金属材料学-金属材料合金化基础(第一章)教案

1、.讲课内容补充说明第一章 金属材料合金化基础金属材料按其组成材料的元素是单个还是多个可分为纯金属和合金。按其色质或主要组成元素的种类在习惯上又可分为黑色金属与合金以及有色金属与合金两大类。黑色金属与合金是指铁、铬、锰和以铁、铬、锰为主的合金；有色金属与合金是指除铁、铬、锰以外的其它金属或其主要组成元素不是铁、铬、锰的合金。由于铁基合金（钢铁材料）在黑色金属材料中占据极其重要的地位，因此本书主要讲授钢（包括铁基高温合金）和铸铁。也正基于此，习惯上人们常把除铁和钢以外的金属及其合金称为有色金属或非铁合金。本章重点讲授钢的合金化原理，并在此基础上介绍有色金属材料合金化的特点。1.1 碳钢概论在讲授钢

2、的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。它们对碳钢的性能有一定的影响。1 锰和硅的影响 锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%。主要固溶于铁中。此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的MnS夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。因为FeS熔点

3、较低（1190），与铁易于形成低熔共晶（989）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600），MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。硅在钢中的含量通常小于0.5%。由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。 必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。 2硫和磷的影响 硫

4、是炼钢时不能除尽的有害杂质。硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（0.06%），而在碱性电炉和

5、电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在-铁中的最大溶解度可达2.55%(1049)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE等低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保证取得细晶组织的条件下

6、（如用Al脱氧的钢），磷的冷脆作用得以抑制。故在s、b升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含磷量提高到0.08%0.15%时，可使铁素体适当脆化，从而提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。 3氮、氢、氧的影响 氮是在冶炼时进入钢中的

7、。氮在-铁中的溶解度在590时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌等合金元素时，氮可以与之形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。此外氮化钢就是利用氮化物相强化钢铁材料零件的。 氢在钢中的溶解度甚微，对钢的组织看不出什么影响。但由于氢和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。钢中较常见的是“白

8、点”和氢致延迟断裂。钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子，由于微孔核心等很小，很少的氢气便可产生相当大的压力，这种内压力大到足以通过塑性变形或解理使裂纹长大或使微孔长大、连接时便产生氢脆断裂，呈白点特征。当氢在位错附近偏聚形成“气团”时，“氢气团”的运动遇到障碍产生位错塞积的同时也就造成了氢的偏聚，当偏聚在裂纹尖端的氢含量达到临界值时，该区域发生脆化，裂纹向前扩展，到一定距离后裂纹扩展停止；当裂纹前方的氢偏聚再次达到临界值时裂纹再次扩展，如此不连续式的扩展，最后达到临界尺寸而失稳断裂。 氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、

9、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐MgOAl2O3、MnOAl2O3。这些非金属夹杂物有易变形的，如2MnOSiO2、MnOSiO2，与硫化物相似，沿加工方向伸长，呈线段状；也有不易变形的，如各种氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2和FeO等，沿加工方向呈链状分布。非金属夹杂物对钢的质量有重要影响，这种影响不仅和夹杂物的成分、数量有关，而且还和它的形状、大小，特别是分布状况有关。 为了保证钢材在使用中不出现问题，钢材生产厂都必须严格按照国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级；钢材使用单位即用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析，对组

10、织和缺陷及夹杂物做金相分析，对力学性能作力学试验。二、碳钢的分类在材料科学基础中，我们曾根据铁碳相图对铁碳合金进行分类。那时我们把铁碳合金分为工业纯铁（wC0.59（其中为碳原子半径，为合金元素的原子半径）时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。当0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均属于此类元素，它们形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。此类碳化物具有下列特点：碳化物硬度大、熔

11、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。实际上钢中的碳化物，除了上述两种类型外，在某些条件下，还可出现下述两种情形：一种是当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的铁原子，常以合金渗碳体的形式出现，如：(FeCr)3、(FeMn)3C等；另一种是合金元素含量有所升高，但仍不足以生成自己特有的碳化物，这时将生成具有复杂结构的合金碳化物，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。除去含量条件以外，保证元素

12、在钢中的扩散也是形成碳化物的必要条件。因此，碳化物的形成过程与热处理工艺有着极为密切的关系。碳化物的特性 如果将纯金属和碳化物的硬度作比较，便可看出碳化物的强化能力是很大的，如表1-5所示。形成碳化物倾向性越强的元素，其碳化物硬度也越高。表1-5 纯金属与碳化物的硬度（HV）纯金属TiNbZrVMoWCr-Fe硬度23030030014035040022080碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度3200205528402094148017301650860另外，碳化物是一种很重要的强化相，形成碳化物能力越强的元素，其碳化物稳定性越高。稳定的碳化物具有高熔点、高分解温

13、度，难于溶入固溶体，因而也难以聚集长大。其碳化物稳定性由弱到强的顺序是：Fe3C、M23C6、M6C、MC。如果碳化物稳定性高，在温度和应力长期作用下不易聚集长大，则可大大提高材料的性能和使用寿命。稳定性的另一个含义是指碳化物和固溶体（基体）之间不易在高温下因原子扩散作用而发生合金元素的再分配。碳化物的稳定性对于钢的热强性也很重要。首先碳化物可使钢在更高的温度下工作并保持其较高的强度和硬度。其次在达到相同硬度的条件下，碳化物稳定性高的钢可以在更高的温度下回火，使钢的塑性、韧性更好。所以合金钢的综合性能比碳钢的好。各种碳化物虽然像一般化合物一样，可以写成元素间有一定配比的分子式，但是正因为碳化物

14、具有金属特性，所以并不像普通的酸、碱、盐那样在成分上很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物为基底，固溶入各种合金元素，即合金元素在碳化物中有一定的溶解度。例如Fe3C能溶解大量的合金元素。据报道，Fe3C 中可溶解的Cr量达25%。而Mn在Fe3C中的溶解度是无限的，即随Mn含量的不断增加，可由 Fe3C变为 (FeMn)3C，直到Mn3C。(FeW)3C的成分随W量增加可变为 Fe4W2C。即使是间隙型碳化物的成分也不是很固定的。（2）合金元素对固溶体中碳的活度及扩散系数的影响 合金元素对碳在固溶体中活度的影响 决定C在固溶体中行为的最完备的特性是其活度。由物理化学知识知道，组元的活度与其原子百分浓度相联系，即其中为组元的活度系数。组元的活度系数的特点是强烈地与其原子状态相联系，即与组元原子在固溶体中的可动性、组元保留在固溶体中或从固溶体中析出为另一相的能力紧密联系着。为了评价合金元素在合金固溶体中对碳的活度的影响，在相同状态下选择具有相同含碳量的非合金