金属材料科学(第一章 钢的合金化)3

1、1. 3 合金钢中的相组成合金元素加入钢中，一般要形成各种相：合金元素加入钢中，一般要形成各种相：1、形成固溶体、形成固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 C、N 置换固溶体置换固溶体2、形成具有金属性质的化合物、形成具有金属性质的化合物 C、N、B（碳化物、氮化物、硼化物）（碳化物、氮化物、硼化物） 金属间化合物金属间化合物3、非金属相、非金属相 氧化物、硫化物、硅酸盐氧化物、硫化物、硅酸盐1. 3 合金钢中的相组成3、非金属相： 一般为非金属夹杂物。 降低钢的塑形、韧性、疲劳强度，影响抗蚀、耐磨性 氧化物：脆性相 简单氧化物：FeO、MnO、TiO、SiO2、Al2O3 复杂氧化物：MgOAl2O

2、3、MnOAl2O3 经锻造、轧制：沿加工方向呈破碎的链状分布1. 3 合金钢中的相组成（1）碳化物特性：硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达1200）；间隙相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。1. 3 合金钢中的相组成（2）氮化物氮的来源：冶炼时吸收大气的氮，合金化时气氛加入间隙相：原子半径小，简单密排结构特性：与碳化物相似，高硬度，高熔点性质： 氮化物之间可相互溶解，复合氮化物 与碳化物之间相互溶解，碳氮化物1. 3 合金钢

3、中的相组成（2）氮化物 含氮不锈钢(Fe、Cr)23(C、N)6 V、Ti、Nb：V(CN)、Ti (CN)、 Nb(CN) 在微合金钢中，利用了氮化物的弥散强化作用 表面渗氮：渗氮层中形成-Fe4N、 -Fe23N 合金氮化物：Mo2N、VN、AlN1. 3 合金钢中的相组成（3）硼化物 硼：合金化，强化晶界；表面渗硼 硼化物特点：高熔点，高硬度，脆性大 FeB 1. 3 合金钢中的相组成(4) 金属间化合物：定义：金属与金属、金属与准金属形成的、由电子浓度决定的电子化合物化合物。存在于高合金钢、高温合金中 金属互化物与普通化合物不同。（1）组成常可在一定范围内变动；（2）组成元素的化合价很

4、难确定，但有显著的金属键。特点：高温性能，高温下高强度和高模量、优良的抗蠕变和抗氧化性能。典型：Ti3Al，高温结构材料：航空发动机1. 3 合金钢中的相组成(4) 金属间化合物：特性： 优先形成碳化物，超量时才形成金属间化合物 不锈钢，耐热钢，高温合金：强化相1. 3 合金钢中的相组成1）相 在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现相。伴随着相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。 属四方点阵，最大配位数为15。 相的成分范围比较宽，镍基高温合金中为(Cr，Mo)x(Ni，Co)y，式中x、y值在17之间，铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。主要

5、金相形态为颗粒状和片(针)状，数量多时可呈魏氏体组织。(4) 钢中的金属间化合物1）相（AB、AXBY） 相常在晶界形核，但也在M23C6颗粒上形核。最快析出的温度范围为750870C。镍阻止相形成，铁、钴、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进 相形成。片(针)状 相是裂纹产生和传布的通道，使合金脆化，有时还降低持久强度。晶界 相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。(4) 钢中的金属间化合物2）Laves相（AB2）析出温度范围较宽，约为6501100，其上限温度随成分而异。由于Laves相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺，获得细晶材料。铁基高温合金容易产生Laves相。钨、钼、铌、铝、钛

6、、硅等元素都促进Layes相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。呈细小弥散质点析出的Laves相对合金有一定的硬化作用。大量针状Layes相会降低室温塑性。少量短棒状Laves相没有严重的有害作用。(4) 钢中的金属间化合物3）相（AB3）化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。存在于铁基、镍基高温合金中。与 基体的结构相似，所以相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。这些基本特点使相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的相常为方形和球形，个别情况呈片状

7、和胞状。(4) 钢中的金属间化合物3）相（AB3）高温时效时，相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形相。在长期时效和使用过程中，相会聚集长大。相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，相的强度也增加。1. 4 钢的强韧化机制合金化目的：提高性能 结构钢：力学性能 强度与韧性、塑性的矛盾综合性能：强度与韧性的匹配 高强钢：韧性 疲劳：表面硬度 耐磨：硬度与韧性1. 4 钢的强韧化机制Me对相图的影响对相图的影响Me与与C的作用的作用Me在材料处理各过在材料处理各过程中的行为表现程中的行为表现加热加热冷却冷却

8、回火回火温温度度时间时间1. 4 钢的强韧化机制一、钢的强化机理一、钢的强化机理 强化本质：强化本质：各种强化途径各种强化途径塑变抗力塑变抗力位错运动阻力位错运动阻力 钢强度钢强度1. 4 钢的强韧化机制niiSCK表达式表达式 对于对于C、N等间隙原子，等间隙原子， n = 0.332.0； 对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子：n = 0.51.0 机理机理效果效果提高强度，降低塑韧性提高强度，降低塑韧性 原子固溶原子固溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生弹性产生弹性应力场，与位错交互作用应力场，与位错交互作用位错运动阻力位错运动阻力1 1、固溶强化、固溶强化1. 4 钢的强韧

9、化机制 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑时，钢的塑韧性将有较大的下降。韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。 1. 4 钢的强韧化机制2/1ddK表达式表达式 机理机理 位错密度位错密度 位错交割、缠结，位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动有效地阻止了位错运动 钢强度。钢强度。 对对bcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好 ? ? 效果效果 在强化的同时，同样也降低了伸长在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度率，提

10、高了韧脆转变温度TK2 2、位错强化、位错强化 1. 4 钢的强韧化机制2/1dKgg表达式表达式机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。阻止位错运动，产生位错塞积强化。效果效果 钢的强度，又钢的强度，又塑性和韧度塑性和韧度这是最理想的强化途径这是最理想的强化途径. 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，Kg为系数为系数3 3、细晶强化、细晶强化1. 4 钢的强韧化机制1PPKpgdS02 . 0表达式表达式机理机理 微粒第二相微粒第二相钉扎钉扎位错运动位错运动强化效果强化效果 主要有切割机

11、制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。淬火时残留第二相强化。效果效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。 钢强度表达式钢强度表达式4 4、第二相强化、第二相强化1. 4 钢的强韧化机制在低碳结构钢中各种强化效果示意图在低碳结构钢中各种强化效果示意图1. 4 钢的强韧化机制 对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与献最大。合金钢与C C钢的强韧性差异，钢的强韧性差异，主要不在于主要不在于MeMe本身

12、的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于MeMe对钢相变过程的影响，并且对钢相变过程的影响，并且MeMe的良好的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。才能充分得到发挥。需要充分理解需要充分理解1. 4 钢的强韧化机制二、钢的韧化途径二、钢的韧化途径 1、影响韧性的因素影响韧性的因素强化强化因素因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧塑韧, 称为称为强韧强韧性转变矛盾性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强。除细化组织强化外，其它强化因素都会程度不同地化因素都会程度不同地韧性。韧性。 危害最大是间隙固溶；危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小沉淀强化

13、较小,但对强化贡献较大。但对强化贡献较大。合金合金元素元素 Ni韧性韧性；Mn在少量时也有效果；其它在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韧性韧性1. 4 钢的强韧化机制晶粒晶粒度度 细晶既细晶既S，又，又TK, 即即 韧性韧性 最佳组织因素。最佳组织因素。第二第二相相 K韧性。韧性。K 小、匀、圆、适量小、匀、圆、适量 工艺努力方向。工艺努力方向。 杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， 提高钢的冶金质量是必须的。提高钢的冶金质量是必须的。杂质杂质1. 4 钢的强韧化机制 合金元素对铁素体合金元素对铁素体 冲击韧度的影响冲击韧度的影响

14、 晶粒大小对强度、韧脆转晶粒大小对强度、韧脆转 变温度变温度TK的影响的影响1. 4 钢的强韧化机制20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能钢不同晶粒度的低温冲击性能1. 4 钢的强韧化机制 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 如如Ti、V、Mo； 2）提高冶金质量，降低有害元素含量）提高冶金质量，降低有害元素含量 3）细化）细化K 适量适量Cr、V，使，使K小而匀小而匀 ； 4）细化亚结构）细化亚结构消除粗大组织消除粗大组织 5）利用残余奥氏体韧化）利用残余奥氏体韧化 6）利用相变诱发韧性）利用相变诱发韧性 回火稳定性回火稳定性 如强如强K形成元素形成元素 ；回脆回脆 W、Mo ； 在保证强度

15、水平下，适当在保证强度水平下，适当含含C量量2 2、提高钢韧性的合金化途径、提高钢韧性的合金化途径 1. 5 合金元素在晶界的偏聚一、一、Me在不同状态下的分布在不同状态下的分布 1、退火、正火态、退火、正火态 非非K形成元素基本上固溶于基体中，形成元素基本上固溶于基体中，而而K形成元素视形成元素视C和本身量多少而定。优先形成和本身量多少而定。优先形成K，余量溶，余量溶入基体。入基体。 2、淬火态、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素体的元素淬火后存在于淬火后存在于M、B中或中或AR中；未溶者仍在中；未溶者仍在K中。中。 3、回火态、回火态 低回低回: Me不

16、重新分布；不重新分布； 400，Me开始开始重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基体中，形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进形成元素逐步进入析出的入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。中，其程度决定于回火温度和时间。1. 5 合金元素在晶界的偏聚二、二、Me的偏聚（的偏聚（segregation） 偏聚偏聚现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为吸附现象。这种现象也称为吸附现象。 偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关都

17、与此有关. Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+ ：溶质原子在螺位错吸附形成：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团气团.1. 5 合金元素在晶界的偏聚偏聚偏聚机理机理 溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。结构学结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在；子容易存在；能量学能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能：原子在缺

18、陷处偏聚，使系统自由能， 符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。热力学热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。1. 5 合金元素在晶界的偏聚RTECCexp0影响影响因素因素 缺陷处缺陷处溶质浓度溶质浓度 温度温度T ：T，内吸附强烈；，内吸附强烈； 时间时间t：偏聚：偏聚需要需要原子扩散原子扩散需要一定

19、时间需要一定时间； 缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈，吸附也越强烈; 其它元素：其它元素：间接作用间接作用 : 优先吸附问题优先吸附问题 , B与与C 直接作用直接作用: 影响吸附元素影响吸附元素 , Mn，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。 点阵类型：点阵类型：bcc点阵内吸附较点阵内吸附较fcc强烈强烈1.6 钢中微量合金元素的作用一、钢中常见的微量元素 1 微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土 2 净化、变质、控制夹杂物形态： B、C

20、a、Ti、Zr、稀土 3 改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi 4 有害元素：P、Pb、Sn、As、Sb1.6 钢中微量合金元素的作用二、微量元素对钢的有益作用 1 净化作用 B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成比重小的难熔化合物。 B、Zr、Mg、稀土可与低熔点的Pb、Sn、As、Sb、Bi，形成高熔点的金属间化合物1.6 钢中微量合金元素的作用二、微量元素对钢的有益作用 2 变质作用 B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成非常细小的质点，提高形核率，促进自发形核，阻止晶粒长大。 稀土，提高钢液的流动性1.6 钢中微量合金元素的作用二、微量元素对钢的有益作用 3 控制夹杂物形态 改变夹杂物成分，从而改变其性能，降低危害 MnS：典型的塑性夹杂物 导致：降低强度，产生各向异性，形成织构 措施：加入Zr，先于Mn与S结合 加入稀土，降低O、S溶解度 加入Ca，强氧化物硫化物形成元素1.6 钢中微量合金元素的作用二、微量元素对钢的有益作用 4 微合金化 微合金元素：0.2%，0.001% 微合金钢：Nb、V