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文檔簡(jiǎn)介

工程材料A

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)機(jī)電工程學(xué)院緒論

一、材料的重要性1.社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志

2.現(xiàn)代社會(huì)的重要支柱三大支柱:材料、能源、信息3.機(jī)械工程的物質(zhì)基礎(chǔ)

緒論二、材料的分類1.按經(jīng)濟(jì)部門分類:機(jī)械工程材料土建工程材料電工材料電子材料緒論

2.按物質(zhì)結(jié)構(gòu)分:金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料(陶瓷、硅酸鹽)高分子材料復(fù)合材料緒論

3.按材料功用分:結(jié)構(gòu)材料---以力學(xué)性能為主,兼有一定的物理、化學(xué)性能;功能材料---以特殊的物理、化學(xué)性能為主,如具有電、光、聲、磁、熱等功能和效應(yīng)的材料。緒論

碳素鋼優(yōu)點(diǎn):價(jià)格低廉、生產(chǎn)和加工容易,并且通過(guò)改變碳的含量和采取相應(yīng)的熱處理,可以改善性能以滿足使用要求,因而被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中。

缺點(diǎn):①碳鋼的淬透性低;②碳鋼的強(qiáng)度比合金鋼低。合金化-----加入適當(dāng)化學(xué)元素改變金屬性能的方法。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)合金元素:為了合金化的目的而特定在鋼中加入含量在一定范圍的化學(xué)元素。合金鋼:加入一定含量化學(xué)元素的鋼。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)合金鋼分類:

低合金鋼合金元素總量≤5﹪中合金鋼合金元素總量5~10﹪高合金鋼合金元素總量>10﹪本章內(nèi)容:(1)鋼中合金元素及其分類依據(jù)(2)鋼的強(qiáng)化機(jī)制(3)改善鋼塑性和韌性的途經(jīng)(4)合金元素對(duì)鋼中相變及熱處理的影響第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)

一、合金元素在鋼中的分布

1、在鋼中常加入的合金元素有: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、Ta。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)常用合金元素在周期表中的位置?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)2、合金元素的存在狀態(tài):①溶于鋼中原有的相(F、A、M、Fe3C)中;②形成新相。

3、四種存在形式:①溶入F、A、M中,以固溶體的溶質(zhì)形式存在;②形成強(qiáng)化相:形成合金滲碳體;(Fe,Mn)3C;形成特殊碳化物;WC、VC;形成金屬間化合物;③形成非金屬夾雜物;④以游離狀態(tài)存在。如Pb、Ag等。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)4、合金元素以何種形式存在,主要決定于下列因數(shù):①種類;②含量;③冶煉方法;④熱處理方法;⑤合金元素本身的特性。

5、合金元素特性:①與Fe和C的相互作用;②對(duì)A層錯(cuò)能的影響。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)ZXYYXZ§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類1、按與Fe的相互作用的特點(diǎn)分類①A形成元素:C、N、Cu、Mn、Ni、Co等;②F形成元素:Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。

2、按與C的相互作用的特點(diǎn)分類①非碳化物形成元素:Ni、Cu、Si、Al、P等;②碳化物形成元素:Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類3、按對(duì)A層錯(cuò)能的影響分類①↑A層錯(cuò)能的元素:Ni、Cu、C等;②↓A層錯(cuò)能的元素:Mn、Cr、Ru、Ir等。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)建筑構(gòu)件鋼橋梁§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響一、合金元素與鐵的相互作用A、同素異晶轉(zhuǎn)變定義

B、關(guān)鍵:晶體結(jié)構(gòu)改變C、Fe同素異晶轉(zhuǎn)變

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響元素分類:擴(kuò)大A相區(qū)元素C、N、Cu、Mn、Ni、Co等;加入后,A4↑,A3↓,A相區(qū)↑----A形成元素。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響(2)縮小A相區(qū)元素,又稱F形成元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si、Be等加入后,A3↑,A4↓,A相區(qū)↓。工程意義:A型不銹鋼F型不銹鋼第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響二、合金元素與C的相互作用

表現(xiàn)在:

①是否易于形成碳化物②形成碳化物傾向性的大小

1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等,與C不形成碳化物,可固溶于Fe中形成固溶體,或者形成其他化合物。

2.碳化物形成元素Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等,碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響(1)形成碳化物的規(guī)律A、周期表中位置:Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等均位于Fe的左側(cè),非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等均位于Fe的右側(cè)。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe強(qiáng)--------------------------------------------→弱B、按碳化物晶格類型分:①當(dāng)rc/rMe>0.59時(shí),復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物,如:Cr23C6Cr7C3Fe3C等M23C6型復(fù)雜立方M7C3型簡(jiǎn)單六方M3C型正交晶系

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響

②當(dāng)rc/rMe<0.59時(shí),形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物(間隙相),

Mo、W、V、Ti、Nb、Zr均屬于這類元素,A:形成MX型:WC、VC、TiC、NbC、ZrCM2X型:W2C、Mo2CB:特點(diǎn):a.硬度、熔點(diǎn)高(可達(dá)3000℃),分解溫度高(1200℃);b.間隙相碳化物雖含有50~60%的非金屬原子,仍具有明顯的金屬特性;c.可溶入各類金屬原子,呈缺位溶入固溶體形式。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響③當(dāng)含量很小時(shí),合金元素將不能形成自己特有的碳化物只能置換Fe3C中Fe原子,形成(Fe,Cr)3C、(Fe,Mn)3C等合金滲碳體;

④含量有所升高,但仍不足以生成自己特有的碳化物,形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物,如Fe2W4C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。(2)特性形成碳化物傾向性↑的元素,其碳化物的硬度↑;形成碳化物能力越強(qiáng)的元素,其碳化物的穩(wěn)定性↑;由弱到強(qiáng):Fe3C、M23C6、M6C、MC

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響

①在溫度和應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下不易聚集長(zhǎng)大,可大大提高材料的性能和使用壽命;②碳化物和固溶體之間不易在高溫下因原子擴(kuò)散作用而發(fā)生合金元素的再分配。a.對(duì)熱強(qiáng)性的影響:使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強(qiáng)度和硬度;b.在達(dá)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好。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響合金元素與C的相互作用的意義:①關(guān)系到所形成碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布—→直接影響到鋼的性能,如強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能,同時(shí)對(duì)熱處理亦有較大的影響,如A化溫度和時(shí)間、A晶粒的長(zhǎng)大等;

②由于合金元素和碳的親和力不同,對(duì)相變過(guò)程中C的擴(kuò)散速度亦有較大的影響。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響三、合金元素對(duì)A層錯(cuò)能的影響

1、合金元素的影響趨勢(shì)Ni、Cu、和C使A層錯(cuò)能↑;Mn、Cr、Ru、Ir使A層錯(cuò)能↓。

2、A層錯(cuò)能對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響層錯(cuò)能↓,越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成層錯(cuò),使橫滑移困難,導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)↑。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響三、合金元素對(duì)A層錯(cuò)能的影響

3.A層錯(cuò)能對(duì)鋼相變行為的影響A層錯(cuò)能對(duì)F-N-C合金中M形態(tài)的影響M類型板條M蝴蝶狀M透鏡M薄片狀MA層錯(cuò)能低———————————→高可見(jiàn):

A層錯(cuò)能↓,易于形成板條M,具有位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu);A層錯(cuò)能↑,易于形成片狀M,具有孿晶型亞結(jié)構(gòu)。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-3鋼的強(qiáng)化機(jī)制鋼中加合金元素:影響:1、強(qiáng)度指標(biāo);p、s、b等2、塑性韌性指標(biāo)ak、、等矛盾兩個(gè)方面強(qiáng)化強(qiáng)度提高的過(guò)程,金屬變形抗力提高基本點(diǎn):阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),變形不易第一章鋼的合金化基礎(chǔ)彈性變形—塑性變形--斷裂其中塑變含屈服變形和加工硬化§1-3鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、固溶強(qiáng)化1、合金元素固溶,晶格畸變,彈性應(yīng)力場(chǎng)存在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙2、金屬原子與位錯(cuò)交互作用,位錯(cuò)處柯氏原子氣氛3、強(qiáng)度增量與溶質(zhì)原子(C、N、B等)濃度有關(guān)間隙式;置換式4、參量:錯(cuò)配度

ε=(1/a)da/dc5、固溶強(qiáng)化:固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-3鋼的強(qiáng)化機(jī)制二、晶界強(qiáng)化改善:強(qiáng)度和韌性1、多晶體變形:傳遞和協(xié)調(diào)2、晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(位錯(cuò)難增殖),提高強(qiáng)度3、晶界增多(細(xì)晶)----變形韌性提高4、強(qiáng)度增量與晶粒直徑有關(guān),Hall-Petch公式5、途徑A、合金元素改變晶界特性,如偏聚等B、合金元素細(xì)化晶粒第一章鋼的合金化基礎(chǔ)⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥障礙物源O§1-3鋼的強(qiáng)化機(jī)制三、第二相強(qiáng)化合金元素化合物形式存在----彌散強(qiáng)化1、第二相顆粒與基體共格、非共格2、機(jī)理----位錯(cuò)切過(guò)滑移或繞過(guò)顆粒(位錯(cuò)環(huán)),增加新界面或應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)第一章鋼的合金化基礎(chǔ)3、獲得形式淬火+時(shí)效=彌散強(qiáng)化§1-3鋼的強(qiáng)化機(jī)制四、位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)數(shù)量與形態(tài)----影響材料抗力1、機(jī)理----位錯(cuò)反應(yīng)(交割等)2、變量----位錯(cuò)密度ρ所有合金強(qiáng)化----四種機(jī)制都有第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑塑性韌性指標(biāo):沖擊韌性、斷裂韌性、塑性脆性轉(zhuǎn)化溫度等一、改善鋼的塑性基本途徑指標(biāo):1、均勻真應(yīng)變;2、斷裂真應(yīng)變。途徑:提高基體均勻塑性,防微孔產(chǎn)生第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑二、影響塑性的主要因素1、溶質(zhì)原子影響塑性下降,間隙影響大于置換固溶體影響2、晶粒大小影響細(xì)小晶粒提高塑性3、第二相影響顆粒大小、形態(tài)、分布、數(shù)量等影響4、位錯(cuò)強(qiáng)化與鋼塑性

位錯(cuò)密度增加、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等塑性下降第一章鋼的合金化基礎(chǔ)納米銅的室溫超塑性§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑

三、改善鋼的韌性途徑1、改善延性斷裂途徑減少第二相數(shù)量;提高基體塑性;組織均勻性延性斷裂-微孔坑形成集聚長(zhǎng)大,形式—宏觀塑性、脆性斷裂2、改善解理斷裂途徑特性---冷脆現(xiàn)象。方式:細(xì)化晶粒;更換基體解理斷裂指標(biāo)-塑脆轉(zhuǎn)變溫度Tk3、改善沿晶斷裂途徑晶界弱化,原子偏聚;第二相粒子分布。方式:防止原子晶界分布或形成第二相第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響熱處理依據(jù):Fe-C相圖工藝:加熱+保溫+冷卻三階段三個(gè)基本的相變過(guò)程:加熱時(shí)A的形成冷卻時(shí)過(guò)冷A的分解淬火M回火時(shí)的轉(zhuǎn)變一、合金元素對(duì)Fe-C相圖影響1、對(duì)A相區(qū)的影響第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響影響規(guī)律:擴(kuò)大A區(qū)第一章鋼的合金化基礎(chǔ)擴(kuò)大奧氏體區(qū):

C、N、Co、

Ni、Mn、Cu奧氏體形成元素Mn對(duì)相圖的影響:低溫、低碳§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響影響規(guī)律:縮小A區(qū)第一章鋼的合金化基礎(chǔ)縮小奧氏體區(qū):

Cr、Mo、W、

V、Ti、Si、Al鐵素體形成元素Cr對(duì)鐵碳合金相圖的影響:高溫、低碳§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響影響規(guī)律:元素作用第一章鋼的合金化基礎(chǔ)縮小γ區(qū)擴(kuò)大γ區(qū)使S、E點(diǎn)的含碳量降低(共析溫度、成分)E點(diǎn)左移,出現(xiàn)Ld的含碳量降低,使含碳量<2.11%的合金鋼中出現(xiàn)萊氏體組織---萊氏體鋼。如W18Cr4V;如鋼中加入大量的擴(kuò)大A相區(qū)的元素,室溫下獲得穩(wěn)定的單相A組織---奧氏體鋼。如06Cr18Ni11Ti;如鋼中加入大量的縮小A相區(qū)的元素,固態(tài)下獲得穩(wěn)定的單相F組織---鐵素體鋼。如10Cr17。2、對(duì)共析溫度影響擴(kuò)大A相區(qū)的元素,使A3、A1點(diǎn)降低,S點(diǎn)左移;縮小A相區(qū)的元素,使A3、A1點(diǎn)升高,S點(diǎn)左移。§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響3、對(duì)共析點(diǎn)影響

所有合金元素均使S點(diǎn)左移,使含碳量相同的碳鋼和合金鋼組織不同。如:40鋼:F+P亞共析組織

40Cr13:過(guò)共析組織?!?-5合金元素對(duì)鋼相變影響§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響二、合金元素對(duì)鋼加熱A形成過(guò)程影響

1、合金元素作用:改變---溫度+共析成分2、A形成是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程,合金元素原子不僅本身擴(kuò)散困難,而且將影響Fe和C原子的擴(kuò)散,從而影響A化過(guò)程。

3、合金元素(除Mn、P外)阻止A晶粒長(zhǎng)大a.Ti、Nb、V等強(qiáng)烈阻止A晶粒長(zhǎng)大,起細(xì)化晶粒作用;b.W、Mo、Cr等起一定的阻礙作用;c.Si、Ni、Co、Cu的影響不大;d.Al和N形成AlN時(shí),在低于950時(shí)強(qiáng)烈阻止A晶粒長(zhǎng)大,形成本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響合金鋼在加熱時(shí)不易過(guò)熱:即組織不易粗大,阻礙晶粒長(zhǎng)大a.有利于淬火后獲得細(xì)M;b.有利于適當(dāng)提高加熱溫度,使A中溶入更多的合金元素,以增加淬透性及機(jī)械性能;c.減小淬火時(shí)變形和開(kāi)裂的傾向。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)(a)完全淬透(b)淬透較大厚度(c)淬透較小厚度

淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能的比較

M低倍

§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響三、合金元素對(duì)過(guò)冷A分解過(guò)程的影響

1.對(duì)過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變的影響過(guò)冷A→P(或B),均屬于擴(kuò)散型相變。因合金元素(除Co外)溶入A后,能↓原子擴(kuò)散速度,使A穩(wěn)定性↑,從而使C曲線位置右移。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響第一章鋼的合金化基礎(chǔ)合金元素及C對(duì)合金C曲線的影響§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響(1)非(弱)碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu等溶入A后,增大了其穩(wěn)定性,減慢其分解,使C曲線右移;(2)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等,溶入A后,延緩A分解。但由于過(guò)冷A向P和B轉(zhuǎn)變的延緩程度不同,不僅使C曲線右移,而且還使其分解成兩個(gè)“鼻子”。Mo、W、V、Ti強(qiáng)烈推遲P轉(zhuǎn)變,而Mn、Cr推遲了B轉(zhuǎn)變的作用更明顯。第一章鋼的合金化基礎(chǔ)由于合金元素使C曲線右移,故↓鋼的Vk,↑淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al強(qiáng)————————————→弱§1-5合金元素對(duì)鋼相變影響提高淬透性為目的的常用元素只有五種:Cr、Mn、Si、Ni、B合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入A中時(shí),才能起到↑淬透性作用

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