鋼中的相組成

鋼中的相組成鋼中可能存在的相鐵素體奧氏體馬氏體Fe3CTiC、W2C、Cr7C3TiN、CrNη、σ、μ氧化物、硫化物、硒化物等鐵基固溶體§2.1碳化物和氮化物§2.2中間相§2.3非金屬夾雜§2.4第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天鐵素體：是碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)“F”（或α）表示，呈體心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度極小，室溫時(shí)僅為0.0008%，在727℃時(shí)達(dá)到最大溶解度0.0218%。鐵素體的顯微組織為多邊形晶粒。鐵素體的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度低。第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天奧氏體：是碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃時(shí)為0.77%，在1148℃時(shí)溶解度最大，可達(dá)2.11%。奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃，顯微組織為多邊形晶粒，晶粒內(nèi)常可見到孿晶（晶粒中平行的直線條）。第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天滲碳體：是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的金屬化合物，用化學(xué)分子式“Fe3C”表示。它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69％，熔點(diǎn)為1227℃，滲碳體其力學(xué)性能特點(diǎn)是硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，它們的大小、數(shù)量、分布對鐵碳合金性能有很大影響。第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天珠光體：是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)“P”表示，珠光體是奧氏體冷卻時(shí)，在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均Wc=0.77%。顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織，高碳鋼經(jīng)球化退火后也可獲得球狀珠光體。珠光體力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好。片狀珠光體球狀珠光體第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天萊氏體：是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=4.3%的鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號(hào)“Ld”表示，存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號(hào)“Ldˊ”表示。萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。萊氏體的組織特征是，在白亮色鐵素體基體上均勻分布著許多黑點(diǎn)（塊）狀或條狀珠光體第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（BCT）。馬氏體的密度低于奧氏體，所以轉(zhuǎn)變后體積會(huì)膨脹。板條狀馬氏體是低碳鋼,其單元立體形狀為板條狀。它的亞結(jié)構(gòu)主要是由高密度的位錯(cuò)組成，所以又稱位錯(cuò)馬氏體。片狀馬氏體則常見于高，中碳鋼，每個(gè)馬氏體晶體的厚度與徑向尺寸相比很小其斷面形狀呈針片狀，故稱片狀馬氏體或針狀馬氏體.其亞結(jié)構(gòu)主要為細(xì)小孿晶,所以又稱為孿晶馬氏體.第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天§2.1鐵基固溶體問題：鋼中的固溶體有哪些？第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天按基體的不同γ基（奧氏體基體）-FCCα基（鐵素體基體）-BCC按溶質(zhì)原子所處的位置置換式固溶體（原子處于Fe的陣點(diǎn)位置）間隙式固溶體（原子處于Fe的點(diǎn)陣間隙位置）第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、鐵基置換固溶體的形成規(guī)律元素在置換式固溶體中的溶解條件：點(diǎn)陣類型：點(diǎn)陣相同，溶解度大尺寸因素：原子半徑越接近，溶解度大

rMe-rFe/rFe<8%無限固溶

8~10%有限溶解

>15%很難溶解電子結(jié)構(gòu)：即在元素周期表中的位置與鐵相差多遠(yuǎn)與其在周期表中的位置有關(guān)第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天ⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPdBiPo①、Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可與Fe形成無限固溶體。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe為基的無限固溶體，Cr和V形成以α-Fe為基的無限固溶體。②、Mo和W只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如

α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③、Ti、Nb、Ta只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、間隙固溶體的形成規(guī)律解決兩個(gè)問題：溶質(zhì)原子的溶解度溶質(zhì)原子的位置四面體間隙還是八面體間隙第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1、溶質(zhì)原子的溶解度規(guī)律a、間隙固溶體都是有限固溶體，它保持著溶劑金屬的晶體點(diǎn)陣。b、間隙固溶體中溶質(zhì)的溶解度取決于溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)和間隙原子的尺寸大小c、鋼常見的間隙原子有B、C、N、O和H。原子半徑減小在鋼中的溶解度增加d、同一間隙原子(如C）在γ－Fe

中比在α-Fe中具有更大溶解度（為什么？）第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2、溶質(zhì)原子的位置

對γ-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體間隙。

對α-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置也是八面體間隙。在面心立方(a,b)和在體心立方(c,d)點(diǎn)陣中的四面體間隙(a,c)與八面體間隙(b,d)第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天§2.2碳化物與氮化物這一節(jié)要解決的問題有兩個(gè)：1、碳化物與氮化物的一般規(guī)律：穩(wěn)定性規(guī)律和結(jié)構(gòu)規(guī)律2、鋼中常見的碳化物和氮化物第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天一、碳化物與氮化物的一般規(guī)律1、穩(wěn)定性規(guī)律NaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSKCaSeTi

V

Cr

Mn

FeCo

Ni

Cu

ZnGaGeAsSePbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTiPdBiPo元素周期表關(guān)于元素活性的一般規(guī)律：①、越往左的元素（族數(shù)的降低），金屬性（還原性）越強(qiáng)，約容易失去電子成為陽離子②、越往下的元素（周期數(shù)的增加），金屬性（還原性）越強(qiáng)，約容易失去電子成為陽離子第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天鋼中的主體元素是：鋼中的主要相組成是：Fe、CFe基固溶體和Fe3C若鋼中含有在Fe左下邊的元素會(huì)怎么樣？這些元素會(huì)取代Fe3C中Fe元素，形成相應(yīng)的碳化物，并且得到的相應(yīng)碳化物的穩(wěn)定性比Fe3C的更穩(wěn)定，而且元素越往左，得到的碳化物的穩(wěn)定性越高；元素越往下，得到的碳化物的穩(wěn)定性亦越高。對氮化物亦然?！撝刑蓟锖偷锓€(wěn)定性一般規(guī)律在鋼中碳化物相對穩(wěn)定性的順序如下：Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天鉿、鋯、鈦、鈮、釩是強(qiáng)碳化物形成元素，形成最穩(wěn)定的MC型碳化物；鎢、鉬、鉻是中強(qiáng)碳化物形成元素；錳、鐵是弱碳化物形成元素合金碳化物在鋼中的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)：強(qiáng)碳化物形成元素它所形成的碳化物比較穩(wěn)定，其溶解溫度較高，溶解速度較慢，析出和聚集長大速度也較低；弱碳化物形成元素的碳化物穩(wěn)定性較差，很容易溶解和析出，并有較大的聚集長大速度。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2、鋼中碳化物和氮化物的結(jié)構(gòu)性規(guī)律①，所有情況下氮化物和碳化物的晶體點(diǎn)陣，均不同于相應(yīng)的過渡族金屬晶體點(diǎn)陣；②，沿周期自左向右（即隨族數(shù)的增大），發(fā)生從體心立方到面心立方或密排六方點(diǎn)陣的過渡；③，第ⅣB和第ⅤB的MC型(如VC,TiC)等具有NaCI型面心立方點(diǎn)陣；④，第VI的M2C型，如W2C，Mo2C具有復(fù)雜六方點(diǎn)陣；第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天二、各類碳化物1、簡單點(diǎn)陣類型（ⅣB和第ⅤB的MC型）碳化物和氮化物a，結(jié)構(gòu)特征：金屬原子以面心立方結(jié)構(gòu)的方式排列，較小的C或N原子占據(jù)所有可以利用的八面體間隙，形成NaCl型的晶體結(jié)構(gòu)。b，特殊性：不是所有的八面體間隙都被間隙原子占據(jù)，其中存在間隙空位。故其化學(xué)式的一般形式是MCx（x≤1，對碳化物，例如V4C3，就是x＝3/4=0.75；而對氮化物，由于N原子半徑小，故可以進(jìn)入四面體間隙，MNx中的x可能會(huì)大于或等于1）第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2、復(fù)雜點(diǎn)陣類型（Ⅵ～ⅧB族）碳化物和氮化物a，W、Mo的M2C型和MC型：

M2C型的W2C和Mo2C具有復(fù)雜六方點(diǎn)陣，而WC和MoC具有簡單六方點(diǎn)陣b，Cr7C3等：具有復(fù)雜六方點(diǎn)陣，單胞80個(gè)原子，一般出現(xiàn)在含Cr為3～4%的結(jié)構(gòu)鋼，Cr可以被Fe原子取代，得到Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3，常用(Cr,Fe)7C3或M7C3表示；第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天c，Cr23C6型的M23C6：出現(xiàn)在含大于Cr為5～8%的高合金鋼，晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方，單胞原子數(shù)為116個(gè)。穩(wěn)定性較Cr7C3高。Cr原子可以部分被Fe、W、Mo取代。但是W、Mo

在其中的最大含量只能是取代92個(gè)金屬原子中的8個(gè)。常用M23C6或(Fe,Cr)23C6表示d，F(xiàn)e2Mo4C，F(xiàn)e4Mo2C等的M6C型：W、Mo在Cr23C6單胞中數(shù)量大于8后，M23C6向M6C轉(zhuǎn)化，具有復(fù)雜立方點(diǎn)陣，單胞原子數(shù)112個(gè)，是復(fù)合碳化物。因W，Mo含量高，其穩(wěn)定性高于Cr23C6.第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天e，滲碳體（正交點(diǎn)陣）M3C型：Fe3C，(FeCr)3C，(FeMn)3C等，單胞原子數(shù)16，①，當(dāng)合金元素含量很少時(shí)，合金元素將不能形成自己特有的碳化物，只能置換滲碳體中的Fe原子，稱為合金滲碳體。其中Mn可以在滲碳體中無限溶解，得到(FeMn)3C；Cr的溶解度為20%，Mo在其中的溶解度較低；V、Nb、Zr、Ti幾乎不溶其中。說明：②，碳化物形成元素的合金元素溶入滲碳體，提高滲碳體的穩(wěn)定性，一般而言，越能形成穩(wěn)定碳化物的元素溶入滲碳體，越提高滲碳體的穩(wěn)定性（對其它合金碳化物亦適應(yīng)），但是，Mo除外（Mo溶入滲碳體降低其穩(wěn)定性）第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天對碳化物和氮化物的補(bǔ)充說明：①，形成碳化物能力越強(qiáng)的元素，其熔點(diǎn)越高，穩(wěn)定性越高。穩(wěn)定性排序：（弱－強(qiáng)）

M3C，M7C3，M6C，M2C，MC②，碳化物穩(wěn)定性越高，熔點(diǎn)高，溶入A中的溫度越高，自馬氏體中析出的溫度越高，聚集長大的傾向越小。提高鋼的回火穩(wěn)定性和回火抗力③，碳化物的穩(wěn)定性越高，可使得鋼在高溫時(shí)效或服役時(shí)不會(huì)發(fā)生明顯的基體中固溶的合金元素向碳化物中擴(kuò)散和再分配.有利于組織穩(wěn)定，提高高溫力學(xué)性能，高溫用鋼的合金化元素④，鋼中的碳化物和氮化物是這門課程的重點(diǎn)，貫穿整個(gè)課程，必須掌握和很好理解與運(yùn)用第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天鋼中常見的碳化物(K)(數(shù)字表示穩(wěn)定性,越小越高)M3C:滲碳體,正交點(diǎn)陣(6)M7C3:例Cr7C3,復(fù)雜六方(4)M23C6:例Cr23C6,復(fù)雜立方(5)M2C:例Mo2C,W2C,密排六方(2)MC:例VC,TiC,簡單面心立方點(diǎn)陣(1)M6C:不是一種金屬碳化物,復(fù)雜六方點(diǎn)陣(3)第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天合金元素與鋼中碳相互作用的實(shí)際意義直接影響鋼的性能強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性、耐蝕性、熱處理過程中奧氏體穩(wěn)定性和奧氏體晶粒大小等。合金元素與碳的親和力不同，對鋼的相變過程和碳擴(kuò)散有重大影響。碳化物形成元素阻礙碳的擴(kuò)散，降低碳原子擴(kuò)散速度，弱碳化物形成元素Mn以及大多非碳化物形成元素則無此作用，而促進(jìn)碳的擴(kuò)散（Co特別顯著）。第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)：比較下列碳化物的穩(wěn)定性，并進(jìn)行排序。MC、溶有V的M2C、M2C、M6C、Cr23C6、Fe3C、Cr7C3、溶有Mn的Fe3C、(Fe、Mo)3C。其中的M表示能與C形成對應(yīng)碳化物的合金元素第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天§2.3金屬間化合物金屬間化合物有哪些，有什么性能？

所謂金屬間化合物，是指金屬和金屬之間，類金屬和金屬原子之間以共價(jià)鍵形式結(jié)合生成的化合物，其原子的排列遵循某種高度有序化的規(guī)律。第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

鋼中的過渡族金屬元素之間形成一系列金屬間化合物，即是指金屬與金屬、金屬與準(zhǔn)金屬形成的化合物。其中最主要的有σ相(如Fe-Cr,Fe-Cr-Mn系)和Lσves相(如MnCu2,MoFe2)，它們都屬于拓?fù)涿芘?TcP)相，它們由原子半徑小的一種原子構(gòu)成密堆層，其中鑲嵌有原子半徑大的一種原子，這是一種高度密堆的結(jié)構(gòu)。它們的形成除了原子尺寸因素起作用外，也受電子濃度因素的影響。當(dāng)它以微小顆粒形式存在于金屬合金的組織中時(shí)，將會(huì)使金屬合金的整體強(qiáng)度得到提高，特別是在一定溫度范圍內(nèi)，合金的強(qiáng)度隨溫度升高而增強(qiáng)，這就使金屬間化合物材料在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有極大的潛在優(yōu)勢。第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1、鋼中常見的金屬間化合物有：σ相、η相(拉弗斯)相和B3A型密排有序結(jié)構(gòu)(例如Ni3Al）NaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTiVCrMn

FeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn2、長周期以Mn為界，Mn左邊的元素易與右邊的元素因原子半徑、電負(fù)性的原因形成金屬間化合物(如TiAl)。第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用與前景目前已有約300種金屬間化合物可用，除了作為高溫結(jié)構(gòu)材料以外，金屬間化合物的其他功能也被相繼開發(fā)，稀土化合物永磁材料、儲(chǔ)氫材料、超磁致伸縮材料、功能敏感材料等相繼洶涌而來。金屬間化合物材料的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了當(dāng)代高新技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)與元器件的微小型化、輕量化、集成化與智能化，促進(jìn)了新一代元器件的出現(xiàn)。金屬間化合物這一“高溫英雄”最大的用武之地是將會(huì)在航空航天領(lǐng)域，如密度小、熔點(diǎn)高、高溫性能好的鈦鋁化合物等具有極誘人的應(yīng)用前景。第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天§2.4非金屬夾雜定義：Fe及合金元素生成的氧化物、硫化物、硅酸鹽等一般都不具有金屬性或金屬性極弱；另外，正常金屬的碳化物、氮化物也不具有金屬性。這些非金屬相統(tǒng)稱為非金屬夾雜。第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天1、簡單氧化物FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等2、復(fù)雜氧化物MgO與Al2O3；MnO與Al2O3一、氧化物鋼中氧化物夾雜*特點(diǎn)：性脆，易斷裂，一般無塑性。因此，氧化物在鋼材鍛扎后，沿加工方向呈鏈狀分布第34頁,共38頁，2024年