第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件

1.3鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、Me對鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理

強(qiáng)化本質(zhì)：各種強(qiáng)化途徑↑塑變抗力↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力

↑鋼強(qiáng)度1.3鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、Me對鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理各種強(qiáng)表達(dá)式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0機(jī)理效果提高強(qiáng)度，降低塑韌性

原子固溶→晶格發(fā)生畸變

→產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，與位錯(cuò)交互作用→↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力1、固溶強(qiáng)化表達(dá)式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；機(jī)固溶強(qiáng)化的規(guī)律（1）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶強(qiáng)化效果愈好。置換元素對α-Fe屈服強(qiáng)度的影響固溶強(qiáng)化的規(guī)律（1）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶固溶強(qiáng)化的規(guī)律（2）溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加。例如：對于無限固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子濃度為50%時(shí)強(qiáng)度最大；而對于有限固溶體，其強(qiáng)度隨溶質(zhì)元素溶解量增加而增大（3）形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素（如C、N、B等元素在Fe中）其強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶質(zhì)元素。但對韌性、塑性的削弱也很顯著，而置換式固溶強(qiáng)化卻基本不削弱基體的韌性和塑性。（4）溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯著。固溶強(qiáng)化的規(guī)律（2）溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加。2、細(xì)晶強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→

有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化。效果

↑鋼的強(qiáng)度，又↑塑性和韌度這是最理想的強(qiáng)化途徑.

著名的Hall-petch公式式中，d為晶粒直徑，Ks為系數(shù)2、細(xì)晶強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→3、第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理

微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)化效果主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主要是繞過機(jī)制。兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化，淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。效果有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑韌性。鋼強(qiáng)度表達(dá)式3、第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)位錯(cuò)被質(zhì)點(diǎn)障礙物所擋住位錯(cuò)被質(zhì)點(diǎn)障礙物所擋住第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件4、位錯(cuò)強(qiáng)化

表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑↑位錯(cuò)交割、纏結(jié)，→有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→↑鋼強(qiáng)度。效果

在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK4、位錯(cuò)強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑

晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖1.4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑強(qiáng)化因素

一般情況，鋼強(qiáng)度↑→塑韌↓,稱為強(qiáng)韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細(xì)化組織強(qiáng)化外，其它強(qiáng)化因素都會程度不同地↓韌性。危害最大是間隙固溶；

合金元素

Ni↑韌性；Mn在少量時(shí)也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韌性1、引言1.4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑強(qiáng)化一般情況，晶粒度

細(xì)晶既↑σS，又↑韌性

→

最佳組織因素。第二相

K↓韌性。K小、勻、圓、適量

→

工藝努力方向。

雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，→提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)溶質(zhì)原子↓韌性，間隙溶質(zhì)原子>置換溶質(zhì)原子。2、影響塑性的因素

晶粒細(xì)晶既↑σS，又↑韌性第二K1.改善延性斷裂的途徑2.改善解理斷裂抗力的途徑3.改善沿晶斷裂抗力的途徑3、改善鋼韌性的途徑1.改善延性斷裂的途徑2.改善解理斷裂抗力的途徑3.改善沿晶4、提高鋼韌度的合金化途徑

1）細(xì)化晶粒、組織——如Ti、V、Mo；2）↑回火穩(wěn)定性——如強(qiáng)K形成元素；3）改善基體韌度——Ni；4）細(xì)化K——適量Cr、V，使K小而勻；5）↓回脆——W、Mo；

6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)↓含C量.↑冶金質(zhì)量。

4、提高鋼韌度的合金化途徑1）細(xì)化晶粒、組織——1.5合金元素對鋼相變的影響一、Me對Fe-C相圖的影響1、對S、E點(diǎn)的影響

A形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，F(xiàn)形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。S點(diǎn)左移—意味著共析C量減?。籈點(diǎn)左移—意味著出現(xiàn)萊氏體的C量降低。合金元素對共析溫度的影響

合金元素對共析碳量的影響

1.5合金元素對鋼相變的影響合金元素對共析溫度的影響合2、對共析溫度的影響

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動(dòng)，使點(diǎn)S左移；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動(dòng)，也使點(diǎn)S左移。2、對共析溫度的影響錳對鋼γ區(qū)的影響鉻對鋼γ區(qū)的影響錳對鋼γ區(qū)的影響鉻對鋼γ區(qū)的影響3、對γ-Fe區(qū)的影響

A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe區(qū)擴(kuò)大→鋼在室溫下也為A體—A鋼；F形成元素Cr、Si等使γ-Fe區(qū)縮小→鋼在高溫下仍為F體—鐵素體鋼。3、對γ-Fe區(qū)的影響二、合金鋼的加熱A化

α+Fe3C(或K)→γ

α→γ：需要Fe重組和C擴(kuò)散

Fe3C或K：需要溶解于γ二、合金鋼的加熱A化A形成過程A的形核A的長大滲碳體的溶解A成分均勻化Me對鋼的熱處理的影響

A形成過程A的形核A的長大滲碳體的溶解A成分均勻化Me對鋼的（1）Me對A形成速度的影響

A的形成速度取決于A晶核的形成和長大，兩者都與C的擴(kuò)散有關(guān)。非K元素——Co、Ni等提高C擴(kuò)散速度，增大A的形成速度。Si、Al、Mn等對C在A中的擴(kuò)散速度影響較小，對A的形成速度影響不大。強(qiáng)K元素——Cr、Mo、W、V等與C的親和力較大，顯著妨礙C在A中的擴(kuò)散，減慢A的形成速度。

（1）Me對A形成速度的影響碳化物的分解：

A形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入A中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。A的成分均勻化：

由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使A成分均勻化，C和Me均需擴(kuò)散。碳化物的分解：A形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的A，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長的保溫時(shí)間。由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和（2）Me對A晶粒長大傾向的影響合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入A中，能阻礙晶界長大，顯著細(xì)化晶粒。按照對晶粒長大作用的影響，合金元素可分為：

①Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)烈阻止A晶粒長大，Al在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈阻止晶粒長大；（2）Me對A晶粒長大傾向的影響AlN含量對A晶粒度的影響

MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點(diǎn)（電解萃取碳復(fù)型）AlN含量對A晶粒度的影響MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點(diǎn)②W、Mo、Cr等阻礙A晶粒長大的作用中等；③Ni、Si、Cu、Co等阻礙A晶粒長大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于A的晶粒長大。②W、Mo、Cr等阻礙A晶粒長大的作用中等；三、

Me對過冷A分解轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在，使C曲線發(fā)生變化（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響；（2）對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響；（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響。三、Me對過冷A分解轉(zhuǎn)變的影響（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響除Co外，使C曲線右移

（增大過冷A的穩(wěn)定性，推遲P型轉(zhuǎn)變）。

C曲線右移——降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響Me的加入對鋼還有固溶強(qiáng)化的作用；

Me只有當(dāng)淬火加熱溶入A中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加熱溫度不高，保溫時(shí)間較短，Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物未溶解時(shí)，非但不能提高淬透性，反而會由于未溶碳化物粒子能成為P轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。Me的加入對鋼還有固溶強(qiáng)化的作用；Me同時(shí)加入對淬透性的影響:1+1>2例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮Me提高淬透性的作用。Me的加入推遲P型轉(zhuǎn)變的同時(shí),還可在連續(xù)冷卻過程中得到B型組織的鋼。

Me同時(shí)加入對淬透性的影響:1+1>2（2）對中溫轉(zhuǎn)變（B轉(zhuǎn)變）的影響Me作用—影響γ→α轉(zhuǎn)變和C原子擴(kuò)散。首先，對B轉(zhuǎn)變上限溫度BS點(diǎn)的影響。

Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti等元素都降低BS點(diǎn)，使得在B和P轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷A的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)變的C曲線。（2）對中溫轉(zhuǎn)變（B轉(zhuǎn)變）的影響Me還改變B轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。

Si、Mn、Ni、Cr作用>W、Mo、V、TiMe還改變B轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響Me的作用——影響Ms~Mf溫度，殘留A含量，及M的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms和Mf下降。（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響殘余A含量對性能的影響—?dú)堄郃量過高（有時(shí)達(dá)30%-40%），鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。對于A不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下（

Ms點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫或零下）獲得穩(wěn)定的單相A組織，必須加入大量A形成元素。通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。

殘余A含量對性能的影響—?dú)堄郃量過高（有時(shí)達(dá)30%-40%）對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余A量，需要進(jìn)行附加的處理：1冷處理就是將淬火后的鋼件在負(fù)溫下繼續(xù)冷卻，使殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)镸的工藝。如生產(chǎn)上采用干冰與酒精混合可獲得-70℃的低溫。對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余A量，需要進(jìn)行附加的處理：2多次回火過程中殘余A發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余A中的合金成分，使殘余A的Ms、Mf點(diǎn)升高，而在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)镸或B（稱為二次淬火），從而使殘余A量減少。2多次回火過程中殘余A發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余A中四、Me對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響提高鋼的回火穩(wěn)定性——使回火過程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。具體為（1）Me對M分解的影響（2）Me對殘余A轉(zhuǎn)變的影響（3）Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響（4）Me對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響（5）Me對回火脆性的影響

四、Me對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響

（1）M分解

低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大中溫以上：Me活動(dòng)能力增強(qiáng)，對M分解產(chǎn)生不同程度影響:

1）Ni、Mn的影響很小；2）K形成元素阻止M分解，其程度與它們與C的親和力大小有關(guān)。這些Me↓ac，阻止了滲碳體的析出長大；

（1）M分解低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和Fe的結(jié)合力>Fe和C的結(jié)合力,↑ac

↓ε-FeXC的形核、長大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要從ε中出去↓ε→Fe3C

效果:含2%Si能使M分解溫度從260℃提高到350℃以上3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和F（2）對殘余A轉(zhuǎn)變的影響

（2）對殘余A轉(zhuǎn)變的影響（3）回火時(shí)K的形成

各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：MeSiMnCrMoW\VT,℃>300>350>400~500>500>500~5501）K長大聚集溫度：M3C型，350~400℃；其它K，450~600℃；2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變ε-FeXC→Fe3C→M3C→亞穩(wěn)特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500

能否形成特殊K，取決于:①M(fèi)e性質(zhì)、NM/NC比值；②T和t。（3）回火時(shí)K的形成各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：3）特殊K的形成原位析出：αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)異位析出：αM→αP+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出→二次硬化，直接析出→貢獻(xiàn)最大3）特殊K的形成（4）對F回復(fù)再結(jié)晶的影響

合金元素大都使F回復(fù)與再結(jié)晶的過程延緩，其中Co、Mo、W、Cr、V顯著提高α相的再結(jié)晶溫度；Si、Mn次之；Ni最小。

碳鋼中，α相高于400℃開始回復(fù)，500℃開始再結(jié)晶，加入2%的Co時(shí)，α相的再結(jié)晶溫度可提高到630℃。幾中合金元素的綜合效果更顯著。（4）對F回復(fù)再結(jié)晶的影響合金元素大都使F回復(fù)（5）對回火脆性的影響

1）第1類回火脆性

脆性特征

①不可逆；300℃左右;②與回火后冷速無關(guān)；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界強(qiáng)度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si↑脆性溫度區(qū).（5）對回火脆性的影響脆性①不可逆；300℃2）第2類回火脆性

脆性特征

①可逆；450℃—650℃；②回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；③晶界脆斷.產(chǎn)生原因

①雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成網(wǎng)狀或片狀化合物,↓晶界強(qiáng)度。高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑；Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑；Cr促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑2）第2類回火脆性脆性①可逆；450

小結(jié)材料學(xué)核心是合金化基本原理，這是材料強(qiáng)韌化矛盾的主要因素。要真正理解“合金元素的作用，主要在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理?xiàng)l件下才能得到體現(xiàn)?！闭莆樟撕辖鹪刈饔眉捌湓诩庸み^程中的演化規(guī)律，才能更好地理解各類鋼設(shè)計(jì)與發(fā)展，才能更好地開發(fā)新工藝、新材料。小結(jié)合金化設(shè)計(jì)K類型及性質(zhì)K形成規(guī)律對相圖影響對C線的影響組織設(shè)計(jì)Me對過程影響Me對工藝性作用強(qiáng)韌化矛盾演化規(guī)律鋼強(qiáng)化基本機(jī)理合金韌化基本途徑合金化K類型K形成對相圖對C線組織Me對過Me對工強(qiáng)韌化矛盾1.6微量元素在鋼中的作用常見微量元素O、N、B、V、Ti……微合金化——BNVTiZrNbRE改善切削加工性——SSeBiPbCa凈化、變質(zhì)——TiZrRECa有害——PSAsSnPb1.6微量元素在鋼中的作用常見微量元素O、N、B、V、T凈化作用

脫氧，去氮，降氫，減少非金屬夾雜物

改善夾雜物類型及分布變質(zhì)作用降低形核功，增大形核率阻礙晶粒長大夾雜物理想形態(tài)是球形改變夾雜物有益作用凈化脫氧，去氮，降氫，減少非金屬夾雜物變質(zhì)降低形核功，有害作用偏析晶界吸附PSAsSnPb有害作用偏析晶界PSAsSnPb微合金鋼中的合金元素影響鋼相變的元素MnMoCrNi

降低相變溫度、細(xì)化組織等形成CN化合物的元素VTiNb

影響CN化合物的析出、細(xì)化晶粒、細(xì)化P組織等微合金鋼中的合金元素影響鋼相變的元素MnMoCrNi1.7金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)

目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種?！牧系膹U棄物再生循環(huán)很困難

可再生循環(huán)設(shè)計(jì)已成為鋼鐵材料設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。傳統(tǒng)的思路和方法應(yīng)該更新。應(yīng)該發(fā)展少品種、泛用途、多目的的標(biāo)準(zhǔn)合金系列。所以就出現(xiàn)了通用合金和簡單合金的概念。1.7金屬材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)目前世界上金屬材1.7.1

通用合金與簡單合金

通用合金

又稱為泛用性合金。這種通用合金能滿足通用性能，合金在具體用途中的性能要求則可以通過不同的熱處理等方法來實(shí)現(xiàn)。Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn鋼.通過改變Fe、Cr、Ni（Mn）的相對含量，其組織結(jié)構(gòu)和性能也可以在很大范圍內(nèi)變化。Cr-Mo鋼,耐熱鋼

1.7.1通用合金與簡單合金通用又稱為泛用簡單合金組元組成簡單的合金系就叫做簡單合金。簡單合金在成分設(shè)計(jì)上有幾個(gè)特點(diǎn)：合金組元簡單，再生循環(huán)過程中容易分選；原則上不加入目前還不能用精煉方法除去的元素；盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元素。簡單組元組成簡單的合金系就叫做簡單合金。簡單合金兩個(gè)基本原則

（1）在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)；

（2）獲得合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為加入合金元素的替代方法。

這種設(shè)計(jì)合金的思路叫省合金化設(shè)計(jì)或最小合金化法。簡單合金的主要用途是代替大量消費(fèi)的金屬結(jié)構(gòu)件材料。兩個(gè)（1）在維持合金高性能的前提（2）獲得合金高

Si-Mn合金鋼就是目前重點(diǎn)開發(fā)的一種普通的簡單合金?？梢酝ㄟ^各種熱處理獲得不同的組織結(jié)構(gòu)，如F+P、F+B、B+M、B、M等，→得到不同強(qiáng)度、塑性配比的性能，以滿足各種用途。Si和Mn作為主要合金元素，在地球上儲量相當(dāng)大，并容易提取。是一個(gè)有前途的環(huán)境材料系列。在汽車薄板和沖壓件上得到了廣泛的應(yīng)用典型例子Si-Mn合金鋼就是目前重點(diǎn)開發(fā)的一典1.7.2環(huán)境協(xié)調(diào)性合金設(shè)計(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)性合金的成分設(shè)計(jì)

盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的元素。即將枯竭性元素和對生態(tài)環(huán)境\人體有較大毒害作用的元素。

對人體毒害作用比較大的元素有Cr、As、Pb、Ni、Hg等。含有這些元素的材料廢棄后，會造成空氣、土壤的污染，直接危害人體或通過生物鏈對人體造成毒害。因此，在材料設(shè)計(jì)過程中就要考慮到材料對生態(tài)環(huán)境的影響，其中無鉛釬焊合金的研究開發(fā)就是典型的例子1.7.2環(huán)境協(xié)調(diào)性合金設(shè)計(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)性合金的成分設(shè)計(jì)性能環(huán)境負(fù)荷比

環(huán)境負(fù)荷是一個(gè)資源、能源、三廢的綜合數(shù)據(jù)。金屬材料各種表面技術(shù)的環(huán)境影響差別也是較大的。表面技術(shù)處理涉及到表面處理過程中的能源消耗、資源消耗和廢棄物排放.

從總體趨勢上說，對環(huán)境影響的強(qiáng)弱而言，按電子束表面處理→電火花表面處理→激光表面處理→加熱處理→氣體表面滲碳處理→火焰表面處理→離子化學(xué)熱處理，從弱到強(qiáng)排列.性能環(huán)境負(fù)荷比環(huán)境負(fù)荷是一個(gè)資源、能源、三廢的§鋼的冶金質(zhì)量一、鋼的低倍缺陷疏松、縮孔殘余、偏析、氣泡、發(fā)紋、白點(diǎn)§鋼的冶金質(zhì)量一、鋼的低倍缺陷弱面弱面第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件二、鋼的高倍缺陷帶狀組織、液析、非金屬夾雜物鋼中的硫化錳（MnS）二、鋼的高倍缺陷帶狀組織、液析、非金屬夾雜物鋼中的硫化錳（M直接從鋼液中結(jié)晶出共晶碳化物或析出一次碳化物-液析。直接從鋼液中結(jié)晶出第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件三、斷口分析纖維狀斷口、結(jié)晶狀斷口、瓷狀斷口、層狀斷口、萘狀斷口、石狀斷口35CrNiMo鋼過熱石狀斷口石狀斷口的微觀形態(tài)5000×

三、斷口分析纖維狀斷口、結(jié)晶狀斷口、瓷狀斷口、35CrN第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件1.3鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、Me對鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理

強(qiáng)化本質(zhì)：各種強(qiáng)化途徑↑塑變抗力↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力

↑鋼強(qiáng)度1.3鋼的強(qiáng)化機(jī)制一、Me對鋼強(qiáng)化的形式及其機(jī)理各種強(qiáng)表達(dá)式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對于Mo、Si、Mn等置換式原子：n=0.5~1.0機(jī)理效果提高強(qiáng)度，降低塑韌性

原子固溶→晶格發(fā)生畸變

→產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，與位錯(cuò)交互作用→↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力1、固溶強(qiáng)化表達(dá)式對于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；機(jī)固溶強(qiáng)化的規(guī)律（1）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶強(qiáng)化效果愈好。置換元素對α-Fe屈服強(qiáng)度的影響固溶強(qiáng)化的規(guī)律（1）溶質(zhì)元素在溶劑中的飽和溶解度愈小，其固溶固溶強(qiáng)化的規(guī)律（2）溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加。例如：對于無限固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子濃度為50%時(shí)強(qiáng)度最大；而對于有限固溶體，其強(qiáng)度隨溶質(zhì)元素溶解量增加而增大（3）形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素（如C、N、B等元素在Fe中）其強(qiáng)化作用大于形成置換固溶體（如Mn、Si、P等元素在Fe中）的溶質(zhì)元素。但對韌性、塑性的削弱也很顯著，而置換式固溶強(qiáng)化卻基本不削弱基體的韌性和塑性。（4）溶質(zhì)與基體的原子大小差別愈大，強(qiáng)化效果也愈顯著。固溶強(qiáng)化的規(guī)律（2）溶質(zhì)元素溶解量增加，固溶體的強(qiáng)度也增加。2、細(xì)晶強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→

有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積強(qiáng)化。效果

↑鋼的強(qiáng)度，又↑塑性和韌度這是最理想的強(qiáng)化途徑.

著名的Hall-petch公式式中，d為晶粒直徑，Ks為系數(shù)2、細(xì)晶強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理晶粒越細(xì)→晶界、亞晶界越多→3、第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理

微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)化效果主要有切割機(jī)制和繞過機(jī)制。在鋼中主要是繞過機(jī)制。兩種情況：回火時(shí)彌散沉淀析出強(qiáng)化，淬火時(shí)殘留第二相強(qiáng)化。效果有效提高強(qiáng)度，但稍降低塑韌性。鋼強(qiáng)度表達(dá)式3、第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理微粒第二相釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)位錯(cuò)被質(zhì)點(diǎn)障礙物所擋住位錯(cuò)被質(zhì)點(diǎn)障礙物所擋住第1章鋼合金化概論鋼的強(qiáng)化和韌化課件4、位錯(cuò)強(qiáng)化

表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑↑位錯(cuò)交割、纏結(jié)，→有效地阻止了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→↑鋼強(qiáng)度。效果

在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK4、位錯(cuò)強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理位錯(cuò)密度ρ↑→↑

晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖1.4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑強(qiáng)化因素

一般情況，鋼強(qiáng)度↑→塑韌↓,稱為強(qiáng)韌性轉(zhuǎn)變矛盾。除細(xì)化組織強(qiáng)化外，其它強(qiáng)化因素都會程度不同地↓韌性。危害最大是間隙固溶；

合金元素

Ni↑韌性；Mn在少量時(shí)也有效果；其它常用元素都在不同程度上↓韌性1、引言1.4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑強(qiáng)化一般情況，晶粒度

細(xì)晶既↑σS，又↑韌性

→

最佳組織因素。第二相

K↓韌性。K小、勻、圓、適量

→

工藝努力方向。

雜質(zhì)往往是形變斷裂的孔洞形成核心，→提高鋼的冶金質(zhì)量是必須的。雜質(zhì)溶質(zhì)原子↓韌性，間隙溶質(zhì)原子>置換溶質(zhì)原子。2、影響塑性的因素

晶粒細(xì)晶既↑σS，又↑韌性第二K1.改善延性斷裂的途徑2.改善解理斷裂抗力的途徑3.改善沿晶斷裂抗力的途徑3、改善鋼韌性的途徑1.改善延性斷裂的途徑2.改善解理斷裂抗力的途徑3.改善沿晶4、提高鋼韌度的合金化途徑

1）細(xì)化晶粒、組織——如Ti、V、Mo；2）↑回火穩(wěn)定性——如強(qiáng)K形成元素；3）改善基體韌度——Ni；4）細(xì)化K——適量Cr、V，使K小而勻；5）↓回脆——W、Mo；

6）在保證強(qiáng)度水平下，適當(dāng)↓含C量.↑冶金質(zhì)量。

4、提高鋼韌度的合金化途徑1）細(xì)化晶粒、組織——1.5合金元素對鋼相變的影響一、Me對Fe-C相圖的影響1、對S、E點(diǎn)的影響

A形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，F(xiàn)形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。S點(diǎn)左移—意味著共析C量減?。籈點(diǎn)左移—意味著出現(xiàn)萊氏體的C量降低。合金元素對共析溫度的影響

合金元素對共析碳量的影響

1.5合金元素對鋼相變的影響合金元素對共析溫度的影響合2、對共析溫度的影響

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動(dòng)，使點(diǎn)S左移；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動(dòng)，也使點(diǎn)S左移。2、對共析溫度的影響錳對鋼γ區(qū)的影響鉻對鋼γ區(qū)的影響錳對鋼γ區(qū)的影響鉻對鋼γ區(qū)的影響3、對γ-Fe區(qū)的影響

A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe區(qū)擴(kuò)大→鋼在室溫下也為A體—A鋼；F形成元素Cr、Si等使γ-Fe區(qū)縮小→鋼在高溫下仍為F體—鐵素體鋼。3、對γ-Fe區(qū)的影響二、合金鋼的加熱A化

α+Fe3C(或K)→γ

α→γ：需要Fe重組和C擴(kuò)散

Fe3C或K：需要溶解于γ二、合金鋼的加熱A化A形成過程A的形核A的長大滲碳體的溶解A成分均勻化Me對鋼的熱處理的影響

A形成過程A的形核A的長大滲碳體的溶解A成分均勻化Me對鋼的（1）Me對A形成速度的影響

A的形成速度取決于A晶核的形成和長大，兩者都與C的擴(kuò)散有關(guān)。非K元素——Co、Ni等提高C擴(kuò)散速度，增大A的形成速度。Si、Al、Mn等對C在A中的擴(kuò)散速度影響較小，對A的形成速度影響不大。強(qiáng)K元素——Cr、Mo、W、V等與C的親和力較大，顯著妨礙C在A中的擴(kuò)散，減慢A的形成速度。

（1）Me對A形成速度的影響碳化物的分解：

A形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入A中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。A的成分均勻化：

由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使A成分均勻化，C和Me均需擴(kuò)散。碳化物的分解：A形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的A，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長的保溫時(shí)間。由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和（2）Me對A晶粒長大傾向的影響合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入A中，能阻礙晶界長大，顯著細(xì)化晶粒。按照對晶粒長大作用的影響，合金元素可分為：

①Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)烈阻止A晶粒長大，Al在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈阻止晶粒長大；（2）Me對A晶粒長大傾向的影響AlN含量對A晶粒度的影響

MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點(diǎn)（電解萃取碳復(fù)型）AlN含量對A晶粒度的影響MnNiMo鋼中的AlN質(zhì)點(diǎn)②W、Mo、Cr等阻礙A晶粒長大的作用中等；③Ni、Si、Cu、Co等阻礙A晶粒長大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于A的晶粒長大。②W、Mo、Cr等阻礙A晶粒長大的作用中等；三、

Me對過冷A分解轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在，使C曲線發(fā)生變化（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響；（2）對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響；（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響。三、Me對過冷A分解轉(zhuǎn)變的影響（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響除Co外，使C曲線右移

（增大過冷A的穩(wěn)定性，推遲P型轉(zhuǎn)變）。

C曲線右移——降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。（1）對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響Me的加入對鋼還有固溶強(qiáng)化的作用；

Me只有當(dāng)淬火加熱溶入A中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加熱溫度不高，保溫時(shí)間較短，Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物未溶解時(shí)，非但不能提高淬透性，反而會由于未溶碳化物粒子能成為P轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。Me的加入對鋼還有固溶強(qiáng)化的作用；Me同時(shí)加入對淬透性的影響:1+1>2例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮Me提高淬透性的作用。Me的加入推遲P型轉(zhuǎn)變的同時(shí),還可在連續(xù)冷卻過程中得到B型組織的鋼。

Me同時(shí)加入對淬透性的影響:1+1>2（2）對中溫轉(zhuǎn)變（B轉(zhuǎn)變）的影響Me作用—影響γ→α轉(zhuǎn)變和C原子擴(kuò)散。首先，對B轉(zhuǎn)變上限溫度BS點(diǎn)的影響。

Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti等元素都降低BS點(diǎn)，使得在B和P轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷A的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)變的C曲線。（2）對中溫轉(zhuǎn)變（B轉(zhuǎn)變）的影響Me還改變B轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。

Si、Mn、Ni、Cr作用>W、Mo、V、TiMe還改變B轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響Me的作用——影響Ms~Mf溫度，殘留A含量，及M的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms和Mf下降。（3）對低溫轉(zhuǎn)變（M轉(zhuǎn)變）的影響殘余A含量對性能的影響—?dú)堄郃量過高（有時(shí)達(dá)30%-40%），鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。對于A不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下（

Ms點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫或零下）獲得穩(wěn)定的單相A組織，必須加入大量A形成元素。通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。

殘余A含量對性能的影響—?dú)堄郃量過高（有時(shí)達(dá)30%-40%）對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余A量，需要進(jìn)行附加的處理：1冷處理就是將淬火后的鋼件在負(fù)溫下繼續(xù)冷卻，使殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)镸的工藝。如生產(chǎn)上采用干冰與酒精混合可獲得-70℃的低溫。對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了降低殘余A量，需要進(jìn)行附加的處理：2多次回火過程中殘余A發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余A中的合金成分，使殘余A的Ms、Mf點(diǎn)升高，而在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)镸或B（稱為二次淬火），從而使殘余A量減少。2多次回火過程中殘余A發(fā)生合金碳化物的析出，降低了殘余A中四、Me對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響提高鋼的回火穩(wěn)定性——使回火過程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。具體為（1）Me對M分解的影響（2）Me對殘余A轉(zhuǎn)變的影響（3）Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響（4）Me對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響（5）Me對回火脆性的影響

四、Me對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變的影響

（1）M分解

低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大中溫以上：Me活動(dòng)能力增強(qiáng)，對M分解產(chǎn)生不同程度影響:

1）Ni、Mn的影響很小；2）K形成元素阻止M分解，其程度與它們與C的親和力大小有關(guān)。這些Me↓ac，阻止了滲碳體的析出長大；

（1）M分解低溫回火：C和Me擴(kuò)散較困難，Me影響不大3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和Fe的結(jié)合力>Fe和C的結(jié)合力,↑ac

↓ε-FeXC的形核、長大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要從ε中出去↓ε→Fe3C

效果:含2%Si能使M分解溫度從260℃提高到350℃以上3）Si比較特殊：<300℃時(shí)強(qiáng)烈延緩M分解Si和F（2）對殘余A轉(zhuǎn)變的影響

（2）對殘余A轉(zhuǎn)變的影響（3）回火時(shí)K的形成

各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：MeSiMnCrMoW\VT,℃>300>350>400~500>500>500~5501）K長大聚集溫度：M3C型，350~400℃；其它K，450~600℃；2）K成分變化和類型轉(zhuǎn)變K轉(zhuǎn)變ε-FeXC→Fe3C→M3C→亞穩(wěn)特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500

能否形成特殊K，取決于:①M(fèi)e性質(zhì)、NM/NC比值；②T和t。（3）回火時(shí)K的形成各元素明顯開始擴(kuò)散的溫度為：3）特殊K的形成原位析出：αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)異位析出：αM→αP+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出→二次硬化，直接析出→貢獻(xiàn)最大3）特殊K的形成（4）對F回復(fù)再結(jié)晶的影響

合金元素大都使F回復(fù)與再結(jié)晶的過程延緩，其中Co、Mo、W、Cr、V顯著提高α相的再結(jié)晶溫度；Si、Mn次之；Ni最小。

碳鋼中，α相高于400℃開始回復(fù)，500℃開始再結(jié)晶，加入2%的Co時(shí)，α相的再結(jié)晶溫度可提高到630℃。幾中合金元素的綜合效果更顯著。（4）對F回復(fù)再結(jié)晶的影響合金元素大都使F回復(fù)（5）對回火脆性的影響

1）第1類回火脆性

脆性特征

①不可逆；300℃左右;②與回火后冷速無關(guān)；③晶界脆斷。產(chǎn)生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②雜質(zhì)元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界強(qiáng)度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si↑脆性溫度區(qū).（5）對回火脆性的影響脆性①不可逆；300℃2）第2類回火脆性

脆性特征

①可逆；450℃—650℃；②回火后慢冷產(chǎn)生，快冷抑制；③晶界脆斷.產(chǎn)生原因

①雜質(zhì)Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成網(wǎng)狀或片狀化合物,↓晶界強(qiáng)度。高于回脆溫度，雜質(zhì)擴(kuò)散離開晶界或化合物分解；快冷抑制雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化劑；Mn、Ni與雜質(zhì)元素共偏聚，是促進(jìn)劑；Cr促進(jìn)其它元素偏聚，助偏劑；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑2）第2類回火脆性脆性①可逆；450

小結(jié)材料學(xué)核心是合金化基本原理，這是材料強(qiáng)韌化矛盾的主要因素。要真正理解“合金元素的作用，主要在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理?xiàng)l件下才能得到體現(xiàn)?！闭莆樟撕辖鹪刈饔眉捌湓诩庸み^程中的演化規(guī)律，才能更好地理解各類鋼設(shè)計(jì)與發(fā)展，才能更好地開發(fā)新工藝、新材料。小結(jié)合金化設(shè)計(jì)K類型及性質(zhì)K形成規(guī)律對相圖影響對C線的影響組織設(shè)計(jì)Me對過程影響Me對工藝性作用強(qiáng)韌化矛盾演化規(guī)律鋼強(qiáng)化基本機(jī)理合金韌化基本途徑合金化K類型K形成對相圖對C線組織Me對過Me對工強(qiáng)韌化矛盾1.6微量元素在鋼中的作用常見微量元素O、N、B、V、Ti……微合金化——BNVTiZrNbRE改善切削加工性——SSeBiPbCa凈化、變質(zhì)——TiZrRECa有害——PSAsSnPb1.6微量元素在鋼中的作用常見微量元素O、N、B、V、T凈化作用

脫氧，去氮，降氫，減少非金屬夾雜物

改善夾雜物類型及分布變質(zhì)作用降低形核功，增大形核率阻礙晶粒長大夾雜物理想形態(tài)是球形改變夾雜物有益作用凈化脫氧，去氮，降氫，減少非金屬夾雜物變質(zhì)降低形核功