第一章++钢铁中的合金元素2009级20120910

第一章钢的合金化基础1.1钢中的合金元素及其分类合金元素：合金钢，杂质？低合金钢：中合金钢：高合金钢：微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。%10%5eMW%10eMW%5eMW钢：是一种以Fe为基的合金钢铁中的合金元素表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金元素;字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。IIIIIIIVVVI钢中合金元素的分类1、按与Fe相互作用的特点分：形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等形成元素：Cr，Mo，Si等2、按照与碳（C）相互作用的特点分：碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr等非碳化物形成元素：Ni，Si，Al等3、按照对奥氏体层错能的影响分提高奥氏体层错能的元素：Ni，Cu等降低奥氏体层错能的元素：Mn，Cr等1.2合金元素与铁和碳的相互作用纯铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变:合金元素对α-Fe，γ-Fe和δ-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有极大的影响。－Fe912CA3－Fe1394CA4－Fe链接Fe－C相图！合金元素与铁的相互作用：（1）扩大奥氏体（γ）区的元素（奥氏体形成元素）使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了γ相区。Fe－C相图两种情况扩大γ区的元素无限扩大γ相区的元素：与Fe无限固溶Ni、Mn、Co（钴）属于此类合金元素扩大γ区的元素有限扩大γ相区的元素：有限固溶与－Fe和－Fe均形成有限固溶,相有稳定存在的最低温度点。C、N、Cu等合金元素与铁的相互作用：（2）扩大铁素体（α）区的元素（铁素体形成元素）这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降（链接Fe－C相图）包括以下两种情况:扩大α区的元素封闭型：无限扩大α区Cr（铬）、V（钒）扩大α区的元素缩小γ型：出现金属间化合物B（硼）、Nb（铌）等两类元素生产上的指导意义合金元素这种扩大或缩小γ相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能将产生重大的影响，对钢铁材料的成分设计有很重要的指导意义，eg.不锈钢的成分设计：使钢在室温具有单相、或单相的组织奥氏体不锈钢：加入大量的Ni，Mn等奥氏体形成元素，如1Cr18Ni9，（wCr18％促进Ni的奥氏体化作用）铁素体不锈钢：加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素，如Cr25Ti（p8）热力学解释合金元素对相区的作用H－－－元素在相中的摩尔焓；H－－－元素在相中的摩尔焓；H＝H－HH0，元素扩大相区H0,元素扩大相区合金元素与铁的相互作用：（3）、形成金属间化合物①σ相钢中的σ相：在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现σ相。（P11σ相）例如：FeCr相（p5，图1.3（b））在钢中为有害现象：σ相具有较高的硬度，钢中FeCr析出通常在晶界处，析出时伴随较大的体积变化，所以在铬镍钢中伴随着σ相的出现，钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。同时造成钢的耐腐蚀性能下降。②、AB2相(拉维斯相)1:2.1:BAdd尺寸因素起主导作用形成的相：AB2金属间化合物是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，如耐热钢中的NbFe2，耐热铝合金中的CuAl2等（原子直径之比）③AB3相(有序相)是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，例如：Ni3Al等。Ni3Al中可溶解多种元素，电负性和原子半径决定Ni（Co，Cu）3Al（Ti，Nb）合金元素与铁的相互作用：（4）对奥氏体层错能的影响Ni提高奥氏体的层错能，Mn降低奥氏体层错能奥氏体不锈钢合金元素与碳的相互作用fH一、钢铁中碳化物的特点：高熔点，高硬度，高稳定性，p10，表1-1判定，越大，化合物越稳定，为什么？钢中碳化物合金元素的d层电子数决定其与C、N原子形成的键的强度，d层电子越少，碳、氮化合物越稳定链接元素周期表二、钢中碳化物的稳定性钢中的碳化物在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：TiZrNbVMoWCrMnFeTi、Nb、Zr、V－－－强碳化物形成元素；W、Mo，Cr－－－中强碳化物形成元素；Ni，Co，Cu的碳化物在钢中不出现钢中的碳化物合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关钢中的碳化物arc/rme0.59形成复杂点阵结构，复杂碳化物，碳化物稳定性差，如Cr23C6，Cr7C3brc/rme0.59，晶格简单的C化物，MeC和Me2C型，稳定性高W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属于此类型。钢中的碳化物1、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%，碳化物彼此能够完全互溶，即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换例如：Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3CVC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)CMo2C-W2CFe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C钢中的碳化物2、有限溶解：如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解28%Cr,14%Mo,2%W,3%V,形成合金渗碳体。钢铁中的氮化物氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。氮原子比碳原子小，氮原子半径N和金属原子半径γMe,γN/γMe均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。1.5合金元素钢相变的影响1、改变了奥氏体相区的位置Mn,Ni等：形成元素，扩大区，室温Cr，Mo等：铁素体形成元素，会消失，室温1-61-7合金元素钢相变的影响扩大γ相区元素降低了A3温度，也降低了A1温度；缩小γ相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度2、改变了共析温度1-8合金元素钢相变的影响3、改变了共析体的含碳量所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移1-9合金元素钢相变的影响合金元素添加量使C≤0.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C≤2.11%的钢中出现合金莱氏体总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示合金元素对奥氏体形成的影响钢在加热时的转变：γ相的形成碳化物溶解γ相中合金元素的均匀化溶质元素的晶界平衡偏聚奥氏体晶粒长大合金元素对奥氏体形成的影响改变临界点温度S点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及C浓度条件。合金元素影响奥氏体均匀化→强碳、氮化物形成元素→稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致γ。合金工具钢保留部分C化物。影响奥氏体均匀化合金元素对钢在加热时转变的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,p15→非碳、氮化物形成元素Mn、P、有助长奥化体晶粒长大→非碳、氮化物形成元素，Ni.Co等对γ长大无影响→强碳、氮化物形成元素↓奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用合金元素对过冷奥氏体转变的影响一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱动力元素对Ac3和Ac1影响可定量表示，形成元素，形成元素二、在恒温转变曲线上的影响C化物形成元素C曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子”温度（图1.10）非C化物形成元素使C-曲线右移，形状不变，特殊情况Co↑C扩散，C曲线左移综述：C－曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。除Co外，所有合金元素均↑γ稳定性，↑淬透性，钢中常用于提高淬透性元素：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等绝大多数合金元素都降低MS，↑钢中的残余量,但有Co和Al相反。P22，readtogether合金元素影响马氏体的结构:C和合金元素增加形成针状马氏体的倾向合金元素对马氏体转变的影响合金元素对回火转变的影响对马氏体分解的影响：↑M分解温度，↓M分解速度，↑回火抗力，↑回火稳定性合金元素：↓M分解速度C钢中C化物析出温度250—350℃合金钢中400—500℃，甚至更高，形成的碳化物越稳定，元素的这种作用越强Cr，V，Ti，W，Mo等强C化物形成元素，阻碍C扩散，使M分解速度↓锰（弱）和镍（非）对M分解影响甚小合金元素对回火转变的影响对残余奥氏体分解的影响↑γ′分解温度，合金钢中γ′甚至加热至500—700℃也不分解成珠光体等产物，但析出C化物使γ′在回火随后的冷却时转变为M，这种现象称为二次淬火。含V、Mo等元素的合金钢回火的二次硬化效应：随回火温度的升高，硬度不是持续下降，而是在600℃左右有硬度最高点。原因：①二次淬火作用：高温下C化物析出使γ内C及合金元素贫化，Ms↑,冷却时γ转变成M。②在600℃左右回火，体系中有大量细小、弥散、不易聚集长大的C化物析出，产生强烈的第二相强化，从而使钢具有很好的高温强度和硬度。合金元素对回火转变的影响对C化物的形成，聚集和长大的影响含一种或数种足够浓度W、Mo、V、Cr等强C化物形成元素的合金钢，淬火后较高温度回火（450—650℃）时，产生稳定的、细小弥散的、不易聚集长大的C化物颗粒。细小弥散、不易聚集长大的C化物的析出及二次淬火共同造就了二次硬化现象。Co虽不阻碍扩散，但↑固溶体的原子结合力，也使析出相不易长大。合金元素对回火转变的影响