金屬材料組織和性能的控制

金屬材料組織和性能的控制第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

1.擴(kuò)大γ相區(qū)的元素（奧氏體穩(wěn)定化元素）

Mn、Ni、Co、C、N、Cu等,

使A4點(δγ轉(zhuǎn)變點)上升,A3點(γα轉(zhuǎn)變點)下降,擴(kuò)大γ相存在范圍。一、溶于鐵中

溶入奧氏體中,形成合金奧氏體、溶入鐵素體中，形成合金鐵素體

Ni、Mn等加入到一定量后，使γ相區(qū)擴(kuò)大到室溫，稱完全擴(kuò)大γ相區(qū)元素。

C、N、Cu等，γ相區(qū)不能擴(kuò)大到室溫，稱為部分?jǐn)U大γ相區(qū)的元素。第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四(a)Fe-Cu相圖

(b)Fe-Mn相圖擴(kuò)大A相區(qū)的相圖

第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.縮小γ相區(qū)元素（鐵素體穩(wěn)定化元素）

Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr

使A3點上升,A4點下降(鉻除外,鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時,A3點下降;大于7%后,A3點迅速上升),縮小γ相區(qū)存在的范圍,使鐵素體區(qū)擴(kuò)大。Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等：完全封閉γ相區(qū)的元素

B、Nb、Zr等：部分縮小γ相區(qū)的元素。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四(a)Fe-Nb相圖

(b)Fe-Cr相圖縮小γ-相區(qū)的相圖

第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四二、形成碳化物

合金元素按與鋼中碳的親和力的大小,分為：碳化物形成元素、非碳化物形成元素

●碳化物形成元素：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等(按碳化物的穩(wěn)定性程度由強到弱排列)固溶于基體相中:F(Mn)、A(Cr)形成合金滲碳體:(Fe、Cr)3C形成合金碳化物：Cr7C3、VC、WC

●非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。都溶于鐵素體和奧氏體中。第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.5.2合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響

Mn、Ni、Co、C、N、Cu擴(kuò)大Fe-Fe3C相圖中的γ相區(qū)，使S點下降；Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等縮小Fe-Fe3C相圖中的γ相區(qū)，使S點上升。合金元素使共析反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。幾乎所有的合金元素都使S點和E點左移,強碳化物形成元素的作用強烈。第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四Ni或Mn的含量較多時,可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織。如1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼ZGMn13高錳鋼

Cr、Ti、Si等超過一定含量時,可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織。如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

2.5.3合金元素對鋼熱處理的影響

一、合金元素對加熱時相變的影響

1.對奧氏體形成速度的影響

●Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素與碳形成難溶于奧氏體的合金碳化物,顯著減慢奧氏體形成速度；

●Co、Ni等部分非碳化物形成元素,因增大碳的擴(kuò)散速度,使奧氏體的形成速度加快；

●Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。

2.對奧氏體晶粒大小的影響

●強烈阻礙晶粒長大的元素：V、Ti、Nb、Zr等；

●中等阻礙晶粒長大的元素：W、Mo、Cr等；

●對晶粒長大影響不大的元素：Si、Ni、Cu等；

●促進(jìn)晶粒長大的元素：Mn、P等。

第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

二、合金元素對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響

●對淬透性影響除Co外,幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性,推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變,使C曲線右移,即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素：

Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。兩種或多種合金元素同時加入(鉻錳、鉻鎳),比單個元素對淬透性的影響要強得多。老師提示

加入的合金元素,只有溶于奧氏體時,才能提高淬透性。如果未完全溶解,則碳化物會成為珠光體的核心,反而降低鋼的淬透性。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四合金元素對過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四●對殘余奧氏體量的影響除Co、Al外,多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點下降。作用大小的次序：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。Mn的作用最強,Si影響很小。

Ms和Mf點的下降,使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。殘余奧氏體量過多時，進(jìn)行冷處理(冷至Mf點以下),轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;或進(jìn)行多次回火，殘余奧氏體因析出合金碳化物會使Ms、Mf點上升，在回火后冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(二次淬火)。第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四三、合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響

1.提高回火穩(wěn)定性

推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變)；提高鐵素體的再結(jié)晶溫度；使碳化物難以聚集長大。合金元素提高鋼的回火穩(wěn)定性（鋼對回火軟化的抗力）。提高回火穩(wěn)定性作用較強的合金元素有：

V、Si、Mo、W、Ni、Co等。

第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

2.產(chǎn)生二次硬化

Mo、W、V含量較高的合金鋼回火時,硬度不是隨回火溫度升高單調(diào)降低,到某一溫度(約400℃)后開始增大,并在更高溫度(一般為550℃左右)達(dá)到峰值。稱二次硬化現(xiàn)象。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼硬度與回火溫度的關(guān)系第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四（1）當(dāng)回火溫度低于450℃時,鋼中析出滲碳體，硬度降低。在450℃以上滲碳體溶解,鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度升高,稱為沉淀硬化。（2）回火時冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火也導(dǎo)致硬度升高。產(chǎn)生二次硬化的原因

第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

3.增大回火脆性

和碳鋼一樣,合金鋼也產(chǎn)生回火脆性,而且更明顯。這是合金元素的不利影響。鉻鎳鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四高溫回火脆性：在450℃～600℃間發(fā)生的第二類回火脆性。主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān),多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。老師提示

回火后快冷(通常用油冷)可防止回火脆性發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo,1%W)可基本上消除這類脆性。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.5.4合金元素對鋼的性能的影響

提高鋼的強度是加入合金元素的主要目的之一。提高強度,要設(shè)法增大位錯運動的阻力。金屬中的強化機(jī)制主要有

固溶強化位錯強化細(xì)晶強化第二相(沉淀和彌散)強化合金元素的強化作用,正是利用了這些強化機(jī)制。

第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四

一、對正火狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能的影響

合金元素降低共析點的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（S點左移)，使C曲線右移,使組織中的珠光體增多,珠光體層片減薄,鋼的強度增加,塑性下降。合金鋼在正火（空冷）狀態(tài)下可得到層片距離更小的珠光體,或貝氏體甚至馬氏體組織,強度大為增加。Mn、Cr、Cu的強化作用較大。

第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四二、對淬火、回火狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能的影響

獲得馬氏體并回火是鋼的最經(jīng)濟(jì)和最有效的強化方法。

●回火時析出碳化物,造成強烈的第二相強化，同時使韌性大大改善?！裥纬晌诲e馬氏體；●固溶強化鐵素體或馬氏體；●細(xì)化晶粒；合金元素提高淬透性，使鋼容易得到馬氏體。合金元素提高回火穩(wěn)定性,使馬氏體保持到較高溫度。合金元素在回火時析出第二相更細(xì)小、均勻和穩(wěn)定。合金鋼比碳鋼具有更高的強度、韌性。第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四三、對其他性能的影響

1、提高紅硬性W、Mo、V鋼在高溫保持高硬度的能力。

2、提高耐蝕性Cr、Ni

3、提高耐熱性Cr、W、Mo、Al、Si4、提高耐磨性W、Mo、V、Ti第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四2.5.5合金元素對鋼的工藝性能的影響

一、合金元素對鋼鑄造性能的影響

Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質(zhì)點,增大鋼的粘度,降低流動性,使鑄造性能惡化。

二、合金元素對鋼塑性加工性能的影響

合金元素溶入固溶體中,或形成碳化物(如Cr、Mo、W等),都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降，容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工性能比碳鋼要差得多。第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四三、合金元素對鋼焊接性能的影響

合金元素都提高鋼的淬透性,促進(jìn)脆性組織(馬氏體)的形成,使焊接性能變壞。鋼中含有少量Ti和V,可改善鋼的焊接性能。四、合金元素對鋼切削性能的影響

鋼適合于切削加工的硬度范圍為170HB～230HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切削性能。第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期四五、合金元素對鋼熱處理工藝性能的影響

熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向。合金鋼的淬透性高，淬火時采用比較緩慢的冷卻方法，減少工件變形和開裂。

Mn、Si會增大鋼的過熱敏感性。

Mn、Cr、Ni增加高溫回火脆性，

Mo、W

基本消除高溫回火脆性。

Si促進(jìn)脫碳，Cr降低脫碳。第24頁，共25頁