鋼鐵中的合金元素課件

關(guān)于鋼鐵中的合金元素第1頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三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15mm～20mm。2、強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較低3、回火穩(wěn)定性差4、不能滿足特殊性能要求第2頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三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(qiáng)度與韌性的配合，或高的低溫韌性，或高溫下有高的蠕變強(qiáng)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3頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三鋼中常用合金元素有：B（硼）、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4頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)鐵基固溶體鐵在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生如下的多型性轉(zhuǎn)變：

α-Fe→（910℃A3）γ-Fe→（1390℃A4）δ-Fe

第5頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三合金元素對(duì)鐵多型性轉(zhuǎn)變的影響分為兩大類：

奧氏體形成元素：在γ-Fe中有較大溶解度并能穩(wěn)定γ-Fe的元素（Mn、Ni、Co、C，N，Cu等）；鐵素體形成元素：在α-Fe中有較大溶解度并使γ-Fe不穩(wěn)定的元素（Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等）。第6頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三1、擴(kuò)大γ區(qū)的元素（奧氏體形成元素）

它們能擴(kuò)大γ相存在的溫度范圍，使A3下降，A4上升?？煞譃閮煞N情況：（1）完全擴(kuò)大γ區(qū)（開啟相區(qū)）：如Mn，Ni，Co等，它們可與γ-Fe無限固溶，使α和δ相區(qū)縮??；第7頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三（2）部分?jǐn)U大γ區(qū)：如C，N，Cu等，它們只能與γ-Fe有限固溶。第8頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三2、擴(kuò)大α區(qū)的元素（鐵素體形成元素）

它們能縮小γ相而擴(kuò)大α相存在的溫度范圍，使A3上升、A4下降?？煞譃閮煞N情況：（1）完全封閉γ區(qū)元素：如Cr，Mo，W，V，Ti，Al，Si等，γ相區(qū)被α相區(qū)封閉，在相圖上形成γ圈；第9頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三（2）部分縮小γ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γ圈。第10頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)合金元素與鋼中

晶體缺陷的相互作用溶質(zhì)原子在完整晶體內(nèi)引起的畸變能很高，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(cuò)等缺陷區(qū)，以降低能量。1、溶質(zhì)原子與晶界結(jié)合，形成晶界偏聚（內(nèi)吸附）；2、溶質(zhì)原子與位錯(cuò)結(jié)合，形成柯垂耳氣團(tuán)。第12頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三晶界偏聚及其偏聚濃度溶質(zhì)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(duì)合金的組織和性能產(chǎn)生巨大的影響，如晶界強(qiáng)化、晶界脆性、晶間腐蝕、晶界遷移、相變時(shí)晶體缺陷處形核等?？梢杂孟率焦浪憔Ы鐓^(qū)的溶質(zhì)偏聚濃度cg：（c0為溶質(zhì)在基體晶內(nèi)的濃度，E值為畸變能）第13頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用(a)比基體原子大的溶質(zhì)原子趨向于缺陷區(qū)受膨脹的點(diǎn)陣；(b)比基體原子小的溶質(zhì)原子趨向于缺陷區(qū)受壓縮的點(diǎn)陣；(c)間隙原子趨向于缺陷區(qū)受膨脹的點(diǎn)陣間隙位置。第14頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三溶質(zhì)原子在晶界或缺陷處偏聚可以使點(diǎn)陣畸變松弛，從而降低體系內(nèi)能，所以這種偏聚過程是自發(fā)進(jìn)行的。晶界偏聚是一個(gè)擴(kuò)散過程，只有在溶質(zhì)原子能擴(kuò)散的溫度范圍才能發(fā)生，并需要一定時(shí)間才能達(dá)到該溫度下溶質(zhì)的晶界平衡偏聚能度。溶質(zhì)元素之間發(fā)生強(qiáng)相互作用，叫做共偏聚。例如鎳、鉻、錳與磷、錫、銻共偏聚而促進(jìn)回火脆性。第15頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)鋼中的碳化物和氮化物1、碳化物的類型當(dāng)rc／rM＜0.59時(shí)．形成簡單密排結(jié)構(gòu)的間隙化合物；當(dāng)rc／rM＞0.59時(shí)，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。第16頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三簡單點(diǎn)陣碳化物結(jié)構(gòu)示意圖第17頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三復(fù)雜點(diǎn)陣碳化物結(jié)構(gòu)示意圖第18頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三簡單點(diǎn)陣的碳化物，也叫間隙相，主要有MC和M2C類型。復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物主要有M23C6、M7C3和M3C類型。鋼中由于Fe－Me－C三種元素存在，還會(huì)形成三元碳化物，包括MC、M2C、M23C6、M7C3、

M3C和M6C六種類型。第19頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三2、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(jié)合強(qiáng)度愈大，在鋼中的穩(wěn)定性也愈大。也可以用生成熱△H值來比較，生成熱絕對(duì)值愈高，其穩(wěn)定性也愈高。生成熱△H絕對(duì)值由大到小順序?yàn)椋篢i、Zr、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Mn、Fe第20頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三因此，過渡族金屬元素可依其與碳的結(jié)合強(qiáng)度的大小分類：1、鈦、鋯、鈮、釩是強(qiáng)碳化物形成元素；2、鎢、鉬、鉻是中等強(qiáng)度碳化物形成元素；3、錳和鐵屬于弱碳化物形成元素。第21頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三強(qiáng)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(qiáng)碳化物形成元素Ti、V、Nb、Zr形成，在900℃以上才開始溶解于γ-Fe中，1100℃以上才大量溶解，在500～700℃范圍析出時(shí)，具有較低的聚集長大速度，因而可以成為鋼中的強(qiáng)化相。第22頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三M2C型碳化物：主要是中強(qiáng)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500~650℃范圍的強(qiáng)化相。第23頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三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(qiáng)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(qiáng)化相。第24頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三3、氮化物及其穩(wěn)定性根據(jù)過渡族金屬與氮的結(jié)合強(qiáng)度分類：強(qiáng)氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中強(qiáng)氮化物形成元素：W、Mo；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe。第25頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)鋼中存在多種過渡族金屬元素時(shí)，存在著復(fù)合碳化物和復(fù)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26頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三此外，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，只有在1100℃以上才大量溶于γ-Fe，在較低溫度下又重新析出。在生產(chǎn)中可以利用氮化物的彌散強(qiáng)化作用來提高鋼的疲勞強(qiáng)度，利用氮化物的高硬度來進(jìn)一步提高表面硬度和耐磨性。第27頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)鋼中的金屬間化合物

金屬間化合物是指由兩個(gè)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(jié)構(gòu)和金屬基本特性的化合物。一、σ相在不銹鋼、高合金耐熱鋼及耐熱合金中，都會(huì)出現(xiàn)σ相。其化學(xué)式為AB或

AxBy，如FeCr、FeMo、FeV等。σ相對(duì)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28頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三在二元系中，形成σ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s＋d層電子濃度）在5.7~7.6范圍。第29頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三為避免在合金中出現(xiàn)σ相，可用元素的電子缺位數(shù)NV來進(jìn)行合金設(shè)計(jì)。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(dāng)NV值＜2.52時(shí)，不出現(xiàn)σ相。第30頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三二、AB2相（拉維斯相）含鎢、鉬、鈮和鈦的復(fù)雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，均存在AB2相。它是現(xiàn)代耐熱鋼和合金以及鎂合金中的一種強(qiáng)化相。AB2相是尺寸因素起主導(dǎo)作用的化合物，但它具有哪一種點(diǎn)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(shí)，都能形成AB2相。第31頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三三、AB3相（有序相，如γ′-Ni3Al）鋼和合金中存在著多種有序結(jié)構(gòu)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)。

γ′-Ni3Al為L12型結(jié)構(gòu)，屬面心立方結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜成分耐熱鋼和耐熱合金中，γ′—Ni3Al是重要的強(qiáng)化相。第32頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第五節(jié)合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響

一、合金元素對(duì)鋼臨界點(diǎn)的影響合金元素對(duì)碳鋼的重要影響是改變臨界點(diǎn)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33頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三1、擴(kuò)大γ相區(qū)的奧氏體形成元素使Fe－C相圖中A3和A1溫度下降（如Mn）,但鈷例外。第34頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三2、縮小γ相區(qū)的鐵素體形成元素使A3和A1溫度升高（如Mo）。第35頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三3、幾乎所有的合金元素都使共析點(diǎn)和共晶點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，即S點(diǎn)和E點(diǎn)左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化。第36頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第37頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第六節(jié)合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響

1、對(duì)奧氏體形成速度的影響（1）Cr、Mo、W、V等強(qiáng)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(kuò)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(kuò)散速度，使奧氏體的形成速度加快。（3）Al、Si、Mn等合金元素對(duì)奧氏體形成速度影響不大。第38頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三2、對(duì)奧氏體晶粒大小的影響

（1）強(qiáng)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(diǎn)的AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也強(qiáng)烈阻止晶粒長大。（2）中等阻礙晶粒長大的元素：W、Mo、Cr。（3）對(duì)晶粒長大影響不大的元素：Si、Ni、Cu。（4）促進(jìn)晶粒長大的元素：Mn、P、B有此傾向。第39頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第七節(jié)合金元素對(duì)過冷奧氏體分解的影響

一、合金元素對(duì)C曲線的影響第40頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三1、鈦、鈮、釩、鎢、鉬（Ti、Nb、V、W、Mo）等元素強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少，同時(shí)升高珠光體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度，降低貝氏體最大轉(zhuǎn)變速度的溫度。使C曲線分離開來，出現(xiàn)兩個(gè)C曲線。第41頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三2、鉻和錳（Cr、Mn）都有強(qiáng)烈推遲珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變的作用，而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(zhuǎn)變的作用更強(qiáng)烈，并且將珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)分開。第42頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三4、非碳化物形成元素鎳Ni有強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的作用。當(dāng)鎳含量高時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變完全被抑制，僅在500℃以下發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)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(gè)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(zhuǎn)變C曲線的形狀。第43頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三6、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0.0005～0.003％硼（B），硼是內(nèi)吸附元素，主要存在于奧氏體晶界，它使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的C曲線的位置向右移，但對(duì)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44頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三二、合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的影響

1、強(qiáng)碳化物鈦、鈮、釩主要是通過推遲珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)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(qiáng)碳化物形成元素鎢、鉬、鉻除了推遲珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)碳化物形核和長大外，還通過增加固溶體原子間結(jié)合力，降低鐵的自擴(kuò)散激活能，從而減慢γ→α轉(zhuǎn)變；第45頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三3、弱碳化物錳推遲珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，富錳的合金滲碳體（Fe，Mn）3C的形核和長大，同時(shí)錳又是擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，起穩(wěn)定奧氏體并強(qiáng)烈推遲γ→α轉(zhuǎn)變的作用；4、非碳化物形成元素鎳、鈷、硅和鋁對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變中碳化物形核和長大的影響小，主要表現(xiàn)在推遲γ→α轉(zhuǎn)變。第46頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三三、合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響

1、碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS點(diǎn)，使得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)變的C曲線。2、合金元素改變貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變?cè)杏?，減慢長大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強(qiáng)，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。3、鈷由于升高A3點(diǎn)，降低α相的化學(xué)自由能，使轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力增加，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。第47頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三四、合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響

1、絕大多數(shù)合金元素都降低MS點(diǎn)，只有鈷和鋁相反。2、隨鋼中合金元素增加，MS和Mf點(diǎn)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(dāng)MS點(diǎn)溫度高于200℃

時(shí)，形成位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的馬氏體；在MS點(diǎn)低于200℃時(shí)，馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。第48頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三第八節(jié)合金元素對(duì)淬火鋼

回火轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響主要有以下三點(diǎn)：1、提高回火穩(wěn)定性。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。2、產(chǎn)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49頁，講稿共54頁，2023年5月2日，星期三回火穩(wěn)定性回火穩(wěn)定性就是鋼對(duì)于回火時(shí)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