鋼鐵中合金元素

1、關于鋼鐵中的合金元素第一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月概 述碳鋼在性能方面的不足：合金化1、淬透性低。水淬的最大淬透直徑只有15mm20mm。 2、強度和屈強比較低3、回火穩(wěn)定性差4、不能滿足特殊性能要求第二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月在碳鋼中加入合金元素所獲得的鋼，稱之為合金鋼。它具有更優(yōu)良的或特殊的性能。1、在使用性能方面，有高的強度與韌性的配合，或高的低溫韌性，或高溫下有高的蠕變強度、硬度及抗氧化性，或具有良好的耐蝕性。2、在工藝性能方面，有良好的熱塑性、冷變形性、切削性、淬透性和焊接性等。第三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鋼中常用合金元素有：B（硼

2、）、C（碳）、N（氮）、Al（鋁）、Si（硅）、P（磷）、S（硫）、Ti（鈦）、V（釩）、Cr（鉻）、Mn（錳）、 Co（鈷）、Ni（鎳）、Cu（銅）、 Y（釔）、Zr（鋯）、Nb（鈮）、 Mo（鉬）、La族（稀土）、Ta（鉭）、W（鎢）等。第四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 鐵基固溶體鐵在加熱和冷卻過程中產生如下的多型性轉變： -Fe （910A3）-Fe （1390A4）-Fe 第五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月合金元素對鐵多型性轉變的影響分為兩大類： 奧氏體形成元素：在-Fe中有較大溶解度并能穩(wěn)定-Fe的元素（ Mn、Ni、Co、 C，N，Cu等 ）；鐵素體

3、形成元素：在-Fe中有較大溶解度并使-Fe不穩(wěn)定的元素（ Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si 、 B、Nb、Zr等） 。第六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1、擴大區(qū)的元素（奧氏體形成元素）它們能擴大相存在的溫度范圍，使A3下降，A4上升。 可分為兩種情況：（1）完全擴大區(qū)（開啟相區(qū)） ：如 Mn，Ni，Co等，它們可與-Fe 無限固溶，使和相區(qū)縮??；第七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）部分擴大區(qū) ：如C，N，Cu等 ，它們只能與-Fe 有限固溶。第八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、擴大區(qū)的元素（鐵素體形成元素）它們能縮小相而擴大相存在的溫度范圍，使A

4、3上升、A4下降 ?？煞譃閮煞N情況：（1）完全封閉區(qū)元素 ：如 Cr，Mo，W，V，Ti，Al，Si等， 相區(qū)被相區(qū)封閉，在相圖上形成圈 ；第九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）部分縮小區(qū)元素 ：如 B，Nb，Zr等，主要是出現(xiàn)了金屬間化合物，破壞了圈。第十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用溶質原子在完整晶體內引起的畸變能很高，因此比基體原子大或小的溶質原子將從晶內遷移到晶界、相界和位錯等缺陷區(qū)，以降低能量。1、溶質原子與晶界結合，形成晶界偏聚（內吸附）；2、溶質原子與位錯結合，形成柯

5、垂耳氣團。第十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月晶界偏聚及其偏聚濃度溶質元素在合金中含量雖少，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生巨大的影響，如晶界強化、晶界脆性、晶間腐蝕、晶界遷移、相變時晶體缺陷處形核等。 可以用下式估算晶界區(qū)的溶質偏聚濃度cg： （c0為溶質在基體晶內的濃度 ，E值為畸變能）第十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月溶質原子與位錯的交互作用(a) 比基體原子大的溶質原子趨向于缺陷區(qū)受膨脹的點陣；(b) 比基體原子小的溶質原子趨向于缺陷區(qū)受壓縮的點陣；(c) 間隙原子趨向于缺陷區(qū)受膨脹的點陣間隙位置。第十四張，PP

6、T共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月溶質原子在晶界或缺陷處偏聚可以使點陣畸變松弛，從而降低體系內能，所以這種偏聚過程是自發(fā)進行的。晶界偏聚是一個擴散過程，只有在溶質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的晶界平衡偏聚能度。溶質元素之間發(fā)生強相互作用，叫做共偏聚。例如鎳、鉻、錳與磷、錫、銻共偏聚而促進回火脆性。第十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 鋼中的碳化物和氮化物1、碳化物的類型當rcrM0.59時形成簡單密排結構的間隙化合物；當rcrM0.59時，形成復雜結構的間隙化合物。第十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月簡單點陣碳化物結構示意圖第十

7、七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月復雜點陣碳化物結構示意圖第十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月簡單點陣的碳化物，也叫間隙相，主要有MC和M 2C類型。復雜點陣的碳化物 主要有 M 23C6 、 M 7C3和 M 3C類型。鋼中由于 FeMeC三種元素存在，還會形成三元碳化物 ，包括 MC、M 2C、 M 23C6 、 M 7C3、 M 3C 和 M 6C六種類型。第十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、碳化物及其穩(wěn)定性碳化物在鋼中的穩(wěn)定性取決于金屬元素與碳親和力的大小，主要取決于其d層電子數(shù)。d層電子愈少，則金屬元素與碳的結合強度愈大，在鋼中的穩(wěn)定性也愈大。也

8、可以用生成熱H值來比較，生成熱絕對值愈高，其穩(wěn)定性也愈高。 生成熱H絕對值由大到小順序為：Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Mn、Fe第二十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月因此，過渡族金屬元素可依其與碳的結合強度的大小分類：1、鈦、鋯、鈮、釩是強碳化物形成元素；2、鎢、鉬、鉻是中等強度碳化物形成元素；3、錳和鐵屬于弱碳化物形成元素。第二十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月強碳化物形成元素形成的碳化物比較穩(wěn)定，其溶解溫度也較高，而溶解速度較慢，析出后聚集長大速度也較低。MC型碳化物：由強碳化物形成元素Ti、V、Nb、Zr形成，在900以上才開始溶解于-Fe中，110

9、0以上才大量溶解，在500700范圍析出時，具有較低的聚集長大速度，因而可以成為鋼中的強化相。第二十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月M2C型碳化物：主要是中強碳化物形成元素W和Mo形成的，在鋼中的穩(wěn)定性較差，但仍可做500650范圍的強化相。第二十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月M23C6型碳化物：Cr23C6的穩(wěn)定性更差，只有在少數(shù)耐熱鋼中，經(jīng)過綜合合金化后，才有較高的穩(wěn)定性，例如（Cr，F(xiàn)e，V，Mo，W）23C6可在奧氏體耐熱鋼中作為沉淀強化相。M7C3及M3C型碳化物：很容易溶解和析出，并有較大的聚集長大速度，因此不能作為高溫強化相。第二十四張，PPT共五十四頁

10、，創(chuàng)作于2022年6月3、氮化物及其穩(wěn)定性根據(jù)過渡族金屬與氮的結合強度分類：強氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中強氮化物形成元素：W、Mo ；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe 。第二十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月當鋼中存在多種過渡族金屬元素時，存在著復合碳化物和復合氮化物，例如（Cr，F(xiàn)e）23C6。氮化物和碳化物之間也可互相溶解，形成碳氮化物。例如氮可置換部分碳原子，在含釩、鈦、鈮微合金鋼中形成Ti（C，N）、V（C，N）和Nb（C，N）。第二十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月此外，冶煉中鋼液用鋁脫氧，因而存在鋁的氮化物AlN。AlN在鋼中有很高的穩(wěn)定性，

11、只有在1100以上才大量溶于-Fe，在較低溫度下又重新析出。在生產中可以利用氮化物的彌散強化作用來提高鋼的疲勞強度，利用氮化物的高硬度來進一步提高表面硬度和耐磨性。 第二十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 鋼中的金屬間化合物 金屬間化合物是指由兩個或更多的金屬組元按比例組成的具有不同于其組成元素的晶體結構和金屬基本特性的化合物。一、相在不銹鋼、高合金耐熱鋼及耐熱合金中，都會出現(xiàn)相。其化學式為AB或 AxBy，如FeCr、FeMo、FeV等。 相對合金性能有害，在不銹鋼中引起晶間腐蝕和脆性，在耐熱鋼和高溫合金中引起脆性。 第二十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月在二元

12、系中，形成相的條件是：1）原子尺寸差別不大。2）鋼和合金的“平均族數(shù)”（或sd層電子濃度）在 5.77.6范圍。 第二十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月為避免在合金中出現(xiàn)相，可用元素的電子缺位數(shù)NV來進行合金設計。 NV = 0.66Ni + 1.71Co + 2.66Fe + 3.66Mn +4.66(Cr + Mo + W) + 5.66 (V + Nb + Ta ) + 6.66 (Ti + Si ) + 7.66Al當NV值 2.52時，不出現(xiàn)相 。第三十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、AB2相（拉維斯相）含鎢、鉬、鈮和鈦的復雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，均存在A

13、B2相。它是現(xiàn)代耐熱鋼和合金以及鎂合金中的一種強化相。 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，只要符合原子尺寸bA / bB = 1.2 / l 時，都能形成AB2相。 第三十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月三、AB3相（有序相，如-Ni3Al ） 鋼和合金中存在著多種有序結構的相，它們各組元之間尚不能形成穩(wěn)定的化合物，處于固溶體到化合物之間的過渡狀態(tài)。 -Ni3Al為L12型結構，屬面心立方結構，在復雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，Ni3Al是重要的強化相。 第三十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 合金

14、元素對鐵碳相圖的影響 一、合金元素對鋼臨界點的影響 合金元素對碳鋼的重要影響是改變臨界點的溫度和含碳量，使合金鋼和鑄鐵的熱處理制度不同于碳鋼。 第三十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1、擴大相區(qū)的奧氏體形成元素使 FeC相圖中A3和A1溫度下降（如Mn）,但鈷例外。 第三十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、縮小相區(qū)的鐵素體形成元素使A3和A1溫度升高（如Mo）。第三十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3、幾乎所有的合金元素都使共析點和共晶點碳質量分數(shù)降低，即S點和E點左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化。 第三十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十

15、七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第六節(jié) 合金元素對鋼在加熱時轉變的影響1、對奧氏體形成速度的影響（1）Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素與碳的親合力大，形成難溶于奧氏體的合金碳化物，顯著阻礙碳的擴散，大大減慢奧氏體形成速度。（2）Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的擴散速度，使奧氏體的形成速度加快。（3）Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。第三十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、對奧氏體晶粒大小的影響 （1）強烈阻礙晶粒長大的元素：V、Ti、Nb、Zr等。Al在鋼中易形成高熔點的AlN、Al2O3細質點，也強烈阻止晶粒長大。（2）中等阻礙晶粒

16、長大的元素：W、Mo、Cr。（3）對晶粒長大影響不大的元素：Si、Ni、Cu。（4）促進晶粒長大的元素：Mn、P、B有此傾向。第三十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第七節(jié) 合金元素對過冷奧氏體分解的影響一、合金元素對C曲線的影響第四十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1、鈦、鈮、釩、鎢、鉬（Ti、Nb、V、W、Mo）等元素強烈推遲珠光體轉變 ，對貝氏體轉變推遲較少，同時升高珠光體最大轉變速度的溫度，降低貝氏體最大轉變速度的溫度。使C曲線分離開來，出現(xiàn)兩個C曲線。第四十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、鉻和錳（Cr、Mn）都有強烈推遲珠光體和貝氏體轉變的作用，而

17、推遲貝氏體的作用更加顯著。 3、非碳化物形成元素硅、鋁（Si、Al）都增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，但推遲貝氏體轉變的作用更強烈，并且將珠光體轉變區(qū)和貝氏體轉變區(qū)分開。 第四十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月4、非碳化物形成元素鎳Ni有強烈推遲珠光體轉變的作用。當鎳含量高時，珠光體轉變完全被抑制，僅在500以下發(fā)生貝氏體轉變。5、非碳化物形成元素鈷Co和其他合金元素不同，它在各個溫度都是降低奧氏體的穩(wěn)定性，但它不改變奧氏體恒溫轉變C曲線的形狀。第四十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月6、鋼中加入微量元素也有效地增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性。如鋼中加入0.00050.0

18、03硼（B），硼是內吸附元素，主要存在于奧氏體晶界，它使過冷奧氏體轉變的C曲線的位置向右移，但對曲線的形狀影響不大。合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。 第四十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、合金元素對珠光體轉變的影響 1、強碳化物鈦、鈮、釩主要是通過推遲珠光體轉變時碳化物的形核和長大來增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性；2、中強碳化物形成元素鎢、鉬、鉻除了推遲珠光體轉變時碳化物形核和長大外，還通過增加固溶體原子間結合力，降低鐵的自擴散激活能，從而減慢轉變；第四十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3、弱碳化物錳推遲珠光體轉變時，富錳的合金

19、滲碳體（Fe，Mn）3C的形核和長大，同時錳又是擴大相區(qū)的元素，起穩(wěn)定奧氏體并強烈推遲轉變的作用；4、非碳化物形成元素鎳、鈷、硅和鋁對珠光體轉變中碳化物形核和長大的影響小，主要表現(xiàn)在推遲轉變。 第四十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月三、合金元素對貝氏體轉變的影響 1、碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS點，使得在貝氏體和珠光體轉變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個轉變的C曲線。 2、合金元素改變貝氏體轉變動力學過程，增長轉變孕育期，減慢長大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。3、鈷由于升高A3點，降低相的化學自由能，使轉變的驅動力增加，促進

20、貝氏體轉變。 第四十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月四、合金元素對馬氏體轉變的影響 1、絕大多數(shù)合金元素都降低 MS點，只有鈷和鋁相反。 2、隨鋼中合金元素增加，MS和Mf點繼續(xù)下降（過冷奧氏體穩(wěn)定性增加）室溫下將保留更多的殘留奧氏體量。 3、當MS點溫度高于200 時，形成位錯結構的馬氏體；在MS點低于200時，馬氏體相變以孿生形成孿晶結構的馬氏體。第四十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第八節(jié) 合金元素對淬火鋼回火轉變的影響合金元素對淬火鋼回火轉變的影響主要有以下三點：1、提高回火穩(wěn)定性。提高回火穩(wěn)定性作用較強的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。 2、產生二次硬化（包括兩種情況）3、增大回火脆性（第二類回火脆性）第四十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性就是鋼對于回火時所發(fā)生的軟化過程的抗力。許多合金元素可以使回火過程中各階段的轉變速度大大減慢，并推向更高的溫度發(fā)