金屬材料學(xué)第1章鋼的合金化概論

1、2022年6月5日工程材料導(dǎo)論講義工程材料導(dǎo)論講義 曹志強(qiáng)教授曹志強(qiáng)教授 電話：電話：84706169 手機(jī)：手機(jī)E-mail: 大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022年6月5日第第1篇篇 鋼鐵材料鋼鐵材料2022年6月5日重點(diǎn)及基本要求重點(diǎn)及基本要求2 第第1章是章是本課程基礎(chǔ)和重點(diǎn)，要求本課程基礎(chǔ)和重點(diǎn)，要求全面全面掌握掌握了解了解鋼中的常鋼中的常見見合金元素合金元素對(duì)鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握對(duì)鋼的組織、熱處理及性能的影響規(guī)律，掌握合金元素合金元素的加入對(duì)鋼的基本強(qiáng)化機(jī)制的影響。的加入對(duì)鋼的基本強(qiáng)化機(jī)制的影響。 難點(diǎn)難點(diǎn)

2、是是合金元素合金元素對(duì)鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響對(duì)鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響 第第1章章 鋼的合金化概念鋼的合金化概念foundamental of alloy steel2022年6月5日概概 述述 合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元合金鋼：在化學(xué)成分上有目的地加入合金元素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力素，用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及力學(xué)性能要求的鐵基合金學(xué)性能要求的鐵基合金o合金元素：是指特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、合金元素：是指特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機(jī)械性能的化學(xué)元素?；瘜W(xué)和機(jī)械性能的化學(xué)元素。（主動(dòng)加入）（主動(dòng)加入）o雜

3、質(zhì)：由冶煉時(shí)原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化雜質(zhì)：由冶煉時(shí)原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學(xué)元素。學(xué)元素。2022年6月5日第1章 鋼的合金化概念 1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用 1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成 1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚 1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變 1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響 1.6 合金元素對(duì)鋼工藝性的影響合金元素對(duì)鋼工藝性的影響 1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用 1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年6月5日 一、鋼中的

4、雜質(zhì)一、鋼中的雜質(zhì) P、S、Mn、Si、Al、H、O、N、Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。等。 P（礦石）、（礦石）、S（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含（焦炭帶入，本溪鋼鐵不含S，焦炭水洗可降硫）。，焦炭水洗可降硫）。1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.1.1鋼中的元素鋼中的元素 熱脆性熱脆性 S FeS(Fe-FeS熔點(diǎn)熔點(diǎn)989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（Fe-Fe3P硬脆1050 ）？ 2022年6月5日 Mn、Si、Al是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)是由脫氧劑帶入，由鋁脫氧產(chǎn)生了鎮(zhèn)靜鋼，用生了鎮(zhèn)靜鋼，用Mn、Si脫氧的為沸騰鋼。脫氧的為沸騰鋼。 Mn、Si脫氧劑脫氧劑 : Fe

5、OMnFeMnO FeOSiFeSiO2 FeSMnMnSFe（防止熱（防止熱脆）脆）2022年6月5日 復(fù)雜氧化物復(fù)雜氧化物 MgO.Al2O3，MnO.Al2O3鋼中氧化物夾雜鋼中氧化物夾雜*特點(diǎn)：性脆，易斷裂，一般無塑性。特點(diǎn)：性脆，易斷裂，一般無塑性。因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布因此，氧化物在鋼材鍛軋后，沿加工方向呈鏈狀分布二、二、 雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）雜質(zhì)元素在鋼中的分布（存在形式）（1）氧化物）氧化物o簡(jiǎn)單氧化物簡(jiǎn)單氧化物 FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等等2022年6月5日鋼中的鋼中的MnS夾雜夾雜（2） 硫化物硫化物常見

6、：常見：MnS，F(xiàn)eS 特點(diǎn)：特點(diǎn)： MnS有較高的塑性，熱有較高的塑性，熱加工時(shí)沿加工方向呈帶狀、纖加工時(shí)沿加工方向呈帶狀、纖維狀或線狀分布維狀或線狀分布2022年6月5日三、我國的資源情況及合金系統(tǒng)我國的資源情況及合金系統(tǒng)o儲(chǔ)量豐富，可大量開采：儲(chǔ)量豐富，可大量開采： SiSi，V V，TiTi，NbNb，B B，稀土等，稀土等oMnMn的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約的資源豐富，但由于用量大，應(yīng)節(jié)約oW W，MoMo的資源豐富，用途廣泛的資源豐富，用途廣泛oNiNi，CrCr，CoCo資源很少資源很少2022年6月5日*一般情況下，奧氏體形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵一般情況下，奧氏體

7、形成元素易優(yōu)先分布于奧氏體中，鐵素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。素體形成元素易優(yōu)先分布于鐵素體中。1.奧氏體形成元素奧氏體形成元素 C, N, Cu, Mn, Ni, Co2.鐵素體形成元素鐵素體形成元素 Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Si, Al（一）（一） 按與按與Fe相互作用分類相互作用分類2022年6月5日2.碳化物形成元素碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V， W，Mo， Cr，Mn， Fe 1.非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等等中強(qiáng)中強(qiáng)（二）（二） 按與按與C相互作用（親和相互作用（親和力大?。┓诸惲?/p>

8、大?。┓诸愖顝?qiáng)最強(qiáng)弱弱2022年6月5日（三）按對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類（三）按對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類（1）層錯(cuò)能的概念：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的）層錯(cuò)能的概念：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的能量。能量。 （2）奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼的組織和性能的影響。）奧氏體層錯(cuò)能對(duì)鋼的組織和性能的影響。一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成位錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)成位錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)增大。增大。1.提高奧氏體層錯(cuò)能元素提高奧氏體層錯(cuò)能元素 Ni，Cu，C等等2.降低奧氏體層錯(cuò)能元素降低奧氏體層錯(cuò)能元素 Mn，Cr，Ru（釕），（釕），Ir（銥

9、）等（銥）等2022年6月5日 1.擴(kuò)大奧氏體擴(kuò)大奧氏體()區(qū)元素區(qū)元素 1.1.2鐵基二元相圖鐵基二元相圖圖圖1-1合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（a)Ni,Mn,Co使使A3，A4，區(qū)擴(kuò)大區(qū)擴(kuò)大a) 與與區(qū)無限固溶區(qū)無限固溶 Ni、Mn、Co 開啟開啟區(qū)區(qū) 量大時(shí)，量大時(shí)， 室溫為室溫為相；相；2022年6月5日?qǐng)D圖1-2合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（b)C,N Cub) 與與區(qū)有限固溶區(qū)有限固溶 C、N、Cu 擴(kuò)大擴(kuò)大區(qū)。區(qū)。2022年6月5日2. 縮小奧氏體縮小奧氏體()區(qū)元素區(qū)元素圖圖1-3合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)（c)Cr,V使使A

10、3，A4，區(qū)縮小區(qū)縮小完全封閉完全封閉區(qū)區(qū) Cr、VCr、V與與-Fe完全互溶，完全互溶，量大時(shí)量大時(shí)相相 ? 2022年6月5日Ti，W，Mo，Al，Si，Be, B，Nb，Ta，Zr等等與與-Fe形形成有限固溶體。成有限固溶體。圖圖1-4合金元素和合金元素和Fe的作用形態(tài)的作用形態(tài)Mo,W,Tib) 縮小縮小區(qū)區(qū) W、Mo、TiNb等等部分溶解部分溶解。穩(wěn)定穩(wěn)定相相 A形成元素，穩(wěn)定形成元素，穩(wěn)定相相 形成元素。形成元素。2022年6月5日元素?cái)U(kuò)大或縮小元素?cái)U(kuò)大或縮小相區(qū)相區(qū)，一般認(rèn)為是以下幾，一般認(rèn)為是以下幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果個(gè)因素共同作用的結(jié)果(1) 合金元素的點(diǎn)陣類型（與合金元素的

11、點(diǎn)陣類型（與-Fe相同還相同還是是-Fe相同）相同）(2) 原子尺寸因素（與原子尺寸因素（與Fe原子半徑之比）原子半徑之比）3.合金元素?cái)U(kuò)大、縮小合金元素?cái)U(kuò)大、縮小相區(qū)的影響因素相區(qū)的影響因素2022年6月5日第四周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 3d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 3 5 第五周期第五周期 Zr Nb Mo 4d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 4 5第六周期第六周期 Hf Ta W （Re）5d層電子數(shù)層電子數(shù) 2 3 4 5次電子層，電子數(shù)5，縮小區(qū)，次電子層，次電子層，電子數(shù)電子數(shù)5 5 ( (MnMn=5) =5) ，擴(kuò)大，擴(kuò)大區(qū)。區(qū)。 (3)電子層結(jié)構(gòu)因素電子層結(jié)構(gòu)因素

12、Ni，Mn，Co能在能在Fe中形成無限固溶體，中形成無限固溶體，Cr，V在在-Fe中形成無限固溶體。中形成無限固溶體。2022年6月5日 通過控制鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧通過控制鋼中擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整氏體相區(qū)的元素含量，就可以控制和調(diào)整鋼的組織：鋼的組織： 為了得到室溫奧氏體組織，可加為了得到室溫奧氏體組織，可加Ni，Mn，N等等 為了得到室溫鐵素體組織，可加為了得到室溫鐵素體組織，可加Cr，Si，Al，Ti等等 如：如：1Cr18Ni9 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 1Cr17 鐵素體不銹鋼鐵素體不銹鋼4.合金元素與合金元素與Fe相互作用理論在工程實(shí)際中

13、的意義相互作用理論在工程實(shí)際中的意義2022年6月5日思考題 1.擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素有哪些？縮小奧氏體區(qū)元素有哪些？碳化物形成元素有哪些？非碳化物形成元素有哪些？增加奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？降低奧氏體層錯(cuò)能的元素有哪些？2022年6月5日 FeC相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度相圖是研究鋼相變和碳鋼熱處理加熱溫度的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對(duì)鋼相變的影響，的選擇依據(jù)。因此，研究合金元素對(duì)鋼相變的影響，首先要了解合金元素對(duì)首先要了解合金元素對(duì)FeC相圖的影響。相圖的影響。合金元素對(duì)鋼相變的影響合金元素對(duì)鋼相變的影響 加熱加熱(奧氏體化奧氏體化) 冷卻冷卻(奧氏體分解奧氏體分解) 淬火鋼回火

14、轉(zhuǎn)變影響淬火鋼回火轉(zhuǎn)變影響1.1.3合金元素對(duì)合金元素對(duì)FeC相圖的影響相圖的影響32022年6月5日附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖附圖：以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相圖2022年6月5日1.1.3.1對(duì)對(duì)S、E點(diǎn)成分的影響點(diǎn)成分的影響圖圖1-5Cr元素對(duì)元素對(duì)區(qū)的影響區(qū)的影響圖圖1-6Mn元素對(duì)元素對(duì)區(qū)的影響區(qū)的影響A形成元素均使形成元素均使S、E點(diǎn)向點(diǎn)向左下方左下方移動(dòng)，移動(dòng)， F形成元素使形成元素使S、E點(diǎn)向點(diǎn)向左上方左上方移動(dòng)。移動(dòng)。 2022年6月5日?qǐng)D圖1-7常見合金元素對(duì)常見合金元素對(duì)共析碳含量的影響共析碳含量的影響S點(diǎn)左移，意味著共析意味著共析C量減小量減小 ；意味著鋼中含

15、碳量小于0.77時(shí)，就會(huì)變?yōu)檫^共析鋼而析出二次滲碳體。2022年6月5日 E點(diǎn)左移意味著出現(xiàn)萊氏體組織的含碳量降低，這樣鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2時(shí)就可以出現(xiàn)共晶萊氏體。保持到室溫時(shí)高速鋼W18Cr4V鋼（含碳0.70.9）中會(huì)出現(xiàn)萊氏體。 4Cr13不銹鋼，由于含Cr13，致使共析點(diǎn)移至0.4C附近，從而使4Cr13變?yōu)檫^共析鋼。2022年6月5日1.1.3.2合金元素對(duì)臨界溫度點(diǎn)的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）線向下移動(dòng)；）線向下移動(dòng)； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）線向上移動(dòng)）線向上移動(dòng)對(duì)對(duì)-Fe區(qū)的影響區(qū)的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使

16、-Fe區(qū)擴(kuò)大區(qū)擴(kuò)大鋼在室鋼在室溫下也為溫下也為A體體 奧氏體鋼；奧氏體鋼； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe區(qū)縮小區(qū)縮小鋼在鋼在室室溫下仍為溫下仍為F體體 鐵素體鋼。鐵素體鋼。2022年6月5日1.1.3.3合金元素對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變速度的影響 碳化物形成元素使奧氏體過程大大減緩，除碳化物形成元素使奧氏體過程大大減緩，除Co（Al）外（不易分解擴(kuò)散，）外（不易分解擴(kuò)散，T、t升高），升高），Mo、W、Cr、V等阻礙奧氏體長(zhǎng)大，細(xì)化晶等阻礙奧氏體長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒。粒。圖圖1-8常見合金元素對(duì)常見合金元素對(duì)共析溫度的影響共析溫度的影響2022年6月5日1.1.3.4對(duì)C曲線和淬透性的影響 除除C

17、o外，外，C曲線全部右移，臨界冷卻速度曲線全部右移，臨界冷卻速度減小，淬透性提高。減小，淬透性提高。 淬透性由強(qiáng)到弱淬透性由強(qiáng)到弱 Mo、W、 Mn、 Cr、Ni、Si、V 多元少量有利于提高淬透性多元少量有利于提高淬透性，使，使Ms、Mf不不至降低太多。至降低太多。 碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)碳化物形成元素（固溶在基體中）甚至導(dǎo)致致C曲線出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域。曲線出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域。2022年6月5日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合

18、金鋼中的相變1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對(duì)鋼工藝性的影響合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年6月5日1.2合金鋼中的相組成合金元素在鋼中的分布合金元素在鋼中的分布合金元素在鋼中的存在形式合金元素在鋼中的存在形式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等2022年6月5日1.2.

19、1 形成鐵基置換固溶體形成鐵基置換固溶體 金屬元素易溶入金屬元素易溶入F，A，M中，以固溶體形中，以固溶體形式存在。式存在。 r/r鐵 8% 可形成無限固溶體（Cr，V，Mn，Ni，Co等） 8%r/r鐵鐵 15% 很小的固溶度，很小的固溶度，Zr，Hf2022年6月5日合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固溶情況合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固溶情況 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)無限無限無限無限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*無限無限無限無限無限無限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與注：有些元素的固溶度與C C量有關(guān)量有關(guān) 不同元素的固溶情況是不同

20、的。為什么不同元素的固溶情況是不同的。為什么? ?2022年6月5日 常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子電子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)235567810原子半徑原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R/R%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、電子結(jié)構(gòu)是、電子結(jié)構(gòu)是3d3d層電子數(shù)；層電子數(shù)；2 2、原子半徑是配位數(shù)、原子半徑是配位數(shù)1212的數(shù)值的數(shù)值 2022年6

21、月5日 合金元素的固溶規(guī)律，合金元素的固溶規(guī)律， 即即Hume-Rothery規(guī)律：規(guī)律： 決定組元在置換固溶體中的溶解決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是度因素是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑原子半徑和和電電子因素子因素，無限固溶必須使這些因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似相同或相似. .2022年6月5日（1）Ni、Mn、Co與與-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子 半徑和電子結(jié)構(gòu)相似半徑和電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；無限固溶；（2）Cr、V與與-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和 電子結(jié)構(gòu)相似電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；無限固溶；（3）Cu和和-Fe點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、

22、原子半徑相近， 但電子結(jié)構(gòu)差別大但電子結(jié)構(gòu)差別大有限固溶；有限固溶；（4）原子半徑對(duì)溶解度影響：）原子半徑對(duì)溶解度影響：R8%， 可以形成無限固溶；可以形成無限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度極小。，溶解度極小。結(jié)結(jié)論論2022年6月5日 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不：同一溶劑金屬不 同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的 如如-Fe與與-Fe 。溶質(zhì)原子大小溶質(zhì)原子大?。簉，溶解度，溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 間隙位置間

23、隙位置 優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置 畸變?yōu)樽钚??；優(yōu)樽钚　?間隙位置總是沒有被填滿間隙位置總是沒有被填滿 最小自由能原理。最小自由能原理。 1.2.2間隙固溶體間隙固溶體2022年6月5日1.2.3. 形成強(qiáng)化相（化合物相）形成強(qiáng)化相（化合物相） 一、鋼中常見的碳化物一、鋼中常見的碳化物 K類型、大小、形狀和分布對(duì)鋼的性能類型、大小、形狀和分布對(duì)鋼的性能有很重要的作用。有很重要的作用。 非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由強(qiáng)到弱排列）（由強(qiáng)到弱排列）2022年6月5日鋼中常見的鋼中常見的K

24、類型有：類型有： M3C：滲碳體，正交點(diǎn)陣；滲碳體，正交點(diǎn)陣； M7C3：例例Cr7C3，復(fù)雜六方，復(fù)雜六方 ； M23C6：例例Cr23C6，復(fù)雜立方，復(fù)雜立方 ； M2C：例例Mo2C、W2C，密排六方，密排六方 ； MC：例例VC、TiC，簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣，簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣 ； M6C：不是一種金屬不是一種金屬K。復(fù)雜六方點(diǎn)陣。復(fù)雜六方點(diǎn)陣 。 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成復(fù)合；可形成復(fù)合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 2022年6月5日 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6 、M7C3 、M3C。 特點(diǎn)：硬度特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差；熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差； 簡(jiǎn)

25、單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。又稱間隙相。 特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。 M6C型型不屬于金屬型的碳化物不屬于金屬型的碳化物, 復(fù)雜結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。2022年6月5日1 1、K K類型類型 K K類型與類型與MeMe的原子半徑有關(guān)的原子半徑有關(guān)。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 二、二、K K形成的一般規(guī)律形成的

26、一般規(guī)律2022年6月5日 rc/rMe 0.59 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相，如簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少時(shí)，形成復(fù)合量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（，如（Cr, M）23C6型型 。2022年6月5日2 2、相似者相溶相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解：一般有限溶解：一

27、般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合都能溶解其它元素，形成復(fù)合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值為最大值為 20%Cr， 2%W， 400，Me開始開始重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基體中，形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進(jìn)形成元素逐步進(jìn)入析出的入析出的K中，其程度決定于回火溫度和時(shí)間。中，其程度決定于回火溫度和時(shí)間。2022年6月5日思考題 1.合金元素對(duì)相變臨界成分點(diǎn)如何影響？合金對(duì)相變臨界溫度點(diǎn)有何影響？ 2.合金元素在鋼中有哪5種存在方式？ 3.碳化物有哪3種形式？2022年6月5日第1章 鋼的合金化概念 1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和

28、鐵的作用 1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成 1.3 合金元素在鋼中的偏聚合金元素在鋼中的偏聚 1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變 1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響 1.6 合金元素對(duì)鋼工藝性的影響合金元素對(duì)鋼工藝性的影響 1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用 1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年6月5日偏聚偏聚現(xiàn)象現(xiàn)象 Me偏聚偏聚 缺陷處缺陷處C 基體平均基體平均C 這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。這種現(xiàn)象也稱為吸附現(xiàn)象。 偏聚現(xiàn)象對(duì)鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，偏聚現(xiàn)象對(duì)鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，如晶界擴(kuò)散、晶界斷裂、

29、晶界腐蝕、相變形核等如晶界擴(kuò)散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等都與此有關(guān)都與此有關(guān). Me+：溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處吸附，形成柯氏氣團(tuán)；：溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處吸附，形成柯氏氣團(tuán)； Me+ ：溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處吸附形成鈴木氣團(tuán)；：溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處吸附形成鈴木氣團(tuán)； Me+ ：溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)吸附形成：溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)吸附形成Snoek氣團(tuán)氣團(tuán).2022年6月5日 B的偏聚有利于改善晶界強(qiáng)度的偏聚有利于改善晶界強(qiáng)度，抑制其他元素偏聚；，抑制其他元素偏聚；微量微量B在晶界吸附時(shí)，抑制在晶界吸附時(shí)，抑制F形核，使形核，使F+P轉(zhuǎn)變曲線右移。轉(zhuǎn)變曲線右移。從而增加奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼淬透性。從而增加奧氏體穩(wěn)

30、定性，提高鋼淬透性。但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。但不使貝氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移。2022年6月5日偏聚偏聚機(jī)理機(jī)理 溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原 子容易存在；子容易存在；能量學(xué)能量學(xué)：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能， 符合自然界最小自由能原理。（在沒有強(qiáng)制外符合自然界最小自由能原理。（在沒有強(qiáng)制外 力作用下，事物總是朝著能量力作用下，事物總是朝著能量的方向發(fā)生。的方向發(fā)生。 即使暫時(shí)不發(fā)生，

31、也存在潛在的趨勢(shì)。即使暫時(shí)不發(fā)生，也存在潛在的趨勢(shì)。熱力學(xué)熱力學(xué)：該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì)：該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì) 原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。2022年6月5日RTECCexp0影響影響因素因素 缺陷處缺陷處溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度 溫度溫度T ：T，內(nèi)吸附強(qiáng)烈；，內(nèi)吸附強(qiáng)烈； 時(shí)間時(shí)間t：偏聚：偏聚需要需要原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散需要一定時(shí)間需要一定時(shí)間； 缺陷本身：缺陷越混亂，缺陷本身：缺陷越混亂，E，吸附也越強(qiáng)烈，吸附也越強(qiáng)烈; 其它元素：間接作用其它元素：間接作用 : 優(yōu)先吸附問題，優(yōu)先吸附問題，BC 直接作用直接作用: 影響吸附元素影響吸附

32、元素Dp； MnDP，使，使P擴(kuò)散加快，促進(jìn)了鋼的回火脆性；擴(kuò)散加快，促進(jìn)了鋼的回火脆性； Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。 點(diǎn)陣類型：點(diǎn)陣類型：bcc點(diǎn)陣內(nèi)吸附較點(diǎn)陣內(nèi)吸附較fcc強(qiáng)烈強(qiáng)烈2022年6月5日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對(duì)鋼工藝性的影響合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作

33、用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年6月5日1.4合金元素對(duì)鋼相變的影響合金元素對(duì)鋼相變的影響 1.4.1、合金鋼的加熱、合金鋼的加熱A化化 1.4.2、合金鋼過冷、合金鋼過冷A體的分解體的分解 1.4.3、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變、合金鋼的回火轉(zhuǎn)變2022年6月5日1、K在在A中的溶解規(guī)律中的溶解規(guī)律 基基本本規(guī)規(guī)律律 1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越??；穩(wěn)定性越好，溶解度就越?。?2）溫度）溫度，溶解度，溶解度， 彌散強(qiáng)化；彌散強(qiáng)化； 3）K穩(wěn)定差的先溶解穩(wěn)定差的先溶解 ; 4）A中有弱中有弱K形成元素，則會(huì)形成元素，則會(huì)C 活度活度ac ， K的溶

34、解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）則相）則相 反反,ac，K的溶解。如：較多的溶解。如：較多Mn的存在的存在 使使VC的溶解溫度從的溶解溫度從1100降至降至900。1.4.1合金鋼的加熱奧氏體化合金鋼的加熱奧氏體化2022年6月5日 圖1-9碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系 2022年6月5日2 2、A體均勻化體均勻化 A體剛形成時(shí)，體剛形成時(shí)，C和和Me的分布是不均勻的的分布是不均勻的. 合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別 ?3 3、A體晶粒長(zhǎng)大體晶粒長(zhǎng)大 1）Ti、Nb、V，W

35、、Mo晶粒長(zhǎng)大；晶粒長(zhǎng)大； 2）C、N、B晶粒長(zhǎng)大；晶粒長(zhǎng)大； 3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大 。2022年6月5日1.4.2合金元素對(duì)過冷合金元素對(duì)過冷分解的影響分解的影響 過冷過冷A A體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長(zhǎng)大。質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長(zhǎng)大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持，大致保持 C鋼的鋼的“C”線形狀，使線形狀，使 “C”線向右作不同程度的移動(dòng)；線向右作不同程度的移動(dòng)；2） Co不改變不改變“C”線，但使線，

36、但使“C”線左移；線左移；3）K形成元素，使形成元素，使“C”線右移，且改變形狀。線右移，且改變形狀。 Me不同作用，使不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)不同形狀，大致曲線出現(xiàn)不同形狀，大致 有五種。有五種。2022年6月5日?qǐng)D圖1-101-10“C C”曲線五種形狀曲線五種形狀2022年6月5日 圖1-11常用合金元素對(duì)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲常用合金元素對(duì)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響線的影響 ( (上左上左) ) 強(qiáng)強(qiáng)K形成元素形成元素 ( (上右上右) ) 中、中、弱弱K形成元素形成元素 ( (下左下左) ) 非非K形成元素形成元素 2022年6月5日 主要是對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響，即主要是對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度

37、的影響，即Ms和和Mf點(diǎn)的點(diǎn)的影響影響 Ms=538-474C-33Mn-17Cr-17Ni-11Si-21Mo-11W。 每每1%合金含量引起馬氏體溫度下降值合金含量引起馬氏體溫度下降值 除除Co，Al外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，外，大多數(shù)合金元素固溶在奧氏體中，均使均使Ms點(diǎn)下降，增加殘余奧氏體的含量，其中點(diǎn)下降，增加殘余奧氏體的含量，其中C的影響最強(qiáng)烈。的影響最強(qiáng)烈。 順序：順序：C，Mn， Mo， Cr，Ni，Si，W2022年6月5日含含 碳碳 量量 對(duì)對(duì) 馬馬 氏體轉(zhuǎn)氏體轉(zhuǎn) 變變 溫溫 度度 的的 影影響響含碳含碳 量對(duì)殘余奧氏體量對(duì)殘余奧氏體 量的影響量的影響圖圖1-12含

38、碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響圖圖1-13含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響2022年6月5日?qǐng)D圖1-14合金元素對(duì)合金元素對(duì)1.0%C碳鋼碳鋼Ms點(diǎn)的影響點(diǎn)的影響圖圖1-15合金元素對(duì)合金元素對(duì)1.0%C碳鋼碳鋼1150 淬火后殘余奧氏體含量的影響淬火后殘余奧氏體含量的影響 2022年6月5日思考題：思考題： W、Mo等元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對(duì)等元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解? 對(duì)一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其對(duì)一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其MS點(diǎn)點(diǎn)不能太低，為什么不能太低，為

39、什么?2022年6月5日1.4.3.合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響變的影響回火穩(wěn)定性：淬火鋼對(duì)回火過程中發(fā)生的各種軟化傾向（如馬氏體的分解，殘余奧氏體分解、碳化物的析出與鐵素體的再結(jié)晶）的抵抗能力。 合金鋼回火穩(wěn)定性優(yōu)于碳素鋼，因此回火溫度可高，時(shí)間可長(zhǎng)?；鼗疬^程回火過程馬氏體的分解馬氏體的分解殘余奧氏體的分解殘余奧氏體的分解碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)大碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)大Fe的回復(fù)和再結(jié)晶的回復(fù)和再結(jié)晶 鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會(huì)發(fā)生一系列鋼淬火后，內(nèi)部組織很不穩(wěn)定，隨回火溫度的不同，淬火組織會(huì)發(fā)生一系列的組織轉(zhuǎn)變，包括：的組織轉(zhuǎn)變，包括：

40、2022年6月5日1、M分解分解低溫回火：低溫回火：C和和Me擴(kuò)散較困難，擴(kuò)散較困難，Me影響不大影響不大 中溫以上：中溫以上：Me活動(dòng)能力增強(qiáng)，對(duì)活動(dòng)能力增強(qiáng)，對(duì)M分解產(chǎn)生不分解產(chǎn)生不同程度影響同程度影響: 1）Ni、Mn的影響很??；的影響很??； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度與它們分解，其程度與它們與與C的親和力大小有關(guān)。這些的親和力大小有關(guān)。這些Meac，阻止了，阻止了滲碳體的析出長(zhǎng)大；滲碳體的析出長(zhǎng)大；2022年6月5日 3）Si比較特殊：比較特殊： Fe和和C的的結(jié)合力結(jié)合力 ,a,ac c -FeXC的形核、長(zhǎng)大的形核、長(zhǎng)大Si能溶于能溶于，不溶于，不溶于Fe3C，S

41、i要從要從中出去中出去 Fe3C 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解溫度從分解溫度從260提高到提高到350以上以上2022年6月5日基基本本規(guī)規(guī)律律 滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)；滲碳體形成開始溫度基本與合金化無關(guān)； 含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 鋼（線鋼（線2 2）和）和C C鋼（線鋼（線1 1）規(guī)律相同；）規(guī)律相同； 在相同回火溫度在相同回火溫度T1下，合金鋼馬氏體中含下，合金鋼馬氏體中含 C量要比量要比C鋼的高，如圖中的鋼的高，如圖中的C3 C1，2 ； 不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物 的溫度

42、的溫度TK是不同的，線是不同的，線3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。4 4）合金鋼回火時(shí)）合金鋼回火時(shí)M M中含中含C C量變化規(guī)律量變化規(guī)律5 52022年6月5日低溫低溫Tc 以下（以下（150200）回火時(shí)，由于溫）回火時(shí)，由于溫度低，不僅合金元素?cái)U(kuò)散度低，不僅合金元素?cái)U(kuò)散困難，連困難，連C擴(kuò)散也困難，擴(kuò)散也困難，只能發(fā)生偏聚和短距離擴(kuò)只能發(fā)生偏聚和短距離擴(kuò)散，沉淀析出與散，沉淀析出與相保持相保持共格的共格的碳化物。合金元碳化物。合金元素仍均勻分布在素仍均勻分布在相和相和碳化物中不作重新分配。碳化物中不作重新分配。所以所以合金元素對(duì)馬氏體分合金元素對(duì)馬氏體分解影響不大解影響

43、不大。圖圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化回火馬氏體中碳含量的變化2022年6月5日 溫度升高到溫度升高到TCTk，碳元素活動(dòng)能力增加，碳鋼含碳量顯，碳元素活動(dòng)能力增加，碳鋼含碳量顯著降低，而由于合金元素對(duì)著降低，而由于合金元素對(duì)M分解的阻礙作用較大，結(jié)果分解的阻礙作用較大，結(jié)果合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線合金鋼中碳含量明顯高于碳鋼（曲線3） 。溫度高于。溫度高于Tk后后合金鋼的合金元素?cái)U(kuò)散能力顯著增加，二者差距縮小。合金鋼的合金元素?cái)U(kuò)散能力顯著增加，二者差距縮小。 碳化物形成元素強(qiáng)烈碳化物形成元素強(qiáng)烈阻礙馬氏體分解和碳化物析出長(zhǎng)大，推遲推遲C從從M中析出，使得：含碳化物形成元素的鋼中中析

44、出，使得：含碳化物形成元素的鋼中C從從M中析出的溫度從一般碳鋼中析出的溫度從一般碳鋼250300提高到提高到400500，有時(shí)即使到有時(shí)即使到550或更高溫度也難以使或更高溫度也難以使C完全從完全從相中析出，相中析出，表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。表現(xiàn)為回火穩(wěn)定性高。圖圖1-16回火馬氏體中碳含量的變化回火馬氏體中碳含量的變化2022年6月5日 中、高碳鋼（C0.5）及合金鋼淬火后，組織都有殘余，特別是合金元素量大時(shí)，更是如此。殘余殘余在高于在高于200開始分解，于開始分解，于300完成。合完成。合金元素一般使殘金元素一般使殘的分解溫度升高。其中的分解溫度升高。其中Cr，Mn，Si作用最大。作用最大。高

45、合金鋼合金元素比較多，殘余高合金鋼合金元素比較多，殘余穩(wěn)定性更大，穩(wěn)定性更大，所以回火溫度一般在所以回火溫度一般在500600，盡管回火溫度，盡管回火溫度比較高，殘余比較高，殘余也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時(shí)高合也只能發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，有時(shí)高合金鋼為了消除殘金鋼為了消除殘，往往需要二次或更多次的，往往需要二次或更多次的高溫回火或深冷處理消除 。2.對(duì)殘余奧氏體分解的影響對(duì)殘余奧氏體分解的影響2022年6月5日 高合金鋼在500600回火過程中，從殘回火過程中，從殘中中析出碳化物，使得殘析出碳化物，使得殘中中C和合金元素含量下降，和合金元素含量下降，使得使得Ms點(diǎn)升高，并達(dá)到室溫以上，因而在點(diǎn)升高，并達(dá)到

46、室溫以上，因而在冷卻冷卻過程中，殘余過程中，殘余會(huì)轉(zhuǎn)變成會(huì)轉(zhuǎn)變成M，而使鋼回火后的硬，而使鋼回火后的硬度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為度高于淬火的硬度，這種現(xiàn)象稱為 “二次淬火二次淬火”（如高速鋼的回火）。（如高速鋼的回火）。硬度升高原因，一方面殘余硬度升高原因，一方面殘余在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?cè)诶鋮s過程中轉(zhuǎn)變成馬氏體，另一方面在回火時(shí)將產(chǎn)生合金碳化物成馬氏體，另一方面在回火時(shí)將產(chǎn)生合金碳化物的沉淀硬化，所以有時(shí)將后者稱為的沉淀硬化，所以有時(shí)將后者稱為“二次硬化二次硬化”。2022年6月5日3.對(duì)回火過程中碳化物析出的影響對(duì)回火過程中碳化物析出的影響 各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：各元素明顯開始擴(kuò)散的溫

47、度為： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K長(zhǎng)大長(zhǎng)大 聚集溫度：聚集溫度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ，450 600； 2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 -FeXC Fe3C M3C 亞穩(wěn)特殊亞穩(wěn)特殊K特殊特殊K T, 500 能否形成特殊能否形成特殊K，取決于，取決于: Me性質(zhì)、性質(zhì)、NM/NC比值；比值； T和和t 。2022年6月5日 圖1-17釩鋼（釩鋼（0.3C,2.1V）在）在1250淬火不同溫度回火淬火不同溫度回火2h，碳化物成分、結(jié)構(gòu)，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化和硬度的變

48、化 2022年6月5日3）特殊）特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 異位析出異位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊特殊K析出析出 二次硬化，異位直接析出二次硬化，異位直接析出 貢獻(xiàn)最大貢獻(xiàn)最大 2022年6月5日4 4、回火脆性、回火脆性 1) 第第1類回火脆性類回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆； 與回火后冷速無關(guān)；與回火后冷速無關(guān)； 晶界脆斷。晶界脆斷。 產(chǎn)生產(chǎn)生原因原因Me作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成； 雜質(zhì)元素雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界；等偏聚晶界

49、； 晶界強(qiáng)度。晶界強(qiáng)度。 Mn、Cr脆性；脆性； Si 脆性溫度區(qū)；脆性溫度區(qū)； V、Al、Mo等改善脆性。等改善脆性。2022年6月5日 2) 2) 第第2 2類回火脆性類回火脆性 脆性脆性特征特征 可逆；可逆； 回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制； 晶界脆斷。晶界脆斷。產(chǎn)生產(chǎn)生原因原因 雜質(zhì)雜質(zhì)Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界； 形成網(wǎng)狀或片狀化合物形成網(wǎng)狀或片狀化合物,晶界強(qiáng)度。晶界強(qiáng)度。 高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。Me作用作用 N、O、P、S、As、B

50、i等是脆化劑；等是脆化劑； Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑；與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑； Cr促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑；促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑抑制其它元素偏聚，清除劑2022年6月5日?qǐng)D圖1-19 回火后冷速對(duì)回火后冷速對(duì)30CrMnSi 鋼沖擊韌度的影響鋼沖擊韌度的影響圖圖1-18 37CrNi3鋼回火時(shí)硬度與沖擊韌度鋼回火時(shí)硬度與沖擊韌度的變化的變化2022年6月5日偏聚元素（產(chǎn)生脆偏聚元素（產(chǎn)生脆性的元素）：性的元素）： H，N，O，P，Si， S， As， Sn， Bi等；等；對(duì)偏聚起促進(jìn)作用對(duì)偏聚起促進(jìn)作用（本身也偏聚）：（本身也偏聚

51、）： Mn，Ni本身不偏聚，但促本身不偏聚，但促進(jìn)別的元素偏聚：進(jìn)別的元素偏聚：Cr抑制偏聚：抑制偏聚：Mo、Ti表表1-1周期表中各種元素對(duì)第二類回火脆性的作用周期表中各種元素對(duì)第二類回火脆性的作用族周期ABBBBAAA1H2CNO3SiPS4TiCrMnNiGeAsSe5MoSnSbTe6Bi備注：備注：Fe Co Ni 同為同為B元素2022年6月5日避免高溫回火脆性，回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過大時(shí)，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生；冷。但工件尺寸過大時(shí)，即使油冷也難防止脆性產(chǎn)生； 加入合金元素加入合金元素Mo、W以抑制第二類回火

52、脆性；以抑制第二類回火脆性； 提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。采用高純凈鋼、細(xì)晶粒鋼或經(jīng)細(xì)化晶粒的預(yù)備熱處理3)防止合金鋼中第二類回火脆性的方法防止合金鋼中第二類回火脆性的方法2022年6月5日Me對(duì)相圖的影響對(duì)相圖的影響 Me與與C的作用的作用 Me在材料處理各過在材料處理各過程中的行為表現(xiàn)程中的行為表現(xiàn) 加熱加熱 冷卻冷卻 回火回火溫溫度度 時(shí)間時(shí)間 一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律; ;另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響在各過程中的作用和影響.為理解為理解Me的作用的作用

53、要了解鋼的基本強(qiáng)化機(jī)理要了解鋼的基本強(qiáng)化機(jī)理. .2022年6月5日第1章 鋼的合金化概念1.1 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用1.2 合金鋼中的相組成合金鋼中的相組成1.3 合金元素在鋼中的分布及偏聚合金元素在鋼中的分布及偏聚1.4 合金鋼中的相變合金鋼中的相變1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響1.6 合金元素對(duì)鋼工藝性的影響合金元素對(duì)鋼工藝性的影響1.7 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.8 金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)2022年6月5日1.5 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌化的影響強(qiáng)化本質(zhì)：強(qiáng)化本質(zhì)： 各種強(qiáng)化途徑各種強(qiáng)

54、化途徑塑變抗力塑變抗力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力 鋼強(qiáng)度鋼強(qiáng)度 畸變應(yīng)力場(chǎng)；畸變應(yīng)力場(chǎng)； 位錯(cuò)密度；位錯(cuò)密度； 位錯(cuò)塞積；位錯(cuò)塞積； 釘扎位錯(cuò)。釘扎位錯(cuò)。 固溶強(qiáng)化；固溶強(qiáng)化； 位錯(cuò)強(qiáng)化；位錯(cuò)強(qiáng)化； 細(xì)晶強(qiáng)化；細(xì)晶強(qiáng)化； 彌散強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化。2022年6月5日1.5.1 鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理1.5.1.1合金元素的固溶強(qiáng)化合金元素的固溶強(qiáng)化niiSCKR表達(dá)式表達(dá)式 對(duì)于對(duì)于C、N等間隙原子，等間隙原子， n = 0.332.0； 對(duì)于對(duì)于Mo、Si、Mn等置換式原子：等置換式原子：n = 0.51.0 機(jī)理機(jī)理效果效果提高強(qiáng)度，降低塑韌性提高強(qiáng)度，降低塑韌性 原子固溶原子固

55、溶 晶格發(fā)生畸變晶格發(fā)生畸變 產(chǎn)生產(chǎn)生彈性彈性應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)，與位錯(cuò)交互作用，與位錯(cuò)交互作用位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力2022年6月5日 圖1-20 合金元素對(duì)低碳鐵素體強(qiáng)度和塑性的影響合金元素對(duì)低碳鐵素體強(qiáng)度和塑性的影響 Si、Mn的固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，但的固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，但Si 1.1%，Mn 1.8%時(shí)，鋼的塑韌性將有較大的下降。時(shí)，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強(qiáng)化效應(yīng)最大。固溶強(qiáng)化效應(yīng)最大。 2022年6月5日 圖1-21合金元素對(duì)合金元素對(duì)Cr18Ni9型不銹鋼的強(qiáng)化效應(yīng)型不銹鋼的強(qiáng)化效應(yīng)(R.P. Reed. JOM.(1989):16)2022年6月5日1.5.1.2位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)

56、強(qiáng)化2/1DDKR表達(dá)式表達(dá)式 機(jī)理機(jī)理 位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度 位錯(cuò)交割、纏結(jié)位錯(cuò)交割、纏結(jié)， 有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 鋼強(qiáng)度。鋼強(qiáng)度。 對(duì)對(duì)bcc晶體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果較好晶體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果較好 ? ? 效果效果 在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長(zhǎng)在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長(zhǎng)率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK2022年6月5日1.5.1.3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化2/1dKRGG表達(dá)式表達(dá)式機(jī)理機(jī)理 晶粒越細(xì)晶粒越細(xì) 晶界、亞晶界越多晶界、亞晶界越多 有效有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化位錯(cuò)塞積強(qiáng)化。效果效果 鋼的強(qiáng)度，又鋼的強(qiáng)度，又塑性和韌度塑性和韌度這

57、是最理想的強(qiáng)化途徑這是最理想的強(qiáng)化途徑. 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d為晶粒直徑，為晶粒直徑，KG為系數(shù)為系數(shù)2022年6月5日 圖1-22 晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象2022年6月5日1.5.1.4第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化1PHPHKR表達(dá)式表達(dá)式機(jī)理機(jī)理 微粒第二相微粒第二相釘扎釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化效果強(qiáng)化效果 主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主要是繞過機(jī)制。要是繞過機(jī)制。 兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化，兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化， 淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。效果效果有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑

58、韌性。有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑韌性。2022年6月5日沉淀強(qiáng)化（位錯(cuò)切過第二相粒子）沉淀強(qiáng)化（位錯(cuò)切過第二相粒子） 第二相粒子的特點(diǎn)是第二相粒子的特點(diǎn)是可變形可變形，并與，并與母相具有共格母相具有共格關(guān)系，這種強(qiáng)化方式與淬關(guān)系，這種強(qiáng)化方式與淬火時(shí)效密切相關(guān)，故有火時(shí)效密切相關(guān)，故有沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化之稱。之稱。 沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化的基本途徑是合金化加淬火時(shí)效。合金化的目的是為造成理想的的基本途徑是合金化加淬火時(shí)效。合金化的目的是為造成理想的沉淀相提供成分條件。例如在馬氏體時(shí)效鋼中加入沉淀相提供成分條件。例如在馬氏體時(shí)效鋼中加入Ti和和Mo，形成，形成NiTi、Ni3Mo理想的強(qiáng)化相，以獲得良好的

59、沉淀強(qiáng)化效果。理想的強(qiáng)化相，以獲得良好的沉淀強(qiáng)化效果。2022年6月5日（b）Al-Li合金中位錯(cuò)切割合金中位錯(cuò)切割A(yù)l3Li相的電鏡照片相的電鏡照片（a）位錯(cuò)切割第二相粒子的機(jī)制）位錯(cuò)切割第二相粒子的機(jī)制可變形微粒的強(qiáng)化作用（位錯(cuò)切過機(jī)制）可變形微粒的強(qiáng)化作用（位錯(cuò)切過機(jī)制）圖圖1-23位錯(cuò)切過強(qiáng)化顆粒示意位錯(cuò)切過強(qiáng)化顆粒示意2022年6月5日 第二相粒子第二相粒子，與基體有，與基體有關(guān)系。當(dāng)位錯(cuò)遇到第二相粒關(guān)系。當(dāng)位錯(cuò)遇到第二相粒子時(shí)，只能繞過并留下位錯(cuò)環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不溶于基子時(shí)，只能繞過并留下位錯(cuò)環(huán)，第二相粒子是人為加入的，不溶于基體，故有體，故有彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化之稱。之稱

60、。 位錯(cuò)繞過第二相粒子這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外位錯(cuò)繞過第二相粒子這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成強(qiáng)化。加應(yīng)力，所以造成強(qiáng)化。 2.彌散強(qiáng)化（位錯(cuò)繞過第二相粒子）彌散強(qiáng)化（位錯(cuò)繞過第二相粒子） 彌散強(qiáng)化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到通過時(shí)效方式得到彌散強(qiáng)化相通常人工加入，現(xiàn)在發(fā)展到通過時(shí)效方式得到2022年6月5日不可變形微粒的強(qiáng)化作用不可變形微粒的強(qiáng)化作用奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制）奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制）（a）位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制）位錯(cuò)繞過第二相粒子的機(jī)制（b）Ni合金中位錯(cuò)繞過合金中位錯(cuò)繞過Ni3Ai相的電鏡照片相的電鏡照片圖圖1-24位錯(cuò)繞過強(qiáng)化顆粒示