钢的合金化基础(讲稿)

工程材料A

第一章钢的合金化基础机电工程学院绪论

一、材料的重要性1.社会进步的重要标志

2.现代社会的重要支柱三大支柱：材料、能源、信息3.机械工程的物质基础

绪论二、材料的分类1.按经济部门分类：机械工程材料土建工程材料电工材料电子材料绪论

2.按物质结构分：金属材料无机非金属材料（陶瓷、硅酸盐）高分子材料复合材料绪论

3.按材料功用分：结构材料---以力学性能为主，兼有一定的物理、化学性能；功能材料---以特殊的物理、化学性能为主，如具有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。绪论

碳素钢优点：价格低廉、生产和加工容易，并且通过改变碳的含量和采取相应的热处理，可以改善性能以满足使用要求，因而被广泛应用于生产中。

缺点：①碳钢的淬透性低；②碳钢的强度比合金钢低。合金化-----加入适当化学元素改变金属性能的方法。第一章钢的合金化基础合金元素:为了合金化的目的而特定在钢中加入含量在一定范围的化学元素。合金钢:加入一定含量化学元素的钢。第一章钢的合金化基础合金钢分类：

低合金钢合金元素总量≤5﹪中合金钢合金元素总量5~10﹪高合金钢合金元素总量＞10﹪本章内容：（1）钢中合金元素及其分类依据（2）钢的强化机制（3）改善钢塑性和韧性的途经（4）合金元素对钢中相变及热处理的影响第一章钢的合金化基础§1-1钢中合金元素及其分类依据

一、合金元素在钢中的分布

1、在钢中常加入的合金元素有：第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si；第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu；第五周期：Zr、Nb、Mo；第六周期：W；第七周期：稀土元素、Ta。

第一章钢的合金化基础§1-1钢中合金元素及其分类依据常用合金元素在周期表中的位置©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™第一章钢的合金化基础§1-1钢中合金元素及其分类依据2、合金元素的存在状态：①溶于钢中原有的相（F、A、M、Fe3C）中；②形成新相。

3、四种存在形式：①溶入F、A、M中，以固溶体的溶质形式存在；②形成强化相：形成合金渗碳体；(Fe,Mn)3C；形成特殊碳化物；WC、VC；形成金属间化合物；③形成非金属夹杂物；④以游离状态存在。如Pb、Ag等。第一章钢的合金化基础§1-1钢中合金元素及其分类依据4、合金元素以何种形式存在，主要决定于下列因数：①种类；②含量；③冶炼方法；④热处理方法；⑤合金元素本身的特性。

5、合金元素特性：①与Fe和C的相互作用；②对A层错能的影响。第一章钢的合金化基础ZXYYXZ§1-1钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类1、按与Fe的相互作用的特点分类①A形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；②F形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。

2、按与C的相互作用的特点分类①非碳化物形成元素：Ni、Cu、Si、Al、P等；②碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。第一章钢的合金化基础§1-1钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类3、按对A层错能的影响分类①↑A层错能的元素：Ni、Cu、C等；②↓A层错能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。第一章钢的合金化基础建筑构件钢桥梁§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响一、合金元素与铁的相互作用A、同素异晶转变定义

B、关键：晶体结构改变C、Fe同素异晶转变

第一章钢的合金化基础-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响元素分类：扩大A相区元素C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；加入后，A4↑，A3↓，A相区↑----A形成元素。

第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响（2）缩小A相区元素，又称F形成元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si、Be等加入后,A3↑,A4↓,A相区↓。工程意义：A型不锈钢F型不锈钢第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响二、合金元素与C的相互作用

表现在：

①是否易于形成碳化物②形成碳化物倾向性的大小

1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与C不形成碳化物，可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其他化合物。

2.碳化物形成元素Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等，碳化物是钢中主要的强化相。

第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响（1）形成碳化物的规律A、周期表中位置：Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等均位于Fe的左侧，非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等均位于Fe的右侧。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe强--------------------------------------------→弱B、按碳化物晶格类型分：①当rc/rMe>0.59时，复杂点阵的碳化物，如：Cr23C6Cr7C3Fe3C等M23C6型复杂立方M7C3型简单六方M3C型正交晶系

第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响

②当rc/rMe<0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相），

Mo、W、V、Ti、Nb、Zr均属于这类元素，A：形成MX型：WC、VC、TiC、NbC、ZrCM2X型：W2C、Mo2CB：特点：a.硬度、熔点高（可达3000℃），分解温度高（1200℃）；b.间隙相碳化物虽含有50~60%的非金属原子，仍具有明显的金属特性；c.可溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式。第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响③当含量很小时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物只能置换Fe3C中Fe原子，形成(Fe,Cr)3C、(Fe,Mn)3C等合金渗碳体；

④含量有所升高,但仍不足以生成自己特有的碳化物,形成具有复杂结构的合金碳化物,如Fe2W4C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。（2）特性形成碳化物倾向性↑的元素，其碳化物的硬度↑；形成碳化物能力越强的元素，其碳化物的稳定性↑；由弱到强：Fe3C、M23C6、M6C、MC

第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响

①在温度和应力的长期作用下不易聚集长大，可大大提高材料的性能和使用寿命；②碳化物和固溶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。a.对热强性的影响：使钢在更高的温度下工作并保持其较高的强度和硬度；b.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好。

第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响合金元素与C的相互作用的意义：①关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布—→直接影响到钢的性能，如强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能，同时对热处理亦有较大的影响，如A化温度和时间、A晶粒的长大等；

②由于合金元素和碳的亲和力不同，对相变过程中C的扩散速度亦有较大的影响。第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响三、合金元素对A层错能的影响

1、合金元素的影响趋势Ni、Cu、和C使A层错能↑；Mn、Cr、Ru、Ir使A层错能↓。

2、A层错能对钢的力学性能的影响层错能↓，越有利于位错扩展和形成层错，使横滑移困难，导致钢的加工硬化趋势↑。第一章钢的合金化基础§1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响三、合金元素对A层错能的影响

3.A层错能对钢相变行为的影响A层错能对F-N-C合金中M形态的影响M类型板条M蝴蝶状M透镜M薄片状MA层错能低———————————→高可见：

A层错能↓，易于形成板条M，具有位错型亚结构；A层错能↑，易于形成片状M，具有孪晶型亚结构。

第一章钢的合金化基础§1-3钢的强化机制钢中加合金元素：影响：1、强度指标；p、s、b等2、塑性韧性指标ak、、等矛盾两个方面强化强度提高的过程，金属变形抗力提高基本点：阻碍位错运动，变形不易第一章钢的合金化基础弹性变形—塑性变形--断裂其中塑变含屈服变形和加工硬化§1-3钢的强化机制一、固溶强化1、合金元素固溶，晶格畸变，弹性应力场存在位错运动阻碍2、金属原子与位错交互作用，位错处柯氏原子气氛3、强度增量与溶质原子（C、N、B等）浓度有关间隙式；置换式4、参量：错配度

ε=（1/a）da/dc5、固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象第一章钢的合金化基础§1-3钢的强化机制二、晶界强化改善：强度和韧性1、多晶体变形：传递和协调2、晶界阻碍位错运动（位错难增殖），提高强度3、晶界增多（细晶）----变形韧性提高4、强度增量与晶粒直径有关，Hall-Petch公式5、途径A、合金元素改变晶界特性，如偏聚等B、合金元素细化晶粒第一章钢的合金化基础⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥障碍物源O§1-3钢的强化机制三、第二相强化合金元素化合物形式存在----弥散强化1、第二相颗粒与基体共格、非共格2、机理----位错切过滑移或绕过颗粒（位错环），增加新界面或应力应变场，阻碍位错运动第一章钢的合金化基础3、获得形式淬火+时效=弥散强化§1-3钢的强化机制四、位错强化位错数量与形态----影响材料抗力1、机理----位错反应（交割等）2、变量----位错密度ρ所有合金强化----四种机制都有第一章钢的合金化基础§1-4改善钢的塑性和韧性的基本途径塑性韧性指标：冲击韧性、断裂韧性、塑性脆性转化温度等一、改善钢的塑性基本途径指标：1、均匀真应变；2、断裂真应变。途径：提高基体均匀塑性，防微孔产生第一章钢的合金化基础§1-4改善钢的塑性和韧性的基本途径二、影响塑性的主要因素1、溶质原子影响塑性下降，间隙影响大于置换固溶体影响2、晶粒大小影响细小晶粒提高塑性3、第二相影响颗粒大小、形态、分布、数量等影响4、位错强化与钢塑性

位错密度增加、阻碍位错运动等塑性下降第一章钢的合金化基础纳米铜的室温超塑性§1-4改善钢的塑性和韧性的基本途径

三、改善钢的韧性途径1、改善延性断裂途径减少第二相数量；提高基体塑性；组织均匀性延性断裂-微孔坑形成集聚长大，形式—宏观塑性、脆性断裂2、改善解理断裂途径特性---冷脆现象。方式：细化晶粒；更换基体解理断裂指标-塑脆转变温度Tk3、改善沿晶断裂途径晶界弱化，原子偏聚；第二相粒子分布。方式：防止原子晶界分布或形成第二相第一章钢的合金化基础§1-5合金元素对钢相变影响热处理依据：Fe-C相图工艺：加热+保温+冷却三阶段三个基本的相变过程：加热时A的形成冷却时过冷A的分解淬火M回火时的转变一、合金元素对Fe-C相图影响1、对A相区的影响第一章钢的合金化基础§1-5合金元素对钢相变影响影响规律：扩大A区第一章钢的合金化基础扩大奥氏体区：

C、N、Co、

Ni、Mn、Cu奥氏体形成元素Mn对相图的影响：低温、低碳§1-5合金元素对钢相变影响影响规律：缩小A区第一章钢的合金化基础缩小奥氏体区：

Cr、Mo、W、

V、Ti、Si、Al铁素体形成元素Cr对铁碳合金相图的影响:高温、低碳§1-5合金元素对钢相变影响影响规律：元素作用第一章钢的合金化基础缩小γ区扩大γ区使S、E点的含碳量降低（共析温度、成分）E点左移，出现Ld的含碳量降低，使含碳量<2.11%的合金钢中出现莱氏体组织---莱氏体钢。如W18Cr4V；如钢中加入大量的扩大A相区的元素，室温下获得稳定的单相A组织---奥氏体钢。如06Cr18Ni11Ti；如钢中加入大量的缩小A相区的元素，固态下获得稳定的单相F组织---铁素体钢。如10Cr17。2、对共析温度影响扩大A相区的元素，使A3、A1点降低，S点左移；缩小A相区的元素，使A3、A1点升高，S点左移。§1-5合金元素对钢相变影响3、对共析点影响

所有合金元素均使S点左移，使含碳量相同的碳钢和合金钢组织不同。如：40钢：F+P亚共析组织

40Cr13：过共析组织。§1-5合金元素对钢相变影响§1-5合金元素对钢相变影响二、合金元素对钢加热A形成过程影响

1、合金元素作用：改变---温度+共析成分2、A形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且将影响Fe和C原子的扩散，从而影响A化过程。

3、合金元素(除Mn、P外）阻止A晶粒长大a.Ti、Nb、V等强烈阻止A晶粒长大，起细化晶粒作用；b.W、Mo、Cr等起一定的阻碍作用；c.Si、Ni、Co、Cu的影响不大；d.Al和N形成AlN时，在低于950时强烈阻止A晶粒长大，形成本质细晶粒钢。

第一章钢的合金化基础§1-5合金元素对钢相变影响合金钢在加热时不易过热：即组织不易粗大，阻碍晶粒长大a.有利于淬火后获得细M；b.有利于适当提高加热温度，使A中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及机械性能；c.减小淬火时变形和开裂的倾向。第一章钢的合金化基础(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度

淬透性不同的钢调质后机械性能的比较

M低倍

§1-5合金元素对钢相变影响三、合金元素对过冷A分解过程的影响

1.对过冷A等温转变的影响过冷A→P（或B），均属于扩散型相变。因合金元素（除Co外）溶入A后，能↓原子扩散速度，使A稳定性↑，从而使C曲线位置右移。第一章钢的合金化基础§1-5合金元素对钢相变影响第一章钢的合金化基础合金元素及C对合金C曲线的影响§1-5合金元素对钢相变影响（1）非（弱）碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu等溶入A后，增大了其稳定性，减慢其分解，使C曲线右移；（2）碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，溶入A后，延缓A分解。但由于过冷A向P和B转变的延缓程度不同，不仅使C曲线右移，而且还使其分解成两个“鼻子”。Mo、W、V、Ti强烈推迟P转变，而Mn、Cr推迟了B转变的作用更明显。第一章钢的合金化基础由于合金元素使C曲线右移，故↓钢的Vk,↑淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al强————————————→弱§1-5合金元素对钢相变影响提高淬透性为目的的常用元素只有五种：Cr、Mn、Si、Ni、B合金元素只有当淬火加热溶入A中时，才能起到↑淬透性作用