钢铁中的合金元素

1、思考题思考题1、如何理解金属的塑性变形与强化这对概念？金属材料的强化思路？2、固溶强化的原因？3、应变强化的原因？4、分散强化的原因？5、细晶强化的原因？第四章第四章 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素背景背景l FeCrAl耐热合金作为发热体，要有一定的电阻以及高温抗氧化性；l 188奥氏体不锈钢，要求对许多介质有很好的耐蚀性；l Fe-Si电工钢；l IF钢汽车钢板，有很好的深冲性能等；l 结论：结论：这些钢种都是铁基合金，但由于加入不同合金元素，所表现出来的性能很不相同。 l 我们在物理化学基础课程中已经学习了二元相图的知识，由于元素与元素的相互作用，改变了体系中各相的稳定性，并产生了许多

2、新的相；l 以FeC二元相图为例，铁中由于加入了C元素，产生了新相，形成了不同的组织，从而钢铁材料也具有一系列不同的性能；l 合金元素合金元素的定义：在碳钢中有意地加入一种或几种合金元素,使钢的使用性能或工艺性能得以改善提高.l 常见的合金元素常见的合金元素 目前钢铁中常用的合金元素有十几个，分属于元素周期表中的不同周期：第二周期第二周期：B B、C C、N N第三周期：第三周期：AlAl、SiSi、P P、S S第四周期：第四周期：TiTi、V V、CrCr、MnMn、CoCo、NiNi、CuCu第五周期：第五周期：NbNb、MoMo第六周期：第六周期：W WA41390A3910 -Fe

3、-Fe -Fe 第一节第一节 铁基固溶体铁基固溶体背景背景 铁在加热和冷却过程中产生上述的多型性转变；钢中的合金元素对-Fe、-Fe和-Fe的相对稳定性及多型性转变温度A3和A4都有极大的关系。l 奥氏体形成元素奥氏体形成元素：合金元素中，在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素； l 铁素体形成元素铁素体形成元素：在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素；l 根据它们对铁多型性转变的影响，分为两大类：(1)使A3温度下降，A4温度升高，这类元素是扩大相区的奥氏体形成元素。它们分两类：1）开启开启相区相区： 如锰、钴和镍，它们的原子尺寸、晶体结构、电负性等与铁相似，可与-Fe无限固溶，使

4、和相区缩小，这种类型的相图如下图。 开启开启相区类相区类型型Fe-M相图相图 ：如锰、钴和如锰、钴和镍镍Fe-Ni相图相图2）扩大扩大相区相区：如碳、氮和铜，它们使相区扩大，但与-Fe有限溶解。 其中碳和氮与铁形成间隙固溶体，铜与铁形成代位固溶体。这类相图如下图。（2）使A3温度升高，A4温度下降 这类是缩小-相区的铁素体形成元素。它包括下列两种情况：1）封闭封闭相区相区：这类元素是A3温度升高，A4温度下降，并在一定浓度处汇合，在相图上形成圈。Fe-C相图是这相图是这种情况种情况2）缩小相区：这类元素与封闭相区元素相似，但由于出现了金属间化合物，破坏了圈。如硼、铌、硫等。l 总结总结1）合金

5、元素除了碳、氮和硼以外，都与铁形成代位固溶体；2）它们扩大或缩小相区的作用与该元素在周期表在周期表中的位置有关中的位置有关；3）有利于扩大相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在其多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。 复习题：复习题：1、奥氏体形成元素与铁素体形成元素的概念？2、为什么要用碳、氮元素来改性表面的性能？渗碳的具体工艺是什么？第二节第二节 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用1、合金元素的分布、合金元素的分布l 合金中的晶体缺陷有晶界、相界、亚晶界及位错等，这些晶体缺陷区有较高的能量；l 合金元素和杂质元素溶于合金后，

6、将与这些晶体缺陷产生相互作用。溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚；溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团；l 因此，溶质元素在合金中有时虽然极微，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨大的影响；l 如晶界强化、晶界脆化、晶界腐蚀等。举一例子：磷的脆性；硼提高钢的淬透性。2、合金元素与缺陷的相互作用合金元素与缺陷的相互作用l产生晶界偏聚和柯垂耳气团的主要原因是溶质原子与基体原子的弹性作用；l 溶质原子在完整晶体内引起的畸变能高，因此，比基体原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界和位错等处，从整个系统的能量来说是有利的；l 所以，这种偏聚过程是自发进行的

7、。 3、Mclean导出了晶界区的溶质偏聚浓度公式Cg：表示晶界区的溶质偏聚浓度；C0：为溶质在基体晶内的浓度；E：为溶质在晶内和晶界区引起畸变能之差，即晶界偏聚的驱动力。影响晶界偏聚的因素：l溶质元素引起的E。E为正值。溶质原子与基体原子的原子半径差别越大，E值越大，其晶界偏聚富集系数也越高。)exp(0RTEccgl 温度能影响溶质在晶界的偏聚浓度。从公式看，温度越低，晶界的偏聚浓度越高。但晶界偏聚是一个扩散过程，只有在溶质原子能扩散的温度范围才能发生，并需要一定时间才能达到该温度下溶质的晶界平衡偏聚浓度。l 不同原子的扩散激活能不一样：氢原子在0以下就可以显著扩散；碳、氮原子需要在室温附

8、近才产生晶界偏聚；磷原子在350以上，等等。l 第一种溶质元素的晶界偏聚还受到第二种溶质元素的影响。第一种是各晶界偏聚元素间的晶界位置的竞争作用，E大，优先偏聚。第二种影响晶界偏聚速度；第三种是互相促进，发生共偏聚。思考题：思考题：1、奥氏体形成元素与铁素体形成元素的概念？2、请分析合金元素加入到钢中后它们的去向?以及分析它们的可能作用?第三节第三节 钢铁中的碳化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物1、背景、背景举例：七十年代，在国外开发成功的微合金钢（High Strength Low Alloy, HSLA, Microalloyed Steel)，l 就是在普通碳钢的基础上，添加微合金元素钛

9、、铌、钒等元素，然后与控制轧制控制冷却工艺结合起来；l 利用这些元素与碳、氮的强烈作用，形成这些元素的碳氮化物，这些碳氮化物一方面起到沉淀强化，另一方面能细化晶粒；l 使之成为一类高效能的钢铁；l 碳化物和氮化物是钢铁中的重要组成相，其类型、成分、数量、尺寸大小、形状及分布对钢铁的性能有极重要的影响。 含含Nb析出物析出物 该析出物的该析出物的EDSl 因此，了解钢中常见的碳化物和氮化物的一些性质是必要的。2、碳化物和氮化物在钢中的稳定性、碳化物和氮化物在钢中的稳定性l 碳化物和氮化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳、氮的结合强度，结合强度大，则它们在钢中的稳定性也大；l 这种结合强度可以用碳

10、化物和氮化物的生成Gibbs能来衡量；l 由此可以排定它们的强弱次序： Ti Zr V Nb W Mo Cr Mn Fe依箭头次序减弱3、碳化物（氮化物）的分类碳化物（氮化物）的分类 根据过渡族金属元素和碳、氮的结合强度，可以将它们分类：l Ti、Zr、Nb、V是强碳化物形成元素；l W、Mo、Cr是中等强度碳化物形成元素；l Mn、Fe属于弱碳化物形成元素。l 氮的情况与碳一样。4、碳化物和氮化物的晶体结构、碳化物和氮化物的晶体结构（1）过渡族金属的碳化物和氮化物中，金属原子和碳、氮原子相互作用形成由金属原子亚点阵和碳、氮原子亚点阵组成的间隙结构。这些金属亚点阵与形成它们的金属点阵不同，但仍

11、属于典型黑球为过渡族金属，为一黑球为过渡族金属，为一亚点阵；亚点阵；红球为碳原子或氮原子，红球为碳原子或氮原子，为另一亚点阵；为另一亚点阵；的面心立方、体心立方、密排六方或复杂结构。（2）至于形成什么结构，取决于碳、氮原子的半径与金属原子的半径之比（rx/rM），一般来说（可能还有电子因素） :l当（rx/rM）0.59，形成复杂结构的间隙化合物。 举例：碳的原子半径rC=0.077nm；氮的原子半径rN=0.071nm 因此，rN/rM0.59，氮化物均具有简单密排结构。l碳化物中只有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等具有简单密排结构；lCr、Mn、Fe等具有复杂密排结构。5、碳化物与氮化物之

12、间可以相互溶解，形成碳氮化物6、碳化物和氮化物具有高硬度和高熔点等第四节第四节 合金元素对钢加热时转变的影响合金元素对钢加热时转变的影响 合金钢加热时的转变包括：1) 相相的形成；2) 碳化碳化物和铁素体物和铁素体的溶解；3) 相中碳和合金元素合金元素的均匀化；4) 奥氏体奥氏体晶粒长大。1、合金元素对共析点含碳量与温度的关系合金元素Mn对共析成份点的含碳量和温度的变化:l 共析的碳成分变小; l 温度降低。合金元素Mo对共析成份点的含碳量和温度的变化：l 碳成分变小；l 温度增高。各种合金元素含量与共析碳质量分数的关系如右图。常见合金元素对共析温度的变化2、合金元素对奥氏体形成的影响、合金元

13、素对奥氏体形成的影响1）当加热温度高于Ac1时，奥氏体是通过碳化物溶解及扩散多型性转变形成的；2）奥氏体量的增长依赖于碳化物的溶解、碳和铁原依赖于碳化物的溶解、碳和铁原子的扩散子的扩散；3）合金元素对碳化物的稳定性碳化物的稳定性及碳在奥氏体中扩散碳在奥氏体中扩散的影响，直接控制控制着奥氏体的形成速度：l 强碳化物形成元素强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NbC、VC，只有在高温下才溶于奥氏体；l 碳化物形成元素可提高碳在奥氏体中的扩散激活能，对奥氏体形成有一定阻碍作用。 l 当奥氏体转变完成后，还有一个合金元素和碳的均匀化过程。由于合金元素扩散慢，可以提高淬火温度或延长保温时间来达到

14、成分均匀化。这也是提高合金钢淬透性的有效方法。3、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 控制奥氏体的晶粒度对改善合金钢的强韧性至关重要。钢中奥氏体晶粒长大的驱动力是系统界面能的减小(具体是，晶界两侧晶粒的表面自由能差)。晶界移动依靠晶界原子的扩散。1）钢中促进奥氏体晶粒长大的元素有碳、磷、锰（高碳时）l 碳和磷在奥氏体晶界偏聚降低了晶界铁原子的自扩散激活能；l锰是加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作用。2）铝、钛、铌、钒等元素在钢中能形成稳定的氮化物、碳氮化物、氮化物，弥散质点钉扎奥氏体晶界，阻碍其晶粒长大（原因是原有的晶界面被颗粒与奥氏体的相界面所代替，减少了晶界面）。第

15、五节第五节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对过冷奥氏体转变的影响1、合金元素对过冷奥氏体转变的影响，首先表现在对临界点的影响：l奥氏体形成元素降低Ar3点，使转变温度降低，过冷度减小，转变的驱动力减小；l铁素体形成元素则相反。2、合金元素对过冷奥氏体转变的影响集中反映在对过冷奥氏体转变动力学曲线位置 在碳钢中由于珠光体和贝氏体的最大转变速度温度极为接近，故在过冷奥氏体转变动力学曲线上只画出一个C曲线。但不同的合金元素对这些转变有着不同的影响: 1）过冷奥氏体的先共析铁素体转变 l 先共析铁素体转变是一个典型的扩散性的形核和长大的过程，铁素体中碳量近于平衡态（0.02wt%）， 因此，相

16、变时，首先进行碳的扩散 ；l由于碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散系数，因而显著推迟先共析铁素体的转变；推迟先共析铁素体的转变；l非碳化物形成元素的影响较小；l总结：合金元素影响这个转变是通过对碳的扩散的影响来进行的；l硼(B)元素影响的机理是例外，它是界面吸附元素。2) 过冷奥氏体的珠光体转变过冷奥氏体的珠光体转变 除除Co外，合金元素推迟珠光体相变外，合金元素推迟珠光体相变，但机理和程度有所不同，可以从强碳化物形成元素（Ti、Nb、V）中强碳化物形成元素(W、Mo、Cr)弱碳化物形成元素(Mn)非碳化物形成元素（Si、Al、Ni、Co）来分析原因。l 强碳化物形成元素强碳化物形成元素:由

17、于它们在奥氏体中的扩散系数远小于C，因此，合金元素本身的扩散是转变的关键，通过推迟碳化物的形核和长大，来推迟相变；l 中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素：由于相同的原因，推迟碳化物的形核与长大；另外，增强固溶体原子之间的结合（推迟）；因此，推迟相变；l 弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素：推迟含Mn渗碳体的形核与长大；另外也推迟；l Ni增强固溶体原子之间的作用力，推迟；Co加速；Si与Al不溶于渗碳体，推迟渗碳体的形核与长大；l 硼(B)是内吸附元素，在晶界偏聚，降低晶界的能量，从而降低在晶界上的形核。3）过冷奥氏体的贝氏体转变）过冷奥氏体的贝氏体转变l 在一般情况下，除了Co能加速贝氏体的

18、形成外；l C、Mn、Cr、Ni、Si、Mo、W、V、Cu和B都延缓贝氏体的形成；l 其中以C、Mn、Cr、Ni最为明显。4）用四个图来总结：）用四个图来总结： 珠光体珠光体贝氏体贝氏体珠光体珠光体贝氏体贝氏体只改变位置只改变位置形状与位置均改变形状与位置均改变3) 合金元素对马氏体转变的影响合金元素对马氏体转变的影响 马氏体转变是无扩散性转变（切变转变），形核和长大速度极快，因此合金元素对马氏体转变动力学影响小; 它对马氏体转变的影响主要表现在以下几方面：l 绝大多数合金元素都降低Ms点（马氏体开始形成点），只有钴和铝相反。l 绝大多数合金元素都提高奥氏体稳定性，其中奥氏体形成元素Mn、Ni

19、、C、N的作用显著；冷却过程中，保留的残留奥氏体增加。(如何从热力学与动力学两方面理解?) 例如，为了要在室温下或零度下获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。除在高温得到单一相外，还要使Ms点远低于室温或零下，通常是加入Ni、Mn、Cr、C、N等元素。l 合金元素还影响马氏体的亚结构; 马氏体亚结构有两种：具有位错亚结构位错亚结构的板条马氏体；具有孪晶结构孪晶结构的针状马氏体。合金元素的含量和马氏体转变温度决定钢的滑移滑移和孪生孪生的临界分切应力，从而影响马氏体的亚结构。思考题思考题: :1、钢中合金元素是如何影响其过冷奥氏体转变、钢中合金元素是如何影响其过冷奥氏体转变的？的？2、如何理解不同合金元素对过冷奥氏体稳定性、如何理解不同合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响？如何使钢在常温下获得奥氏体相？的影响？如何使钢在常温下获得奥氏体相？第六节第六节 合金元素对