钢的合金化原理

1、第一章第一章 钢的合金化原理钢的合金化原理 主要内容主要内容l钢中的合金元素钢中的合金元素l合金钢中的相组成合金钢中的相组成 （重点）（重点）l合金元素对相变的影响合金元素对相变的影响 （重点）（重点）l合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响1.1 1.1 钢中的合金元素钢中的合金元素一一. 几个概念几个概念1. 1. 合金元素合金元素 特别添加特别添加到钢中为了保证获得所要求的到钢中为了保证获得所要求的组织结构组织结构从而得从而得到一定的物理、化学或机械到一定的物理、化学或机械性能性能的的化学元素化学元素。（常用。（常用MM来表示）来表示） 如：如：B, C

2、, N; Al, SiB, C, N; Al, Si, P, S; , P, S; Ti, V, Cr, Mn Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; , Co, Ni, Cu; Y, Zr, Nb Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La, Mo; W, Ta, La系。系。2. 2. 杂质元素杂质元素l由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢由冶炼时所用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。中的化学元素。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

3、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、废钢有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。l注意注意: 同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。 如：当如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：其作为合金元素时：H储氢合金；储氢合金； S易切削钢；易切削钢；P耐磨钢。耐磨钢。 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低

4、熔点989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；（硬脆）； ？ 氢氢 脆脆 H 白点。白点。3. 3. 合金钢合金钢 在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。 M5M10M10, , 称为高合金钢；称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定不过这种划分并没有严格的规定。4. 4. 微合金元素与微合金化钢微合金元素与微合金化钢 l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，Ti,Ti,和和B B等，当其含量只在等，当其含量只在

5、0.1%0.1%左左右（如右（如B 0.001%B 0.001%，V 0.2 %V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组）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。织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。l微合金钢微合金钢二二. M. M分类及分类及Fe-MFe-M的类型的类型 1. 1. 合金元素合金元素MM的分类的分类 铁族金属铁族金属Co, Ni, MnCo, Ni, Mn。 难熔金属难熔金属W, Mo, NbW, Mo, Nb, V, Cr., V, Cr. 轻金属轻金属Ti, Al , Mg, LiTi, Al , Mg, Li 稀土金属稀土金属LaLa，CeCe和

6、和NdNd等等 贵金属元素贵金属元素Au, AgAu, Ag 按按MM与与C C的亲和力的大小分为的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：碳化物形成元素：Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, MnTi, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Cu, Ni, Co, SiCu, Ni, Co, Si, Al, Al2. Fe-M2. Fe-M二元相图的类型二元相图的类型 同素异型转变同素异型转变 A A3 3（910910） A A4 4（13901390）-Fe - Fe - -Fe-Fe - Fe - -Fev奥氏体形成元素：奥氏体

7、形成元素： 在在-Fe-Fe中有较大的溶解度中有较大的溶解度, ,且能稳定且能稳定 相；如相；如 MnMn, Ni, Co, , Ni, Co, C, N, CuC, N, Cu；v铁素体形成元素：铁素体形成元素： 在在-Fe-Fe中有较大的溶解度，且能稳定中有较大的溶解度，且能稳定 相。如：相。如：V V，NbNb, , TiTi 等。等。v 按照按照MM对对Fe-MFe-M影响影响: :l扩大扩大 相区相区 使使A A3 3降低，降低，A A4 4升高。一般为奥氏体形成元素。升高。一般为奥氏体形成元素。l缩小缩小 相区：相区： 使使A A3 3升高，升高，A A4 4降低。一般为铁素体形成

8、元素降低。一般为铁素体形成元素。扩大扩大 相区相区 分为两类：分为两类： 1 1）开启）开启 相区相区 MnMn, Ni, Co , Ni, Co 与与 -Fe-Fe无限互溶无限互溶. .Fe-Ni合金合金开启开启相区相区 示意图示意图2 2）扩大）扩大 相区相区 有有C C，N N，CuCu等。如等。如Fe-CFe-C相图，形成的扩大的相图，形成的扩大的 相区，相区，构成了钢的热处理的基础。构成了钢的热处理的基础。 扩大扩大相区示意图相区示意图Fe-C 相图相图 缩小缩小 相区：相区：也分为两类也分为两类: :1 1）封闭）封闭 相区相区 使相图中使相图中 区缩小到一个很小的面积形成区缩小到

9、一个很小的面积形成 圈圈, , 其结果使其结果使 相区与相区与 相区连成一片。如相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, SbSn, As, Sb。封闭封闭相区示意图相区示意图2 2）缩小）缩小 相区相区：Zr, Nb, Ta, B, S, CeZr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。等。3. 3. 生产中的意义生产中的意义l可以利用可以利用MM扩大和缩小扩大和缩小 相区作用，获得单相组织，具相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。有特殊性能，在耐蚀钢和耐热

10、钢中应用广泛。l合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。 三三. M. M对对Fe - CFe - C相图的影响相图的影响 1. 1. 改变了奥氏体区的位置改变了奥氏体区的位置锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响2. 2. 改变了共晶温度改变了共晶温度 l扩大扩大 相区的元素相区的元素 使使A A1 1，A A3 3下降；下降； 缩小缩小 相区的元素相区的元素 使使A A1 1，A A3 3升高。升高。l 当当Mo8.2%, W12%,Mo8.2%, W12%, Ti1.0%, V4.5%, T

11、i1.0%, V4.5%, Si Si8.5%8.5%， 相区消失。相区消失。 3. 3. 改变了共析含碳量改变了共析含碳量 所有合金元素均使所有合金元素均使S S点左移。点左移。 提问：对组织与性能有何影响呢？提问：对组织与性能有何影响呢？ 四、四、MeMe在钢中的存在形式在钢中的存在形式 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

12、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。（一）（一）MeMe在不同状态下的分布在不同状态下的分布（二）（二）MeMe的偏聚（的偏聚（segregation segregation ） Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为这种现象也称为吸附现象。吸附现象。 偏聚现象对钢的组织和

13、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.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

14、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。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

15、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D , MnDP，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l 对组织与性能影响很大对组织与性能影响很

16、大 回火脆性回火脆性：当：当P P，AsAs，SnSn，BiBi，SbSb在晶界发生偏聚在晶界发生偏聚 时时-晶界脆性；晶界脆性； 淬透性：淬透性：钢中加微量钢中加微量B B时，大大提高钢的淬透性；时，大大提高钢的淬透性； 晶界强化：晶界强化：耐热钢中加入耐热钢中加入B B，ZrZr等，提高晶界强度；等，提高晶界强度； 晶界迁移与晶界扩散晶界迁移与晶界扩散 晶间腐蚀晶间腐蚀 优先成核：优先成核：相变时晶体缺陷处优先成核。相变时晶体缺陷处优先成核。 五五. . 合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号 1. 钢的分类钢的分类l按用途分类按用途分类 工程结构钢工程结构钢 机械制造结构钢机械制造结构钢

17、工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢） 特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）l按金相组织分类按金相组织分类 1 1）按平衡状态或退火状态的组织分：）按平衡状态或退火状态的组织分： 亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢； 2 2）按正火组织分）按正火组织分: P: P钢，钢，B B钢，钢，MM钢，钢，A A钢；钢； 3）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分： F F钢，钢，MM钢，钢，A A钢和双相钢。钢和双相钢。l按按化学成分化学成

18、分分：碳素钢和合金钢；分：碳素钢和合金钢；l按按工艺特点工艺特点分：铸钢分：铸钢, , 渗碳钢渗碳钢, , 易削钢等；易削钢等；l按按质量等级质量等级分分: : 普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢级优质钢。2. 2. 合金钢的编号方法合金钢的编号方法v含碳量含碳量C C：一般以平均含碳量的一般以平均含碳量的万分之几万分之几来表示。来表示。 如如 30CrMnA: 30CrMnA: 平均含碳量为平均含碳量为0.30%0.30%； 60Si2Mn:60Si2Mn:平均含碳量为平均含碳量为0.60%0.60%。u注意：注意：l不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢

19、，含碳量一般不予不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢，含碳量一般不予标出；但如果几个钢的标出；但如果几个钢的M%M%相同，相同，C%C%不同，则用千分不同，则用千分之几表示之几表示C%C%。如。如0Cr13, 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 0Cr13, 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr134Cr13；l合金工具钢：当合金工具钢：当C1.0%, C1.0%, 不标出；当不标出；当C1.0%,C1.0%,用千用千分之几标出分之几标出, ,如如9Mn2V, 9CrSi9Mn2V, 9CrSi。v 合金元素合金元素MMl平均含量小于平均含量小于1.5%1.5%时，只标元素。如：

20、时，只标元素。如：20MnVB20MnVB：0.20%C, 1.5%Mn, 0.2%V, 0.20%C, 1.5%Mn, 0.2%V, 微量微量B B； l平均含量在平均含量在1.5-2.491.5-2.49，2.50-3.492.50-3.4922.50-23.4922.50-23.49应相应地写为应相应地写为 2, 32, 3， , 23 , 23； 如如 5555Si2Si2Mn: 0.55%C, 2%Si, 1.5% MnMn: 0.55%C, 2%Si, 1.5% Mn 0 0Cr18Ni9Cr18Ni9Ti: 0.08%C, 18%Cr, 9%Ni, Ti: 15%，溶解度极小。，

21、溶解度极小。结结论论 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe 。溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度，溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。 间隙固溶体间隙固溶体二二. . 碳化物（碳化物（K K） 1. 1. 结构结构 1 1）rc

22、/rrc/rMM0.59 0.59 0.59 ，间隙化合物，间隙化合物 复杂密排结构，如复杂密排结构，如Cr, MnCr, Mn, Fe, Fe等与等与C C形成的形成的K K：l MM2323C C6 6型型 复杂立方，复杂立方，Cr, MnCr, Mn形成的形成的K K：CrCr2323C C6 6l MM7 7C C3 3型型 复杂六方，复杂六方，Cr, MnCr, Mn形成的形成的K K：CrCr7 7C C3 3, Mn, Mn7 7C C3 3l MM3 3C C型型 正交晶系，正交晶系，FeFe形成的形成的K K：FeFe3 3C C3 3）Fe-M-CFe-M-C形成的三元形成

23、的三元K KlMM6 6C C型型 复杂立方，复杂立方，W、Mo的的K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。lMM2323C C6 6型型 复杂立方，复杂立方，W、Mo的的K： Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。1 1）K K类型类型 K类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径有关。 各元素的各元素的rc/rMe的值如下：的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 2 2、K K形成的一般规律形成的一般规律 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，

24、如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如，如（Cr, M）23C6型型 。2 2）相似者相溶）相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合K 如如Fe3C中可溶入一定

25、量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值为最大值为 20%Cr， 2%W， Zr Nb V W, Mo Cr Mn Fe各种各种K相对稳定性如下：相对稳定性如下： MC M2C M6C M23C6 M7C3 M3C （高（高-低）低）三三. . 氮化物及硼化物氮化物及硼化物 自学内容 四四. . 金属间化合物金属间化合物 合金钢中由于合金钢中由于MM之间以及之间以及MM与与FeFe之间产生相互作用，之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。 合金钢中比较重要的金属间化合物有：合金钢中比较重要的金属间化合物有： 相（相（ABAB）

26、 拉夫斯相（拉夫斯相（ABAB2 2） 有序相（有序相（ABAB3 3） v 相相 在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐热合在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢及耐热合金中，都会出现金中，都会出现 相相 ，伴随着，伴随着 相的析出，钢和合金的塑性相的析出，钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。和韧性显著下降，脆性增加。 如如Cr-MnCr-Mn、Cr-CoCr-Co、Mo-MnMo-Mn等。等。v ABAB2 2 含钨，钼，铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在含钨，钼，铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在ABAB2 2相，强化相。相，强化相。 如（如（W,Mo

27、,NbW,Mo,Nb）（）（Fe,Ni,Mn,CrFe,Ni,Mn,Cr）2 2 其组元其组元A A的原子直径和第二组元的原子直径和第二组元B B的原子直径之比为的原子直径之比为1.2/11.2/1 。vAB3 n各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶体到化合物的过渡状态。体到化合物的过渡状态。l有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶体，体， 如如NiNi3 3Fe, NiFe, Ni3 3MnMn等；等；l有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物，如如NiNi

28、3 3Al, NiAl, Ni3 3Ti, NiTi, Ni3 3NbNb。lNiNi3 3AlAl是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的强化相的强化相 。五五. . 非金属相（非金属夹杂物）非金属相（非金属夹杂物） 1. 1. 夹杂物的种类夹杂物的种类l氧化物氧化物 简单氧化物，如简单氧化物，如FeOFeO、MnOMnO、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2 复杂氧化物，复杂氧化物，MgOMgO Al Al2 2OO3 3, , CaOCaO2A12A12 2OO3 3等。等。 特点特点: : 性脆易裂。这些氧化物在钢材轧锻以后，沿加性脆易裂。这些氧化物

29、在钢材轧锻以后，沿加工方向呈链状分布。工方向呈链状分布。l硫化物：硫化物： 钢中常见的有钢中常见的有MnSMnS、FeSFeS。 特点特点: : 高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。l硅酸盐：硅酸盐：成分复杂成分复杂, ,是钢中常见的一种夹杂物。是钢中常见的一种夹杂物。 根据检验时金相形态来分类：根据检验时金相形态来分类：l脆性夹杂物脆性夹杂物 如刚玉如刚玉(Al(Al2 2OO3 3) )、 MgOMgO Al Al2 2O O3 3, , 沿轧沿轧制方向排列呈点链状分布。制方向排列呈点链状分布。l塑性夹杂物塑性夹杂物 在变形过程中有良好的塑性，沿

30、轧向呈连续条状分在变形过程中有良好的塑性，沿轧向呈连续条状分布，有布，有MnSMnS和铁锰硅酸盐。和铁锰硅酸盐。 l球状不变形夹杂物球状不变形夹杂物 SiOSiO2 2，钙的铝酸盐。，钙的铝酸盐。l半塑性夹杂物半塑性夹杂物 主要是复相铝硅酸盐，含有主要是复相铝硅酸盐，含有AlAl2 2OO3 3或尖晶石氧化物。或尖晶石氧化物。 2. 2. 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响l程度按刚玉、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸程度按刚玉、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；盐、塑性硅酸盐、硫化物依次递减；l理想的情况是：理想的情况是： 数量少数量少

31、、尺寸小尺寸小、塑性好塑性好、 细条状细条状、均匀分布均匀分布3. 3. 非金属夹杂物的形成与消除非金属夹杂物的形成与消除l脱氧产物脱氧产物; ;l凝固时析出的氧化物和硫化物凝固时析出的氧化物和硫化物; ;l残留在钢中的渣残留在钢中的渣; ;l冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀冶炼和浇注时钢液对耐火材料的浸蚀; ;l出钢时钢液的二次氧化等。出钢时钢液的二次氧化等。u 完全脱氧是获得高纯净钢的必要条件；完全脱氧是获得高纯净钢的必要条件；u 利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔。利用真空脱气、炉外精炼和电渣重熔。4. 4. 对组织性能的影响对组织性能的影响 l与夹杂物的与夹杂物的成分，数量成分，数量有关

32、，而且和它的有关，而且和它的形状、形状、大小大小特别是特别是分布状态分布状态有关。有关。l非金属夹杂物差不多总是看成是有害的非金属夹杂物差不多总是看成是有害的。 1.3 1.3 合金元素对相变的影响合金元素对相变的影响 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元素对过冷合金元素对过冷转变的影响转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响一一. M. M对钢对钢 化的影响化的影响 + Fe+ Fe3 3C (C (或或 K) K) ： 需要需要FeFe重组和重组和 C C扩散扩散 FeFe3 3C C或或K K：需要溶解于：需要溶解于 1. M1.

33、M对对 相形成的影响相形成的影响 对于对于（强）（强）K K形成元素形成元素: : 1 1）K K 稳定难于溶解稳定难于溶解, , 阻碍阻碍 的形成；的形成； 2 2）增加）增加C C在在 中的扩散激活能，减慢中的扩散激活能，减慢C C的扩散。的扩散。 对于对于非非K K形成元素形成元素： 降低降低C C在在 中的扩散激活能，加速中的扩散激活能，加速 C C的扩散的扩散。 2. M2. M对对 成分不均匀的影响成分不均匀的影响 n能阻碍能阻碍 均匀化均匀化-则查阻碍则查阻碍 转变转变 1 1）M M 扩散慢；扩散慢； 2 2）K K形成元素对形成元素对C C的亲和力较强，的亲和力较强，MM均匀

34、化前均匀化前实际上实际上C C也很难均匀化；也很难均匀化； 3 3）存在合金元素及杂质元素的内吸附）存在合金元素及杂质元素的内吸附; ;n可通过提高淬火温度来促进可通过提高淬火温度来促进 成分均匀化成分均匀化 3. 3. 对对 晶粒长大的影响晶粒长大的影响 l促进促进A A晶粒长大晶粒长大 C C，P P，MnMn（高（高C C） 提高了提高了FeFe的自扩散系数。的自扩散系数。l强烈阻碍晶粒长大强烈阻碍晶粒长大 AlAl、TiTi、NbNb、V V等等 机械阻碍理论。机械阻碍理论。l中等阻止晶粒长大中等阻止晶粒长大 WW、MoMo等。等。 二二. . 合金元素对过冷合金元素对过冷 转变的影响

35、转变的影响1. 1. 对对 P P转变的影响转变的影响2. 2. 对对 B B 转变的影响转变的影响3. 3. 对对 MM转变的影响转变的影响1. 1. 对对P P转变的影响转变的影响合金钢中的合金钢中的P P转变过程的分析转变过程的分析 1 1）孕育期：）孕育期： C C与合金元素的重新扩散与分布。与合金元素的重新扩散与分布。 2 2）K K形核长大：形核长大： A A优先形成特殊碳化物；优先形成特殊碳化物； B B需要需要C C和合金元素的扩散，合金元素本身扩散慢。和合金元素的扩散，合金元素本身扩散慢。 对于非碳化物形成元素：扩散开去以便对于非碳化物形成元素：扩散开去以便K K形成，也需要

36、扩形成，也需要扩散。散。 3 3）， 形核长大形核长大 合金元素合金元素 对对的影响主要：的影响主要： 提高提高 相的形核功相的形核功 或者或者 同素异型转变的转变激活能。同素异型转变的转变激活能。 NiNi，MnMn：主要是增加了：主要是增加了 形核功（从过冷度考虑）；形核功（从过冷度考虑）； Cr, W, Mo, SiCr, W, Mo, Si等：通过延缓等：通过延缓C C的扩散；或者提高的扩散；或者提高FeFe的自的自扩散激活能，均可以提高转变激活能。扩散激活能，均可以提高转变激活能。 Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-WCr-Ni, Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-W复合加

37、入时，大大提高过冷复合加入时，大大提高过冷 的稳定性的稳定性 2. 2. 合金元素对合金元素对 B B 转变的影响转变的影响 半扩散型转变，只有半扩散型转变，只有C C的扩散和重新分布的扩散和重新分布, Fe, Fe和合和合金元素都难以或不能扩散金元素都难以或不能扩散. . + Fe + Fe3 3C C 或或-Fe-Fex xC C Si, Mn Si, Mn, Cr, B, Ni, Cr, B, Ni：推迟：推迟B B转变。转变。 W, Mo, V, NbW, Mo, V, Nb ：推迟：推迟B B转变的作用相对较小。转变的作用相对较小。 （主要推迟（主要推迟P P转变）转变） CoCo：

38、 有加速作用有加速作用 。合金元素对过冷合金元素对过冷 转变（主要是转变（主要是P P）的综合作用）的综合作用lTi, Nb, ZrTi, Nb, Zr, V, V 主要是通过推迟（主要是通过推迟（P P转变时）转变时）K K形核与长大形核与长大来提高过冷来提高过冷 的稳的稳定性。定性。lWW，Mo, CrMo, Cr 1 1）推迟）推迟K K形核与长大。作用：形核与长大。作用： WW，MoCrMoCr。 2 2）增加固溶体原子间的结合力，）增加固溶体原子间的结合力，降低降低FeFe的自扩散系数，增的自扩散系数，增加加FeFe的扩散激活能。的扩散激活能。作用大小为：作用大小为：CrWCrW，M

39、oMo 3 3）减缓）减缓C C的扩散。作用：的扩散。作用： WW，MoCrMoCr。 lMnMn 1 1）（）（Fe,MnFe,Mn）3 3C, C, 减慢减慢P P转变时合金渗碳体形核与长大；转变时合金渗碳体形核与长大； 2 2）扩大）扩大 相区，强烈推迟相区，强烈推迟转变，提高转变，提高 的形核功。的形核功。lNiNi 开放开放 相区，并稳定相区，并稳定 相，提高相，提高 相的形核功。相的形核功。lCoCo 虽扩大虽扩大 相区，但能使相区，但能使A A3 3温度提高（特例），使温度提高（特例），使转变转变在更高的温度进行，降低了过冷在更高的温度进行，降低了过冷 的稳定性，使的稳定性，使C

40、 C曲线向曲线向左移。左移。 lAl, SiAl, Si 1 1）不形成各自）不形成各自K K，也不溶解在渗碳体中，必须扩，也不溶解在渗碳体中，必须扩 散出去为散出去为K K形核创造条件；形核创造条件； 2 2）SiSi可提高可提高FeFe原子的结合力。原子的结合力。 lB B，ReRe 强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了强烈的内吸附元素，富集于晶界，降低了 的界面能，阻碍的界面能，阻碍 相和相和K K形核。形核。多种合金元素的综合合金化多种合金元素的综合合金化 将强将强K K形成元素，弱碳化物形成元素与非碳化物形成元素相形成元素，弱碳化物形成元素与非碳化物形成元素相结合结合, , 大大提高

41、过冷大大提高过冷 的稳定性。的稳定性。图例图例1-1-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性图例图例2-2-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性 合金元素对合金元素对P P转变和转变和B B转变有不同的作用转变有不同的作用 lTi, NbTi, Nb, V, W, Mo, V, W, Mo等强碳化物形成元素等强碳化物形成元素: : l Cr, MnCr, Mn 中、弱碳化物形成元素：中、弱碳化物形成元素： 推迟推迟P P转变，强烈推迟转变，强烈推迟B B转变。转变。 l Al, SiAl, Si 非碳化物形成元素非碳化物形成元素 增加过冷增加过冷 的稳定性的稳

42、定性, , 推迟推迟B B转变更强烈。转变更强烈。l NiNi 强烈推迟珠光体转变；强烈推迟珠光体转变；l CoCo 降低过冷奥氏体的稳定性；降低过冷奥氏体的稳定性； 但但 NiNi和和 CoCo不改变不改变C C曲线的形状；曲线的形状；l B B，P P，ReRe等等 强烈晶界偏聚强烈晶界偏聚, ,使先共析使先共析 F F 转变显著推迟，转变显著推迟， 对对P P和和B B转变推迟较弱转变推迟较弱, , 也不改变也不改变C C曲线的形状。曲线的形状。3. M3. M对马氏体转变的影响对马氏体转变的影响 l合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。合金元素对马氏体转变的动力学影响较小。l合金元素的

43、作用表现在合金元素的作用表现在： 1 1）对马氏体点）对马氏体点Ms- MMs- Mf f温度的影响；温度的影响； 2 2）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。）改变马氏体形态及精细结构（亚结构）。 l除除Al,CoAl,Co 外，都降低外，都降低MsMs温度。温度。 其降低程度：强其降低程度：强 CMnCrNiVMo, W, SiCMnCrNiVMo, W, Si 弱。弱。l提高提高 含量。含量。 可利用此特点使可利用此特点使MsMs温度降低于温度降低于00，以下，得到全部，以下，得到全部 组织。组织。 如加入如加入Ni, MnNi, Mn, C, N, C, N等。等。l合金元素有增加形成

44、孪晶马氏体的倾向，且亚结构与合金合金元素有增加形成孪晶马氏体的倾向，且亚结构与合金成分和马氏体的转变温度有关。成分和马氏体的转变温度有关。三三. . 合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响 淬火钢通常具有马氏体淬火钢通常具有马氏体M和和（Ar）两个介稳相。）两个介稳相。 M：C要析出，形成要析出，形成 K； （Ar）：分解；）：分解； K： 聚集长大；聚集长大； ：在回火过程中回复与再结晶。：在回火过程中回复与再结晶。 这些过程有先有后，有的交叉进行这些过程有先有后，有的交叉进行 。1. M对马氏体分解的影响对马氏体分解的影响 1）K形成元素：形成元素：由于减缓由于减缓C

45、的扩散，推迟的扩散，推迟M分解过程。分解过程。 非非K形成元素：形成元素：Si, Al 延缓延缓K的形成；的形成； Ni, Mn影响不大。影响不大。2）生产上可以合金元素来提高马氏体的分解温度，提高马）生产上可以合金元素来提高马氏体的分解温度，提高马氏体的抗回火能力。氏体的抗回火能力。 2. 2. 合金元素对回火时合金元素对回火时转变的影响转变的影响 l淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点淬火钢中残留奥氏体回火时转变的特点 基本遵循过过冷奥氏体恒温转变的规律。基本遵循过过冷奥氏体恒温转变的规律。l无论在无论在P或或B转变区间残留奥氏体转变的孕育期较短，转变区间残留奥氏体转变的孕育期较短，但都转变

46、不完全。但都转变不完全。l当合金元素含量较高时，也有一个中温稳定区。当合金元素含量较高时，也有一个中温稳定区。可能可能转变成转变成B，也可能转变成，也可能转变成P。 l定义定义: 在强在强K形成元素含量较高的合金钢中淬火后形成元素含量较高的合金钢中淬火后十分稳定，十分稳定，甚至加热到甚至加热到500-600回火时升温与保温时中仍不分解，而回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高。l原因原因: 可能是可能是中析出部分中析出部分K，使，使C%，M%下降，下降，Ms升高，升高，冷却时冷却时M。 l应用应用: 在高合金钢中可

47、以利用钢的二次淬火现象来消除在高合金钢中可以利用钢的二次淬火现象来消除 。v 重要概念：重要概念：二次淬火二次淬火3. M对对K形成的影响形成的影响 lM在在相中开始显著扩散的温度为：相中开始显著扩散的温度为： Si 300; Mn 350; Cr 400; Mo、W、V 500; l回火过程中回火过程中 M 的特殊的特殊K形成的机制形成的机制 原位转变（析出）：原位转变（析出）：Cr 离位转变（析出）：离位转变（析出）：V，Nb，Ti, W, Mo 兼有两种析出机制。兼有两种析出机制。1）原位转变（析出）原位转变（析出） l元素向渗碳体富集，其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时元素向渗碳体富集

48、，其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。 如如Cr钢中的钢中的Cr： -FexCFe3C（Fe, Cr）3C （Cr, Fe）7C3（Cr, Fe）23C6 l通式为：通式为： M0 +（Fe,M）3C 0 + MxCy M 淬火马氏体淬火马氏体; 0 回火马氏体回火马氏体 2）离位转变（析出）离位转变（析出） 在回火过程中直接从在回火过程中直接从相中析出特殊碳化物，同时相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次和强度提高（二次硬化效应）。硬化效应）。 如如 V，Nb,

49、Ti等都属于此类型。等都属于此类型。 通式为：通式为：M P + Fe3C 0 + MxCy P 部分分解的马氏体；部分分解的马氏体； 0 回火马氏体。回火马氏体。例如，例如，V钢：钢：1）当回火）当回火T500，从，从中直接析出中直接析出VC；3）当回火）当回火T继续升高或回火时间延长，继续升高或回火时间延长，VC%提提高，高，Fe3C%降低，甚至消失。降低，甚至消失。3）同时存在原位析出与离位析出）同时存在原位析出与离位析出 uW，Mo回火时特殊回火时特殊K机制：机制：l在高于在高于500回火时，回火时， W，Mo向向Fe3C中富集，在原位转变中富集，在原位转变成成M2C型碳化物；型碳化物

50、；l同时也从同时也从相基体中直接析出相基体中直接析出M2C型型K；l在长时间回火后，在长时间回火后，M2C型碳化物转变成型碳化物转变成M6C型特殊碳化物型特殊碳化物 原位转变：原位转变：Fe3C(Fe, W)3CW2CM6C 离位转变：离位转变：M W2CM6C v 重要概念：二次硬化重要概念：二次硬化n定义定义 在含有在含有Ti, V, Nb, Mo, W等较高合金钢淬火后，在等较高合金钢淬火后，在500- 600范围内回火时，在范围内回火时，在相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的并使钢的HRC和强度提高。和强度提高。 当然，不同合金元素的效果并不一样

51、。当然，不同合金元素的效果并不一样。 但只有离位析出时才有二次硬化现象。但只有离位析出时才有二次硬化现象。 图图 回火温度与硬度的关系回火温度与硬度的关系4. M4. M对对 相回复与再结晶的影响相回复与再结晶的影响 M可提高可提高相的再结晶温度，能使相的再结晶温度，能使相和马氏体形相和马氏体形态保持到更高的回火温度，从而保持较高的强度态保持到更高的回火温度，从而保持较高的强度水平。水平。 Co, Mo, W, V, Cr 可显著提高；可显著提高； Si, Mn 可提高；可提高； Ni 影响不大。影响不大。 5. M5. M对钢的回火脆性的影响对钢的回火脆性的影响1）低温回火脆性（第）低温回火

52、脆性（第I类）类）产生：产生：回火温度为回火温度为200-400之间。不具有可逆性。之间。不具有可逆性。形成原因：形成原因：沿条状马氏体的间界析出沿条状马氏体的间界析出K薄片；薄片；S，P, As, Bi, Sn 等杂质元素及等杂质元素及 H，N等的促进作用。等的促进作用。防止：防止： a）不在此温度区间内回火；）不在此温度区间内回火； b）采用等温淬火；）采用等温淬火； c）加入）加入Si, 脆化温度提高脆化温度提高300；或加入；或加入Mo, 减轻作用。减轻作用。2 2）高温回火脆性（第）高温回火脆性（第II II类）类）产生：产生：500-650500-650回火的调质钢中；回火的调质钢

53、中；原因：原因：与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。与钢杂质元素向原奥氏体晶界偏聚有关。可逆性：可逆性：已有回火脆性的钢加热至回火温度，再快冷，可已有回火脆性的钢加热至回火温度，再快冷，可消除回火脆性。消除回火脆性。消除与防止：消除与防止： a a）利用其可逆性）利用其可逆性, ,重新加热至重新加热至600,600,快冷；快冷； b b）加入）加入WW，MoMo消除或延缓杂质元素偏聚；消除或延缓杂质元素偏聚； c c）提高钢的纯净度）提高钢的纯净度 。1.4 M1.4 M对强韧性和工艺性能的影响对强韧性和工艺性能的影响 l使用性能：在使用条件下表现出的性能，如机械、物理、使用性能：在使用条件下

54、表现出的性能，如机械、物理、化学性能。化学性能。 机械性能：强度、韧性、塑性等。机械性能：强度、韧性、塑性等。l工艺性能：冷热加工过程中表现出的性能，如铸造、压工艺性能：冷热加工过程中表现出的性能，如铸造、压加、焊接、切削、热处理性能等。加、焊接、切削、热处理性能等。l强度与韧性往往是一对矛盾强度与韧性往往是一对矛盾事实事实 钢强化，防止脆化钢强化，防止脆化 发展目标发展目标1. 1. 强化的主要途径与基本强化机制强化的主要途径与基本强化机制 强化的主要途径强化的主要途径 宏观上宏观上：钢的合金化、冷热加工及其综合运用是钢强化：钢的合金化、冷热加工及其综合运用是钢强化的主要手段。的主要手段。微

55、观上微观上：在金属晶体中造成尽可能多的阻碍位错运动的：在金属晶体中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍。障碍。一一. 强化与韧化强化与韧化基本强化机制基本强化机制1 1）固溶强化）固溶强化 有韧性损失有韧性损失 结构钢：主要有结构钢：主要有C C，Si, MnSi, Mn, Cr, Ni, Cr, Ni； 耐热钢：常用耐热钢：常用 Mo, Cr, WMo, Cr, W等。等。2 2）细晶强化）细晶强化 AlAl脱氧，控制轧制，热处理，合金化等。脱氧，控制轧制，热处理，合金化等。 细晶强化对韧性有利。细晶强化对韧性有利。3）亚结构强化）亚结构强化（位错、孪晶、层错等）（位错、孪晶、层错等） 冷加工，

56、相变硬化都能提高位错密度。冷加工，相变硬化都能提高位错密度。 冷加工：冷轧，冷镦，冷拔等。冷加工：冷轧，冷镦，冷拔等。 相变硬化：相变硬化：M 转变，转变，B 转变等转变等 。4 4）“第二相（粒子）第二相（粒子）”强化强化 第二相（粒子）第二相（粒子）包括有序偏聚物、亚稳相、过渡相、稳定相等包括有序偏聚物、亚稳相、过渡相、稳定相等 弥散强化弥散强化 析出强化析出强化 沉淀强化沉淀强化 时效强化时效强化 过剩相强化过剩相强化 二次硬化二次硬化l沉淀强化沉淀强化 过饱和固溶体在回火或时效过程中第二相粒子（包括碳化物、过饱和固溶体在回火或时效过程中第二相粒子（包括碳化物、金属间化合物、其它析出相等

57、）的弥散析出，具有强化作金属间化合物、其它析出相等）的弥散析出，具有强化作用。用。l时效强化时效强化 过饱和固溶体在自然或人工时效过程中有偏聚物，过渡相、过饱和固溶体在自然或人工时效过程中有偏聚物，过渡相、亚稳相或稳定第二相粒子的弥散析出亚稳相或稳定第二相粒子的弥散析出 有引起的强化作用。有引起的强化作用。l弥散强化弥散强化 弥散细小的弥散细小的第二相粒子第二相粒子对基体的强化。对基体的强化。 重点重点在组织形态上粒子的弥散细小，有强烈的强化作用。在组织形态上粒子的弥散细小，有强烈的强化作用。l析出强化析出强化 概念的重点概念的重点在过饱和基体中析出第二相粒子，当析出物细小在过饱和基体中析出第

58、二相粒子，当析出物细小时，有很好的强化作用。时，有很好的强化作用。l二次硬化二次硬化 含碳及强碳化物形成元素的过饱和固溶体在淬火后的回火过含碳及强碳化物形成元素的过饱和固溶体在淬火后的回火过程中硬度不降，反而升高的现象。程中硬度不降，反而升高的现象。l过剩相强化过剩相强化 通过形成或加入过多的第二相粒子而引起的强化。如过共晶通过形成或加入过多的第二相粒子而引起的强化。如过共晶中先析出的化合物；预先加入的第二相质点（粒子）。中先析出的化合物；预先加入的第二相质点（粒子）。2. 2. 韧化途径韧化途径 细化晶粒；细化晶粒； 降低有害元素的含量；降低有害元素的含量； 加入能提高韧性的合金元素，如加入

59、能提高韧性的合金元素，如Ni, MnNi, Mn； 防止预存的显微裂纹；防止预存的显微裂纹； 形变热处理；形变热处理； 利用稳定的残余奥氏体来提高韧性；利用稳定的残余奥氏体来提高韧性； 尽量减少在钢基体中或在晶界上存在粗大的碳化物或其它尽量减少在钢基体中或在晶界上存在粗大的碳化物或其它化合物相。化合物相。合金元素对冲击韧性的影响合金元素对冲击韧性的影响M对韧脆化温度的影响对韧脆化温度的影响3. 3. 合金化与强韧化综合运用举例合金化与强韧化综合运用举例 以低以低C C马氏体钢为例马氏体钢为例 15MnVB, 20CrMoTi, 20SiMn2MoV15MnVB, 20CrMoTi, 20SiM

60、n2MoV等等 都具有良好的强韧性。都具有良好的强韧性。 ？ WhyWhy 它包含了哪些强韧化和合金化机制呢？它包含了哪些强韧化和合金化机制呢？强化强化C及合金元素的固溶强化；及合金元素的固溶强化；马氏体中大量位错的位错强化；马氏体中大量位错的位错强化；低低C钢中钢中Ms较高，因较高，因(自自)回火作用会产生细小析出所引起回火作用会产生细小析出所引起的析出强化；的析出强化；加入加入Si, Mn, Ni, Cr等都能提高奥氏体的过冷能力，从而细等都能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒；化晶粒；加入加入V，Ti后的弥散强化后的弥散强化;加入加入V，Ti后的细化晶粒作用。后的细化晶粒作用。 韧化韧化