金属材料学：钢铁中的合金元素

SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/141金属材料学吴晓春上海大学汽车金属材料研究工程中心SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/142课程内容及安排1第一章钢铁中的合金元素2第二章工程结构钢2-3第三章机械制造结构钢4第四章工具钢5-1第五章不锈耐蚀钢5-2第六章耐热钢和耐热合金SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/143第一章钢铁中的合金元素人们对钢的需求高的强度、硬度高的韧性高的低温韧性高温下的硬度、高的蠕变强度、抗氧化性良好的耐蚀性铁基固溶体合金钢钢是以铁为基的合金SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/144第一节铁基固溶体一、置换(代位)固溶体形成规律(1)、溶剂与溶质的晶体点阵相同；(2)、原子尺寸因素(两者原子半径之差不大于15％，有利于形成溶解度较大的固溶体)；(3)、组元的电子结构(即组元在周期表中的相对位置)Ni、Co、Mn与γ-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体，Cr、V与α-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体.SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/145二、间隙固溶体形成规律(1)、溶剂金属的晶体结构；(2)、间隙元素的原子尺寸。α-Fe(720℃)八面体间隙半径=0.0192nm.γ-Fe(1148℃)，八面体间隙半径=0.0535nm。我们可以看到：面心立方晶格间隙大于体心立方晶格间隙，因此，C原子在γ-Fe中的最大溶解度(2.11wt%C)显著地高于α-Fe中的最大溶解度(0.018wt%C)；氮具有比碳更小的原子半径，氮在α-Fe、γ-Fe中的最大溶解度更高。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/146钢中常用的合金元素•第二周期:B、C、N•第三周期：Al、Si、P、S•第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu•第五周期：Y、Zr、Nb、Mo•第六周期：La族、Ta、WSchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/147奥氏体(γ)稳定化元素这些合金元素使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了γ相区。•(1)、开启γ相区（δ和α相区缩小）的元素锰、镍、钴属于此类合金元素。与γ-Fe形成无限固溶.•(2)、扩展γ相区的元素碳、氮、铜属于此类合金元素。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/148铁素体(α)稳定化元素这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降，(1)、封闭γ相区的元素钒、钛、钨、钼、铝、磷、铬、硅属于此类这类合金元素。钒和铬与α-Fe无限固溶.(2)、缩小γ相区元素硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。铬封闭γ相区SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/149•合金元素：是指特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。•合金钢：是指为了提高某些性能而添加入合金元素的钢。•杂质元素：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1410第二节合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用•合金中的晶体缺陷晶界、相界、亚晶界及位错晶界偏聚（溶质原子与晶界结合）柯垂气团（溶质原子与位错结合）•晶界强化、晶界脆化、晶间腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核•硼、稀土为例SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1411第三节钢中的碳化物和氮化物一般特点：•碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。碳化物的结构•金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时，碳化物就可以形成简单密排结构;反之，就得到比简单结构稍有变形的复杂密排结构。•因此过渡族金属的原子半径(γM)和碳原子半径(γC)的比值(γC/γM＝0.59)决定了可以形成简单密排还是复杂结构的碳化物。•γC/γM＜0.59形成简单密排结构的碳化物•γC/γM＞0.59形成复杂结构的碳化物SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1412SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1413碳化物的稳定性•钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成和转变、溶解、析出和聚集、长大有着极大的影响。•碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d层电子数,d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。•在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：•HfZrTiTaNbVWMoCrMnFeSchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1414碳化物的相互溶解•钢中往往同时存在着多种碳化物形成元素，在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金元素的复合碳化物。•各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。•TiC-VC形成(Ti,V)C;NbC-VC形成(Nb,V)C;•TiN-VN形成(Ti,V)N;Ti(C,N)•(Cr、Fe、W、Mo、Mn)23C6•（Fe,Mn)3C•碳氮化物←→固溶与析出温度←→热变形后的晶粒←→性能SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1415完全互溶各种碳化物具有相同的点阵类型，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差8-10%，•(1)、Mn3C--Fe3C--(Fe,Mn)3C•(2)、VC--TaC--NbC--(V,Nb,Ta)C•(3)、Mo2C--W2C•(4)、Fe3W3C--Fe3Mo3C--Fe3(W,Mo)3CSchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/14162.有限溶解•(1)、Fe3C中可溶解28%Cr,14%Mo,2%W,3%V,形成合金渗碳体。•(2)、(Fe,Cr)3C中铬含量超过28％，则合金渗碳体转换形成以铬为主的碳化物(Cr,Fe)7C3。•(3)、Cr23C6→(Cr,Fe,Ni,Mn,W,Mo)23C6•(4)、W2C--W0.5Cr1.5CSchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1417碳化物对钢性能的影响•（一）M3C碳化物M3C称为渗碳体，是低合金热作模具钢中的主要碳化物．Fe3C的硬度为900～1000Hv（65～68HRC），略高于马氏体的硬度．锰可无限固溶于Fe3C中。直至完全取代Fe，成为M3C．铬可有限固溶于Fe3C中，使碳化物细化并分布更为均匀．（Fe，Cr）3C需要较高的温度才完全固溶于奥氏体中（1050～1200℃），在回火时较难聚集．钨和钢很少溶入Fe3C中．强碳化物形成元素钒、钛、锆、铌几平不溶于Fe3C中。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1418M23C6是铬的碳化合物（Cr23C6），在其中可以溶入35%～40%铁取代铬，也可山溶入少量钼、钨、钒M23C6碳化物的开始固溶温度高于M3C．含有钒的M23C6在1020℃才开始固溶。在回火时，M23C6的形成温度为400～500℃，它可由被铬饱和的渗碳体转变而成，也可从基体中析出．M23C6不容易聚集长大，因此，在400～500℃回火后硬度不会明显下降，也有可能升高．当钢中含有l%～2%的钼、钨．钒时，使M23C6的弥散度显著增高，出现沉淀硬化效应。另一种解释是M23C6中的钼和钒在淬火加热时因溶于奥氏体中，在回火时析出M2C和MC碳化物，引起二次硬化。（二）M23C6碳化物SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1419（三）M7C3碳化物•M7C3也是一种铬的碳化合物，出现于含3％～4%铬，0.8％～1.l％碳的钢中。M7C3可以是一次碳化物（共晶碳化物），也可以是二次碳化物（从奥氏体中析出）。M7C3呈长条状，长轴的长度可达50～70um。钢中存在M7C3可提高其耐磨性，降低摩擦系数。在M7C3中溶入钒、钨、钼后，钒阻碍M7C3溶入奥氏体中。因此，只有在很高的温度下，才能使奥氏体中含有较多的钒和铬。二次M7C3在950～1150℃溶入奥氏体中，在回火时析出M7C3可提高钢的热稳定性．SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1420（四）M6C碳化物•M6C是钨、钼碳化物，主要存在于高速钢及高热稳定模具钢中。它可以是一次碳化物（共晶碳化物），也可以是二次碳化物（由奥氏体中析出）．铬、钒、钛、铌、铁等元素可取代部分钨而溶入M6C中。在钢中含有3%～4%钨，即可出现一次M6C碳化物。M6C具有很高的硬度，有助于提高钢的耐磨性。M6C的固溶温度高于M7C3和M23C6，在1150～1300℃固溶于奥氏体中。含有较多钨、钼的钢，淬火后在500～600℃回火时，析出中间相M2C并产生沉淀硬化效应（二次硬化）。升高回火温度，在650～700℃之间，M2C转变为M6C。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1421（五）MC碳化物MC碳化物主要指碳化钒VC。VC可在共晶转变时析出，也可从奥氏体中析出。VC具有较宽的固溶温度范围。在仅含钒的钢中，VC的固溶温度为1100～1150℃。如果钢中还存在其它多元碳化物M7C3、M23C6和M6C，这些碳化物将先固溶，并阻碍VC的溶解。VC也可在500～600℃回火时析出，并产生二次硬化效应，但使韧性下降．VC的颗粒更细，分布更均匀（与其它碳化物相比）．VC的存在可明显提高耐磨性。TiC、NbC、ZrC等碳化物对防止过热的作用极为明显，对二次硬化的作用不很显著．SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1422第四节钢中的金属间化合物•钢中合金元素之间和合金元素与铁之间相互作用，可形成各种金属间化合物。•合金钢中比较重要的金属间化合物有σ（sigma）相、AB2相（拉维斯相）及AB3相（有序相）。•SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1423σ相•高铬不锈钢、铬镍及铬锰不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中都会出现σ相。σ相：高硬度相；σ相析出，钢和合金的塑性和韧性显著降低，脆性增加；σ相形成条件：1.原子尺寸差别不大；2.钢和合金的“平均族数或s+d层电子浓度”在5.7-7.6范围内。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringS.H.U.2019/11/1424AB2相（拉维斯相）•现代耐热钢和合金中的一种强化相；•常见于：钨、钼、铌和钛的复杂成分的耐热钢和