機(jī)械工程材料第五章

1、第五章第五章 鋼的合金化鋼的合金化 為了改善鋼的性能，在碳鋼的基礎(chǔ)上特意地加入為了改善鋼的性能，在碳鋼的基礎(chǔ)上特意地加入一種或幾種合金元素所形成的鋼。它具有較好機(jī)一種或幾種合金元素所形成的鋼。它具有較好機(jī)械性能（如強(qiáng)度、塑性、淬透性、沖擊韌性等）械性能（如強(qiáng)度、塑性、淬透性、沖擊韌性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性、電和特殊性能（耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性、電磁性等），但價(jià)格高。磁性等），但價(jià)格高。 2、形成強(qiáng)化相、形成強(qiáng)化相-合金滲碳體或合金碳化物合金滲碳體或合金碳化物 3、形成非金屬夾雜物、形成非金屬夾雜物 ,與與O、N、S等作用形成等作用形成氧化物、氮化物和硫化物氧化物、氮化物

2、和硫化物 4、以游離狀態(tài)存在、以游離狀態(tài)存在 ，例如：Pb、Cu、石墨等。常用的合金元素有：常用的合金元素有：鉻鉻(Cr)、鎳、鎳(Ni)、錳、錳(Mn)、硅、硅(Si)、鎢鎢(W)、鉬、鉬(Mo)、釩、釩(V)、鈦、鈦(Ti)、鈷、鈷(Co)、鋁、鋁(Al)、銅、銅(Cu)、鈮、鈮(Nb)、鋯、鋯(Zr)、硼、硼(B)、稀土（、稀土（Re）等。）等。 5.1、合金元素在鋼中的存在形式、合金元素在鋼中的存在形式 1、形成固溶體合金鐵素體。、形成固溶體合金鐵素體。溶于鐵素體、奧氏體、溶于鐵素體、奧氏體、馬氏體中形成固溶體馬氏體中形成固溶體 表中字體顏色為表中字體顏色為綠色綠色或或深藍(lán)色深藍(lán)色的元

3、素為鋼中常見(jiàn)合金的元素為鋼中常見(jiàn)合金元素；元素； 字體顏色為深藍(lán)色的元素為鋼中常見(jiàn)碳化物合字體顏色為深藍(lán)色的元素為鋼中常見(jiàn)碳化物合金元素。金元素。 RnAtPoBiPdTiHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrPbKrBrSeAsGeGaZnNiCoFeMnCrVTiSeCaKArClSPSiAlBBBBBBBBMgNaNeFONCBBeLiHeAAAAAAH0 ARnAtPoBiPdTiHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrPbKrBrSeAsGeG

4、aZnCuCuNiCoFeMnCrVTiSeCaKArClSPSiAlBBBBBBBBMgNaNeFONCBBeLiHeAAAAAAH0 A5.2 合金元素與鐵和碳的相互作用合金元素與鐵和碳的相互作用5.2.15.2.1合金元素與鐵的作用（合金元素與鐵構(gòu)成的相圖合金元素與鐵的作用（合金元素與鐵構(gòu)成的相圖類型）類型）一一相穩(wěn)定化元素相穩(wěn)定化元素 相穩(wěn)定化元素使相穩(wěn)定化元素使A3A3降低，降低，A4A4升升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了了相區(qū)。相區(qū)。 1.1.無(wú)限擴(kuò)大無(wú)限擴(kuò)大奧氏體區(qū)奧氏體區(qū) 合金元素與合金元素與-Fe-Fe形成無(wú)限固

5、溶體形成無(wú)限固溶體, ,與與-Fe-Fe形成有形成有限固溶體。使限固溶體。使A3A3點(diǎn)降低，點(diǎn)降低，A4A4點(diǎn)升高。點(diǎn)升高。MnMn、 NiNi、 CoCo。2.2.有限擴(kuò)大有限擴(kuò)大奧氏體區(qū)奧氏體區(qū) 合金元素與合金元素與-Fe -Fe 和和-Fe-Fe均形成有限固溶體。均形成有限固溶體。使使A3A3點(diǎn)降低，點(diǎn)降低，A4A4點(diǎn)升高。點(diǎn)升高。C C、N N、CuCu、ZnZn等。等。圖圖3-1 3-1 鐵鐵- -鎳相圖（開(kāi)啟鎳相圖（開(kāi)啟相區(qū)相區(qū) ） 圖圖3-2 3-2 鐵鐵- -碳相圖（擴(kuò)展碳相圖（擴(kuò)展相區(qū)相區(qū) ） 1. 1. 封閉封閉區(qū)區(qū)、無(wú)限擴(kuò)大、無(wú)限擴(kuò)大區(qū)區(qū) 合金元素使合金元素使A A3 3

6、點(diǎn)上升，點(diǎn)上升，A A4 4點(diǎn)下降，點(diǎn)下降，某一點(diǎn)時(shí)重合，某一點(diǎn)時(shí)重合，區(qū)封閉，超過(guò)此含區(qū)封閉，超過(guò)此含量，則合金不再有量，則合金不再有 相變，與相變，與-Fe -Fe 形成無(wú)限固溶體。形成無(wú)限固溶體。CrCr、 W W、 MoMo、 V V、TiTi、 SiSi、 P P、 AlAl、BeBe等。等。二二相穩(wěn)定化元素相穩(wěn)定化元素 合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了即縮小了相區(qū)。相區(qū)。 2. 2. 縮小縮小區(qū)區(qū)，但不使，但不使區(qū)封閉型區(qū)封閉型 合金元素使合金元素使A A3 3上升，上升，A A4

7、4下降。下降。B B、NbNb、TiTi、ZrZr、TaTa等。等。 合金元素分為兩類：合金元素分為兩類： 擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素成為奧氏體形成元素，擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素成為奧氏體形成元素， MnMn、 NiNi、CoCo、C C、N N、CuCu、ZnZn等；等； 縮小奧氏體區(qū)的元素稱為鐵素體形成元素，縮小奧氏體區(qū)的元素稱為鐵素體形成元素，CrCr、 MoMo、 Ti Ti 、 SiSi、AlAl等。等。圖圖3-3 3-3 鐵鐵- -鉻相圖（封閉鉻相圖（封閉相區(qū)）相區(qū)）圖圖3-4 3-4 鐵鐵- -鈮相圖（縮小鈮相圖（縮小相區(qū)）相區(qū)）合金元素合金元素溶入鐵素體溶入鐵素體以固溶體的溶質(zhì)形式存在：以固

8、溶體的溶質(zhì)形式存在：l主要是非碳化物形成元素主要是非碳化物形成元素Si、Co、Al、Cu等以等以此種形式存在；此種形式存在；l產(chǎn)生產(chǎn)生固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化作用；作用；合金元素溶于鐵素體合金元素溶于鐵素體時(shí)引起晶格畸變，合時(shí)引起晶格畸變，合金元素含量越多，金元素含量越多，鐵素體晶格畸變?cè)絿?yán)鐵素體晶格畸變?cè)絿?yán)重，其硬度、強(qiáng)度越高重，其硬度、強(qiáng)度越高。Ni、Cr特殊，特殊，含量少時(shí)，鐵素體韌性升高；含量少時(shí)，鐵素體韌性升高；含量多時(shí)，鐵素體韌性下降含量多時(shí)，鐵素體韌性下降三合金元素對(duì)鐵素體機(jī)械性能的影響 5.2.2 5.2.2合金元素與碳的作用合金元素與碳的作用 兩大類兩大類： 1.1.非碳化物形成元素

9、非碳化物形成元素 NiNi、SiSi、CoCo、AlAl、CuCu等，以溶于等，以溶于-Fe -Fe 和和-Fe-Fe中存在，形成中存在，形成非金屬夾雜物和金屬間化合物非金屬夾雜物和金屬間化合物，如如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。等。Si含量含量大時(shí)使?jié)B碳體分解析出石墨。大時(shí)使?jié)B碳體分解析出石墨。 2. 2. 碳化物形成元素（次碳化物形成元素（次d d電子層不滿）電子層不滿） TiTi、 ZrZr、 NbNb、 V V、 W W、 MoMo、CrCr、MnMn、FeFe等，等，一部分一部分溶入奧氏體和鐵素體溶入奧氏體和鐵素體中，另一部分與碳中，另一部分與碳形成形成碳化物

10、碳化物。 碳化物形成元素在周期表中都是碳化物形成元素在周期表中都是位于位于鐵元素的左邊的過(guò)渡族金屬元素鐵元素的左邊的過(guò)渡族金屬元素, ,它們都有它們都有一個(gè)未填滿的一個(gè)未填滿的d d電子亞層電子亞層, ,當(dāng)當(dāng)形成碳化物時(shí)形成碳化物時(shí), ,碳原子首先將其價(jià)電子碳原子首先將其價(jià)電子填入金屬原子未填滿的填入金屬原子未填滿的d d電子亞層電子亞層, ,使使形成的碳化物具有形成的碳化物具有金屬鍵金屬鍵結(jié)合的性質(zhì)結(jié)合的性質(zhì), ,金屬原子的金屬原子的d d電子亞層愈不滿電子亞層愈不滿( (周期表周期表中中, ,在鐵左邊離鐵愈遠(yuǎn)在鐵左邊離鐵愈遠(yuǎn)),),則其則其與碳的親與碳的親和力愈強(qiáng)和力愈強(qiáng), ,形成碳化物的

11、能力愈大形成碳化物的能力愈大, ,愈愈穩(wěn)定穩(wěn)定, ,而且不易分解。而且不易分解。(1) (1) TiTi、ZrZr、 Nb Nb 、 V V缺碳時(shí)，才以原子態(tài)溶入固溶體。缺碳時(shí)，才以原子態(tài)溶入固溶體。（強(qiáng)）（強(qiáng)）特殊的碳化物如特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等，等， (2) (2) W W、MoMo、CrCr含量少時(shí)，形成合金滲碳體。含量少時(shí)，形成合金滲碳體。如如: (Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C、 (Fe、W)3C 含量多時(shí)，含量多時(shí)，反之反之形成特殊碳化物。（中強(qiáng)）形成特殊碳化物。（中強(qiáng)）Cr7C3、MoC、WC、(3) (3) MnMn少量溶入滲碳體少量溶入滲碳體- -合金滲

12、碳體合金滲碳體, ,大部分大部分仍溶于仍溶于奧氏體奧氏體和鐵素體中。和鐵素體中。（弱）（弱）溶于碳鋼中原有的相中；形成新類型的特殊碳化物1.溶于基體中形成合金溶于基體中形成合金 F 或合金或合金 滲碳體滲碳體 。2.與碳作用形成合金碳化物。與碳作用形成合金碳化物。3.單獨(dú)形成特殊碳化物單獨(dú)形成特殊碳化物 。合金元素溶入滲碳體中合金元素溶入滲碳體中置換置換Fe3C中的中的Fe原子原子 合金滲碳體；合金滲碳體；(Cr、W、Mo、V、Nb);硬度增，提高耐磨性，加熱時(shí)難硬度增，提高耐磨性，加熱時(shí)難溶于奧氏體溶于奧氏體單獨(dú)形成特殊碳化物單獨(dú)形成特殊碳化物 合金元素與碳化合合金元素與碳化合 特殊碳化物，

13、特殊碳化物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高，當(dāng)以細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)當(dāng)以細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)分布在固溶體基體上時(shí)，可以起到分布在固溶體基體上時(shí)，可以起到彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化作作用。用。 NbC、TiC、VC5.3 5.3 合金元素對(duì)合金元素對(duì)Fe-CFe-C相圖的影響相圖的影響 1. 1.對(duì)奧氏體相區(qū)的影響對(duì)奧氏體相區(qū)的影響 Mn Mn、NiNi、CoCo均使均使S S點(diǎn)左移、點(diǎn)左移、A A3 3線下降；線下降； CrCr、W W、MoMo、V V、TiTi、SiSi使使A A3 3線上升；線上升； 大多數(shù)元素均使大多數(shù)元素均使ESES線左移，線左移，E E點(diǎn)左移，點(diǎn)左移，意味

14、著鋼中含碳量小于意味著鋼中含碳量小于2.11%2.11%時(shí)就出現(xiàn)共晶時(shí)就出現(xiàn)共晶萊氏體，萊氏體，高速鋼、奧氏體鋼、萊氏體鋼。高速鋼、奧氏體鋼、萊氏體鋼。例如：例如：W18Cr4V的鑄態(tài)組織中已出現(xiàn)了萊氏體；的鑄態(tài)組織中已出現(xiàn)了萊氏體； 2. 2. 對(duì)對(duì)共析溫度共析溫度和和共析點(diǎn)共析點(diǎn)位置的影響位置的影響 擴(kuò)大擴(kuò)大區(qū)的元素降低區(qū)的元素降低A3A3和和A1A1，使，使S S點(diǎn)左移點(diǎn)左移，縮小，縮小區(qū)元素升高區(qū)元素升高A3A3和和A1A1，使使S S點(diǎn)左移點(diǎn)左移。即含碳量小于。即含碳量小于0.77%0.77%時(shí)，時(shí)，就析出二次滲碳體。如就析出二次滲碳體。如4Cr134Cr13鋼鋼( (馬氏馬氏體不銹

15、鋼，就是過(guò)共析鋼）。體不銹鋼，就是過(guò)共析鋼）。圖圖 合金元素對(duì)合金元素對(duì) S S 點(diǎn)成分的影響點(diǎn)成分的影響總結(jié)：總結(jié)： 當(dāng)含當(dāng)含MnMn、NiNi較高的鋼，因擴(kuò)大奧氏體相區(qū)有可能將較高的鋼，因擴(kuò)大奧氏體相區(qū)有可能將A A3 3降至室溫降至室溫以下，此時(shí)鋼在室溫下保持奧氏體組織，叫做奧氏體鋼；以下，此時(shí)鋼在室溫下保持奧氏體組織，叫做奧氏體鋼；例如：例如：Mn13(Mn13(耐磨鋼耐磨鋼) )、1Cr18Ni91Cr18Ni9（不銹鋼）；如（不銹鋼）；如P122P122圖圖7-17-1； 當(dāng)含當(dāng)含CrCr較高的鋼，因縮小奧氏體相區(qū)有可能在室溫下只有鐵素較高的鋼，因縮小奧氏體相區(qū)有可能在室溫下只有鐵

16、素體存在而成為鐵素體鋼；體存在而成為鐵素體鋼；例如：例如：Cr17Cr17（鐵素體型不銹鋼）；如（鐵素體型不銹鋼）；如P122P122圖圖7-27-2； 由于所有的合金元素均使由于所有的合金元素均使S S點(diǎn)左移，這就意味著鋼中的含碳量點(diǎn)左移，這就意味著鋼中的含碳量不足不足0.77%0.77%時(shí)，鋼就變?yōu)檫^(guò)共析鋼而析出時(shí)，鋼就變?yōu)檫^(guò)共析鋼而析出FeFe3 3C C； 例如：例如：4Cr134Cr13（馬氏體型不銹鋼）就是過(guò)共析鋼；（馬氏體型不銹鋼）就是過(guò)共析鋼； 5.4 合金元素對(duì)鋼相變的影響合金元素對(duì)鋼相變的影響 合金元素對(duì)奧氏體的形成、過(guò)冷奧氏體的分解、淬火馬氏體合金元素對(duì)奧氏體的形成、過(guò)冷

17、奧氏體的分解、淬火馬氏體回火轉(zhuǎn)變?nèi)齻€(gè)基本相變過(guò)程都有影響?；鼗疝D(zhuǎn)變?nèi)齻€(gè)基本相變過(guò)程都有影響。 5.4.1合金元素對(duì)加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響：合金元素對(duì)加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響： （1 ）改變奧氏體形成的速度）改變奧氏體形成的速度 加速加速奧氏體形成速度：非碳化物形成元素奧氏體形成速度：非碳化物形成元素Co、Ni等等 減慢減慢奧氏體形成速度：強(qiáng)碳化物形成元素奧氏體形成速度：強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，等， 不影響奧氏體形成速度：不影響奧氏體形成速度：Al， Si， Mn等等 。 （2）熱處理時(shí)對(duì)奧氏體的晶粒長(zhǎng)大的影響）熱處理時(shí)對(duì)奧氏體的晶粒長(zhǎng)大的影響 強(qiáng)烈阻止晶粒長(zhǎng)大：強(qiáng)烈阻止晶粒

18、長(zhǎng)大： V V， TiTi， NbNb， ZrZr 強(qiáng)碳化物形成強(qiáng)碳化物形成元素元素中等影響：中等影響： W W，MoMo，Cr Cr 影響不大：影響不大： CoCo， NiNi， CuCu促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大：促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大： C C，N,BN,B， P PAl,SiAl,Si含量少時(shí)，以?shī)A雜物形式存在，可阻止含量少時(shí)，以?shī)A雜物形式存在，可阻止A A晶粒長(zhǎng)大，晶粒長(zhǎng)大，當(dāng)以合金元素大量加入時(shí)，促進(jìn)當(dāng)以合金元素大量加入時(shí)，促進(jìn)A A晶粒長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大。鋼中的鋼中的C C含量為中等以上時(shí)，含量為中等以上時(shí)，MnMn可促進(jìn)長(zhǎng)大，在碳含量較可促進(jìn)長(zhǎng)大，在碳含量較低時(shí)，低時(shí)，MnMn可細(xì)化晶?？杉?xì)化晶粒一般合金

19、鋼的熱處理加熱溫度較碳鋼的高，但晶粒細(xì)小一般合金鋼的熱處理加熱溫度較碳鋼的高，但晶粒細(xì)?。?）對(duì)奧氏體形成溫度的影響）對(duì)奧氏體形成溫度的影響 合金鋼需較高溫度和保溫時(shí)間5.4.2合金元素對(duì)合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響：的影響： 除除Co以外，大多數(shù)合金元素的加入（溶入奧氏以外，大多數(shù)合金元素的加入（溶入奧氏體中）均體中）均使使C曲線右移曲線右移，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，定性， Vk從而提高了鋼的淬透性；從而提高了鋼的淬透性； 一些碳化物形成元素還使一些碳化物形成元素還使C曲線的形狀發(fā)生改曲線的形狀發(fā)生改變；變； 除除Co，Al外，所有的合金元素都使外

20、，所有的合金元素都使 Ms、Mf 點(diǎn)點(diǎn)下降，淬火后殘余下降，淬火后殘余A量量, 硬度硬度 提高鋼的淬透性。最常采用的是：提高鋼的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B5.4.2合金元素對(duì)合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響：的影響： 除除Co以外，大多數(shù)合金元素的加入（溶入奧氏以外，大多數(shù)合金元素的加入（溶入奧氏體中）均體中）均使使C曲線右移曲線右移，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)，提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，定性， Vk從而提高了鋼的淬透性；從而提高了鋼的淬透性； 一些碳化物形成元素還使一些碳化物形成元素還使C曲線的形狀發(fā)生改曲線的形狀發(fā)生改變；變； 除除Co，Al外，所有的合金元

21、素都使外，所有的合金元素都使 Ms、Mf 點(diǎn)點(diǎn)下降，淬火后殘余下降，淬火后殘余A量量, 硬度硬度 提高鋼的淬透性。最常采用的是：提高鋼的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的影響 除了除了Co、Al外均外均推遲推遲奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變。奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變。合金元素溶入奧氏體中，就或多或少地推遲珠光體轉(zhuǎn)變，提高淬透性。多種元素的共同合金元素溶入奧氏體中，就或多或少地推遲珠光體轉(zhuǎn)變，提高淬透性。多種元素的共同作用比單一元素的作用大的多。作用比單一元素的作用大的多。合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響 合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的

22、影響主要體現(xiàn)在對(duì)合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響主要體現(xiàn)在對(duì)轉(zhuǎn)變速度和碳擴(kuò)散速度轉(zhuǎn)變速度和碳擴(kuò)散速度的影響。的影響。 Cr Cr、MnMn、NiNi降低降低轉(zhuǎn)變溫度，減少奧氏轉(zhuǎn)變溫度，減少奧氏體與鐵素體的自由能差，減少了相變體與鐵素體的自由能差，減少了相變驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力，且且CrCr與與MnMn還阻礙碳的擴(kuò)散，因此還阻礙碳的擴(kuò)散，因此推遲推遲貝氏體貝氏體的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。 SiSi強(qiáng)烈地阻止貝氏體轉(zhuǎn)變（原因：強(qiáng)烈強(qiáng)烈地阻止貝氏體轉(zhuǎn)變（原因：強(qiáng)烈地阻止過(guò)飽和鐵素體的脫溶）。地阻止過(guò)飽和鐵素體的脫溶）。 W W、MoMo、V V、TiTi不同于不同于MnMn、NiNi，使，使轉(zhuǎn)變溫度升高，增大轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變溫

23、度升高，增大轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力，但降低碳的擴(kuò)散速度，因此推遲力，但降低碳的擴(kuò)散速度，因此推遲貝氏體轉(zhuǎn)變，但作用較貝氏體轉(zhuǎn)變，但作用較小小。 含有含有W W、MoMo、V V、TiTi的鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期短，鐵素體的孕育期短，鐵素體- -珠光體轉(zhuǎn)變的孕珠光體轉(zhuǎn)變的孕育期長(zhǎng)，空冷時(shí)容易得到貝氏體組織，育期長(zhǎng)，空冷時(shí)容易得到貝氏體組織，如如12Cr1MoV12Cr1MoV鋼。鋼。合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響 除除CoCo、AlAl以外，溶入奧氏體中的合以外，溶入奧氏體中的合金元素均使金元素均使MsMs點(diǎn)點(diǎn)下降，碳的作用最大，下降，碳的作用最大，其次是其次是MnMn、C

24、rCr、NiNi、MoMo、W W、SiSi。多種元。多種元素共存時(shí)，作用更大。素共存時(shí)，作用更大。5.4.3合金元素對(duì)合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變回火轉(zhuǎn)變的影響：的影響：1. 提高鋼的回火穩(wěn)定性：提高鋼的回火穩(wěn)定性：回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性：表示鋼對(duì)于回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵抗能表示鋼對(duì)于回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵抗能力；力； M 分解、碳化物長(zhǎng)大、殘余分解、碳化物長(zhǎng)大、殘余A轉(zhuǎn)變、轉(zhuǎn)變、F再結(jié)晶被推遲到再結(jié)晶被推遲到較高的溫度才發(fā)生。較高的溫度才發(fā)生。 回火溫度相同時(shí)，合金鋼中析出的碳化物更細(xì)小，其強(qiáng)回火溫度相同時(shí)，合金鋼中析出的碳化物更細(xì)小，其強(qiáng)度更高。度更高。 合金鋼在相同的回火溫度下比含碳量相同的碳鋼具

25、有更合金鋼在相同的回火溫度下比含碳量相同的碳鋼具有更高硬度，高硬度， 回火穩(wěn)定性越高的鋼，在較高溫度下的強(qiáng)度或硬度也回火穩(wěn)定性越高的鋼，在較高溫度下的強(qiáng)度或硬度也越高；越高； 在達(dá)到相同強(qiáng)度條件下，回火穩(wěn)定性高的鋼，可在更在達(dá)到相同強(qiáng)度條件下，回火穩(wěn)定性高的鋼，可在更高溫度下回火。高溫度下回火。-合金鋼綜合力學(xué)性能比碳鋼好。合金鋼綜合力學(xué)性能比碳鋼好。 提高鋼的回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：提高鋼的回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：V，Si，Mo，W，Cr，Ni，Mn,Co1. 1. 對(duì)馬氏體分解的影響對(duì)馬氏體分解的影響 合金元素對(duì)馬氏體分解的第一階合金元素對(duì)馬氏體分解的第一階段（兩相式分解）

26、沒(méi)影響；碳化物形成段（兩相式分解）沒(méi)影響；碳化物形成元素元素V V、NbNb、CrCr、MoMo、W W等使馬氏體分解等使馬氏體分解的第二階段減慢，原因的第二階段減慢，原因: :需碳原子長(zhǎng)距需碳原子長(zhǎng)距離的擴(kuò)散離的擴(kuò)散.。碳從馬氏體中。碳從馬氏體中析出溫度析出溫度升高升高。非碳化物形成元素影響不大。非碳化物形成元素影響不大。 Si Si的作用比較獨(dú)特。的作用比較獨(dú)特。 回火溫度低時(shí)，回火溫度低時(shí)，SiSi不擴(kuò)散，馬氏不擴(kuò)散，馬氏體和體和-碳化物中含碳化物中含SiSi量相等。由于量相等。由于FeFe3 3C C中不溶中不溶SiSi，所以，所以-碳化物轉(zhuǎn)化為碳化物轉(zhuǎn)化為FeFe3 3C C時(shí)必須把

27、時(shí)必須把SiSi擴(kuò)散出來(lái)，但擴(kuò)散出來(lái)，但SiSi的擴(kuò)的擴(kuò)散比碳慢，因此可以顯著地減慢馬氏散比碳慢，因此可以顯著地減慢馬氏體的分解，使得馬氏體的分解溫度升體的分解，使得馬氏體的分解溫度升高。高。 2. 2. 對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響 殘余奧氏體殘余奧氏體C-C-曲線的孕育期較過(guò)冷奧氏體曲線的孕育期較過(guò)冷奧氏體的顯著縮的顯著縮短短。合金元素使過(guò)冷奧氏體和殘余奧。合金元素使過(guò)冷奧氏體和殘余奧氏體的氏體的C-C-曲線上出現(xiàn)一個(gè)中溫穩(wěn)定區(qū)。曲線上出現(xiàn)一個(gè)中溫穩(wěn)定區(qū)。 CrCr、MnMn等可使奧氏體的分解溫度顯著升高。等可使奧氏體的分解溫度顯著升高。 在含有在含有W W、MoMo、V

28、V等元素的高合金鋼，由于等元素的高合金鋼，由于500600回火中碳化物的析出，使回火中碳化物的析出，使殘余殘余A中中Me% ，MsMs點(diǎn)高于室溫，點(diǎn)高于室溫，隨后隨后冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闅垰堄嘤郃 M馬氏體，硬度升高馬氏體，硬度升高二次淬火或二二次淬火或二次硬化。次硬化。 當(dāng)鋼中含當(dāng)鋼中含Cr、W、Mo、V、Ti等超過(guò)一定量時(shí)，回火后等超過(guò)一定量時(shí)，回火后的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)的降低，而是在某的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)的降低，而是在某一溫度范圍回火后一溫度范圍回火后硬度硬度反而增加，并反而增加，并在在一定溫度一定溫度（500600）達(dá)到峰值）達(dá)到峰值。 二次硬化二次硬化：在一定

29、回火溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象。：在一定回火溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象。 回火溫度較高時(shí)析出細(xì)小、高硬度的合金碳化物，如回火溫度較高時(shí)析出細(xì)小、高硬度的合金碳化物，如MoMo2C C，使硬度反而提高。（韌性也大大，使硬度反而提高。（韌性也大大 ） 二次淬火二次淬火 500600回火時(shí)析出合金碳化物回火時(shí)析出合金碳化物殘余殘余A中中Me% Ms、Mf ，隨后冷卻時(shí)殘余，隨后冷卻時(shí)殘余A M硬度升高硬度升高 二次淬火：二次淬火：在高合金鋼中回火冷卻時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)诟吆辖痄撝谢鼗鹄鋮s時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而導(dǎo)致硬度升高的現(xiàn)象為馬氏體，而導(dǎo)致硬度升高的現(xiàn)象。 3. 3. 對(duì)碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)對(duì)碳

30、化物的形成、聚集和長(zhǎng)大的影響大的影響 合金元素對(duì)合金元素對(duì)-碳化物的形成碳化物的形成沒(méi)沒(méi)有有影響。隨回火溫度的升高，影響。隨回火溫度的升高，260260轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為FeFe3 3C C，合金元素中唯，合金元素中唯有有SiSi、AlAl強(qiáng)烈地推遲這一轉(zhuǎn)變到強(qiáng)烈地推遲這一轉(zhuǎn)變到350350。CrCr的作用比的作用比SiSi、AlAl的弱。的弱。 隨回火溫度的升高，合金元素進(jìn)行明隨回火溫度的升高，合金元素進(jìn)行明顯的擴(kuò)散，在顯的擴(kuò)散，在相和相和FeFe3 3C C中重新分配：碳中重新分配：碳化物形成元素形成合金滲碳體，非碳化物化物形成元素形成合金滲碳體，非碳化物形成元素離開(kāi)滲碳體。同時(shí)，滲碳體聚集形成

31、元素離開(kāi)滲碳體。同時(shí)，滲碳體聚集長(zhǎng)大，長(zhǎng)大，NiNi對(duì)聚集長(zhǎng)大無(wú)影響，而對(duì)聚集長(zhǎng)大無(wú)影響，而SiSi、V V、W W、MoMo、CrCr對(duì)其起對(duì)其起阻礙阻礙作用。作用。 4. 4.對(duì)鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響對(duì)鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 大部分合金元素均大部分合金元素均延緩延緩鐵素體的回復(fù)再鐵素體的回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程，結(jié)晶過(guò)程，CoCo、MoMo、W W、CrCr、V V顯著提高顯著提高相相的再結(jié)晶溫度，的再結(jié)晶溫度，SiSi、MnMn影響次之，影響次之，NiNi的影響的影響不大，含不大，含Cr+Mo+W=1-2%Cr+Mo+W=1-2%，可將再結(jié)晶溫度由，可將再結(jié)晶溫度由500500提高到提高到6506

32、50。 5. 5. 對(duì)回火脆性的影響對(duì)回火脆性的影響 不能用熱處理和合金化的方法消除不能用熱處理和合金化的方法消除第一類回火脆性，但第一類回火脆性，但SiSi、MnMn等元素可將等元素可將脆化溫度提高到脆化溫度提高到350-370 350-370 。NiNi、CrCr、MnMn增加第二類回火脆性，而增加第二類回火脆性，而MoMo、W W抑制抑制和減輕回火脆性。和減輕回火脆性。四、合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌性的影響四、合金元素對(duì)鋼強(qiáng)韌性的影響 合金元素的作用合金元素的作用提高強(qiáng)度又要保證有足夠韌性。提高強(qiáng)度又要保證有足夠韌性。 強(qiáng)度強(qiáng)度塑變抗力，韌性塑變抗力，韌性可靠性，一對(duì)矛盾?？煽啃?，一對(duì)矛盾。 合金

33、元素對(duì)組織、使用性能、工藝性能也有影響。合金元素對(duì)組織、使用性能、工藝性能也有影響。 （一）強(qiáng)化途徑（一）強(qiáng)化途徑設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。 1.1.固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 間隙原子的強(qiáng)化作用比置換原子大間隙原子的強(qiáng)化作用比置換原子大10-10010-100倍，如倍，如C C，但溶解度有限。置換原子中但溶解度有限。置換原子中SiSi，MnMn作用較大，應(yīng)用廣泛。作用較大，應(yīng)用廣泛。濃度越高，強(qiáng)度，硬度升高，而塑性和韌性下降。濃度越高，強(qiáng)度，硬度升高，而塑性和韌性下降。應(yīng)限量應(yīng)用。應(yīng)限量應(yīng)用。 2. 2.晶界強(qiáng)化晶界強(qiáng)化 可以提高鋼的強(qiáng)度，且可以提高鋼的塑可以提高鋼的強(qiáng)度，且可以

34、提高鋼的塑性和韌性。性和韌性?；魻柣魻? -配奇公式。合金元素中配奇公式。合金元素中AlAl、TiTi、V V、ZrZr、NbNb等形成難溶的第二相粒子，等形成難溶的第二相粒子，細(xì)小、分散，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)化。細(xì)小、分散，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)化。 3.3.第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化 可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到第二可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到第二相粒子消耗額外的能量，造成強(qiáng)化。粒子越相粒子消耗額外的能量，造成強(qiáng)化。粒子越細(xì)小，彌散，間距越小，效果越好。例如：細(xì)小，彌散，間距越小，效果越好。例如：碳化物顆粒。碳化物顆粒。 第二相粒子對(duì)鋼的塑性有危害作用第二相粒子對(duì)鋼的塑性有危害作用。 原因

35、：原因： 1.1.孔坑的萌生與第二相粒子有關(guān)。孔坑的萌生與第二相粒子有關(guān)。2.2.塑塑性還與第二相粒子的性還與第二相粒子的分布有關(guān)分布有關(guān)，沿晶界分布，沿晶界分布最有害；最有害；3.3.與第二相粒子的與第二相粒子的形狀有關(guān)形狀有關(guān)，球狀，球狀危害最??；危害最?。?.4.與第二相粒子的與第二相粒子的種類有關(guān)種類有關(guān)，硫，硫化物和氧化物不利，碳化物危害較小。化物和氧化物不利，碳化物危害較小。 當(dāng)用第二相粒子強(qiáng)化時(shí)應(yīng)采用如下的當(dāng)用第二相粒子強(qiáng)化時(shí)應(yīng)采用如下的方法改善鋼的塑性方法改善鋼的塑性 （1 1）控制碳化物的尺寸、數(shù)量、形狀和）控制碳化物的尺寸、數(shù)量、形狀和分布，如高溫回火。分布，如高溫回火。

36、（2 2）減少夾雜物并加入）減少夾雜物并加入CaCa、ZrZr、RERE等與等與硫形成難溶的球狀硫化物。硫形成難溶的球狀硫化物。 （3 3）將片狀珠光體改為粒狀珠光體）將片狀珠光體改為粒狀珠光體 4. 4.位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化 位錯(cuò)密度越高，運(yùn)動(dòng)時(shí)易相互交割，形成位錯(cuò)密度越高，運(yùn)動(dòng)時(shí)易相互交割，形成割階，纏結(jié)，塑變困難，提高強(qiáng)度。割階，纏結(jié)，塑變困難，提高強(qiáng)度。 =Gb=Gb1/2 1/2 位錯(cuò)密度與變形度有關(guān)。位錯(cuò)密度與變形度有關(guān)。 合金元素的作用是在塑變時(shí)使位錯(cuò)增殖，合金元素的作用是在塑變時(shí)使位錯(cuò)增殖，合金元素細(xì)化晶粒，形成第二相和固溶體，增合金元素細(xì)化晶粒，形成第二相和固溶體，增加位錯(cuò)密度。

37、加位錯(cuò)密度。 塑變和相變均可以增加位錯(cuò)密度（馬氏體塑變和相變均可以增加位錯(cuò)密度（馬氏體相變）相變） （二）韌化途徑（二）韌化途徑 韌性是指材料對(duì)韌性是指材料對(duì)斷裂的抗力斷裂的抗力，是可靠，是可靠性的度量，用沖擊韌性性的度量，用沖擊韌性k k、斷裂韌性、斷裂韌性K KICIC和脆性轉(zhuǎn)化溫度和脆性轉(zhuǎn)化溫度t tc c等表示。等表示。 鋼材的韌化，意味著減小脆化。鋼材的韌化，意味著減小脆化。 按上述強(qiáng)化方式進(jìn)行強(qiáng)化，除按上述強(qiáng)化方式進(jìn)行強(qiáng)化，除細(xì)晶細(xì)晶強(qiáng)強(qiáng)化以外，一般均會(huì)發(fā)生脆化，導(dǎo)致韌化以外，一般均會(huì)發(fā)生脆化，導(dǎo)致韌性破斷的沖擊值和斷裂韌性值下降。性破斷的沖擊值和斷裂韌性值下降。因此，尋求高強(qiáng)度而

38、同時(shí)有高韌性的因此，尋求高強(qiáng)度而同時(shí)有高韌性的材料，是重要的研究任務(wù)。材料，是重要的研究任務(wù)。 金屬的金屬的斷裂斷裂有：微孔積聚型斷裂、解理斷裂和有：微孔積聚型斷裂、解理斷裂和沿晶斷裂。沿晶斷裂。 改善和提高韌性的途徑如下：改善和提高韌性的途徑如下： 1.1.提高微孔聚集型斷裂抗力的途徑：提高微孔聚集型斷裂抗力的途徑： 有宏觀塑性斷裂和脆性斷裂，表現(xiàn)形式均有宏觀塑性斷裂和脆性斷裂，表現(xiàn)形式均為孔坑型。為孔坑型。 （1 1）盡量減少鋼中第二相的數(shù)量；）盡量減少鋼中第二相的數(shù)量； （2 2）提高基體組織的塑性）提高基體組織的塑性- -固溶元素少；固溶元素少； （3 3）提高組織的均勻性）提高組織的

39、均勻性- -減小應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中。 2. 2.提高解理斷裂抗力的途徑提高解理斷裂抗力的途徑 特征特征- -冷脆性。冷脆性。(t(tc c表示表示) )。 由解理斷裂的微觀機(jī)理知：晶粒越細(xì)小，裂由解理斷裂的微觀機(jī)理知：晶粒越細(xì)小，裂紋形成和擴(kuò)展的阻力越大。有效的方法：紋形成和擴(kuò)展的阻力越大。有效的方法：（1 1）是細(xì)化晶粒；）是細(xì)化晶粒；（2 2）加入）加入NiNi元素（降低元素（降低t tc c ）；）；（3 3）用面心立方組織代替體心立方。）用面心立方組織代替體心立方。 3.3.提高沿晶斷裂抗力的途徑提高沿晶斷裂抗力的途徑 例如例如: :回火脆性、過(guò)熱、過(guò)燒等?；鼗鸫嘈?、過(guò)熱、過(guò)燒等。 原因：原因： 一是：一是：P P、AsAs、SbSb、SnSn等溶質(zhì)原子沿晶界偏聚，等溶質(zhì)原子沿晶界偏聚，晶界弱化裂紋易于擴(kuò)展；晶界弱化裂紋易于擴(kuò)展； 二是：第二相沿晶界分布（二是：第二相沿晶界分布（MnSMnS、FeFe3 3C C）使裂紋）使裂紋易于在晶界上形成。易于在晶界上形成。 防止方法防止方法 （1 1）加入）加入MoMo、W W等抑制晶界的偏聚；等抑制晶界的偏聚； （2 2）減少鋼中）減少鋼中S S的含量，也可加入稀土元素，形的含量，也可加入稀土元