钢的合金化原理

1、1合金化原理1主要内容：11.1碳钢概论1一、碳钢中的常存杂质 1二、碳钢的分类2三、碳钢的用途21.2钢的合金化原理3一、合金元素的存在形式 34、合金元素与铁和碳的相互作用及其对丫层错能的影响三、合金元素对 Fe-Fe3C相图的影响 5四、 合金元素对钢的热处理的影响 6五、合金元素对钢性能的影响1合金化原理1.1碳钢概论主耍内容k碳钢中的常存朵质 兴碳钢的分类k碳钢的用途1.2钢的合金化原理>-Mc在钢中的存在形式 Me对钢的菽处理的影响 八怙与铁和饌的相互作用八g对钢的性能的够响 >Mv对F-nKfll图的影响I 13合金钢的分类概念: 合金元素：特别添加到钢中为了保证获得

2、所要求的组织结构、 物理、化学和机 械性能的化学元素。杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入的化学元素。碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。合金钢：在碳钢根底上参加一定量合金元素的钢。 低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于 5%勺钢。 中合金钢：一般指合金元素总含量在510%£围内的钢。 高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%勺钢。 微合金钢：合金元素如V,Nb,Ti,Zr,B含量小于或等于0.1%,而能显著影响 组织和性能的钢。1.1碳钢概论、碳钢中的常存杂质1. 锰Mn丨和硅SiMn VW% <0.8 %固溶强化 形成高熔点MnS夹杂物

3、塑性夹杂物，减少钢的热脆高温晶界熔化，脆性TSi: W % <0.5 %固溶强化 形成SiO2脆性夹杂物，Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。 2 硫S和磷PS:在固态铁中的溶解度极小，S和Fe能形成FeS并易于形成低熔点共晶。发生热脆 裂 。P：可固溶于a -铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为 冷脆。磷 可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。3. 氮N、氢H、氧0N:在a -铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物一机械时效或应变时效 经 变形，沉淀强化，强度T,塑性韧性使其力学性能改变。N可以与

4、钒、钛、 铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。H:在钢中和应力的联合作用将引起金属材料 产生氢脆。 0：在钢中形成硅酸盐 2Mn0?Si0、2 Mn0?Si02 或复合氧化物 Mg0?Al20、3Mn0?Al203。 N、 H、 0是有害杂质。二、碳钢的分类1. 按钢中的碳含量按Fe-Fe3C相图分类：亚共析钢，共析钢Wc=0.77%；过共析钢按钢中碳含量的多少分类：低碳钢：wc < 0.25% ;中碳钢：0.25%vwc<0.6% ;高碳钢：wc > 0.6%2. 按钢的质量品质 ，碳钢可分为 普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢特级优质碳素钢3. 按钢的用途分类，碳

5、钢可分为 碳素结构钢： 主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于 不太重要的机件。优质碳素结构钢： 主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 碳素工具钢： 主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。一般工程用铸造碳素钢： 主要用于制造形状复杂且需一定强度、 塑性和韧性零 件。4. 按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为沸腾钢脱氧不彻底代号为F。镇静钢脱氧彻底代号为乙半镇静钢脱氧程度介于F与Z之间，代号为bo特殊镇静钢： 指进行特殊脱氧的钢，代号为 TZ。三、碳钢的用途1- 普通碳素结构钢不经热处理主要用于一般工程结构和普通零件热轧后空冷 是这类钢通常的供货状态普通碳素结

6、构钢的牌号表示方法：由代表 屈服点的字母Q、屈服点数值、质 量等级符号A、B、C、D及脱氧方法符号F、b、Z、TZ等四个局部组成 例： Q235A、 Q235B、 Q2552- 优质碳素结构钢亚共析钢或共析钢，一般经热处理 用于较为重要的机械零件供货状态 可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火 等状态，牌号一般用两位数字表示：探20钢、45钢、08F、10F、15F、20q、16MnR 优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是 08F、10F、15Fo半镇静钢标“ b，镇静钢一般不标符号。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“ A，特级碳素结构钢加符号“ Eo 专用优质碳素结构钢： 20g按含锰量

7、的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。如15Mn、45Mn等。Mn为加进去的合金元素，但含量处于杂质与低合金钢中的合金元素之间注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。3- 碳素工具钢经热处理主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理 获得高的硬度和高耐 磨性。牌号一般用标志性符号“ T例T12,T8含C量分别为1.2 %与0.8 %;读法: 碳12,碳8;含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%,这时，在牌号的尾部标以Mn如 T8Mr，T8MnAT7, T8, T9T13随CT,硬度T耐磨性T,韧性J: T7, T8承受一定 冲击韧性，如木工用斧、钳工用凿

8、子等；而 T12, T13硬度及耐磨性最高，但韧 性最差不承受冲击韧性，如锉刀、铲刮刀等，4- 一般工程用铸造碳素钢其碳含量一般小于0.65%。牌号用符号“ ZG如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa抗拉强度不低于640MPa勺铸钢。1.2钢的合金化原理一、合金元素的存在形式1. 形成铁基固溶体形成铁基置换固溶体：Ni、Co Mn Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。 其中Ni、Co和Mn形成以丫 -Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以a -Fe为基的 无限固溶体。 Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。女口 a -Fe(Mo)和a -Fe(W)等。 Nb Ti只能形成具有较

9、窄溶解度的有限固溶体；形成铁基间隙固溶体 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按 B、C NO H的顺序而 增加：对a -Fe ,间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对 丫 -Fe，间隙原子优 先占据的位置是八面体或四面体间隙。2. 形成合金渗碳体或碳化物合金渗碳体碳化物：(Fe,Mn)3C、TiN、TiC、Ti C N等；过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度或稳定性按以下规强中弱 强氮化物、碳化物：具有简单的点阵结构NbC NbN NbC N 中合金渗碳体、碳化物：具有复杂的点阵结构Cr7C3、Fe、Cr3C 弱合金渗碳体在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的

10、。渗 碳体中Fe的原子可以被假设干合金元素的原子所取代。 如(Fe,Mn)3C(Fe,Cr) 23C 等。3. 形成金属间化合物金属化合物的类型通常分为正常价化合物、 电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。例：c (Cr46Fe54)、n (TiFe 2)、x (Cr21MO7Fe62)、4. 形成非金属相非碳化合物及非晶体相钢中的非金属相有：FeO MnO Ti02、SiO2、AI2O3、Cr2O3 MnS FeS 等。 非金属夹杂物一般都是有害的。AIN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。在特殊条件下如快速冷却凝固，可使某些金属或合金形成非晶体相结

11、构。二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对丫层错能的影响1 合金元素与铁的相互作用丫相稳定化元素奥氏体形成元素：使A3912C降低，A4 1393C升 高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了丫相区。 开启丫相区无限扩大丫相区：这类合金元素主要有 Mn Ni、Co等。 扩展丫相区有限扩大丫相区：由于合金元素与a -Fe和丫 -Fe均形成有限固溶体，最终不能使丫相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu等。与沸良互箱的FMN相阴及舸阴b片a相稳定化元素铁素体形成元素 合金元素使A4降低，A3升高，在较宽 的成分范围内，促使铁素体形成，即缩 小了 丫相区。 封闭丫相区无限扩大a相区； 缩小

12、丫相区不能使丫相区封闭。 例：加Cr得到铁素体不锈钢不发 生相变，a区变大力卩Mn Ni、Co得 奥氏体不锈钢。2. 合金元素与碳的相互作用与F葫眼互滝的EZ湘图邂Fg目国盼碳化物形成元素:Fe、Mn Cr、W MoV、Nb Ti等。碳化物是钢中主要的形成碳化物 强化相。碳化物形成元素均位于 Fe的左侧 非碳化物形成元素：Ni、Si、Co Al、Cu N、P、S等，与碳不能形成碳化物， 但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元 素均处于周期表Fe的右侧。 碳化物的特性：i硬度大、熔点高可高达 3000C，分解温度高可达1200C； ii具有明显的金属特性；iii可

13、以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，女口： Fe3WC、Fe4V2C Fe3M3C 等。Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响 活度：i碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活 度。i非碳化物形成元素，相反将“推开碳原子，提高其活动性，即 增加碳 的活度i应用：在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷團合金元索对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散糸数的影响时，具重要意义 扩散激活能和扩散系数： i碳化物形成元素：提高了 C在A中结合力，因而使扩 散激活能升高扩散系数下 降。女口 Cr、Mo和W等ii 非碳化物形成元素：降低了 C在A中的结合力，因而使扩散激活能

14、下降，扩散系数升高。如Ni、Coiii需要指出的是Si是个例外Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性iv总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义 ：它关系到所形成的碳化 物的种类、性质和在钢中的分布。同时对钢的热处理亦有较大的影响， 如奥氏体 化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。3 合金元素对奥氏体层错能的影响 层错能：晶体中形成层错时增加的能量。层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工硬化 趋势增大。举例：高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大 高Ni钢易于变形加工，Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高 高Mn钢那么难于变形加工，Mn

15、 Cr那么降低奥氏体的层错能。三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1 合金元素对奥氏体、铁素体区存 在范围的影响扩大丫相区的合金元素如Ni、Co Mn等均扩大铁碳相图中奥氏体存在 的区域。缩小丫相区的合金元素如Cr、WMo V、Ti、Si等均缩小铁碳相图 中奥氏体存在的区域。2 合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响Me对共析转变温度的影响 扩大丫相区的元素使铁碳合金 相图的共析转变温度下降；缩 小丫相区的元素使铁碳合金相图 的共析转变温度上升。Me对共析点S成分的影响几乎所有合金元素都使S点图 1-9碳含量降低，尤其以强碳化物 形成元素的作用最为强烈。 共晶点E的碳含量也随合金元素增加

16、而降低 合金元素使得S与E点左移四、合金元素对钢的热处理的影响1. Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响原因： 合金元素的参加改变了 临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度， 使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化； 由于奥氏体的形成是一个 扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难， 而且还 将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。奥氏体形成过程：奥氏体的形核奥氏体的长大渗碳体的溶解奥氏体成分 均匀化 Me对奥氏体形成速度的影响 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的 形成和长大，两者都与碳的扩散有关。i非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形 成速度

17、。ii强碳化物形成元素Cr、Mo W V等与碳的亲和力较大，显著阻碍碳 在奥氏体中的扩散，大大 减慢了奥氏体的形成速度。 碳化物的溶解：稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加 热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。 奥氏体的成分均匀化：由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥 氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。 注意：由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较 长的保温时间，以得到比拟均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。 但对 需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，那么不应采用过高的加热温度和过长的保 温时间。Me对奥氏体晶粒长大倾向的影

18、响 原因：合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶 界长大，显著细化晶粒。 Ti、Nb V等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中 易形成高熔点AIN、AI2。细质点，也能强烈阻止晶粒 长大； W Mo Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用 中等； Ni、Si、Co Cu等阻碍奥氏体晶粒长大的作用 轻微; Mn P、B那么有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强 烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较 短。2. Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响主要表现在合金元素可以使钢的 C曲线发生显著变化。探TiVNbUMMnMidClWM< VTIJCMflCrMoCrSi 13

19、合全兀素对奥氏体恒温转交曲线的影响1强碳化物形成兀烹中等及弱碳化物形成元素0非碳化物形成兀索CfMrt.对咼温转变珠光体转变的影响；对中温转变贝氏体转变的影响； 对低温转变马氏体转变的影响。对珠光体转变的影响 除Co外，几乎所有的合金元素使 C曲线右移T A稳定性 Me的参加对钢还有固溶强化的作用； 合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。如果淬火加热温度不高，保温时间较短，由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转 变的核心，使淬透性下降。 两种或多种合金元素同时参加对淬透性的影响要比两单个元素影响的总和强 得多.合金钢采用多元少量合金化原那么，可最有效地发挥各种合金元素提高钢 的淬透性的作用。对贝氏体转变的影响原因：合金元素对贝氏体转变的作用是通过对 Ya转变和碳原子的扩散的影响 而起作用。 合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。 B Mo Mn对贝氏体转变的影响