钢的合金化基础演示文稿

钢的合金化基础演示文稿当前第1页\共有26页\编于星期一\16点优选钢的合金化基础当前第2页\共有26页\编于星期一\16点

钢的合金化原理内容相当广泛，包括不同合金元素的不同作用，不同合金元素的交互作用，不同合金元素在不同热处理工艺、C含量、杂质含量条件下的不同行为…

合金化基础：合金元素与Fe、C的基本作用，一般规律，即共性。主要内容分为以下5个方面：1)钢中合金元素及其分类。2)合金元素与钢中铁和碳的相互作用。3)钢的强化。4)改善钢的塑性与韧性的途径。5)合金元素对钢的相变和热处理工艺性能的影响当前第3页\共有26页\编于星期一\16点

第一节钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用一、钢中合金元素的分类钢中常加入的合金元素有：第二周期：硼、碳、氮；第三周期：铝、硅；第四周期：钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜；第五周期：锆、铌、钼；第六周期：钨；第七周期：稀土元素。硫、磷等元素通常作为有害元素看待，但有时也可当作合金元素(如在易切削钢中硫被用来改善切削性能)。(一)按照与铁相互作用的特点分类

合金元素与铁的相互作用主要是影响铁的同素异构结构。

Fe的同素异构转变：奥氏体(A)：C溶于γ－Fe，面心立方，C溶解度大；铁素体(F)：C溶于α－Fe，体心立方，C溶解度小。当前第4页\共有26页\编于星期一\16点1)奥氏体形成元素:如碳、氮、镍、锰、铜、钴等。稳定和扩大A区，优先分布于A中。2)铁素体形成元素:如铬、硅、钒、钛、钼、钨、铌、钽、铝、锆等。稳定和扩大F区，优先分布于F中。但合金元素的实际分布还与加入量和热处理条件有关。(二)按照与碳相互作用的特点分类1)非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、铝、磷等。易溶入F或A中2)碳化物形成元素：如铬、钼、钨、钒、钛、锆、铌等。

易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体或渗碳体(三)按照对A层错能的影响分类1)提高A层错能的元素：如镍、铜、碳等。2)降低A层错能的元素：如锰、铬、钌、铱等。

A的层错能低，利于位错扩展→形成层错→滑移困难→加工硬化趋势增大当前第5页\共有26页\编于星期一\16点二、钢中杂质、合金元素存在形式1．形成非金属夹杂：与钢中O、N、S、Si等结合形成化合物，残留在钢中。使塑韧性和疲劳强度降低，还降低耐磨性、耐蚀性，并影响淬透性。其危害与夹杂物成分(性能）、形状、大小、数量和分布有关。但AlN可弥散于钢中，提高性能。2．溶入固溶体：溶于F、A和M。不同元素在不同的组织中溶解度不同。3．形成强化相：4．自由存在：某些合金元素如银和铅等，既不溶于铁中基体中又不与之形成化合物，而以游离状态存在于基体中。存在形式决定于？合金元素存在形式杂质S：生Fe、燃料带入，溶解度很小，晶界低熔点FeS-Fe，热脆。加Mn形成高熔点MnSP：形成Fe3P硬脆相，冷脆脆。H：固溶，氢脆。其它杂质：当前第6页\共有26页\编于星期一\16点三、合金元素与铁、碳的相互作用(一)合金元素与铁的相互作用按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元素分为两大类：为什么有的合金元素扩大γ区，而有的缩小γ区呢?

取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素合金元素含量高到形成σ相，合金将严重发脆。合金元素与铁的相互作用的工程实际意义：为了保证钢具有良好的耐蚀性(如不锈钢)，需要在室温下获得单一相组织，就是运用上述合金元素与铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温条件下获得单相奥氏体或铁素体等单一组织来实现。例如，为了获得奥氏体型不锈钢，通常向钢中加人大量的Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；为获得铁素体型不锈钢，通常向钢中加入大量的Cr、Si、A1、Mo、Ti等铁元素形成元素。同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。当前第7页\共有26页\编于星期一\16点(二)合金元素与碳的相互作用是形成碳化物，还是形成固溶体？

取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy△G

非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。

非碳化物形成元素易溶入铁素体和奥氏体等固溶体中；而碳化物形成元素易于溶入碳化物中。如加入少量碳化物形成元素时，它也可以溶入固溶体中，或溶入渗碳体中形成合金渗碳体等，当加入数量较多时，形成特殊碳化物。1.形成碳化物的规律

碳化物形成元素在周期表中都是过渡族元素（次d层未排满）：与Fe原子相比，次d层越不满，形成碳化物的趋势越强，碳化物越稳定。

另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类当前第8页\共有26页\编于星期一\16点2.碳化物特性碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。碳素钢、合金钢,镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：(1)硬度：碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。

如TiC，硬度最高。(2)稳定性：熔点、分解温度、溶入固溶体难易稳定性高→难以集聚长大、强化效果好→提高回火温度、高温使用性能提高回火温度：使基体组织恢复充分，残余A少，碳化物弥散，钢塑性、韧性、强度好。高温使用：在温度及应力长期作用下不易集聚长大→提高材料使用寿命。一般，形成碳化物能力越强的元素，碳化物熔点高，稳定性亦大。

Fe3C→M23C6→M6C→MC稳定性升高。

但碳化物稳定，溶入A的温度高，自M中分解出来的温度亦高，使用锻造及热处理方法改变碳化物相的分布状况变得困难。稳定性又指：碳化物和基体(固溶体)之间不易因原子扩散而发生合金元素的再分配。许多碳化物形成元素同时也是有效的强化固溶体的元素(如铬、钼、钨等)。故在经过适当的热处理之后，固溶体和碳化物间应保持最佳的合金元素含量分配率，以保证高的综合性能(如强度与塑性，强度与耐蚀性)。当前第9页\共有26页\编于星期一\16点（3）溶解

碳化物具有一定的金属特性，所以其成分不是很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物为基底，固溶各种合金元素。如：Fe3C能溶解大量的合金元素。在回火最初阶段所形成的Fe3C，既有碳化物形成元素溶入，又有非碳化物形成元素溶入；只是在提高回火温度或延长回火时间时，碳化物形成元素向Fe3C中固溶越来越多，而非碳化物形成元素固溶越来越少。3.合金元素与碳相互作用的实际意义：

一方面关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布，而所有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性以及塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能；同时对钢的热处理亦有较大影响，如奥氏体化的温度和时间、奥氏体晶粒长大等。另一方面由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度有较大影响；碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素(如钴)还有增大碳原子扩散的作用。因而，合金元素与碳的作用对钢的相变有重要的影响。当前第10页\共有26页\编于星期一\16点四、合金元素对奥氏体层错能的影响(一)合金元素的影响趋势目前有关合金元素对奥氏体层错能的影响规律尚不完全清楚。但对以下元素的影响趋势看法一致：镍、铜和碳提高A层错能，锰、铬、钌和铱降低之。(二)奥氏体层错能对钢的力学性能影响

层错能低→有利于位错扩展和形成层错→使横滑移困难→钢的加工硬化趋势增大。所以A层错能的高低将会直接影响到奥氏体钢的力学行为。如：高镍钢和高锰钢，虽然锰和镍都是A形成元素，单独加入相当数量的镍和锰都可使钢在室温下获得单相A，但却发现镍钢易于变形加工；而锰钢的冷变形性能很差，有很高的加工硬化趋势与耐磨性。(三)奥氏体层错能对钢相变行为的影响A层错能的高低，对Fe-Ni-C合金中M的形态有直接影响。通常，A层错能越低越易于形成板条M，具有位错型亚结构；而A层错能越高，越易于形成片状马氏体，具有孪晶型亚结构。当前第11页\共有26页\编于星期一\16点第二节钢的强化机制

钢的强化主要指提高其屈服强度。

屈服强度：使位错开动、增殖并在金属中传播所需要的应力。因此，阻碍位错运动，就可达到强化目的。基于此，钢中合金元素的强化作用主要四种基本方式：固溶强化、晶界强化、第二相强化及位错强化。通过对这四种方式单相或综合加以运用，便可有效提高钢的强度。一、固溶强化溶质原子溶入基体金属中形成固溶体使金属强化，称固溶强化。固溶强化可分为：间隙固溶强化和置换固溶强化两种。(一)铁素体的固溶强化1．间隙式固溶强化间隙原子C、N固溶于F晶格间隙，阻碍位错运动，增加钢的塑性变形抗力，提高钢的屈服强度，达到强化目的。间隙原子(碳、氮)对强度的影响表达式：

--与间隙原子性质、基体晶格类型、基体的刚度、溶质和溶剂原子直径差及二者化学性质的差别等因素有关。

F中固溶度很小（C最大仅0.0218％），效果差。常采用相变，造成过饱和固溶体（如A→M）间隙固溶可显著强化，但严重地损害钢的塑性、韧性以及焊接性能。原子半径小指数关系当前第12页\共有26页\编于星期一\16点(二)奥氏体的固溶强化C在面心立方晶格中造成的畸变呈球面对称，其间隙强化作用属弱硬化。置换式原子在A中的强化作用比碳原子更小。但置换式原子会影响A层错能。层错能低，位错易扩展，层错和溶质原子交互作用使溶质原子偏聚在层错附近，形成铃木气团，钉扎位错造成A强化。强化作用顺序：间隙式原子（C、N）→置换式F形成元素→置换式A形成元素钢中加入镍会使屈服强度降低，这是一种固溶软化现象。相对于F中★置换式固溶强化对F的强化作用小得多，但工程用钢中不可忽视，因多种元素的强化作用可以垒加，总的强化效果可观。如在低合金高强度钢中，加入微量多种合金元素就是这个道理。间隙式溶质原子强化效果显著，但受溶解度限制，可采用相变原理。总之，影响固溶强化作用→错配度与固溶度。还要考虑对塑、韧性的影响。2.置换式固溶强化置换固溶，晶格畸变多为球面对称，强化效果较间隙式小得多（约小两个数量级），称弱硬化。强度增量与溶质原子含量间关系式：

但强度随CS↑而直线↑，且若含量低时，基本不损害塑韧性，这点很重要。不同合金元素对铁素体强化作用不同，如磷、硅、锰和钼强化作用明显，其中硅、锰作用最大；镍、铝强化作用不大。多种合金元素同时存在，强化可累加。当前第13页\共有26页\编于星期一\16点二、晶界强化晶界的存在可阻碍位错运动，提高金属材料屈服强度。晶粒越细，则晶界面积越大，屈服强度越高。

霍尔—配奇(Hall-petch)公式：(屈服强度与晶粒大小的关系）适于一般晶体材料、亚晶等

细化晶粒还可提高金属塑韧性（应力集中小、裂纹扩展困难），是各种晶体材料强韧化的理想措施之一。σ0--单晶体中位错运动的摩擦阻力；

KS—与材料本质有关而与晶粒直径无关的参数，又称晶界障碍强度系数。

面心立方金属的滑移系比体心立方金属的多，所以其KS比体心立方金属小。当前第14页\共有26页\编于星期一\16点三、第二相强化第二相强化分为沉淀强化和弥散强化。这两种强化方式共同点是第二相对位错的阻碍作用，但对位错运动阻碍的方式不同。沉淀强化：位错切过第二相粒子（粒子可变形），并与母相具有共格关系。淬火时效得，故称沉淀强化。基本途径：合金化加淬火时效。最佳沉淀相：①与基体共格，位错应变大；②键合强度高，高的派-纳力与弹性模量；③有序相。如：在M时效钢中加入钛和钼，形成Ni3Ti、Ni3Mo，基本上满足上述要求，效果良好。基体相以外的相弥散强化：位错绕过第二相粒子（粒子不变形），与基体非共格。第二相粒子人为加入或淬火过时效，不溶入基体，故称弥散强化。弥散强化是钢中常见的强化机制，例如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物做弥散强化相。合金元素提供弥散分布第二相粒子形成的成分条件。高温回火为使碳化物呈细小、均匀、弥散分布，并防止碳化物聚集长大，要向钢中加入碳化物形成元素：钛、钒、铌、锆、钼和钨等。

总之，第二相强化效果与第二相的大小、数量、分布及性能有关。●沉淀相体积分数越大，强化效果越显著；●第二相弥散度越大，强化效果越好。●沉淀强化比弥散强化效果大。当前第15页\共有26页\编于星期一\16点四、位错强化(一)位错数量位错密度越高，位错运动时越易于发生相互交割，引起位错缠结，位错运动的障碍越大，强化作用越大。金属中的位错密度与变形量有关，变形量越大，位错密度就越大，钢的强度则显著提高，但塑性明显下降。(二)位错组态涉及位错的分布及其性质等。

1)F钢：层错能较高，易于交叉滑移和形成胞状亚结构。随形变量增大，胞状结构细化，σb增高。位错胞尺寸对屈服强度的影响也符合Hall-Petch型关系。但与晶界相比，位错胞壁的障碍强度系数小得多。

2)A钢：层错能较低，易形成层错，加工硬化快，冷变形σb迅速升高。一般面心立方金属中的位错强化效应比体心立方金属中的大，利用位错强化更有效。(三)利用位错强化的途径（着眼于塑性变形时使位错增殖或分解）1)细化晶粒：通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调诱发位错，同时还可使晶粒内位错塞积群的数量增多；2)形成第二相粒子：当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多；3)促进淬火效应：相变体积效应诱发位错。当前第16页\共有26页\编于星期一\16点五、有序化强化有序固溶体和原固溶体晶格相同，并保持固溶体的特性，这种固溶体的原子按一定次序排列。在二元合金中，同类原子间的结合力比较弱，异类原子间的结合力比较强时，固溶体就会产生有序化。溶剂－溶质结合方式相同的区域和另一结合方式不同的区域形成反相畴界，阻碍位错运动，使金属屈服强度提高。

强化效果并不明显，但可与其他强化方式叠加。××××××××××××××当前第17页\共有26页\编于星期一\16点第三节改善钢塑性和韧性的基本途径塑性：承受塑性变形的能力，用延伸率和断面收缩率表示。韧性：变形断裂吸收功，用冲击韧性（KIC）或塑脆转变温度表示。一、改善钢塑性的基本途径

因此，改变钢的极限塑性的途径是在提高均匀塑性的同时，尽量避免、推迟微孔坑的形成。(一)钢的塑性变形(二)影响钢的塑性因素1.溶质原子（固溶）（1）间隙固溶（C、N等）：对塑性下降影响大（较置换式），如M中0.2％C塑性好，0.4％的C冷加工困难。

C、N还可引起低碳钢蓝脆（温度升至200～300℃时σb、硬度↑，塑性↓）蓝回火色，此时C、N原子扩散速度与位错运动速度相当变形抗力当前第18页\共有26页\编于星期一\16点（2）置换溶质原子：

不同合金元素影响差别很大2.晶粒大小的影响对均匀真应变影响不大，但对提高极限塑性有利——位错分散，减小应力集中，不易形成微孔坑、微裂纹。3.第二相的影响使均匀真应变稍升或不降低－－使位错快速增殖，使硬化速率快速增大；对总伸长率不利－－本身与基体界面断裂，形成微孔。当前第19页\共有26页\编于星期一\16点4.位错强化的影响二、改善钢韧性的途径延性断裂、解理断裂和晶间断裂过程中吸收的能量越大，韧性越好。(一)改善延性断裂抗力的途径延性断裂过程：均匀变形-微孔坑出现→聚集→长大断口呈韧窝型当前第20页\共有26页\编于星期一\16点(二)改善解理断裂抗力的途径解理断裂：原子键断裂，表现为沿晶面断裂。普遍存在于体心立方和六方晶体中，一般不存在于面心立方中。宏观断裂表面垂直于应力方向，属脆性断裂。F：温度降低→流变应力提高→发生解理脆断；温度升高→流变应力降→形成微孔坑（夹杂、第二相断裂、脱离）→塑断具有冷脆性措施：(三)改善晶间断裂抗力的途径●防止晶界偏聚：溶质原子S、As、Sb、Sn与Ni、Mn交互作用，偏聚于晶界。防止方法：加Mo、Ti,与之作用强，抑制杂质元素向晶界移动●减少第二相沿晶界分布，减小晶界处形成微裂纹的可能性。如晶界处MnS使晶界弱化，加入稀土元素形成稳定的稀土硫化物，避免形成之当前第21页\共有26页\编于星期一\16点第四节合金元素对钢相变的影响一、对平衡状态下相变的影响（一）对奥氏体相区的影响

（二）对共析温度的影响

γA4A3A1Es（三）对共析点位置的影响

所有合金元素使S点左移，合金钢中C＜0.77％时就会析出二次渗碳体（变为过共析钢）。影响相图具有同素异构转变的金属：铁、钛、锆、钴、锰、锡等当前第22页\共有26页\编于星期一\16点二、对非平衡状态下相变的影响

(一)对钢加热转变的影响→A形成、残余碳化物分解、A均匀化、A晶粒长大

1.对A形成速度的影响

改变A的形成速度（形核和核长大速度）→改变了A的形成温度A1、A3和Acm等相变点的位置、改变C的扩散速度（影响C的重新分布）●碳化物形成元素（铬、钼、钨、钛和钒等）：降低C扩散速度；●钴和镍：提高碳在A中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度；●硅、铝、锰：对C在A中的扩散速度影响不大。2.对残余碳化物溶解的影响

F全部转变为A后，仍有一部分碳化物残留。为了增强奥氏体的合金化程度，以充分发挥合金元素的作用，就应使残余碳化物充分地溶解于奥氏体中。由于合金元素扩散困难，再加上合金碳化物的稳定性较高，要使碳化物分解并溶入A中，需提高加热温度。例如，含铬的碳化物在850℃才大量溶解；含钼的碳化物要在950℃时才显著溶解；含钒、钛、铌的碳化物要达1050℃才溶解。又如，在高速钢的生产中，为了保证碳化物充分溶解，其淬火温度一般都在1250-1280℃，比其临界点(A1=820℃)高出数百度。总之，碳化物愈稳定，含量愈高，所需的加热温度越高。当前第23页\共有26页\编于星期一\16点3.对奥氏体均匀化的影响由于碳化物的溶入，使A不均匀。为使其均匀化，C、合金元素都需扩散。但合金元素的扩散极慢（为C扩散速度的千分之几或万分之几），且碳化物形成元素还降低C在A中的扩散速度，所以合金钢的A化时间比碳钢长，这也是在生产中合金钢加热保温时间往往比碳钢长的原因所在。综上所述，对于含有强碳化物形成元素的合金钢，必须严格注意选择淬火温度和保温时间，以使合金元素能够充分溶入A中，否则将影响钢的淬透性及得到合金度较低的马氏体，而降低钢的力学性能。4.对奥氏体晶粒长大的影响

A晶粒越细小，淬火后得到M越细，回火后钢的力学性能越好。因而钢中常加入某些合金元素，以降低钢加热时A晶粒的长大。一般:●强碳化物形成元素（如钛、钒、锆、铌等）强烈阻止A晶粒长大；●钨、钼、铬等:作用中等；●非碳化物形成元素(如镍、硅、铜、钴等):作用较弱；●锰、磷、碳等:促使A晶粒长大。●复合元素：影响不一定是简单的迭加关系，需要实践测定。★生产中常用少量的铝(0．005％质量分数)脱氧，形成极细小的Al2O3和A1N质点，可以阻止奥氏体晶粒长大。但当加热温度超过其溶解度温度时，阻碍奥氏体晶粒长大的作用即消失，晶粒将急剧长大。当前第24页\共有26页\编于星期一\16点(二)对过冷A分解转变的影响

1.对过冷A稳定性的影响

除Co外，都使C曲线右移，A稳定性↑→获得大的过冷度→↑淬透性tT右移注意：只有合金元素溶于A后，才起作用；若未溶入（以碳化物形式存在），↓A的稳定性原因:A中的C、合金元素少，且碳化物作为形核核心。2.对珠光体转变的影响A→珠光体（α-Fe＋Fe3C):需C、合金元素再分