钢的合金化基础.ppt

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1、1,第一章 钢的合金化基础,2,主要内容,0.前言1.钢中合金元素及其分类依据2.合金元素对钢的作用3.钢的强化机制4.改善钢塑性和韧性的途径5.合金元素对钢相变的影响6.钢的冶金质量,3,0 前言,合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金元素、合金钢（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V 常存元素：Mn、Si）注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部分是由于影响相变过程。,4,1.钢中合金元素及其分类依据,一、合金元素在钢中的分布第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：W第七周期：稀土元素、TaS、P一

2、般为杂质元素,5,1.钢中合金元素及其分类依据,一、合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要包括*：溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；溶入基体形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物)-强化相形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物等）第二相以游离状态存在。单质取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等,6,1.钢中合金元素及其分类依据,二、合金元素的分类1、与铁的相互作用（1）奥氏体（austenite）形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，(优先分布于奥氏体中)奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%（2）铁素体

3、（ferrite）形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，(优先分布于铁素体中),7,1.钢中合金元素及其分类依据,二、合金元素的分类2、与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、Zr、Nb等，(形成碳化物或溶于固溶体中),8,1.钢中合金元素及其分类依据,二、合金元素的分类3、对奥氏体层错能的影响分类（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru(钌)、Ir(铱)等。层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。产生

4、单位面积的层错所需能量为“层错能”。（层错能愈小，出现层错的几率愈大）,9,2.合金元素对钢的作用,一、合金元素与铁的相互作用二、合金元素与碳的相互作用三、合金元素对奥氏体层错能的影响,10,2.合金元素对钢的作用,一、合金元素与铁的相互作用研究的目的：利用各元素和铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，获得所需要的组织。,同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。,11,2.合金元素对钢的作用,一、合金元素与铁的相互作用（1）扩大区的元素：C、N、Cu、Mn、Ni、Co等（A4上升、A3下降）,Fe-M无限互溶,Fe-M有限互溶,12,2.合金元素对钢的

5、作用,一、合金元素与铁的相互作用（2）缩小区的元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等（A3上升、A4下降）与铁素体无限互溶元素（Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W）等，使奥氏体区被封闭；与铁素体有限互溶元素（B、Nb、Ta、Zr）等，使奥氏体区缩小。,13,2.合金元素对钢的作用,一、合金元素与铁的相互作用影响因素：点阵类型、原子尺寸、原子结构和电化学因素等。合金元素与铁还可能形成金属间化合物。（如Fe-Cr、Fe-V、Fe-Mo等合金）总结：运用合金元素和铁的相互作用规律，控制合金元素种类和含量，得到所需要的组织。,14,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用表现在是否形

6、成碳化物或形成碳化物倾向性的大小。（强化相）研究目的：所形成碳化物种类、性质和在钢中的分布；对钢的相变的影响。1、非碳化物形成元素：不与C形成化合物，但可固溶于-Fe或-Fe中，或形成氮化物等化合物。元素包括：Ni、Cu、Si、Co、Al、N、P等,15,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用2、碳化物形成元素：（Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti）（1）周期表中Fe的“左”，但有例外！Ni,Co也可形成碳化物，但比Fe3C稳定性差Mn是碳化物形成元素，但易进入Fe3C中，形成合金渗碳体（2）d电子层未满：碳化物具有金属键结合的性质（3）碳化物的稳定性：主要由d电子层

7、的未填满程度决定。由强到弱：Ti,Zr,Nb,V,Mo,W,Cr,Mn,Fe,16,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用碳化物的不同种类1、rc/rme 0.59:复杂点阵碳化物 Cr23C6,Cr7C3,Fe3C 等2、rc/rme 0.59:简单点阵碳化物（间隙相）MeX型：WC,VC,TiC,MoC,TaC,ZrC 等 Me2X型：W2C,Mo2C,Ta2C 等 特点（1）硬度大、熔点高、分解温度高；（2）间隙相碳化物含5060%非金属原子，但很“金属”；（3）可溶入金属原子，使其成为缺位固溶体碳化物,17,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用碳化物的不同种类

8、此外，还有两种类型：合金元素很少时，不能形成碳化物，可以置换渗碳体中的Fe原子，以合金渗碳体的形式存在；如：(FeCr)3C、(FeMn)3C合金元素含量高但不能生成碳化物时，生成复杂结构的合金碳化物。如：Fe2W4C、Fe4W2C、Fe3Mo3C,18,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用碳化物的稳定性(由强到弱)：Fe3C,M23C6,M6C,MC稳定性高，在温度和应力作用下不易长大，可提高材料性能及寿命；在高温下工作可以保证高的强度和硬度；可以在高的温度回火，进一步改善塑性韧性。,19,2.合金元素对钢的作用,二、合金元素与碳的相互作用总结：（1）合金元素与碳的作用关系到所

9、形成碳化物种类、性质和在钢中的分布；（2）对钢的相变的影响。由于合金元素与碳有不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度有较大影响。,20,2.合金元素对钢的作用,三、合金元素对奥氏体层错能的影响（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。层错能越低，有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，使钢的加工硬化趋势增大。如：高镍钢和高锰钢。（锰：加工硬化特点）,21,2.合金元素对钢的作用,三、合金元素对奥氏体层错能的影响对钢相变行为的影响：奥氏体层错能对Fe-Ni-C合金中马氏体形态的影响,22,3.钢的强化机制,强化使金属强度（屈服强度）增大

10、的过程。本质是塑性变形抗力。钢铁材料强度提高，即塑性变形抗力提高，亦即位错运动阻碍增加。钢铁材料塑性流动的本质是位错运动。钢中合金元素的强化作用包括：固溶强化、晶界强化、第二相强化和位错强化强度增加，塑性和韧性降低，强化作用只能应用在一定范围内。,23,3.钢的强化机制,一、固溶强化solution strengthening 强化机制：以合金元素作为溶质原子阻碍位错运动。加入合金元素(溶质原子)基体晶格畸变 阻碍位错运动 位错阻力增加 强化强化的同时要保证塑性、韧性，因此强化元素量要控制。,24,3.钢的强化机制,一、固溶强化solution strengthening 强化量（屈服强度增量

11、）：,Ci 间隙溶质原子分数；Cs置换式溶质原子分数；Ki、Ks比例系数由公式可知，间隙式原子强化作用更大。因此，C、N是钢中最重要的强化元素。但溶解度有限，固溶作用受到限制。置换式原子：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等，强化作用可以叠加。,25,3.钢的强化机制,二、晶界强化*grain boundary strengthening 可以提高强度，还能改善韧性。强化机制：晶界的存在使位错运动受阻，达到强化的目的。强化过程：晶界存在，导致晶界处产生弹性和塑性变形不协调，引起晶界处应力集中，结果在晶界附近引起二次滑移，使位错增殖，形成加工硬化微区，阻碍位错运动。（晶界两侧变形不协调性，诱发位错

12、并增殖，阻碍位错运动）,26,3.钢的强化机制,二、晶界强化*grain boundary strengthening 晶界的存在使位错运动受阻。因此，晶粒越细，晶界数量越多，强化效果越好。Hall-petch 公式：（描述晶界强化）S=0+ks d-1/2S：屈服强度；0：摩擦阻力；ks：晶格障碍强度系数；d：晶粒直径,27,3.钢的强化机制,二、晶界强化grain boundary strengthening S=0+ks d-1/2利用晶界强化的途径：（1）利用合金元素改变晶界的特性，提高Ks和0。（加入C、N、Ni、Si等可在-Fe晶界上偏聚，提高位错运动阻力）；（2）利用合金元素细化

13、晶粒，增加晶界数量。（加入Al、Nb、V、Ti等，形成难熔的第二相质点，阻碍晶界移动，间接细化铁素体或马氏体颗粒。）,28,3.钢的强化机制,二、晶界强化grain boundary strengthening 细化晶粒要求所形成的第二相稳定性高，不易聚集长大。因此，加入能生成强碳化物或强氮化物的元素。如Al、Nb、V、Zr、Nb等。另外，细化晶粒还可以通过热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化等,29,3.钢的强化机制,三、第二相强化the second phase strengthening 机制：当运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过（沉淀强化）或绕过（弥散强化），滑移变形才能进

14、行。这一过程需要消耗额外的能量，而需要提高外应力，造成强化。沉淀强化precipitation strengthening：可变形，与母相有共格关系。弥散强化dispersion strengthening：不参与变形，与基体非共格关系，不溶于基体。,30,3.钢的强化机制,三、第二相强化the second phase strengthening 沉淀强化和弥散强化沉淀相：与母相有共格关系，又叫时效强化相。通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出来的。（合金化加淬火时效，造成理想的沉淀相。）如：在马氏体时效钢中加入Ti、Mo，形成Ni3Ti、Ni3Mo强化相；在亚共析钢中加入过冷奥氏体稳定化元素

15、Cr、Mn、Mo等，可以得到片间距小的珠光体及细小铁素体。,31,3.钢的强化机制,三、第二相强化the second phase strengthening 弥散相：与母相有非共格关系（利用碳化物做弥散相，不参与变形）如：淬火回火钢及球化退火钢利用碳化物做弥散强化相。合金元素作用使碳化物呈细小均匀分布，并防止碳化物长大，加入强碳化物生成元素V、Ti、W、Mo、Nb等,32,3.钢的强化机制,三、第二相强化the second phase strengthening 总之，第二相强化考虑因素：第二相的大小、数量、形态、分布以及性能等。涉及到热处理工艺及参数及合金元素种类及含量。合金元素的作用主

16、要是为形成所需要的第二相粒子提供成分条件。,33,3.钢的强化机制,四、位错强化dislocation strengthening 着眼于位错数量与组态对钢塑变抗力的影响。位错强化机制：位错密度高，位错运动时容易发生相互交割、形成割阶，位错缠结，阻碍位错运动，塑性变形困难，使强度提高。强化量：=Gb1/2 强化系数：；切弹性模量：G 位错密度：；布氏矢量：b,34,3.钢的强化机制,四、位错强化dislocation strengthening 钢中加入合金元素应着眼于使塑性变形时位错易于增殖，或易于分解，提高钢的加工硬化能力。具体途径：细化晶粒形成第二相粒子促进淬火效应降低层错能,35,3.

17、钢的强化机制,四、位错强化dislocation strengthening 细化晶粒：晶界数量增加，位错数量增加；宜加入细化晶粒的合金元素Al、Nb、V、Ti等（晶界强化）形成第二相粒子：位错遇到第二相粒子会绕过时，位错数量增多；宜加入强碳化物形成元素V、Ti、W、Mo、Nb等促进淬火效应：淬火后获得板条M，位错形亚结构；宜加入提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等降低层错能：使位错易于扩展和形成层错，位错交互作用增加，滑移困难，加入降低层错能的元素Mn、Cr、Ru、Ir等,36,3.钢的强化机制,小结：工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。,0 派纳力；i 某种强化机制引起

18、的屈服强度增加量,37,4.改善钢塑性和韧性的途径,塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化及裂纹的形成和扩散有关。塑性plastic：静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率表示；韧性toughness：断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度K、断裂韧性KIC、韧脆转变温度Tk通常以冲击强度的大小来衡量。,38,4.改善钢塑性和韧性的途径,一、改善钢塑性的基本途径塑性指标：均匀真应变（u）：表征均匀塑性变形能力的大小；主要取决于塑性失稳是否易于出现。总真应变（T=u+p）：表征钢的极限塑性变形的能力。p：颈缩后的变形，取决于微孔

19、坑或微裂纹形成的能力。途径：提高均匀塑性的同时，尽量避免或推迟微孔坑的形成，防止裂纹扩展。,39,4.改善钢塑性和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素包括：强化机制溶质原子的影响 固溶强化晶粒大小的影响 晶界强化第二相的影响 第二相强化位错的影响 位错强化,40,4.改善钢塑性和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素1）溶质原子的影响：在-Fe中，加入合金元素，塑性降低。强化元素量增加，塑性降低。（间隙式溶质原子C、N使塑性下降成都远高于置换式溶质原子，其中Mn、Si使塑性损失最大，且加入量越多，均匀应变越低。）在-Fe中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。（见图1.5）,41,4.改善钢塑性

20、和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素2）晶粒大小的影响：细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性。因为：晶粒尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形成。工具钢合金化的主要的出发点,42,4.改善钢塑性和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:(第二相强化)极限塑性(T)第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成为诱发微孔坑的部位。第二相数量越多，易形成微孔坑；第二相尺寸越大，越低；粒子呈针状或片状对T危害较大，球状时危害较小；第二相粒子均匀分布时对T危害较小，沿晶界分布危害较大。因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散的分布。（发挥弥散强化的作用）,43,4.改善钢塑性和韧性的途径

21、,二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限塑性危害较小。因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制,44,4.改善钢塑性和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:第二相粒子强化时，改善塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状和分布；（可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球状、细小、均匀、弥散分布）减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。(减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入Ca、Zr或稀土元素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析出。),45,4.改善

22、钢塑性和韧性的途径,二、影响钢塑性的主要因素4）位错的影响：位错密度增加，塑性降低。如：在钢强化时，如有间隙原子C、N会钉扎位错（碳氮等小原子偏聚在位错下，使位错稳定化），阻碍位错运动，降低塑性。此时，加入少量Ti、V、Nb等微量元素固定间隙原子，使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。,46,三、改善钢韧性的途径,断裂抗力：冲击韧性 Ak、断裂韧性 KIC、脆性转变温度 Tk断裂类型：延性断裂、解理断裂、沿晶断裂（1）延性断裂：断口为孔坑型微观机制：微孔坑的形成、聚集和长大的过程；宏观上：塑性断裂：断裂前有大的塑性变形；脆性断裂：断裂前无大塑性变形,4.改善钢塑性和韧性的途径,47,三、改善

23、钢韧性的途径,（1）改善延性断裂的途径减少或细化钢中第二相的数量：防止孔坑的形成.断裂韧性与第二相质点关系:,4.改善钢塑性和韧性的途径,D第二相粒子直径；第二相体积分数,改善韧性又保证强度措施：（1）选用细小且与基体结合好的析出相为强化相，或细化强化相颗粒；（2）球状第二相韧性好；宜加入Zr、稀土等元素，使硫化物球状。,48,三、改善钢韧性的途径,（1）改善延性断裂的途径提高机体组织塑性：防止裂纹在基体中扩展 强度越高，断裂韧性越低。裂纹扩展阻力减小，使KIC减小。宜减少基体组织中固溶强化效果大的元素，Si、Mn、P、C、N提高组织均匀性：防止塑性变形的不均匀性，以减少应力集中。（如碳化物要

24、弥散分布，不要在沿晶界分布。对淬火回火钢，改善韧性要提高回火温度。）,4.改善钢塑性和韧性的途径,49,三、改善钢韧性的途径,（2）改善解理断裂抗力的途径冷脆现象：当温度低于某一临界温度时，材料由塑性变为脆性。措施：细化晶粒（正火、控制轧制、加入细化晶粒元素）降低冷脆转变温度 Tk（加入Ni元素）更换基体组织为没有冷脆现象的奥氏体钢,4.改善钢塑性和韧性的途径,50,三、改善钢韧性的途径,（3）改善沿晶断裂抗力的途径晶界弱化引起沿晶断裂。（回火、过热、过烧）因素：溶质原子在晶界上偏聚，晶界能量降低，裂纹易于沿晶界形成和扩展；第二相质点沿晶界分布，使微裂纹在晶界处形成，并使住裂纹沿晶界传播。措施：防止溶质原子沿晶界分布和第二相粒子沿晶界析出。（加入合金元素Mo、Ti、Zr等；减少硫含量或加入稀土）,4.改善钢塑性和韧性的途径,51,5.合金元素对钢相变的影响,52,6.钢的冶金质量,一、钢的低倍缺陷：疏松、缩孔、偏析、气泡、裂纹、白点二、钢的高倍缺陷：带状组织、非金属夹杂、碳化物液析、魏氏组织、网状碳化物三、断口分析：,