鋼鐵中的合金元素

1、思考題思考題1、如何理解金屬的塑性變形與強化這對概念？金屬材料的強化思路？2、固溶強化的原因？3、應(yīng)變強化的原因？4、分散強化的原因？5、細晶強化的原因？第四章第四章 鋼鐵中的合金元素鋼鐵中的合金元素背景背景l(fā) FeCrAl耐熱合金作為發(fā)熱體，要有一定的電阻以及高溫抗氧化性；l 188奧氏體不銹鋼，要求對許多介質(zhì)有很好的耐蝕性；l Fe-Si電工鋼；l IF鋼汽車鋼板，有很好的深沖性能等；l 結(jié)論：結(jié)論：這些鋼種都是鐵基合金，但由于加入不同合金元素，所表現(xiàn)出來的性能很不相同。 l 我們在物理化學(xué)基礎(chǔ)課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了二元相圖的知識，由于元素與元素的相互作用，改變了體系中各相的穩(wěn)定性，并產(chǎn)生了許多

2、新的相；l 以FeC二元相圖為例，鐵中由于加入了C元素，產(chǎn)生了新相，形成了不同的組織，從而鋼鐵材料也具有一系列不同的性能；l 合金元素合金元素的定義：在碳鋼中有意地加入一種或幾種合金元素,使鋼的使用性能或工藝性能得以改善提高.l 常見的合金元素常見的合金元素 目前鋼鐵中常用的合金元素有十幾個，分屬于元素周期表中的不同周期：第二周期第二周期：B B、C C、N N第三周期：第三周期：AlAl、SiSi、P P、S S第四周期：第四周期：TiTi、V V、CrCr、MnMn、CoCo、NiNi、CuCu第五周期：第五周期：NbNb、MoMo第六周期：第六周期：W WA41390A3910 -Fe

3、-Fe -Fe 第一節(jié)第一節(jié) 鐵基固溶體鐵基固溶體背景背景 鐵在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生上述的多型性轉(zhuǎn)變；鋼中的合金元素對-Fe、-Fe和-Fe的相對穩(wěn)定性及多型性轉(zhuǎn)變溫度A3和A4都有極大的關(guān)系。l 奧氏體形成元素奧氏體形成元素：合金元素中，在-Fe中有較大溶解度并能穩(wěn)定-Fe的元素； l 鐵素體形成元素鐵素體形成元素：在-Fe中有較大溶解度并使-Fe不穩(wěn)定的元素；l 根據(jù)它們對鐵多型性轉(zhuǎn)變的影響，分為兩大類：(1)使A3溫度下降，A4溫度升高，這類元素是擴大相區(qū)的奧氏體形成元素。它們分兩類：1）開啟開啟相區(qū)相區(qū)： 如錳、鈷和鎳，它們的原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、電負性等與鐵相似，可與-Fe無限固溶，使

4、和相區(qū)縮小，這種類型的相圖如下圖。 開啟開啟相區(qū)類相區(qū)類型型Fe-M相圖相圖 ：如錳、鈷和如錳、鈷和鎳鎳Fe-Ni相圖相圖2）擴大擴大相區(qū)相區(qū)：如碳、氮和銅，它們使相區(qū)擴大，但與-Fe有限溶解。 其中碳和氮與鐵形成間隙固溶體，銅與鐵形成代位固溶體。這類相圖如下圖。（2）使A3溫度升高，A4溫度下降 這類是縮小-相區(qū)的鐵素體形成元素。它包括下列兩種情況：1）封閉封閉相區(qū)相區(qū)：這類元素是A3溫度升高，A4溫度下降，并在一定濃度處匯合，在相圖上形成圈。Fe-C相圖是這相圖是這種情況種情況2）縮小相區(qū)：這類元素與封閉相區(qū)元素相似，但由于出現(xiàn)了金屬間化合物，破壞了圈。如硼、鈮、硫等。l 總結(jié)總結(jié)1）合金

5、元素除了碳、氮和硼以外，都與鐵形成代位固溶體；2）它們擴大或縮小相區(qū)的作用與該元素在周期表在周期表中的位置有關(guān)中的位置有關(guān)；3）有利于擴大相區(qū)的合金元素，其本身具有面心立方點陣或在其多型性轉(zhuǎn)變中有一種面心立方點陣，與鐵的電負性相近，與鐵的原子尺寸相近。 復(fù)習(xí)題：復(fù)習(xí)題：1、奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的概念？2、為什么要用碳、氮元素來改性表面的性能？滲碳的具體工藝是什么？第二節(jié)第二節(jié) 合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用1、合金元素的分布、合金元素的分布l 合金中的晶體缺陷有晶界、相界、亞晶界及位錯等，這些晶體缺陷區(qū)有較高的能量；l 合金元素和雜質(zhì)元素溶于合金后，

6、將與這些晶體缺陷產(chǎn)生相互作用。溶質(zhì)原子與晶界結(jié)合，形成晶界偏聚；溶質(zhì)原子與位錯結(jié)合，形成柯垂耳氣團；l 因此，溶質(zhì)元素在合金中有時雖然極微，但因與晶體缺陷的交互作用，使其在缺陷區(qū)富集到很高濃度，從而對合金的組織和性能產(chǎn)生巨大的影響；l 如晶界強化、晶界脆化、晶界腐蝕等。舉一例子：磷的脆性；硼提高鋼的淬透性。2、合金元素與缺陷的相互作用合金元素與缺陷的相互作用l產(chǎn)生晶界偏聚和柯垂耳氣團的主要原因是溶質(zhì)原子與基體原子的彈性作用；l 溶質(zhì)原子在完整晶體內(nèi)引起的畸變能高，因此，比基體原子大或小的溶質(zhì)原子將從晶內(nèi)遷移到晶界、相界和位錯等處，從整個系統(tǒng)的能量來說是有利的；l 所以，這種偏聚過程是自發(fā)進行的

7、。 3、Mclean導(dǎo)出了晶界區(qū)的溶質(zhì)偏聚濃度公式Cg：表示晶界區(qū)的溶質(zhì)偏聚濃度；C0：為溶質(zhì)在基體晶內(nèi)的濃度；E：為溶質(zhì)在晶內(nèi)和晶界區(qū)引起畸變能之差，即晶界偏聚的驅(qū)動力。影響晶界偏聚的因素：l溶質(zhì)元素引起的E。E為正值。溶質(zhì)原子與基體原子的原子半徑差別越大，E值越大，其晶界偏聚富集系數(shù)也越高。)exp(0RTEccgl 溫度能影響溶質(zhì)在晶界的偏聚濃度。從公式看，溫度越低，晶界的偏聚濃度越高。但晶界偏聚是一個擴散過程，只有在溶質(zhì)原子能擴散的溫度范圍才能發(fā)生，并需要一定時間才能達到該溫度下溶質(zhì)的晶界平衡偏聚濃度。l 不同原子的擴散激活能不一樣：氫原子在0以下就可以顯著擴散；碳、氮原子需要在室溫附

8、近才產(chǎn)生晶界偏聚；磷原子在350以上，等等。l 第一種溶質(zhì)元素的晶界偏聚還受到第二種溶質(zhì)元素的影響。第一種是各晶界偏聚元素間的晶界位置的競爭作用，E大，優(yōu)先偏聚。第二種影響晶界偏聚速度；第三種是互相促進，發(fā)生共偏聚。思考題：思考題：1、奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的概念？2、請分析合金元素加入到鋼中后它們的去向?以及分析它們的可能作用?第三節(jié)第三節(jié) 鋼鐵中的碳化物和氮化物鋼鐵中的碳化物和氮化物1、背景、背景舉例：七十年代，在國外開發(fā)成功的微合金鋼（High Strength Low Alloy, HSLA, Microalloyed Steel)，l 就是在普通碳鋼的基礎(chǔ)上，添加微合金元素鈦

9、、鈮、釩等元素，然后與控制軋制控制冷卻工藝結(jié)合起來；l 利用這些元素與碳、氮的強烈作用，形成這些元素的碳氮化物，這些碳氮化物一方面起到沉淀強化，另一方面能細化晶粒；l 使之成為一類高效能的鋼鐵；l 碳化物和氮化物是鋼鐵中的重要組成相，其類型、成分、數(shù)量、尺寸大小、形狀及分布對鋼鐵的性能有極重要的影響。 含含Nb析出物析出物 該析出物的該析出物的EDSl 因此，了解鋼中常見的碳化物和氮化物的一些性質(zhì)是必要的。2、碳化物和氮化物在鋼中的穩(wěn)定性、碳化物和氮化物在鋼中的穩(wěn)定性l 碳化物和氮化物在鋼中的穩(wěn)定性取決于金屬元素與碳、氮的結(jié)合強度，結(jié)合強度大，則它們在鋼中的穩(wěn)定性也大；l 這種結(jié)合強度可以用碳

10、化物和氮化物的生成Gibbs能來衡量；l 由此可以排定它們的強弱次序： Ti Zr V Nb W Mo Cr Mn Fe依箭頭次序減弱3、碳化物（氮化物）的分類碳化物（氮化物）的分類 根據(jù)過渡族金屬元素和碳、氮的結(jié)合強度，可以將它們分類：l Ti、Zr、Nb、V是強碳化物形成元素；l W、Mo、Cr是中等強度碳化物形成元素；l Mn、Fe屬于弱碳化物形成元素。l 氮的情況與碳一樣。4、碳化物和氮化物的晶體結(jié)構(gòu)、碳化物和氮化物的晶體結(jié)構(gòu)（1）過渡族金屬的碳化物和氮化物中，金屬原子和碳、氮原子相互作用形成由金屬原子亞點陣和碳、氮原子亞點陣組成的間隙結(jié)構(gòu)。這些金屬亞點陣與形成它們的金屬點陣不同，但仍

11、屬于典型黑球為過渡族金屬，為一黑球為過渡族金屬，為一亞點陣；亞點陣；紅球為碳原子或氮原子，紅球為碳原子或氮原子，為另一亞點陣；為另一亞點陣；的面心立方、體心立方、密排六方或復(fù)雜結(jié)構(gòu)。（2）至于形成什么結(jié)構(gòu)，取決于碳、氮原子的半徑與金屬原子的半徑之比（rx/rM），一般來說（可能還有電子因素） :l當(dāng)（rx/rM）0.59，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。 舉例：碳的原子半徑rC=0.077nm；氮的原子半徑rN=0.071nm 因此，rN/rM0.59，氮化物均具有簡單密排結(jié)構(gòu)。l碳化物中只有Ti、Zr、V、Nb、Mo、W等具有簡單密排結(jié)構(gòu)；lCr、Mn、Fe等具有復(fù)雜密排結(jié)構(gòu)。5、碳化物與氮化物之

12、間可以相互溶解，形成碳氮化物6、碳化物和氮化物具有高硬度和高熔點等第四節(jié)第四節(jié) 合金元素對鋼加熱時轉(zhuǎn)變的影響合金元素對鋼加熱時轉(zhuǎn)變的影響 合金鋼加熱時的轉(zhuǎn)變包括：1) 相相的形成；2) 碳化碳化物和鐵素體物和鐵素體的溶解；3) 相中碳和合金元素合金元素的均勻化；4) 奧氏體奧氏體晶粒長大。1、合金元素對共析點含碳量與溫度的關(guān)系合金元素Mn對共析成份點的含碳量和溫度的變化:l 共析的碳成分變小; l 溫度降低。合金元素Mo對共析成份點的含碳量和溫度的變化：l 碳成分變?。籰 溫度增高。各種合金元素含量與共析碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如右圖。常見合金元素對共析溫度的變化2、合金元素對奧氏體形成的影響、合金元

13、素對奧氏體形成的影響1）當(dāng)加熱溫度高于Ac1時，奧氏體是通過碳化物溶解及擴散多型性轉(zhuǎn)變形成的；2）奧氏體量的增長依賴于碳化物的溶解、碳和鐵原依賴于碳化物的溶解、碳和鐵原子的擴散子的擴散；3）合金元素對碳化物的穩(wěn)定性碳化物的穩(wěn)定性及碳在奧氏體中擴散碳在奧氏體中擴散的影響，直接控制控制著奧氏體的形成速度：l 強碳化物形成元素強碳化物形成元素組成的穩(wěn)定碳化物，如TiC、NbC、VC，只有在高溫下才溶于奧氏體；l 碳化物形成元素可提高碳在奧氏體中的擴散激活能，對奧氏體形成有一定阻礙作用。 l 當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變完成后，還有一個合金元素和碳的均勻化過程。由于合金元素擴散慢，可以提高淬火溫度或延長保溫時間來達到

14、成分均勻化。這也是提高合金鋼淬透性的有效方法。3、合金元素對奧氏體晶粒長大的影響、合金元素對奧氏體晶粒長大的影響 控制奧氏體的晶粒度對改善合金鋼的強韌性至關(guān)重要。鋼中奧氏體晶粒長大的驅(qū)動力是系統(tǒng)界面能的減小(具體是，晶界兩側(cè)晶粒的表面自由能差)。晶界移動依靠晶界原子的擴散。1）鋼中促進奧氏體晶粒長大的元素有碳、磷、錳（高碳時）l 碳和磷在奧氏體晶界偏聚降低了晶界鐵原子的自擴散激活能；l錳是加強了碳促進奧氏體晶粒長大的作用。2）鋁、鈦、鈮、釩等元素在鋼中能形成穩(wěn)定的氮化物、碳氮化物、氮化物，彌散質(zhì)點釘扎奧氏體晶界，阻礙其晶粒長大（原因是原有的晶界面被顆粒與奧氏體的相界面所代替，減少了晶界面）。第

15、五節(jié)第五節(jié) 合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響1、合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響，首先表現(xiàn)在對臨界點的影響：l奧氏體形成元素降低Ar3點，使轉(zhuǎn)變溫度降低，過冷度減小，轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力減??；l鐵素體形成元素則相反。2、合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響集中反映在對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線位置 在碳鋼中由于珠光體和貝氏體的最大轉(zhuǎn)變速度溫度極為接近，故在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線上只畫出一個C曲線。但不同的合金元素對這些轉(zhuǎn)變有著不同的影響: 1）過冷奧氏體的先共析鐵素體轉(zhuǎn)變 l 先共析鐵素體轉(zhuǎn)變是一個典型的擴散性的形核和長大的過程，鐵素體中碳量近于平衡態(tài)（0.02wt%）， 因此，相

16、變時，首先進行碳的擴散 ；l由于碳化物形成元素降低碳在奧氏體中的擴散系數(shù)，因而顯著推遲先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變；推遲先共析鐵素體的轉(zhuǎn)變；l非碳化物形成元素的影響較小；l總結(jié)：合金元素影響這個轉(zhuǎn)變是通過對碳的擴散的影響來進行的；l硼(B)元素影響的機理是例外，它是界面吸附元素。2) 過冷奧氏體的珠光體轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的珠光體轉(zhuǎn)變 除除Co外，合金元素推遲珠光體相變外，合金元素推遲珠光體相變，但機理和程度有所不同，可以從強碳化物形成元素（Ti、Nb、V）中強碳化物形成元素(W、Mo、Cr)弱碳化物形成元素(Mn)非碳化物形成元素（Si、Al、Ni、Co）來分析原因。l 強碳化物形成元素強碳化物形成元素:由

17、于它們在奧氏體中的擴散系數(shù)遠小于C，因此，合金元素本身的擴散是轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，通過推遲碳化物的形核和長大，來推遲相變；l 中強碳化物形成元素中強碳化物形成元素：由于相同的原因，推遲碳化物的形核與長大；另外，增強固溶體原子之間的結(jié)合（推遲）；因此，推遲相變；l 弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素：推遲含Mn滲碳體的形核與長大；另外也推遲；l Ni增強固溶體原子之間的作用力，推遲；Co加速；Si與Al不溶于滲碳體，推遲滲碳體的形核與長大；l 硼(B)是內(nèi)吸附元素，在晶界偏聚，降低晶界的能量，從而降低在晶界上的形核。3）過冷奧氏體的貝氏體轉(zhuǎn)變）過冷奧氏體的貝氏體轉(zhuǎn)變l 在一般情況下，除了Co能加速貝氏體的

18、形成外；l C、Mn、Cr、Ni、Si、Mo、W、V、Cu和B都延緩貝氏體的形成；l 其中以C、Mn、Cr、Ni最為明顯。4）用四個圖來總結(jié)：）用四個圖來總結(jié)： 珠光體珠光體貝氏體貝氏體珠光體珠光體貝氏體貝氏體只改變位置只改變位置形狀與位置均改變形狀與位置均改變3) 合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響 馬氏體轉(zhuǎn)變是無擴散性轉(zhuǎn)變（切變轉(zhuǎn)變），形核和長大速度極快，因此合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)影響小; 它對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：l 絕大多數(shù)合金元素都降低Ms點（馬氏體開始形成點），只有鈷和鋁相反。l 絕大多數(shù)合金元素都提高奧氏體穩(wěn)定性，其中奧氏體形成元素Mn、Ni

19、、C、N的作用顯著；冷卻過程中，保留的殘留奧氏體增加。(如何從熱力學(xué)與動力學(xué)兩方面理解?) 例如，為了要在室溫下或零度下獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。除在高溫得到單一相外，還要使Ms點遠低于室溫或零下，通常是加入Ni、Mn、Cr、C、N等元素。l 合金元素還影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu); 馬氏體亞結(jié)構(gòu)有兩種：具有位錯亞結(jié)構(gòu)位錯亞結(jié)構(gòu)的板條馬氏體；具有孿晶結(jié)構(gòu)孿晶結(jié)構(gòu)的針狀馬氏體。合金元素的含量和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度決定鋼的滑移滑移和孿生孿生的臨界分切應(yīng)力，從而影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。思考題思考題: :1、鋼中合金元素是如何影響其過冷奧氏體轉(zhuǎn)變、鋼中合金元素是如何影響其過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的？的？2、如何理解不同合金元素對過冷奧氏體穩(wěn)定性、如何理解不同合金元素對過冷奧氏體穩(wěn)定性的影響？如何使鋼在常溫下獲得奧氏體相？的影響？如何使鋼在常溫下獲得奧氏體相？第六節(jié)第六節(jié) 合金元素對