钢合金化基础PPT课件.ppt

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1、关于钢的合金化基础第一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月0 前言合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金元素、合金钢合金元素、合金钢（主要元素：（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V 常存元素：常存元素：Mn、Si）注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部分注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部分是由于影响是由于影响相变相变过程。过程。低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%第二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月（1）杂质

2、元素（）杂质元素（impurity-element）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 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。1.钢中合金元素及其分类依据第三张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）；？氢氢 脆脆 H 白点。白点。（2）合金元素（）合金元素（alloying-eleme

3、nt）为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。钢中常用合金元素：钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。第四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布一、合金元素在钢中的分布第二周期：第二周期：B、C、N；第三周期：第三周期：Al、Si第四周期：第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、第五周期：第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：第六周期：W第七周期：稀土元素、第七周期：稀土元素、TaS、P一般为杂质元素一般为杂质元素第五张，PPT

4、共一百零六页，创作于2022年6月1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布一、合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要包（溶于钢中或形成新相），主要包括：括：溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；溶入基体溶入基体形成强化相；形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物形成碳化物或金属间化合物)-强化相强化相形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物等）形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物等）第二第二相相以游离状态存在。以游离状态存在。单质单质取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等取决于种

5、类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等第六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月合合金金元元素素在在钢钢中中的的存存在在形形式式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶体固溶体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合金元素在钢中的存在形式第七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月例：形成合金例：形成合金F 合合金金元元素素溶溶入入F后后，由由于于原原子子半半径径和和晶晶格格类类形形的的差差异异，必必然然引引起起晶晶格格畸畸变变，产产生生固固溶溶强强化化，使使的的强强度度、硬硬度度，而而塑塑、韧韧性性略略有有下降。下降。P、

6、Si、Mn、Ni是是显著显著的的强化元素强化元素。固溶体固溶体固溶于固溶于F、A、M中中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W第八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月它它是是合合金金元元素素溶溶入入渗渗碳碳体体中中并并置置换换部部分分铁铁原子而形成的碳化物。原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表代表Mn、Cr等合金元素。等合金元素。合合金金渗渗碳碳体体比比一一般般渗渗碳碳体体稳稳定定，硬硬度度高高，所以可以所以可以提高耐磨性提高耐磨性。合金渗碳体合金渗碳体如如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等、等第九张，PPT共一百零六页，创作于2

7、022年6月由由中中强强或或强强碳碳化化物物形形成成元元素素形形成成的的碳碳化化物物。其其共共同同特特点点是是：熔熔点点高高、硬硬度度高高、稳稳定定性性高高、很难溶入中。很难溶入中。特殊碳化物特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、第十张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月金属间化合物金属间化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金属夹杂物非金属夹杂物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游离态游离态如如Pb、Cu等等第十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月*合金元

8、素改善钢的热处理工艺性能合金元素改善钢的热处理工艺性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻碍晶界迁移，细化晶粒。P21王晓敏 工程材料学1.细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒第十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月除除Co外外，固固溶溶于于A中中的的合合金金元元素素总总是是不不同同程程度度的的增增加加稳稳定定性性，延延缓缓的的转变，使转变，使C曲线右移，淬透性提高。曲线右移，淬透性提高。合合金金钢钢可可选选择择油油淬淬，高高合合金金钢钢甚甚至空冷即可获得至空冷即可获得M组织。组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、

9、B2.提高淬透性提高淬透性第十三张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月除除Co、Al外外，所所有有合合金金元元素素降降低低Ms、Mf增增加加残残余余奥奥氏氏体体含含量量，按按作作用用由由强到弱：强到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2.提高淬透性提高淬透性第十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月3.提高回火抗力，产生二次硬化，防提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性止第二类回火脆性回回火火抗抗力力是是指指淬淬火火钢钢在在回回火火过过程程中中抵抵抗抗硬度下降的能力，又称硬度下降的能力，又称回火稳定性回火稳定性。合合金金元元素素固固溶溶于于淬淬火火M中中可可减减慢慢碳碳的

10、的扩扩散散，阻阻碍碍碳碳化化物物从从过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出，推推迟迟M的的分分解解，延延缓缓硬硬度度下下降降，因因此此，合合金金钢钢具有较高的回火抗力。具有较高的回火抗力。在在相相同同回回火火温温度度下下，含含碳碳量量相相同的合金钢的硬度较碳钢高。同的合金钢的硬度较碳钢高。在在要要求求相相同同硬硬度度条条件件下下，合合金金钢钢的的回回火火温温度度高高，塑塑韧韧性性好。好。第十五张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类1、与铁的相互作用、与铁的相互作用（1）奥氏体（）奥氏体（austenite）形成元素：形成元素：

11、C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，等，(优先分布于奥氏体中优先分布于奥氏体中)奥氏体形成能力奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%（2）铁素体（）铁素体（ferrite）形成元素：形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，等，(优先分布于铁素体中优先分布于铁素体中)第十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类2、与碳的相互作用、与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，等，(易溶于易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂奥氏体或铁素体中或形成

12、夹杂)（2）碳化物形成元素：）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、Zr、Nb等，等，(形形成碳化物或溶于固溶体中成碳化物或溶于固溶体中)第十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类二、合金元素的分类3、对奥氏体层错能的影响分类、对奥氏体层错能的影响分类（1）提高奥氏体层错能的元素：）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；等；（2）降低奥氏体层错能的元素：）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru(钌钌)、Ir(铱铱)等。等。层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。

13、产生单位面积的层错所需能量为升高。产生单位面积的层错所需能量为“层错能层错能”。（。（层层错能愈小，出现层错的几率愈大错能愈小，出现层错的几率愈大）第十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月一、一、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-C相图的变化特点。相图的变化特点。Me和和Fe的作用：的作用：1、稳定化元素稳定化元素使使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；b)与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。2.合金元素与铁碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响第十九张，PPT共一

14、百零六页，创作于2022年6月2、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区缩小区缩小a)完全封闭完全封闭区区 Cr、V、W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相 W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b)缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 F形成元素。形成元素。第二十张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月(a)Ni，Mn，Co(b)C，N，Cu (c)Cr，V(d)Nb,B等等 图1 合金元素和Fe的作用状态 第二十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月1.2 铁基固溶体铁基固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 合金

15、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)无无限限无无限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*无无限限无无限限无无限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与C量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。第二十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 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TiVCrMnF

16、eCoNiCu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，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3d d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 第二十三张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月（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

17、-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、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。结结论论第二十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 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点阵结构、

18、原子半径和电度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似相同或相似.第二十五张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 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

19、是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。二、间隙固溶体二、间隙固溶体第二十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、二、MeMe和碳（氮）的作用和碳（氮）的作用（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有很类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。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、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）由强到弱排列）第二十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月钢中常见的钢中常见的K类型有：类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正

20、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 第二十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 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；简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。

21、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。第二十九张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月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一般规律第三十张，PPT共一百零六页，创作

22、于2022年6月 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。第三十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月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

23、：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，1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑时，钢的塑韧性将有较大的下降。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。第四十三张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月2 2、位错强化、位错强化 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

24、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TK第四十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月途径：途径：细化晶粒：细化晶粒：晶界数量增加，位错数量增加；宜加入细化晶界数量增加，位错数量增加；宜加入细化晶粒的合金元素晶粒的合金元素Al、Nb、V、Ti等（晶界强化）等（晶界强化）形成第二相粒子：形成第二相粒子：位错遇到第二相粒子会绕过时，位错位错遇到第二相粒子会绕过时，位错数量增多；宜加入强碳化物形成元素数量增多；宜加入强碳化物形成元素V、Ti、W、Mo、Nb等等促进淬火效应：促进淬火效应：淬火后获得板条淬火后获得板条M，位错形亚结构；宜加入，位错形亚结构；宜加入

25、提高淬透性元素提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等等降低层错能：降低层错能：使位错易于扩展和形成层错，位错交互作用增使位错易于扩展和形成层错，位错交互作用增加，滑移困难，加入降低层错能的元素加，滑移困难，加入降低层错能的元素Mn、Cr、Ru、Ir等等第四十五张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月3 3、晶界强化、晶界强化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，产生位错塞积强化。阻止位错运动，产生位错塞积强化。效果效果 钢的强度，钢的强度，塑性和韧度塑性和韧度这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-

26、petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，Kg为系数为系数第四十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月4 4、第二相强化、第二相强化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，但稍降低塑韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。钢强度表达式钢强度表达式第四十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月小结：

27、小结：工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。0 派纳力；派纳力；i 某种强化机制引起的屈服强度增加量某种强化机制引起的屈服强度增加量第四十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 对结构钢，晶界强化和沉淀强化贡献最大。对结构钢，晶界强化和沉淀强化贡献最大。合金钢与合金钢与C C钢的强韧性差异，主要不在于钢的强韧性差异，主要不在于MeMe本本身的强化作用，而在于身的强化作用，而在于MeMe对钢相变过程的影响，对钢相变过程的影响，并且并且MeMe的良好作用，只有在进行合适的热处理的良好作用，只有在进行合适的热处理条件下才能充分得到发挥。条件下

28、才能充分得到发挥。需要充分理解需要充分理解第四十九张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化及裂与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化及裂纹的形成和扩散有关。纹的形成和扩散有关。塑性塑性plastic：静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率表静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率表示；示；韧性韧性toughness：断裂前吸收能量和进行塑性变形的断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度K、断裂、断裂韧性韧性KIC、

29、韧脆转变温度、韧脆转变温度Tk通常以通常以冲击强度的大小冲击强度的大小来衡量。来衡量。4.Me对钢塑韧性的影响 第五十张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月一、改善钢塑性的基本途径一、改善钢塑性的基本途径塑性指标：塑性指标：n均匀真应变（均匀真应变（u）：）：表征均匀塑性变形能力的大表征均匀塑性变形能力的大小；主要取决于塑性失稳是否易于出现。小；主要取决于塑性失稳是否易于出现。n总真应变（总真应变（T=u+p）：）：表征钢的极限塑性变表征钢的极限塑性变形的能力。形的能力。p：颈缩后的变形，取决于微孔坑或：颈缩后的变形，取决于微孔坑或微裂纹形成的能力。微裂纹形成的能力。途径：提高均匀塑性的

30、同时，尽量避免或推迟微孔坑的形成，途径：提高均匀塑性的同时，尽量避免或推迟微孔坑的形成，防止裂纹扩展。防止裂纹扩展。第五十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素包括：包括：强化机制强化机制溶质原子的影响溶质原子的影响 固溶强化固溶强化晶粒大小的影响晶粒大小的影响 晶界强化晶界强化第二相的影响第二相的影响 第二相强化第二相强化位错的影响位错的影响 位错强化位错强化第五十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素1）溶质原子的影响：）溶质原子的影响：在在-Fe中，加入合金元素，塑性降低。强化

31、元素量中，加入合金元素，塑性降低。强化元素量增加，塑性降低。增加，塑性降低。（间隙式溶质原子（间隙式溶质原子C、N使塑性下降成都远高于置换使塑性下降成都远高于置换式溶质原子，其中式溶质原子，其中Mn、Si使塑性损失最大，且加使塑性损失最大，且加入量越多，均匀应变越低。）入量越多，均匀应变越低。）在在-Fe中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。（见图（见图1.5）第五十三张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素2）晶粒大小的影响：）晶粒大小的影响：细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性。因为：晶粒细化晶粒的元

32、素可改变钢的极限塑性。因为：晶粒尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形成。尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形成。工具钢合金化的主要的出发点工具钢合金化的主要的出发点第五十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响）第二相的影响:(第二相强化第二相强化)极限塑性极限塑性(T)第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成为诱发微第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成为诱发微孔坑的部位。孔坑的部位。n第二相数量越多，易形成微孔坑；第二相数量越多，易形成微孔坑；n第二相尺寸越大，越低；第二相尺寸越大，越低；n粒子呈针状或

33、片状对粒子呈针状或片状对T危害较大，球状时危害较小；危害较大，球状时危害较小；n第二相粒子均匀分布时对第二相粒子均匀分布时对T危害较小，沿晶界分布危害较大。危害较小，沿晶界分布危害较大。因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散的分布。因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散的分布。（发挥弥散强化的作用）（发挥弥散强化的作用）第五十五张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响）第二相的影响:第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；硫化物和氧化物易于使微孔

34、坑在早期形成；碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限塑性危碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限塑性危害较小。害较小。因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制第五十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响）第二相的影响:第二相粒子强化时，改善塑性的方法：第二相粒子强化时，改善塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状和分布；控制碳化物数量、尺寸、形状和分布；（可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球状、（可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球状、细小、均匀、弥散分

35、布）细小、均匀、弥散分布）减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。(减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入Ca、Zr或稀土元或稀土元素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析出。素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析出。)第五十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、影响钢塑性的主要因素二、影响钢塑性的主要因素4）位错的影响：）位错的影响：位错密度增加，塑性降低。位错密度增加，塑性降低。如：在钢强化时，如有间隙原子如：在钢强化时，如有间隙原子C、N会钉扎位错（会钉扎位错（碳氮等碳氮等小原子偏聚在位错下，

36、使位错稳定化小原子偏聚在位错下，使位错稳定化），阻碍位错运动，），阻碍位错运动，降低塑性。降低塑性。此时，加入少量此时，加入少量Ti、V、Nb等微量元素固定间隙原子，等微量元素固定间隙原子，使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。第五十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月（1）影响韧性的因素影响韧性的因素 强化强化因素因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧塑韧,称为称为强韧性强韧性转变矛盾转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都。除细化组织强化外，其它强化因素都会不同程度地会不同程度地韧性。韧性。危害最大是间隙固溶；危害最大是间隙固溶；沉

37、淀强化较小沉淀强化较小,但对强化贡献较大。但对强化贡献较大。合金合金元素元素 Ni韧性韧性；Mn在少量时也有效果；其它在少量时也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韧性韧性4.Me对钢塑韧性的影响 第五十九张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月晶粒晶粒度度 细晶既细晶既S，又又TK,即即 韧性韧性 最佳组织因素。最佳组织因素。第二第二相相 K韧性。韧性。K 小、匀、圆、适量小、匀、圆、适量 工艺努力方向。工艺努力方向。杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心，提高钢的冶金质量是必须的。提高钢的冶金质量是必须的。杂质杂质第六十张，PPT共一百零

38、六页，创作于2022年6月 合金元素对铁素体合金元素对铁素体 冲击韧度的影响冲击韧度的影响 晶粒大小对强度、韧脆转晶粒大小对强度、韧脆转 变温度变温度TK的影响的影响第六十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月（2）提高钢韧性的合金化途径提高钢韧性的合金化途径 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 Ti、Nb、V、W、Mo；2）回火稳定性回火稳定性 强强K形成元素形成元素；3）改善基体韧性）改善基体韧性 Ni；4）细化细化K 适量适量Cr、V，使使K细小均布细小均布；5）回脆回脆 W、Mo；6）在保证强度水平下，适当）在保证强度水平下，适当含含C量量.冶金质量。冶金质量。思考题：思考题：

39、有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态正火态?第六十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月5.1 Me5.1 Me对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响一、对一、对S、E点的影响点的影响 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。S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小；E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低。合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响 5.Me对钢相变的影响 第六十三张，PPT共一百零六页，创作于

40、2022年6月二、对临界点的影响二、对临界点的影响 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）线向下移动。线向下移动。三、对三、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-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区缩小区缩小钢在高温钢在高温下仍为下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。第六十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 第六十五张，PPT共一百零六页，创

41、作于2022年6月5.2 5.2 合金钢的加热合金钢的加热A A化化 一、一、K K在在A 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，沉淀析出；沉淀析出；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。第六十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 碳（氮）化物

42、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 第六十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、二、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?三、三、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、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。第六十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月5.3 5.3 过冷过冷A A体的分解体的分解一、过冷一、过冷A A体的稳定性体的稳定性

43、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。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，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

44、种。有五种。第六十九张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月“C”C”曲线五种形状曲线五种形状第七十张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 常用合金元素对奥氏体等温转常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响变曲线的影响 (上左上左)强强K形成元素形成元素 (上右上右)中、弱中、弱K形成元素形成元素 (下下左左)非非K形成元素形成元素 第七十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月图例图例1-1-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性第七十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月图例图例2-2-综合合金化提高过冷综合合金化提高过冷 的稳定性的稳定性第七十三张，

45、PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、过冷二、过冷A A体的体的P P、B B转变转变 P转变转变：需要：需要C和和Me都扩散都扩散；综合影响顺序：综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变贝氏体转变：C原子作短程扩散，原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。几乎没有扩散。影响顺序：影响顺序：MnMn、CrCr、NiNi、Si Si，而而W W、MoMo等影响很等影响很小。小。三、三、MeMe对对MsMs的影响的影响 各种各种Me对对Ms位置的影响程度是不同的。位置的影响程度是不同的。第七十四张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月第七十五张，PPT共一百零六页，创作于20

46、22年6月5.45.4 合金钢的回火转变合金钢的回火转变一、一、M 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；第七十六张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 3）Si比较特殊：比较特殊：Fe和和C的的结合力结合力,ac-FeXC的形核

47、、长大的形核、长大Si能溶于能溶于，不溶于不溶于Fe3C，Si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以上以上第七十七张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月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基基本本规规律律 渗碳体形成开始温度与合金化无关；渗碳体形成开始温度与合金化无关；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Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏

48、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。第七十八张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 回火时马氏体中回火时马氏体中C量的变化量的变化 第七十九张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月二、回火时二、回火时K K的形成的形成 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温度为：Me Si Mn Cr Mo W V T,300 350 400500 500 500550 1）K长大长大 聚集温度：

49、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。第八十张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月 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、结构和硬度的变化碳化物成分、结构和硬度的变化 第八十一张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 +M3C MX

50、CY (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，直接析出二次硬化，直接析出 贡献最大贡献最大 第八十二张，PPT共一百零六页，创作于2022年6月三、回火脆性三、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，晶界强度。晶界强度。Mn、Cr脆性；脆性；V、Al改善脆性；改善脆性；Si 脆性温度区脆性温度区.第八十三