度条件。浓度条件。合金元素影响奥氏体均匀化合金元素影响奥氏体均匀化 强碳、氮化物形成元素强碳、氮化物形成元素稳定碳化物或氮稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致均匀一致。合金工具钢保留部分合金工具钢保留部分C C化物。化物。影响奥氏体均匀化 第四十页，讲稿共五十一页哦合金

14、元素对钢在加热时转变的影响合金元素对钢在加热时转变的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,p15p15非碳、氮化物形成非碳、氮化物形成 元素元素MnMn、P P、有助长有助长 奥化体晶粒长大奥化体晶粒长大非碳、氮化物形成非碳、氮化物形成 元素，元素，Ni.Co Ni.Co 等对等对 长大无影响长大无影响 强碳、氮化物形成元素强碳、氮化物形成元素 奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用碳化物溶解度低，常用第四十一页，讲稿共五十一页哦合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对过冷奥氏体转变的影响一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度

15、和驱一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱 动力动力 元素 对Ac3和Ac1影响可定量表示，形成元素，形成元素 二、在恒温转变曲线上的影响二、在恒温转变曲线上的影响 C C化物形成元素化物形成元素 C 曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子”温 度（图1.10）非非C C化物形成元素化物形成元素 使C-曲线右移，形状不变，特殊情况Co C扩散，C曲线左移综述：综述：C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透 性。除Co外，所有合金元素 均稳定性，淬透性，钢中常用于提高淬透性元素：钢中常用于提高淬透性元素：CrCr、MnMn、MoMo、SiSi、NiNi、B B等等第四十二页

16、，讲稿共五十一页哦 绝大多数合金元素都降低绝大多数合金元素都降低M MS S，钢中的残余钢中的残余 量量,但有但有CoCo和和AlAl相反。相反。P22，read together 合金元素影响马氏体的结构合金元素影响马氏体的结构:C和合金元素增加形成 针状马氏体的倾向合金元素对马氏体转变的影响合金元素对马氏体转变的影响第四十六页，讲稿共五十一页哦 合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响 对对马马氏氏体体分分解解的的影影响响：M分解温度，M M分分解解速速度度，回火抗力，回火抗力，回火稳定性回火稳定性 合金元素：M分解速度 C钢中C化物析出温度250350 合金钢中400500，甚至

17、更高，形成的碳化物越稳定，元素的这种作用越强 Cr，V，Ti，W，Mo等强C化物形成元素，阻碍C扩散，使M分解速度 锰（弱）和镍（非）对M分解影响甚小第四十七页，讲稿共五十一页哦合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响对残余奥氏体分解的影响对残余奥氏体分解的影响 分分解解温温度度，合合金金钢钢中中甚甚至至加加热热至至500700500700也也不不分分解解成成珠珠光光体体等等产产物物，但但析析出出C C化化物物使使在在回回火火随随后后的的冷冷却却时时转转变变为为M M，这种现象称为二次淬火。这种现象称为二次淬火。含含V V、MoMo等等元元素素的的合合金金钢钢回回火火的的二二次次硬硬化

18、化效效应应：随随回回火火温温度度的的升升 高高，硬硬度不是持续下降，而是在度不是持续下降，而是在600600左右有硬度最高点。左右有硬度最高点。原因：原因：二二次次淬淬火火作作用用：高高温温下下C C化化物物析析出出使使 内内C C及及合合金金元元素素贫贫化化，Ms,Ms,冷却时冷却时 转变成转变成M M。在在600600左左右右回回火火，体体系系中中有有大大量量细细小小、弥弥散散、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物析析出出，产产生生强强烈烈的的第第二二相相强强化化，从从而而使使钢钢具具有有很很好好的的高高温温强强度度和和硬硬度度。第四十八页，讲稿共五十一页哦合金元素对回火转变的影响合

19、金元素对回火转变的影响对对C C化物的形成，聚集和长大的影响化物的形成，聚集和长大的影响 含含一一种种或或数数种种足足够够浓浓度度W W、MoMo、V V、CrCr等等强强C C化化物物形形成成元元素素的的合合金金钢钢，淬淬火火后后较较高高温温度度回回火火（450650450650）时时，产产生生稳稳定定的的、细细小小弥弥散散的的、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物颗颗粒粒。细细小小弥弥散散、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物的的析析出出及及二二次次淬淬火火共共同同造就了二次硬化现象。造就了二次硬化现象。CoCo虽不阻碍扩散，但虽不阻碍扩散，但固溶体的原子结合力，也使析固溶体的原子结合力，也使析出相不易长大。出相不易长大。第四十九页，讲稿共五十一页哦合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响第五十页，讲稿共五十一页哦感谢大家观看第五十一页，讲稿共五十一页哦