金属材料学第1章钢的合金化概论

1、2022年6月5日工程材料导论讲义工程材料导论讲义 曹志强教授曹志强教授 电话：电话：84706169 手机：手机E-mail: 大连理工大学材料科学与工程学院大连理工大学材料科学与工程学院2022年6月5日第第1篇篇 钢铁材料钢铁材料2022年6月5日重点及基本要求重点及基本要求2 第第1章是章是本课程基础和重点，要求本课程基础和重点，要求全面全面掌握掌握了解了解钢中的常钢中的常见见合金元素合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。的加入对钢的基本强化机制的影响。 难点难点

2、是是合金元素合金元素对钢中基本合金相结构的影响对钢中基本合金相结构的影响 第第1章章 钢的合金化概念钢的合金化概念foundamental of alloy steel2022年6月5日概概 述述 合金钢：在化学成分上有目的地加入合金元合金钢：在化学成分上有目的地加入合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及力素，用以保证一定的生产和加工工艺以及力学性能要求的铁基合金学性能要求的铁基合金o合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。化学和机械性能的化学元素。（主动加入）（主动加入）o杂

3、质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。学元素。2022年6月5日第1章 钢的合金化概念 1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 1.3 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚 1.4 合金钢中的相变合金钢中的相变 1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响 1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 1.7 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用 1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计2022年6月5日 一、钢中的

4、杂质一、钢中的杂质 P、S、Mn、Si、Al、H、O、N、Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。等。 P（矿石）、（矿石）、S（焦炭带入，本溪钢铁不含（焦炭带入，本溪钢铁不含S，焦炭水洗可降硫）。，焦炭水洗可降硫）。1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用1.1.1钢中的元素钢中的元素 热脆性热脆性 S FeS(Fe-FeS熔点熔点989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（Fe-Fe3P硬脆1050 ）？ 2022年6月5日 Mn、Si、Al是由脱氧剂带入，由铝脱氧产是由脱氧剂带入，由铝脱氧产生了镇静钢，用生了镇静钢，用Mn、Si脱氧的为沸腾钢。脱氧的为沸腾钢。 Mn、Si脱氧剂脱氧剂 : Fe

5、OMnFeMnO FeOSiFeSiO2 FeSMnMnSFe（防止热（防止热脆）脆）2022年6月5日 复杂氧化物复杂氧化物 MgO.Al2O3，MnO.Al2O3钢中氧化物夹杂钢中氧化物夹杂*特点：性脆，易断裂，一般无塑性。特点：性脆，易断裂，一般无塑性。因此，氧化物在钢材锻轧后，沿加工方向呈链状分布因此，氧化物在钢材锻轧后，沿加工方向呈链状分布二、二、 杂质元素在钢中的分布（存在形式）杂质元素在钢中的分布（存在形式）（1）氧化物）氧化物o简单氧化物简单氧化物 FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等等2022年6月5日钢中的钢中的MnS夹杂夹杂（2） 硫化物硫化物常见

6、：常见：MnS，FeS 特点：特点： MnS有较高的塑性，热有较高的塑性，热加工时沿加工方向呈带状、纤加工时沿加工方向呈带状、纤维状或线状分布维状或线状分布2022年6月5日三、我国的资源情况及合金系统我国的资源情况及合金系统o储量丰富，可大量开采：储量丰富，可大量开采： SiSi，V V，TiTi，NbNb，B B，稀土等，稀土等oMnMn的资源丰富，但由于用量大，应节约的资源丰富，但由于用量大，应节约oW W，MoMo的资源丰富，用途广泛的资源丰富，用途广泛oNiNi，CrCr，CoCo资源很少资源很少2022年6月5日*一般情况下，奥氏体形成元素易优先分布于奥氏体中，铁一般情况下，奥氏体

7、形成元素易优先分布于奥氏体中，铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。素体形成元素易优先分布于铁素体中。1.奥氏体形成元素奥氏体形成元素 C, N, Cu, Mn, Ni, Co2.铁素体形成元素铁素体形成元素 Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, V, W, Mo, Cr, Si, Al（一）（一） 按与按与Fe相互作用分类相互作用分类2022年6月5日2.碳化物形成元素碳化物形成元素 Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V， W，Mo， Cr，Mn， Fe 1.非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等等中强中强（二）（二） 按与按与C相互作用（亲和相互作用（亲和力大小）分类力

8、大小）分类最强最强弱弱2022年6月5日（三）按对奥氏体层错能的影响分类（三）按对奥氏体层错能的影响分类（1）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的能量。能量。 （2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响。）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响。一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。增大。1.提高奥氏体层错能元素提高奥氏体层错能元素 Ni，Cu，C等等2.降低奥氏体层错能元素降低奥氏体层错能元素 Mn，Cr，Ru（钌），（钌），Ir（铱

9、）等（铱）等2022年6月5日 1.扩大奥氏体扩大奥氏体()区元素区元素 1.1.2铁基二元相图铁基二元相图图图1-1合金元素和合金元素和Fe的作用形态的作用形态（a)Ni,Mn,Co使使A3，A4，区扩大区扩大a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启开启区区 量大时，量大时， 室温为室温为相；相；2022年6月5日图图1-2合金元素和合金元素和Fe的作用形态的作用形态（b)C,N Cub) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。2022年6月5日2. 缩小奥氏体缩小奥氏体()区元素区元素图图1-3合金元素和合金元素和Fe的作用形态的作用形态（c)Cr,V使使A

10、3，A4，区缩小区缩小完全封闭完全封闭区区 Cr、VCr、V与与-Fe完全互溶，完全互溶，量大时量大时相相 ? 2022年6月5日Ti，W，Mo，Al，Si，Be, B，Nb，Ta，Zr等等与与-Fe形形成有限固溶体。成有限固溶体。图图1-4合金元素和合金元素和Fe的作用形态的作用形态Mo,W,Tib) 缩小缩小区区 W、Mo、TiNb等等部分溶解部分溶解。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 形成元素。形成元素。2022年6月5日元素扩大或缩小元素扩大或缩小相区相区，一般认为是以下几，一般认为是以下几个因素共同作用的结果个因素共同作用的结果(1) 合金元素的点阵类型（与合金元素的

11、点阵类型（与-Fe相同还相同还是是-Fe相同）相同）(2) 原子尺寸因素（与原子尺寸因素（与Fe原子半径之比）原子半径之比）3.合金元素扩大、缩小合金元素扩大、缩小相区的影响因素相区的影响因素2022年6月5日第四周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu 3d层电子数层电子数 2 3 5 第五周期第五周期 Zr Nb Mo 4d层电子数层电子数 2 4 5第六周期第六周期 Hf Ta W （Re）5d层电子数层电子数 2 3 4 5次电子层，电子数5，缩小区，次电子层，次电子层，电子数电子数5 5 ( (MnMn=5) =5) ，扩大，扩大区。区。 (3)电子层结构因素电子层结构因素

12、Ni，Mn，Co能在能在Fe中形成无限固溶体，中形成无限固溶体，Cr，V在在-Fe中形成无限固溶体。中形成无限固溶体。2022年6月5日 通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区的元素含量，就可以控制和调整氏体相区的元素含量，就可以控制和调整钢的组织：钢的组织： 为了得到室温奥氏体组织，可加为了得到室温奥氏体组织，可加Ni，Mn，N等等 为了得到室温铁素体组织，可加为了得到室温铁素体组织，可加Cr，Si，Al，Ti等等 如：如：1Cr18Ni9 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 1Cr17 铁素体不锈钢铁素体不锈钢4.合金元素与合金元素与Fe相互作用理论在工程实际中

13、的意义相互作用理论在工程实际中的意义2022年6月5日思考题 1.扩大奥氏体区元素有哪些？缩小奥氏体区元素有哪些？碳化物形成元素有哪些？非碳化物形成元素有哪些？增加奥氏体层错能的元素有哪些？降低奥氏体层错能的元素有哪些？2022年6月5日 FeC相图是研究钢相变和碳钢热处理加热温度相图是研究钢相变和碳钢热处理加热温度的选择依据。因此，研究合金元素对钢相变的影响，的选择依据。因此，研究合金元素对钢相变的影响，首先要了解合金元素对首先要了解合金元素对FeC相图的影响。相图的影响。合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响 加热加热(奥氏体化奥氏体化) 冷却冷却(奥氏体分解奥氏体分解) 淬火钢回火

14、转变影响淬火钢回火转变影响1.1.3合金元素对合金元素对FeC相图的影响相图的影响32022年6月5日附图：以组织组成物标注的铁碳合金相图附图：以组织组成物标注的铁碳合金相图2022年6月5日1.1.3.1对对S、E点成分的影响点成分的影响图图1-5Cr元素对元素对区的影响区的影响图图1-6Mn元素对元素对区的影响区的影响A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动， F形成元素使形成元素使S、E点向点向左上方左上方移动。移动。 2022年6月5日图图1-7常见合金元素对常见合金元素对共析碳含量的影响共析碳含量的影响S点左移，意味着共析意味着共析C量减小量减小 ；意味着钢中含

15、碳量小于0.77时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。2022年6月5日 E点左移意味着出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2时就可以出现共晶莱氏体。保持到室温时高速钢W18Cr4V钢（含碳0.70.9）中会出现莱氏体。 4Cr13不锈钢，由于含Cr13，致使共析点移至0.4C附近，从而使4Cr13变为过共析钢。2022年6月5日1.1.3.2合金元素对临界温度点的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）线向下移动；）线向下移动； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向上移动）线向上移动对对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使

16、-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；奥氏体钢； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在钢在室室温下仍为温下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。2022年6月5日1.1.3.3合金元素对奥氏体转变速度的影响 碳化物形成元素使奥氏体过程大大减缓，除碳化物形成元素使奥氏体过程大大减缓，除Co（Al）外（不易分解扩散，）外（不易分解扩散，T、t升高），升高），Mo、W、Cr、V等阻碍奥氏体长大，细化晶等阻碍奥氏体长大，细化晶粒。粒。图图1-8常见合金元素对常见合金元素对共析温度的影响共析温度的影响2022年6月5日1.1.3.4对C曲线和淬透性的影响 除除C

17、o外，外，C曲线全部右移，临界冷却速度曲线全部右移，临界冷却速度减小，淬透性提高。减小，淬透性提高。 淬透性由强到弱淬透性由强到弱 Mo、W、 Mn、 Cr、Ni、Si、V 多元少量有利于提高淬透性多元少量有利于提高淬透性，使，使Ms、Mf不不至降低太多。至降低太多。 碳化物形成元素（固溶在基体中）甚至导碳化物形成元素（固溶在基体中）甚至导致致C曲线出现两个独立区域。曲线出现两个独立区域。2022年6月5日第1章 钢的合金化概念1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成1.3 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚1.4 合金钢中的相变合

18、金钢中的相变1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响1.7 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计2022年6月5日1.2合金钢中的相组成合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物碳化物金属间化合物金属间化合物非金属夹杂物非金属夹杂物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物如如Pb、Cu等等2022年6月5日1.2.

19、1 形成铁基置换固溶体形成铁基置换固溶体 金属元素易溶入金属元素易溶入F，A，M中，以固溶体形中，以固溶体形式存在。式存在。 r/r铁 8% 可形成无限固溶体（Cr，V，Mn，Ni，Co等） 8%r/r铁铁 15% 很小的固溶度，很小的固溶度，Zr，Hf2022年6月5日合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)无限无限无限无限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*无限无限无限无限无限无限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与注：有些元素的固溶度与C C量有关量有关 不同元素的固溶情况是不同

20、的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么? ?2022年6月5日 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R/R%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3d3d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值 2022年6

21、月5日 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律， 即即Hume-Rothery规律：规律： 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是度因素是点阵结构点阵结构、原子半径原子半径和和电电子因素子因素，无限固溶必须使这些因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似相同或相似. .2022年6月5日（1）Ni、Mn、Co与与-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）Cr、V与与-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）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、

22、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）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%， 可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度极小。，溶解度极小。结结论论2022年6月5日 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

23、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。 1.2.2间隙固溶体间隙固溶体2022年6月5日1.2.3. 形成强化相（化合物相）形成强化相（化合物相） 一、钢中常见的碳化物一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。有很重要的作用。 非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）（由强到弱排列）2022年6月5日钢中常见的钢中常见的K

24、类型有：类型有： M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵； M7C3：例例Cr7C3，复杂六方，复杂六方 ； M23C6：例例Cr23C6，复杂立方，复杂立方 ； M2C：例例Mo2C、W2C，密排六方，密排六方 ； MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵，简单面心立方点阵 ； M6C：不是一种金属不是一种金属K。复杂六方点阵。复杂六方点阵 。 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成复合；可形成复合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 2022年6月5日 复杂点阵结构复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差； 简

25、单点阵结构简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。 M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物, 复杂结构，复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。2022年6月5日1 1、K K类型类型 K K类型与类型与MeMe的原子半径有关的原子半径有关。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe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 二、二、K K形成的一般规律形成的

26、一般规律2022年6月5日 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，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 。2022年6月5日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

27、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， 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。2022年6月5日思考题 1.合金元素对相变临界成分点如何影响？合金对相变临界温度点有何影响？ 2.合金元素在钢中有哪5种存在方式？ 3.碳化物有哪3种形式？2022年6月5日第1章 钢的合金化概念 1.1 合金元素和铁的作用合金元素和

28、铁的作用 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 1.3 合金元素在钢中的偏聚合金元素在钢中的偏聚 1.4 合金钢中的相变合金钢中的相变 1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响 1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 1.7 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用 1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计2022年6月5日偏聚偏聚现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为吸附现象。这种现象也称为吸附现象。 偏聚现象对钢的组织和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、

29、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.2022年6月5日 B的偏聚有利于改善晶界强度的偏聚有利于改善晶界强度，抑制其他元素偏聚；，抑制其他元素偏聚；微量微量B在晶界吸附时，抑制在晶界吸附时，抑制F形核，使形核，使F+P转变曲线右移。转变曲线右移。从而增加奥氏体稳定性，提高钢淬透性。从而增加奥氏体稳

30、定性，提高钢淬透性。但不使贝氏体的转变曲线右移。但不使贝氏体的转变曲线右移。2022年6月5日偏聚偏聚机理机理 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，事物总是朝着能量力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。的方向发生。 即使暂时不发生，

31、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。2022年6月5日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：间接作用其它元素：间接作用 : 优先吸附问题，优先吸附问题，BC 直接作用直接作用: 影响吸附元素影响吸附

32、元素Dp； 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2022年6月5日第1章 钢的合金化概念1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成1.3 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚1.4 合金钢中的相变合金钢中的相变1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响1.7 微量元素在钢中的作

33、用微量元素在钢中的作用1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计2022年6月5日1.4合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响 1.4.1、合金钢的加热、合金钢的加热A化化 1.4.2、合金钢过冷、合金钢过冷A体的分解体的分解 1.4.3、合金钢的回火转变、合金钢的回火转变2022年6月5日1、K在在A中的溶解规律中的溶解规律 基基本本规规律律 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越好，溶解度就越小； 2）温度）温度，溶解度，溶解度， 弥散强化；弥散强化； 3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解 ; 4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac ， K的溶

34、解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相）则相 反反,ac，K的溶解。如：较多的溶解。如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从的溶解温度从1100降至降至900。1.4.1合金钢的加热奥氏体化合金钢的加热奥氏体化2022年6月5日 图1-9碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 2022年6月5日2 2、A体均匀化体均匀化 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ?3 3、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W

35、、Mo晶粒长大；晶粒长大； 2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大； 3）Ni、Co、Cu作用不大作用不大 。2022年6月5日1.4.2合金元素对过冷合金元素对过冷分解的影响分解的影响 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持，大致保持 C钢的钢的“C”线形状，使线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动；2） Co不改变不改变“C”线，但使线，

36、但使“C”线左移；线左移；3）K形成元素，使形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。 Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致曲线出现不同形状，大致 有五种。有五种。2022年6月5日图图1-101-10“C C”曲线五种形状曲线五种形状2022年6月5日 图1-11常用合金元素对奥氏体等温转变曲常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响线的影响 ( (上左上左) ) 强强K形成元素形成元素 ( (上右上右) ) 中、中、弱弱K形成元素形成元素 ( (下左下左) ) 非非K形成元素形成元素 2022年6月5日 主要是对马氏体转变温度的影响，即主要是对马氏体转变温度

37、的影响，即Ms和和Mf点的点的影响影响 Ms=538-474C-33Mn-17Cr-17Ni-11Si-21Mo-11W。 每每1%合金含量引起马氏体温度下降值合金含量引起马氏体温度下降值 除除Co，Al外，大多数合金元素固溶在奥氏体中，外，大多数合金元素固溶在奥氏体中，均使均使Ms点下降，增加残余奥氏体的含量，其中点下降，增加残余奥氏体的含量，其中C的影响最强烈。的影响最强烈。 顺序：顺序：C，Mn， Mo， Cr，Ni，Si，W2022年6月5日含含 碳碳 量量 对对 马马 氏体转氏体转 变变 温温 度度 的的 影影响响含碳含碳 量对残余奥氏体量对残余奥氏体 量的影响量的影响图图1-12含

38、碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对马氏体转变温度的影响图图1-13含碳量对残余奥氏体量的影响含碳量对残余奥氏体量的影响2022年6月5日图图1-14合金元素对合金元素对1.0%C碳钢碳钢Ms点的影响点的影响图图1-15合金元素对合金元素对1.0%C碳钢碳钢1150 淬火后残余奥氏体含量的影响淬火后残余奥氏体含量的影响 2022年6月5日思考题：思考题： W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解珠光体转变的推迟作用大，如何理解? 对一般结构钢的成分设计时，要考虑其对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点点不能太低，为什么不能太低，为

39、什么?2022年6月5日1.4.3.合金元素对淬火钢回火转合金元素对淬火钢回火转变的影响变的影响回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解，残余奥氏体分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力。 合金钢回火稳定性优于碳素钢，因此回火温度可高，时间可长。回火过程回火过程马氏体的分解马氏体的分解残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的形成、聚集和长大碳化物的形成、聚集和长大Fe的回复和再结晶的回复和再结晶 钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的不同，淬火组织会发生一系列钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的不同，淬火组织会发生一系列的组织转变，包括：的组织转变，包括：

40、2022年6月5日1、M分解分解低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不同程度影响同程度影响: 1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们分解，其程度与它们与与C的亲和力大小有关。这些的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了，阻止了渗碳体的析出长大；渗碳体的析出长大；2022年6月5日 3）Si比较特殊：比较特殊： Fe和和C的的结合力结合力 ,a,ac c -FeXC的形核、长大的形核、长大Si能溶于能溶于，不溶于，不溶于Fe3C，S

41、i要从要从中出去中出去 Fe3C 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上以上2022年6月5日基基本本规规律律 渗碳体形成开始温度基本与合金化无关；渗碳体形成开始温度基本与合金化无关； 含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 钢（线钢（线2 2）和）和C C钢（线钢（线1 1）规律相同；）规律相同； 在相同回火温度在相同回火温度T1下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含 C量要比量要比C钢的高，如图中的钢的高，如图中的C3 C1，2 ； 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度

42、的温度TK是不同的，线是不同的，线3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律5 52022年6月5日低温低温Tc 以下（以下（150200）回火时，由于温）回火时，由于温度低，不仅合金元素扩散度低，不仅合金元素扩散困难，连困难，连C扩散也困难，扩散也困难，只能发生偏聚和短距离扩只能发生偏聚和短距离扩散，沉淀析出与散，沉淀析出与相保持相保持共格的共格的碳化物。合金元碳化物。合金元素仍均匀分布在素仍均匀分布在相和相和碳化物中不作重新分配。碳化物中不作重新分配。所以所以合金元素对马氏体分合金元素对马氏体分解影响不大解影响

43、不大。图图1-16回火马氏体中碳含量的变化回火马氏体中碳含量的变化2022年6月5日 温度升高到温度升高到TCTk，碳元素活动能力增加，碳钢含碳量显，碳元素活动能力增加，碳钢含碳量显著降低，而由于合金元素对著降低，而由于合金元素对M分解的阻碍作用较大，结果分解的阻碍作用较大，结果合金钢中碳含量明显高于碳钢（曲线合金钢中碳含量明显高于碳钢（曲线3） 。温度高于。温度高于Tk后后合金钢的合金元素扩散能力显著增加，二者差距缩小。合金钢的合金元素扩散能力显著增加，二者差距缩小。 碳化物形成元素强烈碳化物形成元素强烈阻碍马氏体分解和碳化物析出长大，推迟推迟C从从M中析出，使得：含碳化物形成元素的钢中中析

44、出，使得：含碳化物形成元素的钢中C从从M中析出的温度从一般碳钢中析出的温度从一般碳钢250300提高到提高到400500，有时即使到有时即使到550或更高温度也难以使或更高温度也难以使C完全从完全从相中析出，相中析出，表现为回火稳定性高。表现为回火稳定性高。图图1-16回火马氏体中碳含量的变化回火马氏体中碳含量的变化2022年6月5日 中、高碳钢（C0.5）及合金钢淬火后，组织都有残余，特别是合金元素量大时，更是如此。残余残余在高于在高于200开始分解，于开始分解，于300完成。合完成。合金元素一般使残金元素一般使残的分解温度升高。其中的分解温度升高。其中Cr，Mn，Si作用最大。作用最大。高

45、合金钢合金元素比较多，残余高合金钢合金元素比较多，残余稳定性更大，稳定性更大，所以回火温度一般在所以回火温度一般在500600，尽管回火温度，尽管回火温度比较高，残余比较高，残余也只能发生部分转变，有时高合也只能发生部分转变，有时高合金钢为了消除残金钢为了消除残，往往需要二次或更多次的，往往需要二次或更多次的高温回火或深冷处理消除 。2.对残余奥氏体分解的影响对残余奥氏体分解的影响2022年6月5日 高合金钢在500600回火过程中，从残回火过程中，从残中中析出碳化物，使得残析出碳化物，使得残中中C和合金元素含量下降，和合金元素含量下降，使得使得Ms点升高，并达到室温以上，因而在点升高，并达到

46、室温以上，因而在冷却冷却过程中，残余过程中，残余会转变成会转变成M，而使钢回火后的硬，而使钢回火后的硬度高于淬火的硬度，这种现象称为度高于淬火的硬度，这种现象称为 “二次淬火二次淬火”（如高速钢的回火）。（如高速钢的回火）。硬度升高原因，一方面残余硬度升高原因，一方面残余在冷却过程中转变在冷却过程中转变成马氏体，另一方面在回火时将产生合金碳化物成马氏体，另一方面在回火时将产生合金碳化物的沉淀硬化，所以有时将后者称为的沉淀硬化，所以有时将后者称为“二次硬化二次硬化”。2022年6月5日3.对回火过程中碳化物析出的影响对回火过程中碳化物析出的影响 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温

47、度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K长大长大 聚集温度：聚集温度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ，450 600； 2）K成分变化和类型转变成分变化和类型转变K转变转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊K T, 500 能否形成特殊能否形成特殊K，取决于，取决于: Me性质、性质、NM/NC比值；比值； T和和t 。2022年6月5日 图1-17钒钢（钒钢（0.3C,2.1V）在）在1250淬火不同温度回火淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构，碳化物成分、结构和硬度的变化和硬度的变

48、化 2022年6月5日3）特殊）特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出异位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊特殊K析出析出 二次硬化，异位直接析出二次硬化，异位直接析出 贡献最大贡献最大 2022年6月5日4 4、回火脆性、回火脆性 1) 第第1类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆； 与回火后冷速无关；与回火后冷速无关； 晶界脆断。晶界脆断。 产生产生原因原因Me作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成； 杂质元素杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界；等偏聚晶界

49、； 晶界强度。晶界强度。 Mn、Cr脆性；脆性； Si 脆性温度区；脆性温度区； V、Al、Mo等改善脆性。等改善脆性。2022年6月5日 2) 2) 第第2 2类回火脆性类回火脆性 脆性脆性特征特征 可逆；可逆； 回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断。晶界脆断。产生产生原因原因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用作用 N、O、P、S、As、B

50、i等是脆化剂；等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂抑制其它元素偏聚，清除剂2022年6月5日图图1-19 回火后冷速对回火后冷速对30CrMnSi 钢冲击韧度的影响钢冲击韧度的影响图图1-18 37CrNi3钢回火时硬度与冲击韧度钢回火时硬度与冲击韧度的变化的变化2022年6月5日偏聚元素（产生脆偏聚元素（产生脆性的元素）：性的元素）： H，N，O，P，Si， S， As， Sn， Bi等；等；对偏聚起促进作用对偏聚起促进作用（本身也偏聚）：（本身也偏聚

51、）： Mn，Ni本身不偏聚，但促本身不偏聚，但促进别的元素偏聚：进别的元素偏聚：Cr抑制偏聚：抑制偏聚：Mo、Ti表表1-1周期表中各种元素对第二类回火脆性的作用周期表中各种元素对第二类回火脆性的作用族周期ABBBBAAA1H2CNO3SiPS4TiCrMnNiGeAsSe5MoSnSbTe6Bi备注：备注：Fe Co Ni 同为同为B元素2022年6月5日避免高温回火脆性，回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷。但工件尺寸过大时，即使油冷也难防止脆性产生；冷。但工件尺寸过大时，即使油冷也难防止脆性产生； 加入合金元素加入合金元素Mo、W以抑制第二类回火

52、脆性；以抑制第二类回火脆性； 提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。采用高纯净钢、细晶粒钢或经细化晶粒的预备热处理3)防止合金钢中第二类回火脆性的方法防止合金钢中第二类回火脆性的方法2022年6月5日Me对相图的影响对相图的影响 Me与与C的作用的作用 Me在材料处理各过在材料处理各过程中的行为表现程中的行为表现 加热加热 冷却冷却 回火回火温温度度 时间时间 一方面要清楚材料处理各过程的演化规律一方面要清楚材料处理各过程的演化规律; ;另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各过程中的作用和影响在各过程中的作用和影响.为理解为理解Me的作用的作用

53、要了解钢的基本强化机理要了解钢的基本强化机理. .2022年6月5日第1章 钢的合金化概念1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成1.3 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚1.4 合金钢中的相变合金钢中的相变1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响1.6 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响1.7 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用1.8 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计2022年6月5日1.5 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响强化本质：强化本质： 各种强化途径各种强

54、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 畸变应力场；畸变应力场； 位错密度；位错密度； 位错塞积；位错塞积； 钉扎位错。钉扎位错。 固溶强化；固溶强化； 位错强化；位错强化； 细晶强化；细晶强化； 弥散强化。弥散强化。2022年6月5日1.5.1 钢强化的形式及其机理钢强化的形式及其机理1.5.1.1合金元素的固溶强化合金元素的固溶强化niiSCKR表达式表达式 对于对于C、N等间隙原子，等间隙原子， n = 0.332.0； 对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子：n = 0.51.0 机理机理效果效果提高强度，降低塑韧性提高强度，降低塑韧性 原子固溶原子固

55、溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生产生弹性弹性应力场应力场，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2022年6月5日 图1-20 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降。时，钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。 2022年6月5日 图1-21合金元素对合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应型不锈钢的强化效应(R.P. Reed. JOM.(1989):16)2022年6月5日1.5.1.2位错强化位错

56、强化2/1DDKR表达式表达式 机理机理 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。 对对bcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好 ? ? 效果效果 在强化的同时，同样也降低了伸长在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度率，提高了韧脆转变温度TK2022年6月5日1.5.1.3 细晶强化细晶强化2/1dKRGG表达式表达式机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、亚晶界越多 有效有效阻止位错运动，产生阻止位错运动，产生位错塞积强化位错塞积强化。效果效果 钢的强度，又钢的强度，又塑性和韧度塑性和韧度这

57、是最理想的强化途径这是最理想的强化途径. 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，KG为系数为系数2022年6月5日 图1-22 晶界处位错塞积现象晶界处位错塞积现象2022年6月5日1.5.1.4第二相强化第二相强化1PHPHKR表达式表达式机理机理 微粒第二相微粒第二相钉扎钉扎位错运动位错运动强化效果强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。淬火时残留第二相强化。效果效果有效提高强度，但稍降低塑

58、韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。2022年6月5日沉淀强化（位错切过第二相粒子）沉淀强化（位错切过第二相粒子） 第二相粒子的特点是第二相粒子的特点是可变形可变形，并与，并与母相具有共格母相具有共格关系，这种强化方式与淬关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，故有火时效密切相关，故有沉淀强化沉淀强化之称。之称。 沉淀强化沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是为造成理想的的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中加入沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中加入Ti和和Mo，形成，形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得良好的

59、沉淀强化效果。理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果。2022年6月5日（b）Al-Li合金中位错切割合金中位错切割Al3Li相的电镜照片相的电镜照片（a）位错切割第二相粒子的机制）位错切割第二相粒子的机制可变形微粒的强化作用（位错切过机制）可变形微粒的强化作用（位错切过机制）图图1-23位错切过强化颗粒示意位错切过强化颗粒示意2022年6月5日 第二相粒子第二相粒子，与基体有，与基体有关系。当位错遇到第二相粒关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错环，第二相粒子是人为加入的，不溶于基子时，只能绕过并留下位错环，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有体，故有弥散强化弥散强化之称。之称

60、。 位错绕过第二相粒子这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外位错绕过第二相粒子这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。加应力，所以造成强化。 2.弥散强化（位错绕过第二相粒子）弥散强化（位错绕过第二相粒子） 弥散强化相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到弥散强化相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到2022年6月5日不可变形微粒的强化作用不可变形微粒的强化作用奥罗万机制（位错绕过机制）奥罗万机制（位错绕过机制）（a）位错绕过第二相粒子的机制）位错绕过第二相粒子的机制（b）Ni合金中位错绕过合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片相的电镜照片图图1-24位错绕过强化颗粒示