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1、钢的合金化基础1第1页，此课件共44页哦钢中常用的合金元素A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg BB B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Pb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pd Bi Po At Rn 5.1 合金元素与铁和碳的相互作用合金元素与铁和碳的相互作用5.1.1 合
2、金元素及其在钢中的分布合金元素及其在钢中的分布2第2页，此课件共44页哦合金元素在钢中的存在形式取决于：合金元素在钢中的存在形式取决于：1、合金元素本身的性质；2、合金元素的含量以及碳的含量；3、热处理条件（加热温度、冷却条件）。合金元素在钢中的存在形式：合金元素在钢中的存在形式：1、合金固溶体，如-Fe(Me)2、合金渗碳体，(Fe,Me)3C3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC4、非金属夹杂，MnS，MnO，SiO2，Al2O35、以游离状态存在，如Cu，Pb3第3页，此课件共44页哦5.1.2 合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用合金元素可以改变铁的同素异晶转变温度A3和A
3、4，从而改变FeMe二元相图的类型。合金元素对铁的二元相图的影响，主要可以区分为扩大和缩小相区两类，这两类又可以进一步划分为两个次类。1.相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的温度范围内，促使奥氏体形成，即扩大了相区。根据程度的不同，可以分为：4第4页，此课件共44页哦（1）开启）开启相区相区相及相分别处于被封闭的区域内。当合金元素超过某一限量后，可以在室温得到稳定的相。Ni和Mn可使铁的转变抑制到较低的温度，故由区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织。Ni和Mn是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。扩大相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图5第5页，此课件共44页哦（2）扩展）扩展相区相区虽然
4、相区随着合金元素的加入而被扩大了，但是由于受到合金元素固溶度的影响而不能完全开启。C和N是这种类型的最重要的元素；Cu、Zn和Au具有相同的影响。扩大相区并与-Fe有限互溶的Fe-Me相图6第6页，此课件共44页哦2相稳定化元素使A4温度下降，A3温度升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小相区。根据程度的不同，可以分为：（1）封闭）封闭相区相区许多元素限制Fe的形成，使相图中区缩小到一个很小的面积，形成相圈，如右图所示。从图中可以看出相和相连成一片。Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W、Cr均属于这类元素。封闭相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图7第7页，此课件共44页哦
5、（2）缩缩小小相区。相区。由于受到固溶度的限制，这类合金元素不能使区完全封闭，故称为缩小相区元素。B是这一类中的典型元素。8第8页，此课件共44页哦小结：合金元素是否为扩大相区元素的条件：1.本身为面心立方点阵；2.与Fe的电负性相近；3.与Fe的原子尺寸相近。以第四周期为例：TiTiV VCrCrMnMnFeFeCoCoNiNiCuCu3d24S23d24S23d34S23d34S23d54S13d54S13d54S23d54S23d64S23d64S23d74S23d74S23d84S23d84S23d104S13d104S1BccBccBccBccBccBcc多型多型多型多型多型多型Fc
6、cFccFccFcc9第9页，此课件共44页哦以Cr为界：3d层电子数5时，合金元素为缩小相区元素；3d层电子数5时，合金元素为扩大相区元素。至于Cr是否为扩大相区元素，视其含量而定，Cr的质量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。10第10页，此课件共44页哦5.1.3 合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用按照合金元素与碳的亲和力的大小分为：碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。（1）形成碳化物的规律性碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大合金元素与碳的亲和力的大小，
7、即取决于合金元素小，即取决于合金元素d层电子数。层电子数。金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所形成的碳化物就越稳定。在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：HfTiZrTaNbVMoWCrMnFe11第11页，此课件共44页哦（2）碳化物的类型）碳化物的类型碳化物中金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子在点阵的间隙位置。如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时，碳化物就可以形成简单点阵结构简单点阵结构。若这种间隙还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构稍有变形的复杂点阵结构复杂点阵结构。因此碳原子半径因此碳原子半径(C)和过渡族金属的原
8、子半径和过渡族金属的原子半径(Me)的比值的比值(C/Me)决定了可以形成简单还是复杂结构的碳化物。决定了可以形成简单还是复杂结构的碳化物。12第12页，此课件共44页哦金属元素的C/Me值如下：金属 Fe Mn C r V Mo W Ti Nb Zr c/M 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48 1、当C/rM0.59时，形成MC型和M2C型简单点阵的碳化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。2、当C/M0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型复杂点阵的碳化物，一般合金钢中常出现的复杂点阵的碳化物为Cr，Mn，Fe的碳化
9、物或它们的合金碳化物。13第13页，此课件共44页哦VC晶体结构图Fe3C晶体结构图14第14页，此课件共44页哦（3）碳化物的特性）碳化物的特性相对于纯金属而言，碳化物具有高的熔点、分解温度和硬度，其对钢材的强化能力是很大的；与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔点、硬度和耐磨性也越高；碳化物的稳定性越高，热处理加热时，碳化物的溶解及奥氏体的均匀化越困难。同样在冷却及回火过程中碳化物的析出及其聚集长大也越困难。碳化物稳定性由弱到强的顺序是：Fe3CM3CM23C6M7C3M6CM2CMC15第15页，此课件共44页哦5.1.4 合金元素合金元素对对FeFe3C相相图图的影响的影响
10、Ni、Co、Mn以及其它扩大相区的元素，均使共析点左移而GS线下沉，如图所示。1合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响16第16页，此课件共44页哦Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小相区的元素，均使三元系中的相区逐渐呈劈形，如图所示。由图可知，大多数元素均使ES线左移，E点（C2.11%的点）左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱氏体。17第17页，此课件共44页哦Ni、Mn等扩大相区的元素，使共析点（S点）左移，GS下沉，使得A1和A3温度同时降低；Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小相区的元素，使相区呈劈形，且共析点（S点）左移，使得A1和A3温度同时升高；因此
11、，合金元素对共析温度的影响基本与对铁的同素异晶转变温度的影响相一致，如图所示：2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图共析点相图共析点S和共晶点和共晶点E的影响的影响18第18页，此课件共44页哦所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A1时，所得到的奥氏体的含碳量总比碳钢低。由此可见，判断一个合金钢是亚共析还是过共析应根据FeCX三元相图来进行分析。19第19页，此课件共44页哦5.2 5.2 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响5.2.1 合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影
12、响合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响（1）合金元素对奥氏体形成速度的影响）合金元素对奥氏体形成速度的影响Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等强碳化物形成元素与C的亲和力强，形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著阻碍C的扩散，大大减慢奥氏体形成速度。为了加速碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化，必须提高加热温度并保温更长时间。Co、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的扩散速度，使奥氏体形成速度加快。Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。20第20页，此课件共44页哦合金元素对奥氏体晶粒大小的影响合金元素对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素，特别是强碳化物形成元素由于形成合金渗碳体和特
13、殊碳化物，更难溶入奥氏体中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr强烈阻碍A体晶粒长大。W、Cr、Mo中等阻碍A体晶粒长大。Mn、P、B促进A体晶粒长大。21第21页，此课件共44页哦5.2.2 5.2.2 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响合金元素对合金元素对C曲线的影响曲线的影响除Co外，几乎所有合金元素溶入奥氏体后都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al对淬透性作用依次由强到弱。对C曲线形状的影响注意：注意：加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性
14、。加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性。两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强得多。得多。22第22页，此课件共44页哦合金元素对VK影响的示意图23第23页，此课件共44页哦合金元素对合金元素对C C 曲线影响示意图曲线影响示意图24第24页，此课件共44页哦Si基本不影响Ms、Mf点，除Co、Al外，多数合金元素使Ms、Mf点下降，导致残余奥氏体增加。（2 2）合金元素对马氏体转变的影响）合金元素对马氏体转变的影响合金元素对合金元素对Ms点的影响点的影响合金元素对残余奥氏体量的影合金元素对残余奥氏体
15、量的影响响（含含1.0的钢在的钢在1150淬火淬火）25第25页，此课件共44页哦5.2.3 5.2.3 合金元素对淬火钢回火的影响合金元素对淬火钢回火的影响（1）提高回火稳定性回火稳定性回火稳定性淬火钢在回火时硬度下降快慢的性质。原因：（1）推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变）；（2）提高铁素体的再结晶温度。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。26第26页，此课件共44页哦（2）产生二次硬化和二次淬火）产生二次硬化和二次淬火二次硬化二次硬化淬火钢在回火时随着回火温度的升高，硬度不下降反而升高的现象。产生二次硬化的原因：1.高温回
16、火时从马氏体中析出高度分散的合金碳化物颗粒，起到了沉淀强化的作用；2.回火过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火二次淬火。27第27页，此课件共44页哦（3）增大回火脆性倾向）增大回火脆性倾向回火脆性回火脆性在某些温度区间回火时，表现出明显的脆化现象。第一类回火脆性，对应回火温度范围：250-400。第二类回火脆性，对应回火温度范围：450-600。消除第二类回火脆性的方法：1.快冷；2.加入Mo或W降低回火敏感性；3.降低有害元素的含量。28第28页，此课件共44页哦5.3 5.3 合金元素与钢的强韧化合金元素与钢的强韧化结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是主要的使用性能，增加强度往
17、往要牺牲韧性，或者反过来也是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强化，而是追求强韧化。5.3.1 合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响金属的强度金属材料对塑性变形的抗力。（1）固溶强化）固溶强化定义：通过加入合金元素组成固溶体使金属材料得到强化。29第29页，此课件共44页哦在许多钢中，铁素体是基本组成相之一，在结构钢中其所占比例要90%。试验指出：定量评定合金铁素体的强化程度可以通过每个合金元素对-Fe固溶体性能影响的叠加效果。式中：KiF是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强度增量的强化系数；CiF为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度。30第30页，此课
18、件共44页哦不同合金元素溶于铁素体中的强化系数KiF值如下表所示：元素元素 C+N C+N P P Si Si Ti Ti Al Al Cu Cu Mn Mn Cr Cr Ni Ni Mo Mo V V K Ki iF F/100MPa/100MPa 4670 4670 690 690 85 85 80 80 60 60 40 40 35 35 30 30 30 30 10 10 3 3 注注意意：按上式评定铁素体的强化应该考虑合金元素溶于铁素体的浓度，而不是这些元素在钢中的含量。31第31页，此课件共44页哦（2）细细晶晶强强化化 铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-Petch公式而增
19、加，即s=0+kd-0.5其中：d为晶粒直径；0为位错移动的摩擦阻力；k为常数。实际晶粒越细，屈服强度越高，所以在加工钢铁材料时非常重视最终的铁素体晶粒尺寸。32第32页，此课件共44页哦0.11%C的软钢的屈服强度与晶粒度不同温度下的关系如图所示：当软钢的晶粒d=0.25mm(粗晶粒)时，屈服强度约为100Mpa；当软钢的晶粒d=0.0025mm(细晶粒)时，屈服强度高达500MPa以上。33第33页，此课件共44页哦（3 3）第二相）第二相强强化化 定义：在金属基体中存在另外的一个或几个相，这些相的存在使金属的强度得到提高。例如：钢材在经淬火处理后，在回火过程中，以特殊碳化物的质点弥散析出
20、，这些碳化物能有效地阻碍位错的运动，提高了钢的屈服强度。（4）位错强化）位错强化位错造成的强化量与位错密度之间的关系为：=kd1/2例如：钢铁在冷加工（轧制、拉拔）过程中，受力变形，使基体内的位错密度大大提高；钢铁在淬火后，基体内的位错密度以及缺陷密度也大幅度的增加，这都增加了钢材的强度。34第34页，此课件共44页哦5.3.2 提高钢韧性的途径提高钢韧性的途径 按上述强化方式进行强化，除细晶强化以外，一般均会发生脆化，导致韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。因此，寻求高强度而同时有高韧性的材料，是重要的研究任务。1、细细化晶粒化晶粒细化晶粒作为钢的主要强化机制是十分重要的，它它是是既既强强化化
21、又韧化钢材的唯一办法又韧化钢材的唯一办法。2、提高、提高钢钢的回火的回火稳稳定性定性 可以在相同强度水平下，提高回火温度，提高韧性。3、改善基体、改善基体韧韧性性合金元素是通过影响基体的塑性特性，即影响位错摩擦力、交叉滑移的难易程度而起作用。35第35页，此课件共44页哦4、细化碳化物5、降低和消除钢的回火脆性（Mo、W）6、降低含碳量7、提高冶金质量，降低杂质元素的含量8、通过合金化形成一定量的残余奥氏体。36第36页，此课件共44页哦5.4 5.4 钢的分类及编号钢的分类及编号 按照钢中是否加入合金元素可将钢分为碳钢和合金钢。5.4.1 5.4.1 碳钢的分类碳钢的分类（1 1）按碳质量分
22、数分类）按碳质量分数分类低碳钢C%0.25%中碳钢0.25%C%0.6%高碳钢C%0.6%（2）按钢的质量分类）按钢的质量分类 a、普通碳素钢S0.05%P0.045%b、优质碳素钢S0.035%P0.035%c、高级优质碳素钢S0.02%P0.03%d、特级优质碳素钢S0.015%P0.025%37第37页，此课件共44页哦（3）按钢的用途分类）按钢的用途分类a、碳素结构钢、碳素结构钢这类钢主要用于制备建筑、车辆、造船、桥梁、石油、化工、电站、国防等部门的工程构件。b、机器零件用钢、机器零件用钢这类钢主要用于制造机器零件，如轴、轴承、齿轮、弹簧等。c、碳素工具钢、碳素工具钢这类钢主要用于制作
23、刃具、量具、模具。38第38页，此课件共44页哦（4）按钢冶炼时的脱氧程度分类）按钢冶炼时的脱氧程度分类a、沸腾钢（F）脱氧不彻底的钢b、镇静钢（Z）脱氧彻底的钢c、半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间d、特殊镇静钢（TZ）特殊脱氧的钢39第39页，此课件共44页哦5.4.2 5.4.2 碳钢的编号碳钢的编号（1）碳素结构钢）碳素结构钢表示方法：Q+屈服强度+质量等级（A、B、C、D）+脱氧方法（b、Z、TZ）（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢a、优质碳素结构钢的平均含碳量用万分之几表示：例如：平均含碳量为0.1%的钢表示为10。b、含锰量较高的优质碳素钢，应将锰元素标出。例如：平均
24、含碳量为0.5%，锰含量0.7-1.0%表示为50锰或50Mn。c、专门用途的优质碳素钢，在钢号之尾附加用途符号。例如：含碳为0.2%的锅炉钢表示为20锅或20g；含碳为0.3%的桥梁钢表示为30桥或30q。40第40页，此课件共44页哦（3）碳素工具钢）碳素工具钢a、含碳量以千分之几表示；b、以“碳”字或字母“T”代表碳素工具钢；c、含锰量较高(0.4%0.6%Mn)的，应将锰元素标出；d、高级优质碳素工具钢在末尾加“A”字。例如：T8A表示含碳量为0.8%的优质碳素工具钢；T8Mn表示含碳量为0.8%，含锰量为0.40.6%的碳素工具钢；T10表示含碳量为1%的碳素工具钢。41第41页，此
25、课件共44页哦5.4.3 5.4.3 合金钢的分类合金钢的分类（1）按化学成分分类）按化学成分分类a、按钢中所含合金元素的种类分类，如锰钢、硅钢等；b、按钢中合金元素总质量分类：低合金钢（Me%5%）中合金钢（5%Me%10%）高合金钢（Me%10%）42第42页，此课件共44页哦（2）按钢的用途分类）按钢的用途分类a、合金结构钢，包括工程构件用钢和机械零件用钢；b、合金工具钢，包括刃具钢，模具钢和量具钢；c、特俗性能钢，包括不锈钢，耐热钢和耐磨钢。（3）按冶金质量分类）按冶金质量分类a、普通低合金钢b、优质低合金钢c、高级优质合金钢d、特高级优质合金钢43第43页，此课件共44页哦（4）按金相组织分类）按金相组织分类a、按退火后的组织合金钢可分为：亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；b、按正火后的组织合金钢可分为：铁素体钢，珠光体钢，贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。c、化学成分+用途结合的分类方法，如Cr不锈钢等；正火组织+用途结合的分类方法，如奥氏体不锈钢，铁素体型不锈钢，马氏体型耐热钢等。44第44页，此课件共44页哦