1、第一章,钢铁中的合金元素,第一章钢铁中的合金元素,11 基本定义与概念,12 合金元素的分布及分类,13 铁基固溶体,14 钢铁中的碳化物和氮化物,1 5 钢中的金属间化合物,1 6 钢中的非金属相,1 7 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 。,第一章钢铁中的合金元素,1 9 合金元素对钢在加热时转变的影响,1 10 合金元素对过冷奥氏体转变的影响,1 11 合金元素对淬火钢回火转变的影响。,18 合金元素对Fe-C相图的影响。,一、 合金元素,二、合金钢,三、微合金化钢,四、低、中、高合金钢。,11 基本定义与概念,一、合金元素(p3),钢的成分中含有的元素一般除Fe、C外，还包括：,钢中常
2、用合金元素,如V、Nb、Ti、Zr和B含量在0.1% （B0.001%），可能显著地影响钢的组织与性能,二、合金钢（补充）,三、微合金化钢（补充）,四、低、中、高合金钢（复习）,5% ；5 10% ；10%。,一、合金元素在钢中的存在方式,二、合金元素的分类。,12 合金元素在钢中的存在方式及分类,一、合金元素在钢中的存在方式,溶入基本相：,形成新相：,碳化物、氮化物或金属间化合物 非金属夹杂物（与O、N、S),以游离状态存在：, 、 、Fe3C,Pb、Cu 、G（C)。,二、合金元素的分类,与Fe相互作用：, 形成元素 形成元素,与C相互作用：,碳化物形成元素 非碳化物形成元素,对 层错能的
3、影响：,增大层错能 如Ni、Cu 等 减小层错能 如Mn、Cr、Ru、Zr等。,一、奥氏体形成元素 （开启相区、扩大 相区）,二、 铁素体形成元素 （封闭 相区、缩小 相区）,三、 热力学讨论合金元素对相区的作用。,13 铁基固溶体,在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素； 在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素。,一、奥氏体形成元素 与铁素体形成元素（p3-5）,912 1394,A3 A4,奥氏体形成元素 :,使A3温度下降，A4温度升高,开启相区：与-Fe可无限固溶，使和相区缩小,如锰、钴和镍 。,奥氏体形成元素 :,使A3温度下降，A4温度升高,扩大 相区：使 相区扩大，但与
4、Fe有限溶解,如碳、氮和铜。,铁素体形成元素 :,使A3温度升高，A4温度下降,封闭 相区：相图上形成 圈,如钒、铬、钛、钼、钨、铝、磷、锡、锑、砷等。,二、铁素体形成元素,铁素体形成元素 :,使A3温度升高，A4温度下降,缩小 相区：出现了金属间化合物，破坏了 圈,如硼、锆、铌、钽、硫、铈。,C/C=exp（H/RT）,H=H H ,三、热力学讨论合金元素对相区的作用（p5-6）,钢中合金元素扩大 相区的条件,（1）Me(C、N、B除外）本身具有面心立方点阵或在其多型性转变中有一种面心立方点阵；（2）与铁的电负性相近；（3）与铁的原子尺寸相近,分析Me（Ni、Co、Mn、Cr、V、Cu）在F
5、e中的溶解度。,分析C、N在Fe中的溶解度。,决定组元在间隙固溶体中的溶解条件：溶剂金属的晶体结构和间隙元素的原子尺寸,对钢中基本相的影响 1）溶于铁素体, 起固溶强化作用 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体. Si、Mn对强度、硬度提高显著。 Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,重要说明,对铁素体冲击韧性影响,2）合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性,一、非碳化物形成元素,二、碳化物、氮化物,1、形成规律及结构,14 钢铁中的碳化物和氮化物,2、特性与作用。,一、非碳化物形成元素,Ni、Si、Cu、Co、A1、N、S、P。,二、碳化物、氮化物（p8-10）,1）
6、形成规律,1、形成规律及结构,稳定性可以从电子结构和生成热两方面来描述,（1）从电子结构考虑，主要取决于其d层电子数。d层电子愈少，金属元素与碳、氮的结合强度愈大，稳定性也愈大。在每一周期中，随着过渡族金属原子序数的增加，金属电子层（3d层）填满程度增大，金属与碳、氮的结合力减弱，即稳定性降低。,（2）生成热的绝对值愈高，稳定性也愈大。,碳化物、氮化物形成元素（p8-10）,弱,中等,Fe、Mn、 Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti,强,F、 ,合金渗碳体,特殊碳化物,特殊碳化物。,2）结构,对过渡族金属，沿周期自左向右，d层和s层电子填满程度增大，发生从体心立方点阵到面心立方或六方密排点阵
7、的过渡；,从周期表看,从原子半径看,简单密排结构的间隙化合物； MeX型：MC、MN， Me2X型：M2C、M2N,rxrMe0.59,rxrMe0.59,复杂结构的间隙化合物 M23C6（ Cr23C6 ）、 M7C3 （Cr7C3 ） M3C（ Fe3C、 Fe3W3C、 Fe2W4C）。,、族的碳化物与氮化物 均具有面心立方点阵（NaCl型）的密排结构 铬、锰、铁的碳化物 具有复杂结构 所有氮化物 均具有简单密排结构。 注意：当钢中有多种合金元素共存时，会出现多种碳化物、氮化物或碳氮化物并存的状态。,2、碳化物的特性与作用,1）特性,硬度高,脆性大,熔点高,分解温度高,钢中常见碳化物的类
8、型及基本特性,2）作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。, Ti、 Zr、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。,钢中碳化物, W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。,1 5 钢中的金属间化合物（p10-12）,合金元素之间和合金元素与铁之间相互作用，形成的化合物叫金属间化合物。,一、 相,二、 AB2相或拉维斯相,三、AB3相或有序相,钢中的金属间化合物（p1
9、0-12）,一般以Mn族元素为界，将长周期表内元素分为A及B元素，其左的为A元素， Mn族及其右的为B元素。,一、 相,塑性和韧性显著下降，脆性增加,（1）尺寸因素：不大；（2）电子因素：钢和合金的“平均族数”（或s+d层电子浓度）在5.77.6范围。,形成条件：,避免相的出现：,按下式计算合金总的元素的 电子缺位数Nv 值： Nv=0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66Cr+Mo+W+5.66（V+Nb+Ta）+6.66（Ti+Si）+7.66Al总Nv值2.52，则不出现相。,二、AB2相或拉维斯相,形成条件：原子直径dA： dB=1.2：1,强化相,晶体结构：取
10、决于电子浓度。过渡族金属元素间形成的AB2相随着B组元原子序数的增高，AB2相的晶体结构发生了由立方六方立方的转变。,三、AB3相或有序相,处于固溶体到化合物之间的过渡状态,Ni3Al属面心立方结构。,强化相,1-6 钢中的非金属相(补充）,一、氧化物,二、硫化物,三、硅酸盐。,一、氧化物,简单的氧化物,FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3,复杂的氧化物,MgOAl2O3、MnOAl2O3,特点,性脆易断裂,在钢材轧锻以后，沿加工方向呈链状分布。,二、硫化物,热加工时沿钢材加工方向强烈地伸长（线段状）。,MnS、FeS,高的可塑性,三、硅酸盐,成分复杂,2MnOSiO2、
11、MnOSiO2,不同配比的Al2O3、SiO2和FeO,线段状,链状分布,点(球)状。,SiO2、CaOSiO2,1 7 合金元素与晶体缺陷的相互作用（p7-8）,柯垂耳气团：溶质原子与位错结合,晶界偏聚：溶质原子与晶界结合。,Cg晶界区溶质偏聚浓度；C0溶质在基体内的浓度；E为溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能差。,影响晶界偏聚的因素：,固溶度；,溶质间的相互影响。,温度；,一、对临界点的影响,二、 FeCM三元系。,18 合金元素对Fe-C相图的影响（p12-13）,Cr、W、Mo、V、Ti、Si 以及其它缩小 相区的元素，升高A3 、A1。,Ni、Mn 、N、Cu（Co例外、） ，降低A3
12、 、A1,一、对临界点的影响,1)对奥氏体相区的影响,当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。,锰对奥氏体相区的影响,当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.,铬对奥氏体相区的影响,2)对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。,所有合金元素均使S、E点左移。,1、 FeCK组成的三元系,二、 FeCM三元系,2、 FeC非K组成的三元系。,1 9 合金元素 对钢在加热时转变的影响（p13-15）,一、对奥氏体形成
13、速度的影响,二、对奥氏体晶粒大小的影响。,Nb Zr Ti,Me对碳化物的稳定性及C在奥氏体中扩散的影响，直接控制着奥氏体的形成速度。除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。,一、 对奥氏体形成速度的影响,奥氏体转变完成后，还有一个Me和碳的均匀化过程。Me本身扩散慢，可以提高淬火温度或延长保温时间来达到成分均匀化，是提高合金钢淬透性的有效方法。 有些强碳化物元素在奥氏体中溶解十分困难，奥氏体化的温度有的要求10001100或更高。,还发生溶质原子在奥氏体晶界的偏聚过程。C、B、P、Sn、Sb、Nb、Mo及Re都产生晶界偏聚。,二、 对奥氏体晶粒大小的影响,奥氏体晶粒长大的驱动力是晶界两侧晶粒的表
14、面自由能差；晶界移动是依靠晶界原子的扩散。碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。,奥氏体的晶粒度,奥氏体化中的晶粒长大过程，随着与碳的结合力的增加，表现出阻碍作用。 强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长； 一般碳化物形成元素，如W、Mo、Cr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长； 非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu对奥氏体晶粒几乎不发生影响； 而Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。,如65Mn、60Si2Mn要注意防止过热。,工业上 常用AlN来细化奥氏体晶粒,电镜中观察到的在MnNiMo钢中的超显微AlN质点,1 10 合金元素对 过冷奥氏体转变的
15、影响（p15-20）,一、对过冷奥氏体稳定性的影响,二、对珠光体转变影响,三、对贝氏体转变的影响,四、对马氏体转变的影响。,一、对过冷奥氏体稳定性的影响,1. 对C曲线位置和淬透性的影响,除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。,合金元素对钢淬透性的影响,提高淬透性注意的问题：, 合金元素只有溶入A中, 多元少量。,明显出现珠光体和贝氏体两条C曲线,2. 对C曲线形状的影响,二、对珠光体转变影响,1、合金元素对珠光体转变时碳化物形核的影响,在碳化物形成元素的钢中，发生珠光体转变碳化物形核时，直接生成特殊碳化物或合金渗碳体。
16、它不仅需要碳的扩散和重新分布，而且还需要碳化物形成元素在奥氏体中的扩散和重新分布。碳化物形成元素扩散快慢是珠光体转变时碳化物形核的控制因素。,含镍和钴的钢中只形成渗碳体，其中镍和钴的含量为钢中的平均含量，渗碳体的形成不取决于镍和钴的扩散。含硅和铝的钢中，珠光体转变生成的渗碳体中不含硅或铝，在渗碳体形核和长大区域，硅和铝原子必须扩散开去才能有利于渗碳体形核和长大，这就是硅和铝提高过冷奥氏体稳定性的原因之一。,2、对珠光体转变时 的影响,合金元素对 的影响主要是提高相的形核功或转变激活能。,Co的作用特殊，单独加入，加快 的转变。,3、对先共析铁素体析出的影响,碳原子从先共析铁素体和奥氏体相界面向
17、奥氏体中扩散开去，是先共析铁素体长大的控制因素。,Ni、Mn推迟和减慢先共析铁素体的析出。,碳化物形成元素W、Mo、Cr等增高碳在奥氏体中的扩散激活能，减慢先共析铁素体的形核和长大,4、相间沉淀,含Ti、Nb、V、W、Mo、Cr的亚共析钢,相间沉淀转变示意图,/ 相界面由平面和台阶组成，碳化物只能在活动性差的共格平面相界形核，台阶的高度即两行相间沉淀特殊碳化物之间的间距。,两行沉淀间距取决于转变温度和溶质浓度,相间沉淀碳化物颗粒尺寸大小，取决于转变温度和碳化物形成元素种类,Ti、Nb、V：相间沉淀细， W、Mo、Cr：相间沉淀粗。 若加入Ni、Mn：则相间沉淀变粗。 若加入Si、Al：则相间沉
18、淀变细。 细小弥散的碳化物颗粒可大大提高钢的强度。,5、对过冷奥氏体转变的综合作用,对珠光体转变温度范围内,强碳化物：Ti、Nb、V，推迟珠光体转变时碳化物的形核和长大,弱碳化物：Mn，富锰的合金渗碳体的形核和长大，同时锰又是扩大 相区的元素，起稳定奥氏体并强烈推迟 转变的作用,非碳化物：Ni、Co ；Si、Al，非碳化物形成元素Ni、Co对珠光体转变中碳化物形核和长大的影响小，主要表现在影响 转变； Si、Al从渗碳体形核和长大区扩散开，是减慢P转变的控制因素,晶界偏聚元素：如B、P、Re等降低了奥氏体晶界表面能，阻碍相和碳化物在晶界形核，降低形核率，增长转变孕育期。,除Co以外合金元素总是
19、不同程度地延缓珠光体转变，如果碳化物形成元素未能溶入奥氏体，以残存未溶碳化物微粒形式存在，则将起相反作用。,二、对贝氏体转变的影响,1、对Bs点（贝氏体转变上限温度）的影响,Bs()=830270(C)90 (Mn)37 (Ni)70 (Cr)83 (Mo),2、改变贝氏体转变动力学过程,除Co外，大多数合金元素总是不同程度地延缓贝氏体转变碳、硅、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。,三、对马氏体转变的影响,除Co、Al外，,Ms、Mf,Ar%,Mn、Cr、Ni、Mo、Si。,1、对Ms、Mf的影响,如W18Cr4V淬火后Ar达30% 40%。,Ms（）=539-423(C) -3
20、0.4(Mn) -17.7 (Ni) -12.1 (Cr) -7.5 (Mo),考虑到合金元素之间的相互作用，上式可改为： Ms（）=512-453 (C)- 16.9 (Ni) + 15 (Cr) - 9.5 (Mo) + 217 (C)2- 71.5(C) (Mn) -67.6 (C) (Cr)。,1）冷处理,2）多次回火。,消除Ar%,2、影响马氏体的亚结构,位错马氏体,锰、铬、镍、钼或钴都增加形成孪晶马氏体倾向。,碳或氮0.4：,(C)0.6：,孪晶马氏体,1 11 合金元素对 淬火钢回火转变的影响（p21-24）,一、合金元素对马氏体分解的影响,二、合金元素对回火时残留奥氏体转变的影
21、响,三、合金元素对碳化物析出的影响,六、合金元素对析出金属间化合物的影响。,四、合金元素对回复、再结晶的影响,五、合金元素对回火脆性的影响,一、合金元素对马氏体分解的影响,强碳化物形成元素V的作用最显著，W、Mo次之，Cr又次之。非碳化物形成元素Si、Al、P也能阻碍马氏体分解，Mn、Ni影响甚微,阻碍M的分解,提高回火稳定性,硅为什么能阻碍马氏体的分解？（1）硅在低温不能扩散，形成的Fe2.4C含硅量为钢中平均含量，而Fe3C中不含硅，所以硅必须扩散开去， Fe3C才能形核、长大。（2）硅在中的扩散激活能远大于碳在中的扩散激活能。,二、对残留奥氏体转变的影响,大多数Me使Ar分解温度提高,C
22、r、Mn、Si作用显著,淬火过的钢在回火加热完毕后的冷却过程中，由残余奥氏体转变为马氏体的现象。,二次淬火,产生二次淬火的原因？,残留奥氏体在500600范围内加热可能发生两种变化，一种是残留奥氏体中析出部分碳化物，使得残留奥氏体中的碳和碳化物形成元素降低，从而使残留奥氏体稳定性降低，Ms点升高，在冷却时发生马氏体转变；另一种是残奥氏体发生反稳定化，碳原子形成的柯垂耳气团消失，使Ms点升高，冷却时发生马氏体转变。,三、对碳化物析出的影响,Me可推迟碳化物的析出。 Si、Al、P推迟作用显著，Cr作用较弱,随回火温度升高，Me发生明显扩散时，非碳化物形成元素离开碳化物，碳化物形成元素向渗碳体富集
23、，形成合金渗碳体。含强碳化物形成元素的钢中还会析出特殊碳化物,各元素在相中开始扩散的温度为：Si高于300，Cr高于400450，Mo高于500，W和 V在500550。,合金元素的特殊碳化物形成的机制有两种,（1）合金渗碳体原位转变成特殊碳化物中铬钢淬火和回火时，合金渗碳体（Fe,Cr）3C因铬的富集原位转变为（Cr,Fe）7C3。,含强碳化物形成元素V、Nb、Ti等的钢，回火时碳化物是直接从过饱和相中析出特殊碳化物，同时伴有渗碳体的溶解。,（2）直接由相中析出特殊碳化物,含W和Mo的钢既有特殊碳化物从相中直接析出，又有合金元素向Fe3C中富集并在原位转变成特殊碳化物,高于500回火，W和M
24、o向Fe3C中富集，在原位转变成M2C型碳化物，也直接从 相基体中析出M2C型碳化物,直接从相中析出的特殊碳化物如VC、Mo2C、W2C等与基体形成共格，不易聚集长大，有强的次生硬化效应。,二次硬化,某些高合金钢在较高温度回火时，钢的硬高显著升高的现象称为“二次硬化”。,在钒钢中，VC析出的组织,四、合金元素对回复、再结晶的影响（P23）,Co、Mo、W、Cr、V作用明显,Si、Mn次之,Ni 影响很小。,五、合金元素对析出金属间化合物的影响,低碳和微碳合金马氏体在高温回火时，从基体相中析出金属间化合物，并产生沉淀强化效应。,小 结,一、基本定义与概念,合金元素、合金钢、微合金化钢、 低合金钢
25、、中合金钢、高合金钢、,碳化物形成元素、非碳化物形成元素,奥氏体形成元素、铁素体形成元素。,二、合金元素对 FeC 相图的影响,1、对临界点的影响,2、 FeCM三元系。,三、在合金钢中可能形成以下各类相：,1. 以Fe 或 -Fe 为基的固溶体。,2.具有金属性的化合物(碳化物、氮化物及金属间化合物）,3. 非金属相,4. 元素以自由状态存在：个别的元素如铅、铍及铜含量超过其溶解度以后，将以自由状态呈细小分散的颗粒存在于钢中。,四、合金钢中的相变,1.合金元素对钢在加热时转变的影响,对奥氏体形成速度及奥氏体晶粒长大的影响,珠光体、贝氏体或马氏体转变的影响,2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响,
26、3. 回火时组织转变,提高回火稳定性、二次淬火、二次硬化。,习 题,在合金钢中，常加入的合金元素有哪些?非碳化物形成合金元素有哪些?碳化物形成合金元素有哪些?扩大相的合金元素有哪些?缩小相区的合金元素有哪些? 为什么碳钢在室温下不存在单一奥氏体或单一铁素体组织，而合金钢中有可能存在这类组织？ 分析Me（Ni、Co、Mn、Cr、V、Cu；C、N）在Fe中的溶解度。 从电子结构和生成热两方面分析碳化物和氮化物在钢中的稳定性。 分析合金元素对Fe-C相图的影响 分析合金元素对钢加热时转变的影响。 分析合金元素对C曲线的影响。 分析合金元素对珠光体转变、贝氏体及马氏体转变的影响。 合金元素对淬火钢回火
27、组织转变有何影响? 什么是二次淬火？产生二次淬火的原因是什么？ 什么是二次硬化？产生二次硬化的原因是什么？,解释下列现象； (1)在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高； (2)在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢具有较高的回火抗力； （3）含碳0.40，含Cr12的钢属于过共析钢，而含碳1.5、含Cr12的钢属于莱氏体钢； （4)高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织。,注意：不同的合金元素在钢中的作用既可能不同，也可能相同。同一合金元素在不同的钢中作用也可能不同，如Cr在40Cr中主要提高淬透性，而在1Cr17、1Cr18Ni9中提高耐蚀性。,
