金屬材料學-金屬材料合金化基礎(第一章)教案

1、.講課內(nèi)容補充說明第一章 金屬材料合金化基礎金屬材料按其組成材料的元素是單個還是多個可分為純金屬和合金。按其色質或主要組成元素的種類在習慣上又可分為黑色金屬與合金以及有色金屬與合金兩大類。黑色金屬與合金是指鐵、鉻、錳和以鐵、鉻、錳為主的合金；有色金屬與合金是指除鐵、鉻、錳以外的其它金屬或其主要組成元素不是鐵、鉻、錳的合金。由于鐵基合金（鋼鐵材料）在黑色金屬材料中占據(jù)極其重要的地位，因此本書主要講授鋼（包括鐵基高溫合金）和鑄鐵。也正基于此，習慣上人們常把除鐵和鋼以外的金屬及其合金稱為有色金屬或非鐵合金。本章重點講授鋼的合金化原理，并在此基礎上介紹有色金屬材料合金化的特點。1.1 碳鋼概論在講授鋼

2、的合金化原理之前，我們先介紹碳鋼中的常存雜質及碳鋼的分類與用途。一、碳鋼中的常存雜質碳鋼（也稱碳素鋼）被廣泛地應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，它們不僅價格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求。碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的元素，其中，錳、硅等常稱為常存元素；硫、磷、氧、氮、氫等常稱為雜質元素。它們對碳鋼的性能有一定的影響。1 錳和硅的影響 錳和硅是煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進入鋼中的。錳在碳鋼中的含量一般小于0.8%。主要固溶于鐵中。此外由于錳和硫的結合力比鐵和硫的結合力強，形成穩(wěn)定的MnS夾雜物，這對改善鋼的熱脆性有益。因為FeS熔點

3、較低（1190），與鐵易于形成低熔共晶（989）而且沿晶界連續(xù)分布，引起鋼的熱脆性。適量的錳和雜質硫形成高熔點MnS（1600），MnS在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，在加工過程中硫化錳呈條狀沿軋向分布。必須指出的是，這些夾雜物將使鋼的疲勞強度和塑性、韌性下降。當鋼中含有大量硫化物夾雜時，軋成鋼板后會造成分層。硅在鋼中的含量通常小于0.5%。由于鐵中可以溶入較多的硅，故碳鋼中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入鐵中。此外由于硅和氧的親和力很強，能形成穩(wěn)定的SiO2，在鋼中以夾雜物形式存在而降低鋼的質量。 必須指出的是，只有固溶于鐵素體中的錳和硅才可強化鐵素體基體。 2硫和磷的影響 硫

4、是煉鋼時不能除盡的有害雜質。硫可以大量溶于液態(tài)鋼中，而在固態(tài)鐵中的溶解度極小。硫和鐵能形成FeS，并易于形成低熔點共晶。當鋼凝固結晶時低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100以上時，共晶體就將熔化，因此就引起軋制或鍛造時的晶界碎裂（熱脆）。鑄鋼件雖然不經(jīng)鍛造，但含硫量高時也會引起鑄件在鑄造應力作用下發(fā)生熱裂。此外硫還對鋼的焊接性能有不良影響，即容易導致焊縫熱裂，同時在焊接過程中，硫易于氧化，生成SO2氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。磷也是在煉鋼過程中不能除盡的元素，一般轉爐鋼中殘留較多(允許最高含量為0.09%)，堿性平爐鋼中殘留較少（0.06%），而在堿性電爐和

5、電渣熔煉的鋼中，磷可降至0.02%以下。磷在-鐵中的最大溶解度可達2.55%(1049)。隨著溫度的降低，溶解度逐漸下降。鋼中的磷一般全部固溶于鐵中，并產(chǎn)生固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。此外，磷鐵合金的結晶范圍很寬，因此磷具有嚴重的偏析傾向。磷的有害作用在一定的條件下可以加以利用。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能，特別是鋼中同時含有銅的情況下，它的作用更加顯著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE等低合金高強度結構鋼，在這些鋼中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保證取得細晶組織的條件下

6、（如用Al脫氧的鋼），磷的冷脆作用得以抑制。故在s、b升高的同時，低溫韌性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷還可以改善鋼的切削加工性能。如把鋼中含磷量提高到0.08%0.15%時，可使鐵素體適當脆化，從而提高了鋼的切削加工性。對于硫，可以利用硫化錳降低鋼的塑性，使切削易于斷裂，這樣既可以改善低碳鋼工件加工后的表面粗糙度，又節(jié)省動力；同時這些硫化物在切削過程中，有一定的潤滑作用，可以減少刀具與工件表面的磨損，延長刀具壽命。必須指出的是，這種易切削鋼主要用于自動機床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺釘、螺母等各種標準件和一般小零件等。 3氮、氫、氧的影響 氮是在冶煉時進入鋼中的

7、。氮在-鐵中的溶解度在590時達到最大，約為0.1%，在室溫時則降至0.001%以下，所以通常情況下鐵素體中溶解的氮含量處于過飽和。如果將這樣的鋼材經(jīng)受冷變形后在室溫放置或稍微加熱時，過飽和的氮將逐漸以氮化物的形式沉淀析出，這將使低碳鋼的強度、硬度上升，但塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為機械時效或應變時效。顯然這對低碳鋼的性能不利。必須注意的是，當?shù)吞间撝写嬖阝C、鈦、鈮等合金元素時，氮可以與之形成穩(wěn)定的氮化物，有細化晶粒和沉淀強化的效果。此外氮化鋼就是利用氮化物相強化鋼鐵材料零件的。 氫在鋼中的溶解度甚微，對鋼的組織看不出什么影響。但由于氫和應力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。鋼中較常見的是“白

8、點”和氫致延遲斷裂。鋼中含有過飽和的氫向裂紋尖端三向應力區(qū)內(nèi)形成的微孔核心及其它缺陷處擴散聚集形成氫分子，由于微孔核心等很小，很少的氫氣便可產(chǎn)生相當大的壓力，這種內(nèi)壓力大到足以通過塑性變形或解理使裂紋長大或使微孔長大、連接時便產(chǎn)生氫脆斷裂，呈白點特征。當氫在位錯附近偏聚形成“氣團”時，“氫氣團”的運動遇到障礙產(chǎn)生位錯塞積的同時也就造成了氫的偏聚，當偏聚在裂紋尖端的氫含量達到臨界值時，該區(qū)域發(fā)生脆化，裂紋向前擴展，到一定距離后裂紋擴展停止；當裂紋前方的氫偏聚再次達到臨界值時裂紋再次擴展，如此不連續(xù)式的擴展，最后達到臨界尺寸而失穩(wěn)斷裂。 氧在鋼中的溶解度很小，幾乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、

9、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3等，并且往往形成復合氧化物或硅酸鹽MgOAl2O3、MnOAl2O3。這些非金屬夾雜物有易變形的，如2MnOSiO2、MnOSiO2，與硫化物相似，沿加工方向伸長，呈線段狀；也有不易變形的，如各種氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2和FeO等，沿加工方向呈鏈狀分布。非金屬夾雜物對鋼的質量有重要影響，這種影響不僅和夾雜物的成分、數(shù)量有關，而且還和它的形狀、大小，特別是分布狀況有關。 為了保證鋼材在使用中不出現(xiàn)問題，鋼材生產(chǎn)廠都必須嚴格按照國家標準控制雜質含量和夾雜物的等級；鋼材使用單位即用戶也需對進廠鋼材進行必要的化學成分及雜質的化學分析，對組

10、織和缺陷及夾雜物做金相分析，對力學性能作力學試驗。二、碳鋼的分類在材料科學基礎中，我們曾根據(jù)鐵碳相圖對鐵碳合金進行分類。那時我們把鐵碳合金分為工業(yè)純鐵（wC0.59（其中為碳原子半徑，為合金元素的原子半徑）時，碳與合金元素形成一種復雜點陣結構的碳化物。Cr、Mn、Fe屬于這類元素，它們形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。當0.59時，形成簡單點陣的碳化物（間隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。此類碳化物具有下列特點：碳化物硬度大、熔

11、點高（可高達3000），分解溫度高（可達1200）；間隙相碳化物雖然含有50%60%的非金屬原子，但仍具有明顯的金屬特性；可以溶入各類金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式，在合金鋼中常遇到這類碳化物。實際上鋼中的碳化物，除了上述兩種類型外，在某些條件下，還可出現(xiàn)下述兩種情形：一種是當合金元素含量很少時，合金元素將不能形成自己特有的碳化物，只能置換滲碳體中的鐵原子，常以合金滲碳體的形式出現(xiàn)，如：(FeCr)3、(FeMn)3C等；另一種是合金元素含量有所升高，但仍不足以生成自己特有的碳化物，這時將生成具有復雜結構的合金碳化物，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。除去含量條件以外，保證元素

12、在鋼中的擴散也是形成碳化物的必要條件。因此，碳化物的形成過程與熱處理工藝有著極為密切的關系。碳化物的特性 如果將純金屬和碳化物的硬度作比較，便可看出碳化物的強化能力是很大的，如表1-5所示。形成碳化物傾向性越強的元素，其碳化物硬度也越高。表1-5 純金屬與碳化物的硬度（HV）純金屬TiNbZrVMoWCr-Fe硬度23030030014035040022080碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度3200205528402094148017301650860另外，碳化物是一種很重要的強化相，形成碳化物能力越強的元素，其碳化物穩(wěn)定性越高。穩(wěn)定的碳化物具有高熔點、高分解溫

13、度，難于溶入固溶體，因而也難以聚集長大。其碳化物穩(wěn)定性由弱到強的順序是：Fe3C、M23C6、M6C、MC。如果碳化物穩(wěn)定性高，在溫度和應力長期作用下不易聚集長大，則可大大提高材料的性能和使用壽命。穩(wěn)定性的另一個含義是指碳化物和固溶體（基體）之間不易在高溫下因原子擴散作用而發(fā)生合金元素的再分配。碳化物的穩(wěn)定性對于鋼的熱強性也很重要。首先碳化物可使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強度和硬度。其次在達到相同硬度的條件下，碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、韌性更好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼的好。各種碳化物雖然像一般化合物一樣，可以寫成元素間有一定配比的分子式，但是正因為碳化物

14、具有金屬特性，所以并不像普通的酸、堿、鹽那樣在成分上很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物為基底，固溶入各種合金元素，即合金元素在碳化物中有一定的溶解度。例如Fe3C能溶解大量的合金元素。據(jù)報道，F(xiàn)e3C 中可溶解的Cr量達25%。而Mn在Fe3C中的溶解度是無限的，即隨Mn含量的不斷增加，可由 Fe3C變?yōu)?(FeMn)3C，直到Mn3C。(FeW)3C的成分隨W量增加可變?yōu)?Fe4W2C。即使是間隙型碳化物的成分也不是很固定的。（2）合金元素對固溶體中碳的活度及擴散系數(shù)的影響 合金元素對碳在固溶體中活度的影響 決定C在固溶體中行為的最完備的特性是其活度。由物理化學知識知道，組元的活度與其原子百分濃度相聯(lián)系，即其中為組元的活度系數(shù)。組元的活度系數(shù)的特點是強烈地與其原子狀態(tài)相聯(lián)系，即與組元原子在固溶體中的可動性、組元保留在固溶體中或從固溶體中析出為另一相的能力緊密聯(lián)系著。為了評價合金元素在合金固溶體中對碳的活度的影響，在相同狀態(tài)下選擇具有相同含碳量的非合金