合金化原理

1第一篇钢铁材料第一章钢的合金化概论2合金钢，在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元素（Me）的钢。常加入元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、稀土(RE)等元素。碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械的使用要求，是工业中用量最大的金属材料，但工业生产不断对钢提出更高的要求。1、淬透性差2、回火稳定性差3、综合机械性能低4、不能满足某些特殊场合要求碳钢不足具体表现合金钢弥补碳钢缺点引言3（1）使用性能方面：低温韧性高，高温下蠕变强度、硬度及抗氧化性高，耐蚀性好等；（2）工艺性能方面：具有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。Me与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了钢铁中各相的稳定性，并产生了许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织，在宏观上表现为改变了钢铁材料的使用和工艺性能。合金钢的优点改良原因41.1碳钢简介1.2钢的合金化原理1.4合金钢的分类与编号主要内容碳钢中的常存杂质碳钢的分类Me在钢中的存在形式Me与铁和碳的相互作用Me对Fe-Fe3C相图的影响Me对钢的相变的影响Me对钢强韧化的影响Me对钢工艺性的影响1.3金属材料的环境协调性设计5重点及基本要求1.了解碳钢中的常存元素及其影响、碳钢的分类。2.第二节是本章重点、难点。要求全面掌握合金元素在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，对Fe-Fe3C相图、对钢的热处理及组织与性能的影响规律。3.掌握合金钢的分类与编号。6几个基本概念•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、物理、化学和机械性能的化学元素。•杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。•碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。•合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。7•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。•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。81.1碳钢简介9生产流程图10一、碳钢中的杂质（一）常存杂质：1.锰（Mn）和硅（Si）炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。Si：在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。1.1碳钢简介112．硫（S）和磷（P）S：在固态铁中的溶解度极小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆(裂)。P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。1.1碳钢简介12（二）隐存杂质―氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。N、H、O是有害杂质。1.1碳钢简介13（三）偶存杂质―Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等与炼钢过程中所使用的矿石和废钢有关。1.1碳钢简介14二、碳钢的分类400C1400C1200C1000C800C600C1600CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgadSteelCastIron1．按钢中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77%共析钢：wc=0.77%过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%（2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：wc≤0.25%中碳钢：0.25%＜wc≤0.6%高碳钢：wc＞0.6%1.1碳钢简介亚过SE152．按钢的质量（品质即S、P含量）可分为：（1）普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%。（2）优质碳素钢：wS≤0.035%，wP≤0.035%。（3）高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03%。（4）特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。1.1碳钢简介163．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。（2）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。（3）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。（4）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。1.1碳钢简介174．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为F。（2）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为Z。（3）半镇静钢：指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。（4）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。1.1碳钢简介181.2钢的合金化原理19ⅠA0HⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAHeLiBeBCNOFNeNaMgⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧBⅠBⅡBAlSiPSClArKCaSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn钢中常用的合金元素表中字体颜色为绿色或蓝色的元素为钢中常见合金元素；字体颜色为蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。201.2钢的合金化原理一、合金元素在钢中的存在形式Me与钢中铁之间形成铁基固溶体Me与碳、氮形成碳化物和氮化物Me之间或Me与铁之间形成金属间化合物Me的存在形式211．形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。1.2钢的合金化原理22（2）形成铁基间隙固溶体①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。③间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。1.2钢的合金化原理232．形成碳化物和氮化物（1）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。它们与纯金属相比，具有高硬度、高弹性模量、高脆性和高熔点。钢中常见碳化物和氮化物的硬度和熔点见课本表1.3和1.4。（2）碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V│W、Mo、Cr│Mn、Fe1.2钢的合金化原理243．形成金属间化合物（1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。（2）形成金属间化合物的元素若为碳化物形成元素，则优先形成碳化物，过量后才能形成金属间化合物。（3）金属间化合物的形成可使钢的强度和硬度提高，但同时也会产生脆性等不良影响。1.2钢的合金化原理25二、合金元素与铁和碳的相互作用1．Me与铁的相互作用（Me对铁的多型性转变的影响）（1）奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大溶解度并能稳定γ固溶体的元素。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：开启γ相区（无限扩大γ相区）；扩展γ相区（有限扩大γ相区）。1.2钢的合金化原理26①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。它们可与γ-Fe形成无限置换固溶体，使δ和α相区缩小。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，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。27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)1.2钢的合金化原理28②扩展γ相区（有限扩大γ相区）（图1-2）合金元素与γ-Fe形成有限固溶体，随合金元素的加入虽然A3降低，A4升高,γ相区也逐渐扩大，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%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钢的合金化原理29图1-2扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Fe3C相图(b)1.2钢的合金化原理301．Me与铁的相互作用（2）铁素体形成元素在α-Fe中有较大溶解度并能稳定α固溶体的元素。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：封闭γ相区；缩小γ相区。1.2钢的合金化原理31①封闭γ相区（图1-3）●无限扩大α相区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）。这类合金元素有：Si、Al和强碳化物形成元素Cr、V、P及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钢的合金化原理32●有限扩大α相区这类合金元素有Mo、W、Ti等，它们与α-Fe有限互溶，γ相区被封闭，在相图上形成γ圈。331.2钢的合金化原理图1-3封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图（a）与α-Fe有限互溶的Fe-Me相图（b）（a）（b）34②缩小γ相区(不能使γ相区封闭)合金元素使A3升高，A4下降，使相区缩小，但不能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。1.2钢的合金化原理35图1-4缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)1.2钢的合金化原理36二、合金元素与铁和碳的相互作用2．合金元素与碳的相互作用（1）形成碳化物碳化物形成元素：(Fe)、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于元素周期表中Fe的左侧。非碳化物形成元素：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。1.2钢的合金化原理37碳化物的晶体结构：当rc/rMe0.59时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。当rc/rMe≤0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均属于此类元素，它们形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。1.2钢的合金化原理38碳化物的特性：硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达1200℃）；间隙相碳化物虽然含有50%~60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。1.2钢的合金化原理392．合金元素与碳的相互作用（2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。碳化物