1钢的合金化概论分析.ppt

第1章 钢的合金化基础 1.1钢中的合金元素及其分类依据一、钢中常存杂质元素 常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入 Mn、Si、Al；S、P难清除隐存杂质常存杂质 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等热脆、冷脆、氢脆概念:加入适当元素改变金属性能称合金化为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素形成的钢称合金钢低合金钢5%、中合金钢5-10%、高合金钢10%二、钢中合金元素分类 1) 按照与铁相互作用的特点分类稳定化(形成)元素使A3，A1 ，区扩大a) 与区无限固溶 Ni、Mn、Co 量大时， 室温为相；b) 与区有限固溶 C、N、Cu 扩大区稳定化(形成)元素使A3，A1 ，区缩小a) 完全封闭区 Cr、V、 W、Mo、Ti 其中 Cr、V与-Fe完全互溶，量大时相； W、Mo、Ti 等与-Fe部分溶解b) 缩小区 Nb等稳定相 A形成元素，稳定相 F形成元素2)按照与碳相互作用的特点分类非碳化物形成元素 Ni,Cu,Si,Al,P碳化物形成元素Cr,Mo,W,B,Ti,Zr,Nb 与C的亲和力由强到弱：Zr,Ti,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe,Ni,Si,Co,Al(固溶) 3）按照对奥氏体层错能的影响分类提高奥氏体层错能:Ni、Cu、C降低奥氏体层错能: Cr,Mn,Ru,Ir等。

钢中的MnO夹杂钢中的MnS夹杂钢中的硅酸盐球状夹杂钢中的Al2O3夹杂l形成非金属夹杂l溶入固溶体F、A、Ml形成化合物如各种碳化物l自由存在Cu、Pb三 钢中合金元素的分布(a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu 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、 合金元素和Fe的作用 1）扩大区元素(d) Nb,B等 (c) Cr，V 2）扩大区元素（缩小区元素）二、合金元素和c的作用 碳化物类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用 l（1）形成K的规律性 a) Me的d层电子愈少，与C的亲和力（电负性）愈强，形成的K也愈稳定 b) 碳化物的生成热越大，其稳定性越高 c) 基本规律：当rc/rMe 0.59时，形成复杂点阵结构-间隙化合物；rc/rMe 1.1%，Mn 1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降C、N固溶强化效应最大 合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应-间隙元素，-F形成元素，-A形成元素 合金元素对铁素体对冲击韧度的影响表达式机理 晶粒越细 晶界、亚晶界越多 有效阻止位错运动，产生位错塞积强化效果 钢的强度，塑性和韧度这是最理想的强化途径.冷脆转变温度TK 著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数2、晶界强化 晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响3、第二相强化表达式机理 微粒第二相钉扎位错运动强化效果。

主要有切割机制和绕过机制在钢中主要是绕过机制 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化效果有效提高强度，但稍降低塑韧性钢强度表达式表达式 机理 位错密度 位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动 钢强度 对Fcc晶体，位错强化效果较好效果 在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度TK4、位错强化1.4 改善钢塑性和韧性的基本途径几个韧、塑性指标：、ak、 KIC、 TKl影响冷变形、疲劳、使用安全等l成份、组织、夹杂物对此比强度敏感一、改善钢塑性的基本途径l钢的塑性包括:颈缩前均匀塑性变形u和颈缩后变形Pl提高途径: u,和推迟导致颈缩的微孔坑的形成二、影响钢的塑性因素l溶质原子 形成单相固溶体，特别是fcc,塑性一般仍然很好，但过量则不行l晶粒大小 d 应力集中推迟微坑/微裂纹形成极限塑性对均匀塑性变形u作用小l第二相 尺寸、形状、分布、种类 采用第二相强化时，改善钢的塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状（片针粒）及分布减少钢中夹杂物的数量，控制夹杂物形态l位错强化与钢的塑性 ，塑性 三、影响钢韧性的因素和提高钢韧性的途径 l导致强化的组织因素 除细晶外，均韧脆转变温度TK l置换固溶元素 Ni基体韧性；Mn在少量时也有效果；其它常用元素韧性l晶粒度l碳化物或其它脆性相 K或脆性相可自身开裂或与基体脱开 裂纹核心 韧性 l杂质 杂质往往是形变断裂过程中孔洞的形成核心 （1）影响韧性的因素 1）细化晶粒、组织 Ti、Nb、V、W、Mo； 2）回火稳定性 强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 Ni ； 4）细化K 适量Cr、V，使K细小均布 ； 5）回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当含C量. 冶金质量。

7） 第二相数量 和改善形态 8)对延性断裂/解理断裂/沿晶断裂,提高韧性侧重点不同.思考： 有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态?（2）提高钢韧性的途径 作用：影响FeC相图和热处理相变过程一、对S、E点（FeC相图）的影响 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点左移意味着共析C量减小 ； E点左移意味着出现莱氏体的C量降低 S点向上或下移动意味着A1和A3升高或降低 E点向上或下移动意味着共晶转变温度升高或 降低1.5 合金元素对钢相变的影响 铁碳锰相图铁碳铬相图 合金元素对共析体含碳量(S点)的影响二、合金元素对钢加热转变的影响 碳化物在A中的溶解规律 基本规律 1）K稳定性越好，溶解度就越小； 2）温度，溶解度， 沉淀析出； 3）K稳定差的先溶解 ; 4）A中有弱K形成元素，则会C 活度ac ， K的溶解；如：较多Mn的存在 使VC的溶解温度从1100降至900但非K形成元素（如Ni）则相反,ac，K的溶解 a、对奥氏体形成（形核、长大）的影响 Co和Ni提高C在A中的扩散速度，增大奥氏体形成速度； Si、Al、Mn对C在A中的扩散速度影响小； K形成元素与C的亲和力较大，妨碍C在A中的扩散。

b、对奥氏体均匀化的影响 合金元素本身扩散慢，多数延缓奥氏体均匀化； K稳定性越好，则要更高的温度使其分解和溶入A中 c、对奥氏体晶粒度的影响 Ti、V、Zr、Nb等强K形成元素：强烈 阻碍奥氏体晶粒长大细化 W、Mo、Cr：阻碍作用中等 Ni、Si、Cu等非K形成元素：作用微弱 Mn、P：促进奥氏体晶粒长大过热三、合金元素对过冷A体分解转变的影响 过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大1）Ni、Si和Mn，大致保持 C钢的“C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；2） Co不改变“C”线，但使“C”线左移；使C曲线右移，即提高钢的淬透性3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状4）K必须溶入A中才能起到用，包括C，否则因未溶K可成为A分解 的自发核心（P形核），而降低过冷A体的稳定性5）Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致 有五种对过冷A体的稳定性的影响 “C”曲线五种形状碳钢、含非K元素Ni、Si和弱K形成Mn1.5%低合金钢 20Cr、40Cr、30CrMo、12Co2Ni4W、40CrNi、30CrMnSiA B在前4Cr13、3Cr13、2Cr17 GCr15、 9Cr 、9Cr2、 CrMn、 CrW、 CrWMn P在前0.150.25%C：CrNiMo、CrNiW钢 Mn13、45Cr14Ni14B2 珠光体转变 ：需要C和Me都扩散 ； 综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si 贝氏体转变 ：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。

影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si ，而W、Mo等影响很小l对Ms的影响 除Co、Al外，均降低Ms和Mf残余A体量增加 各种Me对Ms位置的影响程度是不同的 如何消除残余A体？l对过冷A体的P、B转变影响注意：加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强得多四、合金元素对淬火钢回火转变的影响 低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大 中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响: 1）Ni、Mn的影响很小； 2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关，V、Nb比Cr、Mo、W更强这些Meac，阻止了渗碳体的析出长大， M分解由250-350 提高到400-500 1、对M分解的影响 3）Si比较特殊： C 和Fe的结合力 ,ac -FeXC的形核、长大Si能溶于，不溶于Fe3C，Si要从中出去 Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260提高到350以上4）合金钢回火时M中含C量变化规律基本规律渗碳体形成开始温度与合金化无关（SiAl除外）； 含非碳化物形成元素（Si除外）的合金 钢（见下页图线2）和碳钢（线1）规律相同； 在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含 C量要比C钢的高，如图中的C3 C1，2 ； 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是 不同的。

4）合金钢回火时M中含C量变化规律 回火时马氏体中C量的变化 2、对残A转变的影响 合金元素大都使残A的分解温度升高， Cr 、Mn 、Si 作用最显著 钢中W、Mo、V等含量较多时（高速钢中），残A回火中会析出K残A中的C及Me贫化 Ms点升高于室温， 回火冷却过程中残A转变成M 硬度不降反升（称二次淬火）3、对回火时碳化物的形成影响 各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K长大 聚集温度：M3C型，350 400；其它K ，450 600； 2）K成分变化和类型转变K转变 -FeXC Fe3C M3C 亚稳特殊K特殊K T, 500 能否形成特殊K，取决于: Me性质、NM/NC比值（含量比）； T和t 钒钢（0.3C,2.1V）在1250淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化 3）特殊K的形成 原位析出：M 0 + M3C （就地转变） MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出 ：M P + M3C （分立转变） 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊K析出 二次硬化，直接（异位）析出 贡献最大 4、对F回复再结晶的影响 合金元素大都使F回复与再结晶的过程延缓，其中Co、Mo、W 、Cr 、V显著提高相的再结晶温度； Si 、 Mn次之；Ni最小。

碳钢中，相高于400 开始回复，500 开始再结晶，加入2%的Co时， 相的再结晶温度可提高到630 几中合金元素的综合效果更显著5、对回火脆性的影响 1）第1类回火脆性 脆性特征 不可逆；300 左右; 与回火后冷速无关； 晶界脆断 产生原因Me作用 Fe3C薄膜在晶界形成； 杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界， 晶界强度 Mn、Cr脆性；V、Al改善脆性； Si 脆性温度区. 2）第2类回火脆性 脆性特征 可逆； 400 550 ； 回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断 .产生原因 杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物,晶界强度 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散Me作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂1.6 合金元素对钢工艺性的影响 一、冷成型性 冷作硬化率是在冷变形过程中，材料变硬变脆程度的表征参量冷作硬化率高，材料的冷成型性差P、Si、C等元素冷作硬化率二、热压力加工性 Me溶入基体热变形抗力 热压力加工性能。

合金钢的热压力加工性能比碳钢差高速钢等高合金钢的热压力加工难度是较大的三、切削加工性 不同情况侧重点不同，如粗加工，主要考虑速度；精加工主要考虑表面光洁度 C钢 硬度在170230HB，切削性。