关键工程材料学

工程材料学飞鹰工作室第_章钢铁中胸元素第一节基本定义与概念1. 合金元素(alloying-element) (Me)为合金化目曰勺加入，其加入量有一定范畴曰勺元素称为合金元素。常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Cu、Al、Co、B 等。2 .杂质元素(impurity- element)冶炼残存，由脱氧剂带入-Mn、Si、Al;S、P难彻底清除。3.合金钢(alloying steel)具有合金元素曰勺钢合金元素总量< 5% ,低合金钢； 5-10%，中合金钢； >10%，高合金钢第二节Me胸分类及铁基二元相图胸类型一、MeK分1. 按性质分 铁族金属Fe.Co.Ni难熔金属W.Mo.V.Cr.Nb轻金属Ti.Al稀土 Re2. 在Fe-C合金中，按Me与C亲和力大小分K 形成元素：Ti.Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn非K形成元素：Cu,Ni,Si,Al二、铁基二元相图的类型1、Y稳定化元素-使A31, A4"y稳定存在区扩大。a) 与y区无限固溶-Ni、Mn、Co，启动Y区-量大时，室温为Y相；b) 与Y区有限固溶-C、N、Cu-扩大丫区2、a稳定化元素-使A3T, A41，y稳定存在区缩小。a) 完全封闭Y区-Cr、V与a-Fe完全互溶，Cr量大时室温也为以相b) 缩小Y区-Nb等。在Y-Fe中有较大溶解度并稳定Y相曰勺元素称为A形成元素(austenite )在a-Fe中有比较大溶解度并使Y固溶体不稳定曰勺元素称为F形成元素(ferrite )第三节 MefflKtt界点和 Fe-C相图胸影响一、对S、丘点的影响(Effects of Me on S、E)A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移一意味着共析C量减小。E点左移一意味着浮现莱氏体曰勺C量减少。二、对临界点的影响(Effects of Me on critical temperature)1. A形成元素Ni、Mn等使A1(A3)线向下移动； 2.F形成元素Cr、Si等使A1(A3 )线向下移动。AC3= 910-203C-5.2Ni+44.7Si + 104V+31.5Mo+13.1WAC1=723-10.7Mn-16.9Ni+29Si + 16.9Cr+6.38W三、对Y-Fe的影响(Effects of Me on Y-Fe region)1. A形成元素Ni、Mn等使Y-Fe区扩大-钢在室温下也为A体-奥氏体钢；2. F形成元素Cr、Si等使Y-Fe区缩小-使钢在高温下仍为F体-铁素体钢。第四节钢胸分类与编号一.钢胸分类1. 按用途工程构件用钢-桥梁、建筑、锅炉机器零件用钢-多种机器零件轴、齿轮工模具用钢-量刃具、冷热模具特殊性能用钢-耐磨钢、不锈钢等2. 按金相组织：共析钢、亚共析钢、过共析钢，珠光体、贝氏体、马氏体3. 按化学成分：碳素钢 合金钢 铬钢锰钢-、B号1. 碳素钢1）一般碳素构造钢Q2352）优质碳素构造钢45、60、40、200.45%C 0.60%C.3）碳素工具钢 T7 T12T100.7%C1.2%C1.0%C2. 合金钢字母+数字+化学元素符号+数字汉语拼音含碳量合金元素专门用途1) 碳含量表达法a构造钢 以万分之几表达0.05-5%如40Cr，代表0.4%Cb特殊性能钢如高速钢等碳含量不标.W18Cr4VC合金工具钢 当C%不小于1.0%时不标 如Cr12MoV当C%不不小于1.0%以千分之几表达 如9SiCr2) 合金元素表达法a) Me%不不小于1.5%时，仅标元素符号不标合金元素含量。b) 1.5-2.49%Me 时，含量标为 2,2.5-3.49%Me时，含量标为3.依此类推C)铬轴承钢 碳量不标，铬以千分之几标出GCr15-1.5%Cr, GCr9-0.9%Cr第二章合金钢中的相构成Me在钢中曰勺存在形式固溶体化合物非金属相自由态第一节 铁基固溶体(Ferro-solid solution)I溶体(Substitutional solution)合金元素在铁点阵中曰勺固溶状况MeTiV Cr Mn Co Ni Cu C N溶a-Fe 7(1340°C)无限无限 376100.2 0.02 0.1解丫-Fe 0.681.4 12.8* 无限无限无限 8.5 2.06 2.8度注：有些元素曰勺固溶度与C量有关合金元素点阵构造、电子构造和原子半径第四周期Ti V Cr Mn Fe CoNiCu点阵构造bcc bcc bcc bcc 或 fcc fcc/hcpfccfcc原子半径1.45 1.36 1.28 1.31 1.27 1.26 1.241.28Ni、Co、Mn - y-Fe 无限互溶Cr、V - a-Fe无限互溶二、间隙固溶体(Interstitial solution )第二节 碳化物与氮化物(carbide and nitride )K类型、大小、形状和分布对钢曰勺性能有很重要曰勺作用一、钢中常用的碳化物1. K形成元素：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe (由强到弱排列)。与C曰勺亲和力(电负性)愈强，形成曰勺K也愈稳定。2. 钢中常用日勺K有： M3C :渗碳体 M7C3 : Cr7C3，可以形成复合 K,(Cr,Fe,Mo,.)7C3 ; M23C6 : Cr23C6 , M2C : Mo2C、W2C MC : VC、TiC、NbC , M6C :不是一种金属 K。(W,Mo, Fe)6C。复杂点阵构造：M23C6、M7C3、M3C。其特点是硬度较低，熔点较低，稳定性较差；简朴点阵构造：M2C、MC。硬度高，熔点高，稳定性好。又称间隙相。 M6C是复杂构造，性能特点接近简朴点阵构造。二 S成的一般规律(Rule of K forming )1.K类型与Me日勺原子半径有关。各元素日勺rc/rMe日勺值如下:Me Fe Mn Cr V Mo W Tirc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53基本规律：当rc/rMe > 0.59时，形成复杂点阵构造;rc/rMe < 0.59时，形成简朴构造相;Me量少时，形成复合K，即多元K。2. 强碳化物形成元素优先与碳结合三 Me 的偏聚(segregation )d LL'J钢中晶体缺陷：晶界、亚晶界、位错、相界等，缺陷处能量高。Me与晶体缺陷有交互作用， 会产生吸附(adsorption)或偏聚现象。1、偏聚现象(segregation phenomenon )Me产生偏聚-使偏聚Me在缺陷处日勺浓度 > 基体中曰勺平均浓度。这种现象称为吸附现 象。除了晶界吸附外，在位错处也会产生偏聚。如:Me + ± :溶质原子在刃型位错处日勺吸附，形成Cottrell气团；Me +三：溶质原子在层错附近形成日勺吸附，形成铃木气团;Me +:溶质原子在螺型位错处曰勺吸附，形成Snoek气团。第三*合金钢中胸相变 第一节合金元素对奥氏体形成曰勺影响一、合金钢的加热 A 化(Austeniting of alloy steel)一、K在A中曰勺溶解规律(Rule of K dissolution )K溶解影响到钢热解决工艺日勺制定，决定了钢日勺组织与性能。基本规律：1)K稳定性越好，溶解度就越小，如图4。2 )温度I,溶解度1,一沉淀析出；3 ) A中有较弱日勺K形成元素，则会IC活度(ac) ,-fK日勺溶解；非K形成元素(如Ni)则 相反，fac ,!K日勺溶解。如：较多Mn日勺存在使VC曰勺溶解温度从1100°C降至900C4 )K稳定差曰勺先溶解。Mn、Cr曰勺K先溶解，V、Ti曰勺K后溶解。如:MC型日勺溶解温度1100 1150C, M7C3、M23C6 > 950C。二 A 体的均匀化(Average austeniting )A体刚形成时，C和Me日勺分布是不均匀日勺一般钢曰勺解决都规定有一定曰勺均匀化。合 金钢加热均匀化不仅是间隙原子C,置换原子Me也要比较均匀。由于Me扩散比C慢得多， A体均匀化时间比较长，因此合金钢加热解决时曰勺保温时间比较长。三 A 体晶粒长大(Austenite grain growth)钢在高温状况下，A体晶粒容易长大。所谓钢过热敏感性就是晶粒长大问题。晶界呈 形状是稳定态，它总是力图向这方向进行，球形曰勺第2相要比其他形状日勺要稳定，因此钢中 曰勺第2相也要不断地向球形转变。(乌龟壳、蜜蜂窝呈 ，什么因素)钢加热刚形成A时， 晶粒形状是不稳定曰勺，为减少系统曰勺表面能，晶粒会长大，这是一种自发过程。Me 日勺作用(Effect of Me on grain growth ):1) 强K形成元素Ti、Nb、Vll,W、Mol晶粒长大，-有K存在和(或)IDFe ;2) C、N、Bf晶粒长大-! DFe (IFe原子间结合力)；3 ) Mn在低C钢中有细晶作用，其他钢中都f晶粒长大；4) 用Al脱氧曰勺镇定钢是本质细晶粒钢-AlN、AI2O3稳定细小-ll晶粒长大。5) Ni、Co、Cu作用不大。第二节 过冷 A 体胸分解(Sub-cooling austenite decpmposition)一、过冷 A 体的稳定性(Sub-cooling austenite steadiness )