工程材料学_第6章-钢的合金化

1、钢的合金化原理钢的合金化原理工业常用钢铁材料工业常用钢铁材料（碳钢、合金钢、铸铁）（碳钢、合金钢、铸铁）一、钢中的合金元素一、钢中的合金元素 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。或机械性能的化学元素。1 1、合金元素、合金元素常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al、S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢

2、有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。由冶炼是所用的原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。由冶炼是所用的原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。残留元素对钢的影响残留元素对钢的影响有益作用：有益作用：提高淬透性提高淬透性(Cr(Cr、Ni)Ni)；固溶强化；固溶强化(Cr(Cr、MnMn) )；不利影响：不利影响：大多数情况下不利；如大多数情况下不利；如CrCr、NiNi、CuCu对焊接性、冷变形性对焊接性、冷变形性能不利；能不利；P P、S S产生脆性；产生脆性；H H产生氢脆产生氢脆5% 低合金钢低合金钢510%10%中合金钢中合金钢 高合金钢高合金钢在化学成

3、分上特别添加合金元素泳衣保证一定的生产和加工工艺以及所要求在化学成分上特别添加合金元素泳衣保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织和性能的铁基合金。的组织和性能的铁基合金。微合金元素：微合金元素：有些合金元素如有些合金元素如V V、NbNb、TiTi、ZrZr、B B等，当其含量在等，当其含量在0.1%0.1%左右（如左右（如B0.001%B0.001%，V0.2%V0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金钢：微合金钢：大大加入了微合金元素，使钢的组织或性能有明显改变的加入了微合金元素，使钢的

4、组织或性能有明显改变的这类钢称为微合金钢。这类钢称为微合金钢。二、合金元素与二、合金元素与FeFe和和C C的相互作用的相互作用四种存在形式：四种存在形式：（1）固溶体：）固溶体：固溶于钢中的铁素体、奥氏体、马氏体中；可以是置换固溶于钢中的铁素体、奥氏体、马氏体中；可以是置换型型, 间隙型；可有限互溶、无限互溶。间隙型；可有限互溶、无限互溶。（2）与钢中的碳形成碳化物或与）与钢中的碳形成碳化物或与Fe形成金属间化合物。形成金属间化合物。（3）形成非金属夹杂物）形成非金属夹杂物： O、N、S形成氧化物、氮化物、硫化物形成氧化物、氮化物、硫化物; 还可形成硅酸盐；统称还可形成硅酸盐；统称非金属夹杂

5、物。非金属夹杂物。（4）以自由状态存在：）以自由状态存在：Pb、Cu、Be(铍铍)等不溶于等不溶于Fe、或溶解度极低，、或溶解度极低，也不与也不与C形成形成C化物，而以游离状态存在于钢中化物，而以游离状态存在于钢中,C可以石墨态的形式存可以石墨态的形式存在在.1 1、合金元素在钢中的存在形式、合金元素在钢中的存在形式二、合金元素与二、合金元素与FeFe和和C C的相互作用的相互作用2 2、合金元素分类、合金元素分类与铁相互作用：与铁相互作用： 奥氏体形成元素：奥氏体形成元素： MnMn、NiNi、C C、N N、CuCu、CoCo等等; ; 铁素体形成元素：铁素体形成元素：CrCr、MoMo、

6、W W、V V、TiTi、SiSi、AlAl等等与碳作用：与碳作用： 碳化物形成元素：碳化物形成元素： CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb等等 ; ; 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素： NiNi、SiSi、AlAl、CuCu、P P等等. .奥氏体层错能奥氏体层错能： 提高奥氏体层错能提高奥氏体层错能NiNi、CuCu、C;C; 降低降低奥氏体奥氏体层错能层错能MnMn、CrCr等等 二、合金元素与二、合金元素与FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素与、合金元素与FeFe的相互作用的相互作用（奥氏体形成元素）（奥氏体形成元素）二、合金元素与二、合金元素与

7、FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素与、合金元素与FeFe的相互作用的相互作用（铁素体形成元素）（铁素体形成元素）二、合金元素与二、合金元素与FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素与、合金元素与FeFe的相互作用的相互作用（1 1）NiNi、MnMn、CoCo与与-Fe-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2 2）CrCr、V V与与-Fe-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3 3）CuCu和和-Fe-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、

8、原子半径相近， 但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4 4）C C、N N原子半径小，与原子半径小，与FeFe形成间隙固溶体形成间隙固溶体f.c.cf.c.c结构间隙尺寸大，结构间隙尺寸大，b.c.cb.c.c间隙小，所以间隙小，所以C C、N N在在-Fe中溶解度大，所以扩大中溶解度大，所以扩大相区。相区。结结论论二、合金元素与二、合金元素与FeFe和和C C的相互作用的相互作用4 4、合金元素与、合金元素与C C的相互作用的相互作用（1 1）碳化物形成元素碳化物形成元素属过渡族属过渡族, ,其其d d壳层电子未填满程度比铁高；且未填满电子数目越多，形壳层电子未填满程度比铁

9、高；且未填满电子数目越多，形成成C C化物趋势越强，化物趋势越强，碳化碳化化物越稳定化物越稳定。（2 2）非碳化物形成元素非碳化物形成元素有有: Si: Si、AlAl、CuCu、NiNi、CoCo、N N、P P、S S等等, ,CoCo、NiNi有独立碳化物有独立碳化物, , 但稳定性比但稳定性比FeFe3 3C C小小, , 故不会出现。故不会出现。SiSi、AlAl有强的石墨化作用有强的石墨化作用, , 促进促进C C扩散扩散CuCu、NiNi、CoCo也促进石墨化也促进石墨化. . Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强弱弱强强 弱弱碳碳化化物物元元素素: : Fe

10、、Mn。 中中强强碳碳化化物物元元素素: : Cr、Mo、W。 强强碳碳化化物物元元素素: : V、Ti、Nb、Zr。 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，复杂点阵结构，如如Cr、Mn、Fe ，形成，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的碳化物碳化物； rc/rMe 0.59 简单结构相，简单结构相，如如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。三、合金元素与三、合金元素与Fe-Fe3CFe-Fe3C相图的影响相图的影响1 1、对奥氏体相区的影响、对奥氏体相区的影响 奥氏体奥氏体形成元素：如形成元素：如MnMn、NiNi、CoCo

11、等使等使奥氏体奥氏体相区扩大相区扩大铁素体铁素体形成元素形成元素：CrCr、MoMo、V V、TiTi等，奥氏体等，奥氏体区缩小直至消失；区缩小直至消失；合合金金元元素素对对 S 点点成成分分的的影影响响Why:Why:3Cr2W8V 热模具钢0.3%C 却属过共析钢？W18Cr4V 高速钢铸态下（1.0%C） 出现莱氏体组织？三、合金元素与三、合金元素与Fe-Fe3CFe-Fe3C相图的影响相图的影响2 2、对共析点的影响、对共析点的影响改变共析点成分和温度改变共析点成分和温度四、合金元素对热处理的影响四、合金元素对热处理的影响1 1、对加热转变奥氏体的影响、对加热转变奥氏体的影响（1）影响

12、）影响A形成速度形成速度 （a）(Cr,Mo,W,V)碳化物形成元素，推迟推迟A转变； （b）非碳化物形成元素：Co、Ni加快加快A形成；Al、Si、Mn影响不大（2）影响影响A晶粒长大晶粒长大 （a）强烈阻碍：V、Ti、Nb、Zr(生成特殊碳化物：高熔点、颗粒、弥散间隙) （b）中等阻碍：W、Mo、Cr （c）影响不大：Si、Ni、Cu （d）促进长大：Mn（只在高温下和碳结合）、P、Ba.a.碳化物稳定性碳化物稳定性b.b.阻碍阻碍C C在在 相中的扩散相中的扩散除除CoCo以外，几乎所有元素都会使以外，几乎所有元素都会使C C曲线右移曲线右移。原因：原因： 因为大部分因为大部分合金元素能

13、合金元素能提高奥氏体的稳定性提高奥氏体的稳定性, ,其中弱碳化物形成元其中弱碳化物形成元素比强碳化物形成元素素比强碳化物形成元素更能更能稳定奥氏体稳定奥氏体。此外，大量合金元素的加入，还。此外，大量合金元素的加入，还会改变会改变C C曲线的形状（如出现双曲线的形状（如出现双C C曲线曲线对应多个相变对应多个相变）。）。 四、合金元素对热处理的影响四、合金元素对热处理的影响2 2、对过冷奥氏体的影响、对过冷奥氏体的影响（1）提高回火稳定性：）提高回火稳定性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co（2）产生二次硬化：）产生二次硬化：A M：Mn、Mo、W、Cr、V 、 (Ni、Co协同） 沉淀硬化：

14、V、Mo、W、Cr、(Ni、Co协同）（3）影响回火脆性）影响回火脆性（第二类回火脆性450-600oC高温，与P有关）：（a）增大第二类回火脆性：Mn、Cr、Ni（b）消除第二类回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%)四、合金元素对热处理的影响四、合金元素对热处理的影响3 3、对回火转变的影响、对回火转变的影响五、合金元素对钢工艺性能的影响五、合金元素对钢工艺性能的影响（1）铸造性能）铸造性能：Cr、Mo、V、Ti、Al使之恶化（2）塑性加工性能：）塑性加工性能： 热加工： Cr、Mo、W热塑性下降 合金钢加热冷却需缓慢 冷加工：固溶合金元素多提高冷加工硬化率， Si、Ni、Cr、Cu降低深冲

15、性能 Nb、Ti、Zr（改善硫化物形态）提高冲压性能（3）焊接性能：）焊接性能：C%越高，合金元素多降低焊接性能 少量 V、Ti可提高焊接性能（4）切削性能）切削性能（HB170-230）：一般合金钢比碳钢难切削 易切削钢：S(0.08-0.30%)、P(0.08-0.15%)、 Pb(0.10-0.30%)（5）热处理性能：热处理性能：淬透性（高）、变形与开裂倾向（大）、过热敏感性（P、Mn、Si大）、回火脆化倾向（ P主导、Mn、Cr、Ni协同）、氧化脱碳倾向（Si大，Ni、Mo次之）六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响1 1、合金元素对强度的影响、合金元素对强度的影响各种

16、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 钢强度钢强度六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响1 1、合金元素对强度的影响（、合金元素对强度的影响（4 4种强化机制）种强化机制）niiSCK表达式表达式机理机理 原子固溶原子固溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生弹性应力场，产生弹性应力场，与位错交互作用与位错交互作用位错运动阻力位错运动阻力合金元素对合金元素对Cr18Ni9Cr18Ni9型不锈钢的强化效应型不锈钢的强化效应-间隙元素，间隙元素，-F-F形成元素，形成元素，-A-A形成元素形成元素a. a. 固溶强化固溶强化 六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对

17、钢性能的影响1 1、合金元素对强度的影响（、合金元素对强度的影响（4 4种强化机制）种强化机制）表达式表达式机理机理b. b. 位错强化位错强化2/1ddK 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。六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响1 1、合金元素对强度的影响（、合金元素对强度的影响（4 4种强化机制）种强化机制）表达式表达式机理机理c. c. 细晶强化细晶强化2/1dKgg晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效阻止位错运动，有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。产生位错塞积强化。晶界处位错塞积

18、现象晶界处位错塞积现象六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响1 1、合金元素对强度的影响（、合金元素对强度的影响（4 4种强化机制）种强化机制）表达式表达式机理机理d. d. 第二相强化第二相强化2/1dKgg位错被质点障碍物所挡住位错被质点障碍物所挡住微粒第二相钉扎位错运动微粒第二相钉扎位错运动强化效果强化效果主要有切割机制和绕过主要有切割机制和绕过机制。在钢中主机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。两种情况：回火时弥散两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，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。1PPK六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响1

19、1、合金元素对强度的影响（、合金元素对强度的影响（4 4种强化机制）种强化机制）热处理（热处理（淬火回火）综合利用四种强化手段综合利用四种强化手段p固溶强化固溶强化：过饱和C和Me，p位错强化位错强化：高密度位错p细晶强化：细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束p第二相强化第二相强化：析出细小碳化物粒子p基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用。淬火形成：+ 回火六、合金元素对钢性能的影响六、合金元素对钢性能的影响2 2、合金元素对韧性的影响、合金元素对韧性的影响 （1） 细化晶粒细化晶粒 Ti、V、Nb、AlTiC、VC、NbC、AlN阻碍A长大细化晶粒。 （2） 改善基体韧

20、性改善基体韧性 Ni，Mn可以降低Tc韧性提高 （3） 提高回火稳定性提高回火稳定性同等硬度可提高回火温度 （4） 细化碳化物细化碳化物 过共析钢：Mn，Cr，V （5） 控制非金属夹杂和杂质元素控制非金属夹杂和杂质元素提高韧性的途径提高韧性的途径一、碳钢一、碳钢 主要合金元素：主要合金元素：Mn、Si1、碳钢的分类、碳钢的分类1碳含量 ：低碳钢C% 0.25% 、中碳钢0.25C%0.6%2质量 （S、P杂质含量）： 普碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢3按用途 ：碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢2、碳钢的牌号及应用、碳钢的牌号及应用 a普通碳素结构钢普通碳素结构钢 碳素结构钢分为五类20种，其牌

21、号主要依据钢材的厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值进行划分，然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。其牌号中符号的意义如下： Q代表钢的屈服点字母。 A、B、C、D反映碳素结构钢中有害元素（S、P）含量多少的质量 等级符号，按字母顺序，等级高含S、P量下降。 F、b、Z、TZ表示脱氧方法的符号。其中 F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢。例如例如Q235AF表示屈服强度为235MPa的质量等级为A级的沸腾钢。2、碳钢的牌号及应用、碳钢的牌号及应用 B. 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 钢号用平均碳含量的万分数万分数的数字表示。如：08F （F表沸腾钢），20A（后有“A”表高

22、级优质钢） ，45，15Mn （表含Mn量高） 。 应用于制作各种机器零件，一般进行热处理。 08F 塑性好，冷冲压件 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧2、碳钢的牌号及应用、碳钢的牌号及应用 C. 碳素工具钢碳素工具钢 0.651.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 钢号用平均碳含量的千分数千分数的数字和T一起表示。如：T10A （1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）, T9 （0.9%C） , T12 （ 1.2%C,） T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头 T9、T10、T11，强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀

23、、丝锥、手锯及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。d. 铸钢铸钢“ ZG”加平均碳含量万分数万分数表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C）形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。2、碳钢的牌号及应用、碳钢的牌号及应用 C. 碳素工具钢碳素工具钢 0.651.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 钢号用平均碳含量的千分数千分数的数字和T一起表示。如：T10A （1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）, T9 （0.9%C） , T12 （ 1.2%C,） T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头 T9、T10、T11，强

24、度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。d. 铸钢铸钢“ ZG”加平均碳含量万分数万分数表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C）形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。二、合金钢二、合金钢 主要合金元素：主要合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V.1合金结构钢 碳含量用万分数万分数（两位）C 如40Cr， C%=0.4% （1）、合金含量用（百分数百分数）表示,如20Cr3MoWVA, 其中C%=0.2%, （2）、Cr%=3%, Mo,W,V1.5%. （3）、合金含量小于1.5%不标 （4）、 A：表示高级优质注注2 2合金工具钢，特殊性能钢 （1）、碳含量大于1.0%时，不标注其含量。 （2）、碳含量小于1.0%时，用千分数千分数表示， 如5CrMnMo