金屬材料學--鋼鐵材料的合金化原.ppt

金屬材料學,四、鋼鐵材料的合金化原理 -合金元素在鋼中的存在方式,合金化的作用,純金屬中只能采用位錯強化和晶粒細化強化，且強化效果受到一定限制 金屬結(jié)構(gòu)材料廣泛采用合金化，合金化后增加了固溶強化和第二相強化方式，同時使強化技術(shù)與工藝豐富多彩 傳統(tǒng)認為合金化主要作用是提高鋼材淬透性，但實際合金化的作用已遠不止這一作用,Fe-C合金,鋼鐵材料實質(zhì)上是Fe-C合金 Fe-C合金發(fā)現(xiàn)的偶然性 C的間隙固溶強化的經(jīng)濟有效性 C形成各種碳化物（最典型的是Fe3C） C的加入使鐵的固態(tài)相變復雜多變，由此導致鋼的性能變化范圍大幅度擴大 熱處理技術(shù)的發(fā)展,成分與相,合金元素加入后，使鋼的基體化學成分發(fā)生變化，同時還會產(chǎn)生新相 具有在一定程度內(nèi)變化的化學成分、具有不同的晶體結(jié)構(gòu)因而不同性能和性質(zhì)、用相界面與其他相分隔的部分物質(zhì)被稱為相 成分分析，元素與含量 相分析，晶體結(jié)構(gòu)（衍射晶面間距）與量（衍射強度）和尺寸 組織分析，形貌（成分與相相同時有可能形貌不同，如珠光體、索氏體、托氏體）,鋼中基礎(chǔ)相,-鐵，室溫穩(wěn)定，體心立方點陣，點陣產(chǎn)生0.2866451nm，由此計算出的最小原子間距為0.248240nm，配位數(shù)為12時的原子直徑為0.25715 nm，理論摩爾體積為0.70916510-5m3/mol，理論密度為7.875Mg/m3，通常采用的實際測定密度7.870Mg/m3，室溫線脹系數(shù)11.810-6/K。 合金化后稱為鐵素體,鋼中基礎(chǔ)相,-鐵 ,9121394 穩(wěn)定,面心立方點陣, 912 點陣常數(shù)0.36468nm,計算最小原子間距（即配位數(shù)12時原子直徑）0.25787nm，理論摩爾體積0.73016310-5m3/mol，理論密度7.649Mg/m3，實測密度為7.694Mg/m3。相變時體積變化約-0.66%。室溫下鐵點陣常數(shù)0.35782nm，計算最小原子間距（即配位數(shù)12時原子直徑）0.25302nm,理論摩爾體積0.68972810-5m3/mol，理論密度為8.097Mg/m3。 合金化后稱為奧氏體,合金元素在鋼中的存在方式,固溶于鐵基體，使其熱力學行為和相變行為發(fā)生明顯改變，產(chǎn)生固溶強化 形成第二相，各種類型的第二相將產(chǎn)生顯著不同的作用 僅固溶的元素：周期表鐵右邊如Co、Ni、Si；但金屬性較強元素會形成單質(zhì)第二相如Cu；非金屬性較強元素與金屬形成化合物如C、N、O、S、P 大多數(shù)合金元素即可固溶也可形成第二相,鋼中第二相種類,碳化物 氮化物 硼化物 金屬間化合物 非金屬化合物（夾雜物） 單質(zhì)如銅、石墨,固溶合金元素對相圖的影響1,擴大相區(qū)的奧氏體形成元素 （使3溫度降低，4溫度升高 ）： 開啟相區(qū)：主要有錳、鈷和鎳三種元素 擴大相區(qū)：主要有碳、氮、銅、金、鋅等元素,開啟相區(qū)相圖,錳對Fe-Fe3C相圖奧氏體區(qū)的影響,開啟相區(qū)相圖的特點,合金元素在-Fe中可以無限固溶，因而使相區(qū)存在的溫度范圍顯著變寬，使和相區(qū)明顯縮小，當固溶度較大時甚至在室溫溫度也仍可使鋼保持為單相奧氏體。奧氏體形成元素如鎳，本身就具有面心立方點陣；而錳和鈷的多型性固態(tài)相變晶型中，在一定溫度范圍內(nèi)存在著面心立方點陣。 鈷的特殊性，它開啟相區(qū)，但卻使3溫度略微升高，這使鈷產(chǎn)生了一些反常的行為（如降低鋼的淬透性）。,擴大相區(qū)相圖,擴大相區(qū)相圖的特點,合金元素在-Fe中有限固溶，當合金元素含量超過溶解度限時，則將出現(xiàn)石墨、-銅等單質(zhì)相或Fe3C、Fe4N等化合物相。 低于3溫度的A1溫度出現(xiàn)共析相變：第二相，該溫度下合金元素在-Fe中的固溶度大于在-Fe中的固溶度 相區(qū)的右端點一般連接一共晶相變,固溶合金元素對相圖的影響2,縮小相區(qū)的鐵素體形成元素 （使3溫度升高、4溫度降低 ）： 封閉相區(qū)：形成相圈，主要有釩、鉻、鈦、鉬、鎢、鋁、硅、磷、錫、銻、砷等 ，其中釩和鉻在-Fe中無限固溶 縮小相區(qū)：出現(xiàn)了金屬間化合物，破壞了圈的完整性，使得-Fe相區(qū)與-Fe相區(qū)被分割開，主要有硼、鋯、鈮、鉭、硫、鈰,封閉相區(qū)相圖,封閉與開啟相區(qū)相圖的對稱性,鉬對Fe-Fe3C相圖奧氏體區(qū)的影響,鉻對Fe-Fe3C相圖奧氏體區(qū)的影響,封閉相區(qū)相圖的特點,最為簡單的相圖，右邊往往是一勻晶相圖（開啟相區(qū)相圖由于上面開口連接液相，故一般應有一包晶相變） -Fe與-Fe相區(qū)合并,縮小相區(qū)相圖,縮小相區(qū)相圖的特點,出現(xiàn)金屬間化合物限制合金元素的固溶 高于3溫度出現(xiàn)包析相變：+金屬間化合物，該溫度下合金元素在-Fe中的固溶度小于在-Fe中的固溶度 相區(qū)的右端點一般連接一共析相變： +金屬間化合物，該溫度下合金元素在-Fe中的固溶度小于在-Fe中的固溶度,C在鐵中的固溶度公式,(石墨在鐵中,573-1011K） (石墨在鐵中,1011-1427K) (Fe3C在鐵中,473-1000K) (Fe3C在鐵中,1000-1421K) (碳化物Fe2.2C在鐵中，473-623K) (碳化物Fe2.4C在鐵中),N、Cu在鐵中的固溶度公式,（Fe4N在鐵中,368-863K） （Fe4N在鐵中,863-923K） (N2在鐵中,500-1173K) (N2在鐵中,1173-1350K) (銅在鐵中,650-1116K) (銅在鐵中,1116-1371K),合金元素在鐵基體中最大固溶度,Hume-Rothery 規(guī)則,原子尺寸因素：當原子尺寸差小于1415時，有利于形成固溶度很大的固溶體 ，其他條件也有利時將形成無限固溶體 化學親和力因素 ：負電性差越小，固溶度越大 電子濃度因素 ：極限電子濃度一般在1.4左右，對面心立方點陣的溶劑約為1.36；對體心立方點陣的溶劑約為1.48。超過極限電子濃度，一般將導致中間相的出現(xiàn)。 晶體點陣因素：相同晶體點陣容易互溶,溶質(zhì)偏聚,晶格畸變能U總是正值 溶質(zhì)與基體的原子尺寸差是造成溶質(zhì)元素在基體點陣產(chǎn)生晶格畸變的主要原因 基體中缺陷處的原子排列混亂程度將明顯影響溶質(zhì)偏聚程度，故不同缺陷處的溶質(zhì)偏聚程度將不相同 對非金屬溶質(zhì)元素來說，除了原子尺寸差別的影響外，其化學鍵的特性將造成基體晶格畸變的非對稱性,鐵晶體結(jié)構(gòu)中的間隙位置尺寸及主要間隙固溶元素原子半徑,主要間隙固溶元素原子半徑,鐵晶體結(jié)構(gòu)中的間隙位置尺寸,鋼中主要合金元素的原子尺寸及其與鐵原子尺寸的相對差別,鋼中的碳化物,不同類型的碳化物的形成規(guī)律,當rC/ rM0.59時，形成簡單密排結(jié)構(gòu)的碳化物，即間隙相，主要包括： NaCl型面心立方點陣的碳化物 MC相 六方點陣的碳化物 ，簡單六方MC類型碳化物的點陣常數(shù)c/a比約為1.021.03 ；密排六方 M2C類型碳化物的點陣常數(shù)c/a比約為1.571.58,NaCl結(jié)構(gòu)的微合金碳氮化物,六方點陣的碳化物,不同類型的碳化物的形成規(guī)律,當rC/ rM0.59時，形成復雜結(jié)構(gòu)的碳化物，主要包括： 復雜立方點陣的M23C6型碳化物 復雜六方點陣的M7C3型碳化物 正交點陣的M3C型碳化物 復雜立方點陣的M6C型碳化物,復雜立方點陣的M23C6型碳化物,復雜立方點陣的M6C型碳化物,碳化物的互溶,影響溶解度的因素主要是電化學因素、尺寸因素和點陣類型 1. 完全互溶 若上述三個因素均合適，即具有相同的點陣類型，金屬原子外層價電子結(jié)構(gòu)相近，且原子尺寸差小于8-10%，則碳化物之間可完全相互固溶 NaCl型MC型碳化物之間可完全相互固溶，形成連續(xù)固溶體 Fe3C、Mn3C之間可完全相互固溶 M6C型碳化物中W、Mo原子可無限制相互置換 Mo2C-W2C之間也可完全相互固溶,碳化物的互溶,2. 有限溶解 若上述三個因素中任意一個不合適，則僅能有限互溶 具有復雜正交點陣結(jié)構(gòu)的Fe3C中可最多溶解28%Cr、14%Mo、2%W、3%V，形成合金滲碳體 具有復雜立方點陣結(jié)構(gòu)的Cr23C6中可最多溶解25%Fe，還可溶解部分Mn、Mo、W、V、Ni等元素； 具有NaCl型面心立方點陣結(jié)構(gòu)的MC型碳化物中可大量溶解W、Mo，少量溶解Mn、Cr； M2C相中可溶解Cr（W2C中最多可溶解75%，Mo2C中最多可溶解5%） 具有復雜六方點陣結(jié)構(gòu)的M7C3型碳化物之間可大量相互有限固溶，如Cr7C3中可大量溶解Fe、Mn；此外，還可適當溶解W、Mo、V等碳化物形成元素,鋼中的氮化物,氮化物的形成規(guī)律,鋼中的氮化物rN/ rM 0.59，故只能形成具有簡單密排結(jié)構(gòu)的碳化物，即間隙相 NaCl型面心立方點陣的氮化物，主要有TiN、NbN、VN、ZrN、Mo2N、W2N、CrN、-Fe4N、MnN、-Mn2N等 六方點陣的氮化物，主要有TaN、WN、Nb2N、MoN、Cr2N、-Fe23N、Mn2N等。其中TaN、Nb2N、-Fe23N、Mn2N與Mo2C密排六方點陣類似，c/a值在1.601.85范圍；而MoN、WN、Cr2N則與MoC簡單六方點陣 相似，c/a值在0.9771.016范圍 AlN屬于正常價非金屬化合物，ZnS類型的密排六方點陣,ZnS結(jié)構(gòu)的AlN,氮化物的互溶,互溶規(guī)律與前述碳化物的互溶規(guī)律類似，影響溶解度的因素主要是電化學因素、尺寸因素和點陣類型 1. 完全互溶 若上述三個因素均合適，即具有相同的點陣類型，金屬原子外層價電子結(jié)構(gòu)相近，且原子尺寸差小于8-10%，則碳化物之間可完全相互固溶 具有NaCl型面心立方點陣結(jié)構(gòu)的MN型氮化物之間可完全相互固溶，形成連續(xù)固溶體，同時它們還能與具有NaCl型面心立方點陣結(jié)構(gòu)的MC型碳化物完全相互固溶，如在含釩、鈦、鈮微合金化的鋼中，可形成如V（C,N）、Nb(C,N)、 Ti(C,N)甚至 (Nb,V,Ti)(C,N) 這樣的復合碳氮化物,氮化物的互溶,2. 有限溶解 在復雜結(jié)構(gòu)的碳化物中，氮原子可替代部分碳原子而形成碳氮化物，如含氮的不銹鋼中氮原子可置換(Cr, Fe)23C6中部分碳原子，形成(Cr, Fe)23(C, N)6 3. 不溶解 若電化學因素、尺寸因素和點陣類型三個因素中任意一個完全不合適，則相互之間將完全不溶解。如AlN不屬于間隙相或間隙化合物，其與間隙相之間完全不互溶，其他元素將不能置換Al、N,鋼中的硼化物,硼化物的形成規(guī)律,鋼中的硼化物rN/ rM 0.59，故不能形成間隙相，只能形成復雜晶體結(jié)構(gòu)的硼化物 CuAl2型正方點陣結(jié)構(gòu)的硼化物，如Ti2B、W2B、Mo2B、Cr2B、Fe2B、Co2B、Ni2B等，它們的c/a1，單位晶胞中原子數(shù)為12，即8個金屬原子和4個硼原子 FeB型正交點陣結(jié)構(gòu)的硼化物，如TiB、WB、MoB、CrB、MnB、FeB等，屬于正交晶系，單位晶胞中有8個原子，硼和金屬原子各4個，其中硼原子呈鏈狀排列,硼化物的互溶,各種硼化物之間根據(jù)電化學因素、尺寸因素和點陣類型的差別會互溶，且與碳化物、氮化物之間也會有限溶解，其互溶規(guī)律與前述碳化物互溶規(guī)律類似。如Fe3C中可大量溶入硼原子置換碳原子，其置換率最高可達80%，形成Fe3B0.8C0.2。但反過來碳在硼化物中則完全不溶解，即碳不能取代硼原子進入硼化物。此外，在Fe23C6中也可溶入部分硼原子替代碳原子，形成鐵硼碳化物Fe23 (C,B)6或Fe23C3B3， 或復雜的硼碳化物T23xMxB6，其中x=23.5，T為Cr、Fe、Co、Ni等元素，M為Ti、Zr、Nb、V、Mo、W等元素。,金屬間化合物,當合金元素的含量較高且C、N等非金屬元素含量較低時，將可能形成各種金屬間化合物。金屬間化合物保持著金屬的特點，各組元之間仍然保持著金屬鍵的結(jié)合。合金鋼中比較重要的金屬間化合物有相、AB2相(又稱拉威斯相)及AB3相(又稱有序相) 和相 、相（A6B7）和G相（A6B16Si7）,相（AB相）,低碳的高鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼及耐熱鋼中經(jīng)常出現(xiàn)相，伴隨著相的出現(xiàn)，鋼的塑性和韌性顯著下降，出現(xiàn)明顯的脆化，特別當相沿晶界形成網(wǎng)狀分布時，將出現(xiàn)脆性的沿晶斷口。相具有極高的硬度，約為1100kg/mm2 相為正方晶系，a=bc，單位晶胞中有30個原子。Fe-Cr系中相的點陣常數(shù)a=0.8808nm、 c=0.4568nm。周期表中第四周期的第副族和第副族金屬與周期表中的第副族和第副族金屬之間多形成相，如Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co、Mo-Mn、Mo-Fe、Mo-Co、W-Fe、W-Co、V-Mn、V-Fe、V-Co、V-Ni等系中都出現(xiàn)相。第五和第六周期的第副族金屬與第副族和第副族金屬也可以形成相,相,相,AB2相（拉威斯相）,含鎢、鉬、鈮和鈦的復雜成分的耐熱鋼中均發(fā)現(xiàn)AB2相，不論其基體類型是奧氏體、馬氏體還是鐵素體-珠光體均有出現(xiàn)。AB2相是現(xiàn)代耐熱鋼中的一個強化相，具有較高的熱穩(wěn)定性 AB2相的晶體結(jié)構(gòu)有三種類型：MgCu2型復雜立方點陣，MgZn2型復雜六方點陣，MgNi2型復雜六方點陣 AB2相是尺寸因素起主導作用的化合物，但它具有哪一種點陣則受電子濃度的影響。周期表中任何兩族金屬元素，只要符合尺寸為dA/dB1.2時，都可以形成AB2相,AB2相的晶體結(jié)構(gòu),MgZn2型AB2相的晶體點陣,有序相(AB3相),鋼和合金中還經(jīng)常出現(xiàn)相當數(shù)量的有序相，如Ni3A1、Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Fe、Fe3Al等。這些有序相的組元之間的電化學性差別尚不夠形成穩(wěn)定化合物的條件，因而它們是處于無序固溶體和化合物之間的過渡狀態(tài)。在各種有序相中有一部分與無序固溶體更相近，如Ni3Fe、Ni3Mn、Fe3A1等，當溫度升高超過臨界溫度時，就轉(zhuǎn)變成無序固溶體。另一部分則與化合物更相近，如Ni3AI、Ni3Ti、Ni3Nb，其有序狀態(tài)可一直保持到熔點，實際上也把這一部分相看作金屬間化合物,Ni3Al中固溶其他元素,Ni3Al中可溶解其它合金元素 的范圍（1150）,鋼中非金屬相,氧化物 ，包括簡單氧化物和復合氧化物氧化物的特點是完全為共價鍵結(jié)合，具有很高的硬度和很高的脆性，一般均不會發(fā)生塑性變形，僅有FeO和MnO具有微弱的塑性，因而稱為脆性夾雜，鋼材變形過程中經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂。因此，氧化物在經(jīng)軋制或鍛造變形的鋼材中通常沿塑性變形方向呈鏈狀分布。氧化物在固態(tài)鐵中基本不會固溶 。,鋼中非金屬相,硫化物，鋼中常見的硫化物有FeS、MnS，通常形成FeS MnS的固溶體，具有較高的塑性，被稱為塑性夾雜，在經(jīng)軋制或鍛造變形的鋼材中通常沿塑性變形方向呈竹葉狀分布，引起鋼材在平行軋制方向和垂直軋制方向的力學性能的不均勻，通過改性可適當降低其塑性而減輕鋼材性能的不均勻。硫化物在固態(tài)鐵中具有一定的固溶度,鋼中非金屬相,硅酸鹽 ，硅酸鹽實際上是SiO2與其他氧化物混合存在的一種復合氧化物，是鋼中最為常見的非金屬相。其化學組成較為復雜，力學性能相差也較大。一類與硫化物類似，在鋼材軋制時容易發(fā)生塑性伸長 ；另一類與氧化物類似，不易形變且容易斷裂；還有一類則是完全不變形且不會斷裂的，如SiO2、CaO SiO2，被稱為點狀不變形夾雜物。,四、鋼鐵材料的合金化原理 -合金元素的作用,固溶元素的作用,產(chǎn)生固溶強化作用，間隙固溶元素最為經(jīng)濟有效 高熔點元素明顯提高鋼的熱強性 改變Fe-Fe3C合金相圖共析溫度和共析成分，使其熱處理及熱加工范圍發(fā)生變化 顯著提高鋼材淬透性，使較大截面尺寸的工件也能獲得需要的低溫相變組織 固溶的鉻、鎳顯著提高鋼的耐蝕性,固溶元素對鋼的共析溫度及成分的影響,固溶元素對AC3、AC1的影響,奧氏體形成元素碳、錳、鎳、銅以及鉻（當含量較低時）都降低鋼的AC3、AC1溫度，而鐵素體形成元素都升高AC3、AC1，其中尤以磷、鋁、鈦三者升高AC3最為強烈。 鋼材AC3、AC1溫度的降低將使等溫相變的過冷度減小，相變驅(qū)動能減小，因而增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，而在同樣的冷卻速度下將會使實際相變溫度降低。,固溶元素對AC3、AC1的影響,固溶合金元素對AC3的影響的經(jīng)驗關(guān)系式為 固溶合金元素對AC1的影響的經(jīng)驗關(guān)系式為,固溶元素對奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的影響,非碳化物形成元素硅、鋁都增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，推遲貝氏體轉(zhuǎn)變更強烈 鎳強烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，特別在過冷度較小時；鈷是唯一的略升高A3溫度的擴大奧氏體區(qū)元素，其作用相反，它降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性。但鎳和鈷不改變C曲線的形狀 鋼中晶界偏聚強烈的硼、磷、稀土等微量元素使先共析鐵素體轉(zhuǎn)變推遲極顯著，對珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較弱,固溶元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的影響,固溶元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的影響,鈦、釩、鈮、鎢、鉬等強碳化物形成元素處于固溶態(tài)時強烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少，同時升高珠光體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度（珠光體轉(zhuǎn)變的鼻子點溫度），降低貝氏體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度，使相變TTT曲線明顯地分開而成為珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變兩條C曲線 中弱的碳化物形成元素鉻和錳處于固溶態(tài)時都強烈推遲珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，而推遲貝氏體轉(zhuǎn)變更顯著，因而出現(xiàn)了另一種C曲線形式,固溶元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線的影響,固溶元素對馬氏體相變的影響,絕大多數(shù)合金元素固溶時都降低MS點，其中碳的作用最強烈，其次是錳、鉻、鎳，再次是鉬、鎢、硅；而鈷和鋁的作用相反，它們升高MS點,MS，,固溶元素對馬氏體形態(tài)的影響,碳和氮對馬氏體的形態(tài)影響最顯著。當鋼中碳含量0.6時，以針狀馬氏體為主，碳含量在l.0%以上時全部為針狀馬氏體，而碳含量在0.40.6范圍內(nèi)則得到二者混合的結(jié)構(gòu)。氮的影響規(guī)律與碳相似。 鋼中加入合金元素也將改變馬氏體的形態(tài)，無論降低MS點的元素（如錳、鉻、鎳、鉬）還是升高MS點的元素（如鈷），都增大形成孿晶馬氏體的傾向。在Fe-Ni合金中，鎳低于28.5得到具有位錯結(jié)構(gòu)的板條馬氏體；而當鎳含量在28.533%范圍，則形成具有孿晶結(jié)構(gòu)的針狀馬氏體,固溶元素對馬氏體回火過程的影響,碳化物形成元素阻礙馬氏體分解是和它們與碳有較強的親和力有關(guān)，能把更多的碳保留在馬氏體中。其中以強碳化物形成元素鈮、釩、鈦的作用最顯著，鎢、鉬次之，鉻又次之 非碳化物形成元素鎳、銅及弱碳化物形成元素錳實際上并不影響碳從馬氏體中析出，甚至有資料認為它們還在一定程度上加速這一過程。而硅的作用較獨特，低溫下硅不擴散，形成-Fe2.4C時其中硅含量等于馬氏體中平均硅含量，但硅阻礙和推遲-Fe2.4C的溶解和滲碳體的析出；鋁的作用與硅類似,合金元素形成第二相后的作用,控制和消除鋼中大顆粒的第二相和夾雜物從而控制或減小鋼中可能產(chǎn)生的最大尺寸的微裂紋源對提高鋼的使用強度具有非常重要的作用 第二相產(chǎn)生強烈的沉淀強化作用，當?shù)诙嗟某叽缭趎m數(shù)量級時可在很小的體積分數(shù)下得到數(shù)百MPa的強度增量，故合理控制條件下的第二相強化是相當有效的強化方式 均勻細小的第二相顆粒提高屈服強度與提高抗拉強度的作用效果大致相當，由此，均勻細小的第二相顆粒在產(chǎn)生強化作用的同時并不損害鋼材的均勻塑性,合金元素形成第二相后的作用,高溫下穩(wěn)定的第二相釘扎晶界阻止基體晶粒的長大，為晶粒細化奠定基礎(chǔ)。但第二相提供了大量非均勻形核位置（細化后的晶界以及第二相界面），故將明顯降低鋼的淬透性 碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等第二相具有很高的硬度，使鋼的耐磨性明顯提高 形成第二相固定了鋼中的非金屬元素C、N等，得到低或無間隙原子鋼，具有良好的冷加工性能，而在不銹鋼中則提供良好的抗晶間腐蝕性能 互溶的第二相一般具有更高的穩(wěn)定性,合金元素形成第二相后的作用,回火過程中析出的滲碳體中溶入合金元素變?yōu)楹辖饾B碳體，其穩(wěn)定性明顯提高，從而提高鋼的抗回火穩(wěn)定性，更高溫度下析出大量合金碳化物則可產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象 高溫下穩(wěn)定的第二相提高鋼的熱強性 特殊作用：石墨的減摩潤滑、抗震降噪作用,微合金碳氮化物析出強化作用,沉淀強化強度增量與第二相體積分數(shù)和尺寸的關(guān)系,第二相阻止基體晶粒長大,DC為臨界晶粒尺寸，A為比例系數(shù)。Hillert缺陷理論指出，晶界的釘扎（pinning）和解釘（unpinning）將在兩個水平上發(fā)生，相應的比例系數(shù)分別為2/3和4/9。,Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為： 晶粒尺寸不均勻性因子Z值約為1.7，可得A約為0.17。Z值為3或9時，A約為2/3和4/9，對應于Hillert缺陷理論的兩個水平。 第二相控制晶粒尺寸具有“方向性”，即晶粒在一開始是否被釘扎將決定所選取的釘扎水平系數(shù)A的差異。,第二相阻止基體晶粒長大,第二相阻止基體晶粒長大,阻止晶粒長大的合金系選擇,固溶度積小，高溫保持一定體積分數(shù)未溶或能夠沉淀析出；固溶量小，粗化速率小，可保持細小尺寸。 TiN具有獨特的優(yōu)勢， 1250 以上加熱必須采用（軋制前均熱），NbN 次之，1000-1200 有較好效果（焊接熱影響區(qū)、高溫軋制階段）， TiC、NbC 、VN有一定用處，850-950 （低溫軋制階段） ， VC基本無用。 含鈦鋼中TiN液析的限制，故僅能采用微鈦。,固溶微合金元素或形變誘導析出微合金碳氮化物對形變基體再結(jié)晶行為的影響,形變奧氏體再結(jié)晶行為的不同導致了不同的控制軋制工藝思路 CCR與RCR的不同控制要求,DIFT,微合金元素對基體再結(jié)晶行為 的影響機理,形變誘導析出的微合金碳氮化物釘扎形變奧氏體晶界， 850-1000 Nb(CN)容易形變誘導析出，因而能有效阻止或推遲再結(jié)晶。 固溶的Nb、B、Mo等的溶質(zhì)拖曳作用釘扎形變奧氏體晶界， 要求相應元素與鐵元素的尺寸或化學性質(zhì)相差較大（但又必須有足夠的固溶量）。,奧氏體再結(jié)晶的驅(qū)動與抑制,驅(qū)動力 F=Gb/2 （ 為再結(jié)晶前后基體中的位錯密度差） 計算結(jié)果約為20MN/m，比晶粒粗化的驅(qū)動力大100-200倍 釘扎力 FP=6f I/(d )（ 為奧氏體晶界能， f 、d分別為第二相體積分數(shù)和直徑， I為亞晶尺寸）,固定鋼中非金屬元素特別是間隙固溶元素,形成第二相固定了鋼中的非金屬元素C、N等，得到低或無間隙原子鋼，具有良好的冷加工性能，而在不銹鋼中則提供良好的抗晶間腐蝕性能,第二相的控制,合適的合金系的選擇 體積分數(shù)：0. 02%(鈮微合金鋼、微鈦處理鋼)100%(粉末冶金材料) 最大尺寸：主要是夾雜物尺寸控制-液析相的消除，良好控制情況下應使之在5微米以下 平均尺寸：滲碳體一般在微米左右，微合金碳氮化物最好條件下可達25nm 形狀：共格第二相形狀由與基體的配合關(guān)系決定；非共格第二相為球形時可得最佳的塑韌性。鑄鐵中石墨的形狀決定其類型，鋼中滲碳體球化 分布：要求均勻分布，避免晶界網(wǎng)膜狀、條帶狀,第二相體積分數(shù)的控制與固溶度或固溶度積公式,固溶度或固溶度積大，處于固溶態(tài)的量較大，而形成第二相的量較小。固溶溫度下需要固溶度或固溶度積大，潛在的可沉淀析出的第二相的量就較大。但必須相應元素在鋼中的含量也足夠大 固溶度或固溶度積小，處于固溶態(tài)的量較小，而形成第二相的量較大。沉淀析出溫度下希望固溶度或固溶度積小，此時可沉淀析出的第二相的量就較大,常見微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積公式的比較,lgTi N=0.32-8000/T lgNb N=2.80-7500/T lgV N=3.46-8330/T lgTi C=2.75-7000/T lgNb C=2.96-7510/T lgV C=6.72-9500/T lgAl N=1.79-7184/T,常見微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積公式的比較,TiN固溶度積最小，約小3個數(shù)量級 AlN 、 NbN 、VN 、NbC 、TiC 相差不大 VC固溶度積最大，約大2個數(shù)量級 間隙原子缺位使固溶度積一定程度地增大（如NbC0.87 、VC0.8） 其他溶質(zhì)元素對固溶度積有影響，如Mn、Mo使固溶度積一定程度地增大,固溶度積公式,lgM C=A-B/T 本質(zhì)是三元相圖中的端際固溶體區(qū)包圍曲面的方程 實驗測定：不同溫度均勻化后淬冷，化學相分析測定MC相的量，用鋼的化學成分中該元素的量減去MC相中的量得M 、 C，多個溫度下的測定數(shù)據(jù)回歸得到 熱力學推導，鐵基體中的固溶度積公式,計算確定溫度下的固溶量M 、C 計算未溶解的MC相的量 W=M-MAMC/AM 計算MC相的全固溶溫度 logM C= A-B/T 計算第二相沉淀相變的化學自由能 G=-19.1446B+19.1446AT-19.1446TlogMC,固溶度積公式的應用,相互溶解的第二相及其理論處理,互溶類型： 原子性質(zhì)很相近的溶質(zhì)原子的置換固溶，如Cr、V、Mn溶入合金滲碳體 晶體結(jié)構(gòu)完全相同且點陣常數(shù)相差不大的幾個相互溶，如不同MC、MN相的互溶 理論處理： 第一種情