金属材料学钢的合金化原理

第一章钢的合金化原理主要内容钢中的合金元素合金钢中的相组成（重点）合金元素对相变的影响（重点）合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响§1.1钢中的合金元素一.几个概念1.合金元素特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。（常用M来表示）如：B,C,N;Al,Si,P,S;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La系。2.杂质元素由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。常存杂质冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除。隐存杂质偶存杂质生产过程中形成，微量元素O、H、N等。与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。注意:同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：H—储氢合金；S—易切削钢；P—耐磨钢。热脆性——S——FeS(低熔点989℃)；？冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氢脆——H——白点。3.合金钢在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。M5％时，称为低合金钢；M5~10％，称为中合金钢；M10％,称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。4.微合金元素与微合金化钢微合金元素有些合金元素如V，Nb，Ti,和B等，当其含量只在0.1%左右（如B0.001%，V0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金钢二.M分类及Fe-M的类型1.合金元素M的分类铁族金属——Co,Ni,Mn。难熔金属——W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属——Ti,Al,Mg,Li稀土金属——La，Ce和Nd等贵金属元素——Au,Ag按M与C的亲和力的大小分为：碳化物形成元素：Ti,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,Mn非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,Al2.Fe-M二元相图的类型同素异型转变A3（910℃）A4（1390℃）α-Fe←----→γ–Fe←----→δ-Fe奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb,Ti等。按照M对Fe-M影响:扩大γ相区使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。缩小γ相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。扩大γ相区分为两类：1）开启γ相区Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶.Fe-Ni合金开启γ相区示意图2）扩大γ相区有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。扩大γ相区示意图Fe-C相图缩小γ相区：也分为两类:1）封闭γ相区使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb。封闭γ相区示意图2）缩小γ相区：Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等。3.生产中的意义可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。三.M对Fe-C相图的影响1.改变了奥氏体区的位置锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响2.改变了共晶温度扩大γ相区的元素使A1，A3下降；缩小γ相区的元素使A1，A3升高。当Mo8.2%,W12%,Ti1.0%,V4.5%,Si8.5%，γ相区消失。3.改变了共析含碳量所有合金元素均使S点左移。提问：对组织与性能有何影响呢？四、Me在钢中的存在形式1、退火、正火态非K形成元素基本上固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶入基体。2、淬火态Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。3、回火态低回:Me不重新分布；400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。（一）Me在不同状态下的分布（二）Me的偏聚（segregation）Me偏聚→缺陷处C’基体平均C这种现象也称为吸附现象。偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关.Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；Me+≡：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；Me+◎：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.偏聚机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓，符合自然界最小自由能原理。结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子容易存在；能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓，符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。RTECCexp0影响因素缺陷处溶质浓度温度T：T↓，内吸附强烈；时间t：偏聚需要原子扩散→需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，E↑，吸附也越强烈;其它元素：①间接作用:优先吸附问题,B与C②直接作用:影响吸附元素D,Mn↑DP，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈对组织与性能影响很大回火脆性：当P，As，Sn，Bi，Sb在晶界发生偏聚时----晶界脆性；淬透性：钢中加微量B时，大大提高钢的淬透性；晶界强化：耐热钢中加入B，Zr等，提高晶界强度；晶界迁移与晶界扩散晶间腐蚀优先成核：相变时晶体缺陷处优先成核。五.合金钢的分类与编号1.钢的分类按用途分类工程结构钢机械制造结构钢工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）按金相组织分类1）按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；2）按正火组织分:P钢，B钢，M钢，A钢；3）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分：F钢，M钢，A钢和双相钢。按化学成分分：碳素钢和合金钢；按工艺特点分：铸钢,渗碳钢,易削钢等；按质量等级分:普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。2.合金钢的编号方法含碳量C：一般以平均含碳量的万分之几来表示。如30CrMnA:平均含碳量为0.30%；60Si2Mn:平均含碳量为0.60%。注意：不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢，含碳量一般不予标出；但如果几个钢的M%相同，C%不同，则用千分之几表示C%。如0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13；合金工具钢：当C1.0%,不标出；当C1.0%,用千分之几标出,如9Mn2V,9CrSi。合金元素M平均含量小于1.5%时，只标元素。如：20MnVB：0.20%C,1.5%Mn,0.2%V,微量B；平均含量在1.5-2.49％，2.50-3.49％…22.50-23.49％…应相应地写为2,3，…,23；如55Si2Mn:0.55%C,2%Si,1.5%Mn0Cr18Ni9Ti:0.08%C,18%Cr,9%Ni,少量Ti注意：铬轴承钢含碳量不予标出，铬含量以千分之几表示。GCr15；低铬合金工具钢的铬的含量出用千分之几表示，但在其含量之前加个“0’，例如Cr06。§1.2合金钢中的相组成固溶体化合物相碳化物，氮化物，硼化物金属间化合物相非金属相非金属夹杂物游离态单质如Pb，Cu，Be在钢中超过其溶解度。一.铁基固溶体1.置换（代位）固溶体Ni,Co,Mn与γ-Fe形成无限固溶体。Cr,V与α-Fe形成无限固溶体。其它置换原子与γ-Fe或α-Fe形成有限固溶体。2.间隙固溶体间隙原子：B，C，N，O，H间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵的八面体或四面体间隙;均为有限固溶体。合金元素在铁点阵中的固溶情况MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度α-Fe~7(1340℃)无限无限~376100.20.020.1γ-Fe0.68~1.412.8*无限无限无限8.52.062.8常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%，可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限固溶；±15%，溶解度极小。结论①有限固溶C、N、B、O等②溶解度溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的——如γ-Fe与α-Fe。溶质原子大小：r↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。③间隙位置优先占据有利间隙位置——畸变为最小。间隙位置总是没有被填满——最小自由能原理。间隙固溶体二.碳化物（K）1.结构1）rc/rM0.59简单密排结构V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo,WMC型面心立方，V,Nb,Ta，Zr,Hf，如VC，ZrC等。六方点阵，Mo,W，如MoC,WC。M2C型六方点阵，Mo,W，如：Mo2C,W2C2）rc/rM0.59，间隙化合物复杂密排结构，如Cr,Mn,Fe等与C形成的K：M23C6型复杂立方，Cr,Mn形成的K：Cr23C6M7C3型复杂六方，Cr,Mn形成的K：Cr7C3,Mn7C3M3C型正交晶系，Fe形成的K：Fe3C3）Fe-M-C形成的三元KM6C型复杂立方，W、Mo的K：Fe3Mo3C,Fe4Mo2C,Fe3W3C,Fe4W2C。M23C6型复杂立方，W、Mo的K：Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。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/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.532、K形成的一般规律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。2）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↓3）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。4）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↑。5）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