1、工程材料A 第一章 钢的合金化基础,机电工程学院,绪 论,一、 材料的重要性1.社会进步的重要标志,2. 现代社会的重要支柱三大支柱：材料、能源、信息3.机械工程的物质基础二、材料的分类1. 按经济部门分类：,绪 论,二、材料的分类1. 按经济部门分类：机械工程材料土建工程材料电工材料电子材料,绪 论,2. 按物质结构分：金属材料无机非金属材料（陶瓷、硅酸盐）高分子材料复合材料,绪 论,3. 按材料功用分：结构材料功能材料,绪 论,碳素钢优点：价格低廉、生产和加工容易，并且通过改变碳的含量和采取相应的热处理，可以改善性能以满足使用要求，因而被广泛应用于生产中。缺点：碳钢的淬透性低；碳钢的强度比
2、合金钢低。合金化-加入适当化学元素改变金属性能的方法。,第一章 钢的合金化基础,合金元素: 为了合金化的目的而特定在钢中加入含量在一定范围的化学元素。合金钢: 加入一定含量化学元素的钢。,第一章 钢的合金化基础,合金钢分类：低合金钢 合金元素总量5中合金钢 合金元素总量510高合金钢 合金元素总量10,本章内容：（1）钢中合金元素及其分类依据（2）钢的强化机制（3）改善钢塑性和韧性的途经（4）合金元素对钢中相变及热处理的影响,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,一、合金元素在钢中的分布1、在钢中常加入的合金元素有：第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si；第四周期：Ti
3、、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu；第五周期：Zr、Nb、Mo；第六周期：W；第七周期：稀土元素、Ta。,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,常用合金元素在周期表中的位置, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,2、合金元素的存在状态：溶于钢中原有的相（F、A、M、Fe3C）中；形成新相。3、四种存在形式：溶入F、A、M中，以固溶体的溶质形式存在；形成强化相：形成合
4、金渗碳体；(Fe,Mn)3C；形成特殊碳化物；WC、VC；形成金属间化合物；形成非金属夹杂物；以游离状态存在。如Pb、Ag等。,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,4、合金元素以何种形式存在，主要决定于下列因数：种类；含量；冶炼方法；热处理方法；合金元素本身的特性。5、合金元素特性：与Fe和C的相互作用；对A层错能的影响。,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,二、合金元素的分类1、按与Fe的相互作用的特点分类A形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；F形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。2、按与C的相互作用的特点分类非碳化物形成元素
5、：Ni、Cu、Si、Al、P等；碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。,第一章 钢的合金化基础,1-1 钢中合金元素及其分类依据,二、合金元素的分类3、按对A层错能的影响分类A层错能的元素： Ni、Cu、C等；A层错能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,一、合金元素与铁的相互作用A、同素异晶转变定义B、关键：晶体结构改变C、Fe同素异晶转变,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,元素分类： 扩大A相区元素C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；加
6、入后，A4，A3，A相区-A形成元素。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,（2）缩小A相区元素，又称F形成元素 Cr、V、Mo、W、Ti、 Al、Si、Be等加入后, A3 , A4 , A相区。工程意义：A型不锈钢 F型不锈钢,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,二、合金元素与C的相互作用表现在： 是否易于形成碳化物 形成碳化物倾向性的大小1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与C不形成碳化物，可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其他化合物。2.碳化物形成元素Fe、Mn、Cr
7、、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等，碳化物是钢中主要的强化相。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,（1）形成碳化物的规律A、 周期表中位置：Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等均位于Fe的左侧，非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等均位于Fe的右侧。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe强-弱 B、按碳化物晶格类型分：当rc/rMe0.59时，复杂点阵的碳化物，如：Cr23C6 Cr7C3 Fe3C等M23C6 型复杂立方 M7C3型简单六方 M3C型正交晶系,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其
8、对奥氏体层错能的影响,当rc/rMe 0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）， Mo、W、V、Ti、Nb、Zr均属于这类元素， A： 形成MX型：WC、VC、TiC、NbC、ZrCM2X型：W2C、Mo2C B：特点：a.硬度、熔点高（可达3000 ），分解温度高（1200 ）；b.间隙相碳化物虽含有5060%的非金属原子，仍具有明显的金属特性；c.可溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,当含量很小时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物只有置换Fe3C中Fe原子，形成(Fe,Cr)3C、(Fe,Mn)3C
9、等 合金渗碳体；含量有所升高,但仍不足以生成自己特有的碳化物,形成具有复杂结构的合金碳化物,如Fe2W4C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。（2）特性形成碳化物倾向性的元素，其碳化物的硬度；形成碳化物能力越强的元素，其碳化物的稳定性；由弱到强：Fe3C、M23C6、M6C、MC,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,在温度和应力的长期作用下不易聚集长大，可大大提高材料的性能和使用寿命；碳化物和固溶体之间不易在高温下因原子扩散作用而发生合金元素的再分配。a.对热强性的影响：使钢在更高的温度下工作并保持其较高的强度和硬度；b. 在达到相同硬度的条件下，碳
10、化物稳定性高的钢可以在更高的温度下回火，使钢的塑性、韧性更好，所以合金钢的综合性能比碳钢好。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,合金元素与C的相互作用的意义：关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布 直接影响到钢的性能，如强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、 红硬性和某些特殊性能，同时对热处理亦有较大的影响，如 A化温度和时间、A晶粒的长大等；由于合金元素和碳的亲和力不同，对相变过程中C的扩散 速度亦有较大的影响。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,三、合金元素对A层错能的影响1、合金元素的影响趋势
11、Ni、Cu、和C使A层错能；Mn、Cr、Ru、Ir使A层错能。2、A层错能对钢的力学性能的影响层错能，越有利于位错扩展和形成层错，使横滑移困难，导致钢的加工硬化趋势。,第一章 钢的合金化基础,1-2合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响,三、合金元素对A层错能的影响3. A层错能对钢相变行为的影响A层错能对F-N-C合金中M形态的影响M类型 板条M 蝴蝶状M 透镜M 薄片状MA层错能 低高可见：A层错能，易于形成板条M，具有位错型亚结构；A层错能，易于形成片状M，具有孪晶型亚结构。,第一章 钢的合金化基础,1-3 钢的强化机制,钢中加合金元素：影响：1、强度指标；p、s、 b等2、
12、塑性韧性指标 ak、等 矛盾两个方面强化强度提高的过程，金属变形抗力提高基本点： 阻碍位错运动，变形不易,第一章 钢的合金化基础,弹性变形塑性变形-断裂 其中塑变含屈服变形和加工硬化,1-3 钢的强化机制,一、固溶强化 1、合金元素固溶，晶格畸变，弹性应力场存在位错运动阻碍2、金属原子与位错交互作用，位错处柯氏原子气氛3、强度增量与溶质原子（C、N、B等）浓度有关间隙式；置换式 4、参量：错配度=（1/a）da/dc 5、固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象,第一章 钢的合金化基础,1-3 钢的强化机制,二、晶界强化改善：强度和韧性 1、多晶体变形：传递和协
13、调 2、晶界阻碍位错运动（位错难增殖），提高强度 3、晶界增多（细晶）-变形韧性提高 4、强度增量与晶粒直径有关，P-P公式 5、途径A、合金元素改变晶界特性，如偏聚等B、合金元素细化晶粒,第一章 钢的合金化基础,障碍物,源,O,1-3 钢的强化机制,三、第二相强化合金元素化合物形式存在-弥散强化 1、第二相颗粒与基体共格、非共格 2、机理-位错切过滑移或绕过颗粒（位错环），增加新界面或应力应变场，阻碍位错运动,第一章 钢的合金化基础,3、获得形式 淬火+时效=弥散强化,1-3 钢的强化机制,四、位错强化位错数量与形态-影响材料抗力1、机理-位错反应（交割等）2、变量-位错密度所有合金强化-四
14、种机制都有,第一章 钢的合金化基础,1-4 改善钢的塑性和韧性的基本途径,塑性韧性指标：冲击韧性、断裂韧性、塑性脆性转化温度等一、改善钢的塑性基本途径指标：1、均匀真应变；2、断裂真应变。途径：提高基体均匀塑性，防微孔产生,第一章 钢的合金化基础,1-4 改善钢的塑性和韧性的基本途径,二、影响塑性的主要因素 1、溶质原子影响 塑性下降，间隙影响大于置换固溶体影响 2、晶粒大小影响 细小晶粒提高塑性 3、第二相影响 颗粒大小、形态、分布、数量等影响 4、位错强化与钢塑性 位错密度增加、阻碍位错运动等塑性下降,第一章 钢的合金化基础,纳米铜的室温超塑性,1-4 改善钢的塑性和韧性的基本途径,三、改
15、善钢的韧性途径 1、改善延性断裂途径 减少第二相数量；提高基体塑性；组织均匀性延性断裂-微孔坑形成集聚长大，形式宏观塑性、脆性断裂 2、改善解理断裂途径 特性-冷脆现象。方式：细化晶粒；更换基体解理断裂指标-塑脆转变温度Tk 3、改善沿晶断裂途径 晶界弱化，原子偏聚；第二相粒子分布。方式：防止原子晶界分布或形成第二相,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,热处理依据：Fe-C相图工艺：加热+保温+冷却三阶段三个基本的相变过程：加热时A的形成冷却时过冷A的分解淬火M回火时的转变一、合金元素对Fe-C相图影响1、对A相区的影响,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,
16、影响规律：扩大A区,第一章 钢的合金化基础,扩大奥氏体区： C、N、Co、 Ni、Mn、Cu,奥氏体形成元素Mn对相图的影响：低温、低碳,1-5 合金元素对钢相变影响,影响规律：缩小A区,第一章 钢的合金化基础,缩小奥氏体区： Cr、Mo、W、 V、Ti、Si、Al,铁素体形成元素Cr对铁碳合金相图的影响:高温、低碳,1-5 合金元素对钢相变影响,影响规律：元素作用,第一章 钢的合金化基础,缩小区,扩大区,使S、E点的含碳量降低（共析温度、成分）,E点左移，出现Ld的含碳量降低，使含碳量2.11%的合金钢中出现莱氏体组织-莱氏体钢。如W18Cr4V；如钢中加入大量的扩大A相区的元素，室温下获得
17、稳定的单相A组织-奥氏体钢。如1Cr18Ni9Ti； 如钢中加入大量的缩小A相区的元素，固态下获得稳定的单相F组织-铁素体钢。如1Cr17。2、对共析温度影响 扩大A相区的元素，使A3、A1点降低，S点左移； 缩小A相区的元素，使A3、A1点升高，S点左移。,1-5 合金元素对钢相变影响,3、对共析点影响所有合金元素均使S点左移，使含碳量相同的碳钢和合金钢组织不同。如：40钢： F+P 亚共析组织4Cr13： 过共析组织。,1-5 合金元素对钢相变影响,1-5 合金元素对钢相变影响,二、合金元素对钢加热A形成过程影响1、合金元素作用：改变-温度+共析成分2、A形成是一个扩散过程，合金元素原子不
18、仅本身扩散困难，而且将影响Fe和C原子的扩散，从而影响A化过程。3、合金元素(除Mn、P外）阻止A晶粒长大a. Ti、Nb、V等强烈阻止A晶粒长大，起细化晶粒作用；b. W、Mo、Cr等起一定的阻碍作用；c. Si、Ni、Co、Cu的影响不大；d. Al和N形成AlN时，在低于950时强烈阻止A晶粒长大，形成本质细晶粒钢。,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,合金钢在加热时不易过热：即组织不易粗大，阻碍晶粒长大a. 有利于淬火后获得细M；b. 有利于适当提高加热温度，使A中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及机械性能；c. 减小淬火时变形和开裂的倾向。,第一章 钢的合金化基础,
19、(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,M 低倍,1-5 合金元素对钢相变影响,三、合金元素对过冷A分解过程的影响1. 对过冷A等温转变的影响过冷AP（或B），均属于扩散型相变。因合金元素（除Co外）溶入A后，能原子扩散速度， 使A稳定性， 从而使C曲线位置右移。,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,合金元素及C对合金C曲线的影响,1-5 合金元素对钢相变影响,（1）非（弱）碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu等溶入A后，增大了其稳定性，减慢其分解，使C曲线右移；（2）碳化物形成元素Cr、Mo、W、V
20、等，溶入A后，延缓A分解。但由于过冷A向P和B转变的延缓程度不同，不仅使C曲线右移，而且还使其分解成两个“鼻子”。Mo、W、V、Ti强烈推迟P转变，而Mn、Cr推迟了B转变的作用更明显。,第一章 钢的合金化基础,由于合金元素使C曲线右移，故钢的Vk,淬透性。 Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al 强弱,1-5 合金元素对钢相变影响,提高淬透性为目的的常用元素只有五种： Cr、Mn、Si、Ni、B 合金元素只有当淬火加热溶入A中时，才能起到淬透性作用。合金化原则-“多元少量”。提高淬透性的意义：a. 合金钢淬火时大多数可用冷却较弱的淬火介质（如油等）或采用分级淬火、等温淬火，故可以减
21、少工件变形和开裂的倾向。,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,b. 可提高大截面工件的淬透层深度，从而获得较高的、沿截面均匀的机械性能。c.某些合金钢（如高速钢、某些不锈钢），由于含有大量提高淬透性的合金元素，过冷A非常稳定，甚至空冷也能形成M-马氏体钢。如4Cr132. 对过冷AM转变的影响合金元素溶入A后，使Ms、Mf点，淬火后A残。,第一章 钢的合金化基础,下列元素明显降低Ms、Mf点，并 A残： Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si强弱,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,对过冷奥氏体Ms、A残的影响,1-5 合金元素对钢相变影响,四、合金元素对回火过程
22、的影响回火-使钢获得预期性能的关键工序。主要作用：回火稳定性（抗力），使回火过程各个阶段的转速度大大减慢，将其推向更高的温度。,第一章 钢的合金化基础,阶段：1. M分解；2. A残转变；3. 碳化物的形成、聚集和长大；4. F回复再结晶的影响；5. 对回火脆性的影响。,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,合金元素影响：1、机械性能（规律）2、回火脆性,力学,1-5 合金元素对钢相变影响,合金元素在各阶段作用： 1. M分解；基本无影响 2. A残转变；提高A残分解温度 3. 碳化物的形成、聚集和长大；合金碳化物；二次硬化 4. F回复再结晶的影响；延持F回复再结晶，提高再结
23、晶温度 5. 对回火脆性的影响。二类回火脆性（第一、第二） 消除方法：第一类不可消除；第二类快冷即可,第一章 钢的合金化基础,1-6 钢的冶金质量,自学,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,由于A的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且将影响Fe和C原子的扩散，从而影响A化过程。合金元素(除Mn、P外）阻止A晶粒长大：a. Ti、Nb、V等强烈阻止A晶粒长大，起细化晶粒作用；b. W、Mo、Cr等起一
24、定的阻碍作用；c. Si、Ni、Co、Cu的影响不大；d. Al和N形成AlN时，在低于950时强烈阻止A晶粒长大，形成本质细晶粒钢。因此，合金钢在加热时不易过热：,第一章 钢的合金化基础,1-5 合金元素对钢相变影响,a. 有利于淬火后获得细M；b. 有利于适当提高加热温度，使A中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及机械性能；c. 减小淬火时变形和开裂的倾向。三、合金元素对过冷A分解过程的影响1. 对过冷A等温转变的影响过冷AP（或B），均属于扩散型相变。因合金元素（除Co外）溶入A后，能原子扩散速度，使A稳定性，从而使C曲线位置右移。,第一章 钢的合金化基础,（1）非（弱）碳化物形成元素Ni
25、、Mn、Si、Cu等溶入A后，增大了其稳定性，减慢其分解，使C曲线右移；（2）碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，溶入A后，延缓A分解。但由于过冷A向P和B转变的延缓程度不同，不仅使C曲线右移，而且还使其分解成两个“鼻子”。Mo、W、V、Ti强烈推迟P转变，而Mn、Cr推迟了B转变的作用更明显。由于合金元素使C曲线右移，故钢的Vk,淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al强弱以提高淬透性为目的的常用元素只有五种：,第一章 钢的合金化基础,Cr、Mn、Si、Ni、B合金元素只有当淬火加热溶入A中时，才能起到淬透性的作用。合金化原则-“多元少量”。提高淬透性的意义：a. 合金钢淬火
26、时大多数可用冷却较弱的淬火介质（如油等）或采用分级淬火、等温淬火，故可以减少工件变形和开裂的倾向。b. 可提高大截面工件的淬透层深度，从而获得较高的、沿截面均匀的机械性能。c.某些合金钢（如高速钢、某些不锈钢），由于含有大量提高淬透性的合金元素，过冷A非常稳定，甚至空冷也,第一章 钢的合金化基础,能形成M-马氏体钢。2. 对过冷AM转变的影响合金元素溶入A后，使Ms、Mf点，淬火后A残。下列元素明显降低Ms、Mf点，并 A残：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si强弱四、合金元素对回火过程的影响回火-使钢获得预期性能的关键工序。主要作用：回火稳定性，使回火过程各个阶段的转,第一章 钢的合金化基础,速度大大减慢，将其推向更高的温度。1. M分解；2. A残转变；3. 碳化物的形成、聚集和长大；4. F回复再结晶的影响；5. 对回火脆性的影响。,第一章 钢的合金化基础,
