鋼合金化概論

鋼合金化概論第1頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1

Me和Fe基二元相圖一、鋼中的Me

1、雜質(zhì)元素（impurity-element）常存雜質(zhì)

冶煉殘余，由脫氧劑帶入。Mn、Si、Al；S、P難清除。隱存雜質(zhì)偶存雜質(zhì)

生產(chǎn)過程中形成，微量元素O、H、N等。

與煉鋼時(shí)的礦石、廢鋼有關(guān)，如Cu、Sn、Pb、Cr等。第2頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

熱脆性——S——FeS(低熔點(diǎn)989℃)；？

冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氫脆——H——白點(diǎn)。2、合金元素（alloying-element）為合金化目的加入，其加入量有一定范圍的元素稱為合金元素。鋼中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。第3頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、Me和Fe的作用

純Fe→

Fe-C相圖的變化特點(diǎn)。Me和Fe的作用：1、γ穩(wěn)定化元素使A3↓，A4↑，γ區(qū)擴(kuò)大a)與γ區(qū)無限固溶——

Ni、Mn、Co開啟γ區(qū)——

量大時(shí)，室溫為γ相；b)與γ區(qū)有限固溶

——

C、N、Cu

——

擴(kuò)大γ區(qū)。第4頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（相關(guān)內(nèi)容復(fù)習(xí)：）第5頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月ANG純鐵的冷卻曲線Fe-Fe3C相圖（局部）第6頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月Vc第9頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月板狀馬氏體①馬氏體變溫形成，與t保無關(guān)；②馬氏體轉(zhuǎn)變不完全性，鋼中常存在殘余A（性能下降）,常要求淬火T接近Mf“冷處理”.③馬氏體性能與含碳量有關(guān)

非擴(kuò)散型（Fe和C均不擴(kuò)散）C在α-Fe中的過飽和固溶體（bcc）240～-50M片（針）狀馬氏體馬氏體板狀：低碳鋼中，F(xiàn)和Fe2.4C的復(fù)相組織。片狀：高碳鋼中，復(fù)相組織。F飽和+Fe2.4C350～240B下下貝氏體羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間，不均勻分布短桿（片狀）Fe3C,脆性大，工業(yè)上不應(yīng)用半擴(kuò)散型（只有C擴(kuò)散）F飽和+Fe3C550～350B上上貝氏體貝氏體間距：0.03～0.08μm，2000×600～550T屈氏體間距：0.25~0.08μm，1000×650～600S索氏體片層間距：0.25～1.9μm，500×擴(kuò)散型（Fe和C均擴(kuò)散）F+Fe3CA1～650P珠光體珠光體特征轉(zhuǎn)變類型相組成轉(zhuǎn)變溫度/℃符號(hào)組織名稱注：w（c）≥1.0％時(shí)形成片狀馬氏體，HRC：64～66；w（c）≤0.2％時(shí)形成板狀馬氏體，HRC：30～50。第10頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月奧氏體的形成過程

奧氏體形核→奧氏晶核長(zhǎng)大→殘余滲碳體的溶解→奧氏體均勻化第11頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、α穩(wěn)定化元素使A3↑，A4↓，γ區(qū)縮小a)完全封閉γ區(qū)—Cr、V、W、Mo、TiCr、V與α-Fe完全互溶，量大時(shí)→α相?W、Mo、Ti等部分溶解b)縮小γ區(qū)——Nb等。穩(wěn)定γ相——A形成元素，穩(wěn)定α相——A形成元素。第12頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)Ni，Mn，Co

(b)C，N，Cu

(c)Cr，V

(d)Nb,B等

圖1合金元素和Fe的作用狀態(tài)

第13頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2Me對(duì)Fe-C相圖的影響一、對(duì)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(duì)共析溫度的影響

合金元素對(duì)共析碳量的影響

第14頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、對(duì)臨界點(diǎn)的影響

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）線向下移動(dòng)；F形成元素Cr、Si等使A1（A3）線向上移動(dòng)三、對(duì)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—奧氏體鋼；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。第15頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

鉻對(duì)鋼γ區(qū)的影響錳對(duì)鋼γ區(qū)的影響

第16頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3鐵基固溶體一、置換固溶體

合金元素在鐵點(diǎn)陣中的固溶情況

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)無限無限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*無限無限無限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與C量有關(guān)

不同元素的固溶情況是不同的。為什么?簡(jiǎn)單地說：這與合金元素在元素周期表中的位置有關(guān)。第17頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用合金元素點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

第18頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無限固溶；（3）Cu和γ-Fe點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大——有限固溶；（4）原子半徑對(duì)溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。結(jié)論第19頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素的固溶規(guī)律，即Hume-Rothery規(guī)律

決定組元在置換固溶體中的溶解度因素是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.第20頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

①有限固溶C、N、B、O等

②溶解度溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：同一溶劑金屬不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的——

如γ-Fe與α-Fe。溶質(zhì)原子大?。簉↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。

③間隙位置優(yōu)先占據(jù)有利間隙位置——畸變?yōu)樽钚?。間隙位置總是沒有被填滿——

最小自由能原理。

二、間隙固溶體第21頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4碳（氮）化物(K)

一、鋼中常見的碳化物

K類型、大小、形狀和分布對(duì)鋼的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等

K形成元素：Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由強(qiáng)到弱排列）第22頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼中常見的K類型有：

M3C：滲碳體，正交點(diǎn)陣；

M7C3：例Cr7C3，復(fù)雜六方；

M23C6：例Cr23C6，復(fù)雜立方；

M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；

MC：例VC、TiC，簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣；

M6C：不是一種金屬K。復(fù)雜六方點(diǎn)陣。K也有空位存在；可形成復(fù)合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

第23頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6、M7C3、M3C。特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差；簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。

M6C型不屬于金屬型的碳化物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)，性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。第24頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1、K類型

K類型與Me的原子半徑有關(guān)。各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

二、K形成的一般規(guī)律第25頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

rc/rMe>0.59

—復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；

rc/rMe<0.59

—簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。

Me量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（Cr,M）23C6型。第26頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、相似者相溶

完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C；TiC~VC。

有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值為<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入強(qiáng)者,使K穩(wěn)定性↑;溶入弱者,使K穩(wěn)定性↓第27頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、強(qiáng)者先，依次成

K形成元素中，強(qiáng)者優(yōu)先與C結(jié)合，隨C↑，依次形成K。如：在含Cr、W鋼中，隨C↑，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果鋼中C量有限，則弱的K形成元素溶入固溶體。如：在低碳含Cr、V的鋼中，大部分Cr都在基體固溶體中。第28頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4、NM/NC比值決定了K類型

形成什么K主要決定于當(dāng)時(shí)的NM/NC比值(固溶體中合金元素和碳的原子數(shù)比值)

退火態(tài):在Cr鋼中，隨NM/NC↑，先后形成順序?yàn)椋篗3C→M7C3→M23C6。

回火態(tài):基體中的NM/NC↑，則析出的K中NM/NC也↑。如W鋼回火時(shí)，析出順序?yàn)椋篎e21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC是不斷↑。第29頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月5、強(qiáng)者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長(zhǎng)大也是難

MC型在1000℃以上才開始溶解；回火時(shí)，在500~700℃才析出，并且不易長(zhǎng)大，產(chǎn)生“二次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強(qiáng)化方法。第30頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5Me在鋼中的存在形式

一、Me在不同狀態(tài)下的分布

1、退火、正火態(tài)

非K形成元素基本上固溶于基體中，而K形成元素視C和本身量多少而定。優(yōu)先形成K，余量溶入基體。

2、淬火態(tài)

Me分布與淬火工藝有關(guān)。溶入A體的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。

3、回火態(tài)

低回:Me不重新分布；>400℃，Me開始重新分布。非K形成元素仍在基體中，K形成元素逐步進(jìn)入析出的K中，其程度決定于回火溫度和時(shí)間。第31頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、Me的偏聚（Segregation）

偏聚現(xiàn)象

Me偏聚→缺陷處>

基體平均這種現(xiàn)象也稱為內(nèi)吸附或偏聚現(xiàn)象。

偏聚現(xiàn)象對(duì)鋼的組織和性能產(chǎn)生了較大影響，如晶界擴(kuò)散、晶界斷裂、晶界腐蝕、相變形核等都與此有關(guān).

Me+⊥：溶質(zhì)原子在刃型位錯(cuò)處吸附，形成Cottrell氣團(tuán)；Me+≡：溶質(zhì)原子在層錯(cuò)處吸附形成鈴木氣團(tuán)；Me+◎：溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)吸附形成Snoek氣團(tuán).第32頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月偏聚機(jī)理

溶質(zhì)原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能↓，符合自然界最小自由能原理。結(jié)構(gòu)學(xué)：缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原子容易存在；能量學(xué)：原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能↓，符合自然界最小自由能原理。（在沒有強(qiáng)制外力作用下，事物總是朝著↓能量的方向發(fā)生。即使暫時(shí)不發(fā)生，也存在潛在的趨勢(shì)。熱力學(xué)：該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。第33頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月影響因素

缺陷處溶質(zhì)濃度

溫度T：T↓，內(nèi)吸附強(qiáng)烈；

時(shí)間t：偏聚需要原子擴(kuò)散→需要一定時(shí)間；

缺陷本身：缺陷越混亂，E↑，吸附也越強(qiáng)烈;

其它元素：①間接作用:優(yōu)先吸附問題,B與C②直接作用:影響吸附元素D

,

Mn↑DP，使P擴(kuò)散加快，促進(jìn)了鋼的回火脆性；

Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。

點(diǎn)陣類型：bcc點(diǎn)陣內(nèi)吸附較fcc強(qiáng)烈第34頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6合金鋼的加熱A化

一、K在A中的溶解規(guī)律

基本規(guī)律

1）K穩(wěn)定性越好，溶解度就越小；

2）溫度↓，溶解度↓，→沉淀析出；

3）K穩(wěn)定差的先溶解

;

4）A中有弱K形成元素，則會(huì)↓C活度ac，→↑K的溶解；非K形成元素（如Ni）則相反,↑ac，↓K的溶解。如：較多Mn的存在使VC的溶解溫度從1100℃降至900℃。第35頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關(guān)系

第36頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、A體均勻化

A體剛形成時(shí)，C和Me的分布是不均勻的.

合金鋼加熱均勻化與碳鋼相比有什么區(qū)別?三、A體晶粒長(zhǎng)大

1）Ti、Nb、V強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈↓↓A，W、Mo↓A晶粒長(zhǎng)大；2）C、N、B、P↑A晶粒長(zhǎng)大（在A晶界偏聚，↓晶界Fe自擴(kuò)散Q）；3）Ni、Co、Cu等非K形成元素作用不大。第37頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7過冷A體的分解

一、過冷A體的穩(wěn)定性

過冷A體穩(wěn)定性實(shí)際上有兩個(gè)意義：孕育期和相變速度。孕育期的物理本質(zhì)是新相形核的難易程度，轉(zhuǎn)變速度主要涉及新相晶粒的長(zhǎng)大。1）Ni、Si和Mn，大致保持C鋼的“C”線形狀，使“C”線向右作不同程度的移動(dòng)；2）Co不改變“C”線，但使“C”線左移；3）K形成元素，使“C”線右移，且改變形狀。Me不同作用，使“C”曲線出現(xiàn)不同形狀，大致有五種。第38頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月“C”曲線五種形狀第39頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用合金元素對(duì)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響(上左)強(qiáng)K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素第40頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、過冷A體的P、B轉(zhuǎn)變

P轉(zhuǎn)變：需要C和Me都擴(kuò)散；

Me都不同程度推遲P轉(zhuǎn)變（使轉(zhuǎn)變曲線右移），影響順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si。

貝氏體轉(zhuǎn)變：C原子作短程擴(kuò)散，Me幾乎沒有擴(kuò)散。Me增長(zhǎng)孕育期，減慢長(zhǎng)大速度。影響順序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影響很小。三、Me對(duì)Ms的影響

各種Me對(duì)Ms位置的影響程度是不同的。

第41頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：

W、Mo等元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大，而對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的推遲作用大，如何理解?對(duì)一般結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮其MS點(diǎn)不能太低，為什么?第42頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8

合金鋼的回火轉(zhuǎn)變

一、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(duì)M分解產(chǎn)生不同程度影響:

1）Ni、Mn的影響很?。?）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(zhǎng)大；第43頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月正火是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上適當(dāng)溫度（30~50℃），保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝?；鼗鹗菍⒋慊痄撛贏1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s到室溫的工藝過程。減少和消除淬火應(yīng)力。低溫回火（150～250℃）回火馬氏體，高硬度、高強(qiáng)度、良好耐磨性，提高了韌性。中溫回火（350～500℃）回火屈氏體，高彈性極限，高強(qiáng)度硬度，良好塑性和韌性。高溫回火（500～650℃）回火索氏體，淬火+高溫回火—調(diào)質(zhì)處理，優(yōu)良綜合機(jī)械性能。第44頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要從ε中出去↓ε-FeXC→Fe3C

效果:含2%Si能使M分解溫度從260℃提高到350℃以上第45頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4）合金鋼回火時(shí)M中含C量變化規(guī)律基本規(guī)律

①滲碳體形成開始溫度與合金化無關(guān)

②含非碳化物形成元素（Si除外）的合金鋼（線2）和C鋼（線1）規(guī)律相同；

③在相同回火溫度Tt下，合金鋼馬氏體中含C量要比C鋼的高，如圖中的C3>C1，2；

④不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物的溫度TK是不同的，線3的下降幅度也是是不同的。第46頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

回火時(shí)馬氏體中C量的變化

線1-C鋼;線2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金鋼;線3-含碳化物形成元素的合金鋼

第47頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(zhǎng)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?chǔ)?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。第48頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

釩鋼（0.3C,2.1V）在1250℃淬火不同溫度回火2h，碳化物成分、結(jié)構(gòu)和硬度的變化第49頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月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)最大第50頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、回火脆性

1、第1類回火脆性（低溫回火脆性）

脆性特征

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

①200-350℃

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

Mn、Cr、Ni↑脆性；Mo、Ti、V、Al改善脆性；Si推遲脆性溫度區(qū).第51頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、第2類回火脆性（高溫回火脆性450-650℃

）

脆性特征

①可逆；（Cr-Ni鋼大炮）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、Sn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，清除劑第52頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月Me對(duì)相圖的影響Me與C的作用Me在材料處理各過程中的行為表現(xiàn)加熱冷卻回火溫度時(shí)間一方面要清楚材料處理各過程的演化規(guī)律;另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響.為理解Me的作用→要了解鋼的基本強(qiáng)化機(jī)理.第53頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.9

Me對(duì)鋼強(qiáng)韌化的作用

一、Me對(duì)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)度固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化第54頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月表達(dá)式

Ki為系數(shù)，Ci為固溶度。對(duì)于C、N等間隙原子，n=0.33~2.0；對(duì)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(chǎng)，與位錯(cuò)交互作用→↑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力1、固溶強(qiáng)化第55頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

合金元素對(duì)低碳鐵素體強(qiáng)度和塑性的影響Si、Mn的固溶強(qiáng)化效應(yīng)大，但Si>1.1%，Mn>1.8%時(shí)，鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強(qiáng)化效應(yīng)最大。

第56頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

合金元素對(duì)Cr18Ni9型不銹鋼的強(qiáng)化效應(yīng)Ⅰ-間隙元素，Ⅱ-F形成元素，Ⅲ-A形成元素第57頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、位錯(cuò)強(qiáng)化

表達(dá)式機(jī)理

Kd為系數(shù)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。對(duì)bcc晶體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果較好?效果

在強(qiáng)化的同時(shí)，同樣也降低了伸長(zhǎng)率，提高了韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK第58頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月3、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，Kg為系數(shù)第59頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶界處位錯(cuò)塞積現(xiàn)象第60頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月4、第二相強(qiáng)化表達(dá)式機(jī)理粒子間距

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)式第61頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯(cuò)被質(zhì)點(diǎn)障礙物所擋住第62頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月在低碳結(jié)構(gòu)鋼中各種強(qiáng)化效果示意圖第63頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、合金鋼強(qiáng)化的有效性

最終強(qiáng)化有效性取決于強(qiáng)化和弱化的綜合結(jié)果。1、強(qiáng)化的有效性

強(qiáng)化:彌散析出ΔσP>|-ΔσS|硬度峰值弱化:M分解ΔσP<|-ΔσS|弱化緩慢第64頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖強(qiáng)化和弱化的演變1-M分解；2-彌散析出；3-綜合效應(yīng)

第65頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、Me對(duì)強(qiáng)化有效性的影響

強(qiáng)化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。

Me量↑→彌散相量↑(有足夠的C)→二次硬化↑

例：含0.1~0.15%C鋼，需0.1~0.2%V；0.08~0.12%Nb；2.5~3.0%Cr強(qiáng)化≥弱化Me最小濃度臨界值K類型含C量第66頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖

V對(duì)40鋼回火硬度的作用不同含C量的V鋼，如產(chǎn)生二次硬化，V的臨界濃度是不同的，為什么?第67頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)結(jié)構(gòu)鋼，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)最大。合金鋼與C鋼的強(qiáng)韌性差異，主要不在于Me本身的強(qiáng)化作用，而在于Me對(duì)鋼相變過程的影響，并且Me的良好作用，只有在進(jìn)行合適的熱處理?xiàng)l件下才能充分得到發(fā)揮。需要充分理解第68頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、Me對(duì)鋼韌性的影響

1、影響韌性的因素

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(huì)程度不同地↓韌性。危害最大是間隙固溶；沉淀強(qiáng)化較小,但對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)較大。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↓韌性第69頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月晶粒度

細(xì)晶既↑σS，又↓↓TK（韌脆轉(zhuǎn)變溫度）,即↑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)第70頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

合金元素對(duì)鐵素體沖擊韌度的影響

晶粒大小對(duì)強(qiáng)度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的影響第71頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能第72頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月2、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）降低或消除鋼的回火脆性——W、Mo；

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

第73頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：

有些零件為什么要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而不直接用正火態(tài)?第74頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10Me對(duì)鋼工藝性的影響

一、冷成形性

冷成型性包括：深沖、拉延、彎曲等。

冷作硬化率是在冷變形過程中，材料變硬變脆程度的表征參量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。P、Si、C等元素↑↑冷作硬化率。需要冷成型的材料應(yīng)嚴(yán)格控制P、N量，盡可能↓Si、C等量。第75頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱壓力加工性

熱壓力加工有鍛造、軋制、拉拔等。

Me溶入基體→產(chǎn)生畸變,↑熱變形抗力→熱壓力加工性能↓。如Mo、W、Cr、V等元素影響較大。C和Me量較多時(shí)，形成共晶K，熱壓力加工性更差。

合金鋼的熱壓力加工性能比碳鋼差。高速鋼等高合金鋼的熱壓力加工難度是較大的.第76頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月三、切削加工性

不同情況側(cè)重點(diǎn)不同，如粗加工，主要考慮速度；精加工主要考慮表面粗糙度。

C鋼硬度在170~230HB，切削性能最好.對(duì)組織來說，P:F=1:1較佳。不同含C量的鋼要得到較好的切削性，其預(yù)處理是不同的：對(duì)C鋼:<0.1%C,宜淬火；<0.5%C,宜正火；<0.8%C,宜退火；>0.8%C,宜球化退火第77頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題：為什么鋼的切屑是連續(xù)的，而鑄鐵的切屑是碎片狀斷開的?第78頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月四、材料的熱處理工藝性鋼號(hào)合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量

/%P轉(zhuǎn)變?cè)杏?/p>

/秒35CrCr+Ni=1.341235CrMoCr+Mo=1.383540CrNiMoCr+Mo+Ni=3.25500淬透性

一般是指淬火時(shí)獲得M的能力.合金元素復(fù)合作用大,不是簡(jiǎn)單加和.第79頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月在結(jié)構(gòu)鋼中，↑M淬透性作用顯著的元素從大到小排列：（B）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni。淬透性好的作用

可以使工件得到均勻而良好的力學(xué)性能，滿足技術(shù)要求；

在淬火時(shí)，可選用較緩和的冷卻介質(zhì)，以減小工件的變形與開裂傾向第80頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月+Mo→能有效↓P轉(zhuǎn)變，但不能完全↓先共析F的析出↑B淬透性

+B→偏聚晶界→有效抑制先共析F的析出0.40%C析出5%F（600℃）

0.14%Mo0.35%Mo0.60%Mo

1∶2∶4P開始轉(zhuǎn)變時(shí)間

1∶3∶36貝氏體淬透性合金化基本元素是0.5%Mo+微量B。第81頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月淬硬性

理想淬火條件下,形成M能達(dá)到的最高硬度.淬硬性主要與鋼的含碳量有關(guān)。變形開裂傾向

熱應(yīng)力→變形;組織應(yīng)力→開裂;附加應(yīng)力較復(fù)雜.影響因素比較復(fù)雜,要綜合分析.采用分級(jí)淬火、等溫淬火或雙液淬火可降低應(yīng)力，減小變形開裂傾向。采用調(diào)質(zhì)、球化退火等預(yù)先熱處理也可減小零件的變形。

第82頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月過熱敏感性和氧化脫碳傾向

奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大的敏感性,→含Mn鋼大.如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。

氧化和脫碳往往伴隨產(chǎn)生.→Si.含硅鋼氧化脫碳傾向較大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。脫碳會(huì)降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，脫碳對(duì)于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的.第83頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月回火穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)

合金鋼回火穩(wěn)定性要比碳鋼好.同樣回火硬度,合金鋼的回火溫度高,時(shí)間也可長(zhǎng)些,應(yīng)力消除也大些;同樣塑韌性,合金鋼的強(qiáng)度比碳鋼高.回火脆性(前面已介紹)第84頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月

鋼的編號(hào)方法自學(xué)第85頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8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。→材料的廢棄物再生循環(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(jiǎn)單合金的概念。第86頁，課件共94頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8.1

通用合金與簡(jiǎn)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、C