金属材料科学(第一章钢的合金化)2

第1章钢的合金化二、合金元素的分类1.按照与铁相互作用的特点：（1）奥氏体形成元素（降低AC3，减少过冷度）C、N、Mn、Ni、Cu、Co优先分布在奥氏体中（2）铁素体形成元素（升高AC3，增加过冷度）Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al优先分布在铁素体中1.2合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素的分类2.按照与碳相互作用的特点：（1）碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Nb、Zr等（2）非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Cu、P等Ni、Cu、C——提高奥氏体层错能Mn、Cr——降低奥氏体层错能1.2合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元素与铁的相互作用1γ相稳定化元素γ相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①开启γ相区(无限扩大γ相区)（图1-1）②扩展γ相区(有限扩大γ相区)（图1-2）1.2合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元素与铁的相互作用①开启γ相区(无限扩大γ相区)（图1-1）这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低），故而由γ相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。与γ-Fe无限固溶；与α-Fe有限固溶1.2合金元素与铁和碳的相互作用1.2合金元素与铁和碳的相互作用图1-1扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)三、合金元素与铁的相互作用②扩展γ相区(有限扩大γ相区)（图1-2）􀂇虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使γ相区完全开启。􀂇这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。1.2合金元素与铁和碳的相互作用1.2合金元素与铁和碳的相互作用图1-2扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)1.2合金元素与铁和碳的相互作用γ稳定化元素使A3↓，A4↑，γ区扩大a)与γ区无限固溶——Ni、Mn、Co开启γ区——量大时，室温为γ相；b)与γ区有限固溶——C、N、Cu——扩大γ区。1.2合金元素与铁和碳的相互作用2α相稳定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①封闭γ相区(无限扩大α相区)（图1-3）②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)（图1-4）1.2合金元素与铁和碳的相互作用①封闭γ相区(无限扩大α相区)（图1-3）􀂇当合金元素达到某一含量时，A3与A4重合，其结果使δ相与α相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有α-γ相变，与α-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。1.2合金元素与铁和碳的相互作用图1-3封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Cr相图(b)1.2合金元素与铁和碳的相互作用􀂇这类合金元素有：Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但应该指出，含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于7%时，A3才上升。1.2合金元素与铁和碳的相互作用②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)（图1-4）􀂇合金元素使A3升高，A4下降，使γ相区缩小但不能使其完全封闭。􀂇这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。1.2合金元素与铁和碳的相互作用图1-4缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)1.2合金元素与铁和碳的相互作用α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小a)完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、TiCr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相?W、Mo、Ti等部分溶解b)缩小γ区——Nb等。稳定γ相——A形成元素，稳定α相——F形成元素。1.2合金元素与铁和碳的相互作用3、合金元素与铁相互作用的机理解释与点阵类型、原子半径之比、电子结构及作用有关。γ相稳定化元素：Ni、Mn、Co与Fe原子半径差小与Fe无限固溶α相稳定化元素：除Si、Al外，均为体心立方结构Cr与Fe原子半径接近，无限固溶其它元素，半径差大，有限固溶1.2合金元素与铁和碳的相互作用4、工程应用：根据合金元素缩小和扩大γ区的作用，可以通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。注意：Cr、Ni同时存在，Cr反而促进奥氏体形成。1.2合金元素与铁和碳的相互作用课堂作业：1）不锈钢中Cr、Ni的作用是什么？为什么1Cr13也是不锈钢？2）Mn13为什么常用于挖掘机镐齿、破碎机颚板？四、合金元素与碳的相互作用碳化物是钢的重要强化相。碳化物形成元素都属于过渡族金属，周期表中位于铁的左侧。Co、Ni——碳化物不稳定，非碳化物形成元素1.非碳化物形成元素2.碳化物形成元素1.2合金元素与铁和碳的相互作用1、非碳化物形成元素非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。Si、Al—强烈的石墨化作用Cu、Ni、Co—促进石墨化W、Mo—溶入Fe3C，降低其稳定性1.2合金元素与铁和碳的相互作用2、碳化物形成元素（由强到弱排列）Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe可以根据熔点、硬度，判断碳化物的稳定性（教材：p5，表1-1）稳定的碳化物，熔点高，分解温度高，加热时难于溶入固溶体，难以聚集长大1.2合金元素与铁和碳的相互作用3、常见碳化物钢中常见的K类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；M7C3：例Cr7C3，复杂六方；M23C6：例Cr23C6，复杂立方；M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵。K也有空位存在；可形成复合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C31.2合金元素与铁和碳的相互作用1.2合金元素与铁和碳的相互作用复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M6C型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。4、碳化物的结构形式间隙相：Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr稳定性好，熔点高，加热不易溶解复杂结构：Fe、Mn、Cr稳定性差，熔点低，加热易于溶解1.2合金元素与铁和碳的相互作用1.2合金元素与铁和碳的相互作用1、K类型K类型与Me的原子半径有关。各元素的rc/rMe的值如下：MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.531.2合金元素与铁和碳的相互作用rc/rMe0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe0.59—简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。Me量少时，形成复合K，如（Cr,M）23C6型。1.2合金元素与铁和碳的相互作用相似者相溶完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C；TiC~VC。有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为20%Cr，2%W，0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。溶入强者,使K稳定性↑;溶入弱者,使K稳定性↓1.2合金元素与铁和碳的相互作用强者先，依次成K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C↑，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。1.2合金元素与铁和碳的相互作用NM/NC比值决定了K类型形成什么K主要决定于当时的NM/NC比值。退火态:在Cr钢中，随NM/NC↑，先后形成顺序为：M3C→M7C3→M23C6。回火态:基体中的NM/NC↑，则析出的K中NM/NC也↑。如W钢回火时，析出顺序为：Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC是不断↑。1.2合金元素与铁和碳的相互作用强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时，在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。1.2合金元素与铁和碳的相互作用五、合金元素对铁碳相图的影响（一）对临界点的影响1.对A1（A3）的影响A形成元素Ni、Mn、Co等使A1（A3）线向下移动；F形成元素Cr、Mo、V、Ti、Si等使A1（A3）线向上移动2.对S、E点的影响A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移—意味着共析C量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低。1.2合金元素与铁和碳的相互作用所有合金元素，降低共析含碳量（S点左移）：一般碳钢：0.77，4%Mn：0.64Cr13：过共析钢多数合金元素，降低共晶含碳量（E点左移）：W18Cr4V:1%C，出现莱氏体1.2合金元素与铁和碳的相互作用1.2合金元素与铁和碳的相互作用（二）对奥氏体、铁素体区存在范围的影响A形成元素Ni、Mn、Co等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也为A体—奥氏体钢；其中完全扩大γ相区的合金元素Ni或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。1.2合金元素与铁和碳的相互作用（二）对奥氏体、铁素体区存在范围的影响F形成元素Cr、Si、Ti等使γ-Fe区缩小→钢在高温下仍为F体—铁素体钢。其中完全封闭γ相区的合金元素（例如Cr、Si、Ti等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。1.2合金元素与铁和碳的相互作用（二）对奥氏体、铁素体区存在范围的影响1.2合金元素与铁和碳的相互作用（三）对碳化物的影响（Fe-C-Me）Fe-C-碳化物形成元素组成的三元系强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、VMeC、Fe3C中碳化物形成元素：W、MoMeC、Me2C、Me23C、Me6C、MFe3C弱碳化物形成元素：Mn、CrMe7C3、Me23C6、Fe3CFe-C-碳化物形成元素组成的三元系Ni、Co、Al、SiFe3C1.2合金元素与铁和碳的相互作用六、合金元素对奥氏体层错能的影响层错能——稳定性Mn、Cr：降低层错能，加工硬化Ni、Cu、C：提高层错能典型材料：高锰钢：Mn13不锈钢：1Cr18Ni9Ti（18-8）321304：0Cr18Ni9；304L：00Cr19Ni10306：0Cr17Ni12Mo2：316L：00Cr17Ni14Mo2