金属材料学：Ch1 金属材料的合金化原理-2.ppt

五、合金元素对钢的性能的影响,加入Me的主要目的：使钢具有更优异的,1.2 钢的合金化原理,Chapter 1 金属材料的合金化原理,力学性能,使用性能,耐腐蚀性、耐热性,强度,塑性,韧性,耐腐蚀性,热强性,抗氧化性,耐热性,工艺性能,铸造性能,锻压性能,焊接性能,热处理性能,切削性能,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响,1Me对钢的强度的影响 钢中Me的强化作用主要有以下四种方式： （1）固溶强化 （2）晶界强化（细晶强化） （3）第二相强化 （4）位错强化 通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（1）固溶强化 固溶强化的出发点是以合金元素作为溶质原子阻碍位错运动其强化机制为： 由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化 此外，溶质原子还可以通过与位错的电、化学交互作用而阻碍位错运动。

1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,溶质原子的类型： 间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈，其强化作用相差10100倍，因此，间隙原子如C、N是钢中重要的强化元素 置换式溶质原子的固溶强化效果在工程用钢中不可忽视能与铁形成置换式固溶体的合金元素很多，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等这些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化效果增大，尤其是Si、Mn的强化作用更大1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（2）晶界强化（细晶强化） 晶界强化的机制是： 一方面，由于晶界两侧晶粒变形的不协调性，在晶界附近诱发的位错称为几何上需要的位错1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果就越好。

这一关系可用Hall-Petch关系表示,在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近这种在晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力此反作用力随位错塞积的数目n而增大：,Chapter 1 金属材料的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,1.2 钢的合金化原理,利用晶界强化的主要途径有： 利用Me改变晶界的特性，提高Ks值为此，可向钢中加入表面活性元素如C、N、Ni和Si等，以便在-Fe晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的能力； 利用Me细化晶粒，通过减小晶粒尺寸增加晶界数量常用的方法是向钢中加入Al、Nb、V、Ti等元素，形成难熔的第二相质点，阻碍奥氏体晶界移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒 用热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化及控制轧制等措施1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,实例： 对于珠光体来说，为了达到强化目的，需向钢中加入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素Cr、Mn、Mo等，使C曲线右移，在同样的冷却条件下，可以得到片间距细小的珠光体，同时还可起到细化铁素体晶粒的作用，从而达到强化的目的。

同样，对于马氏体强化来说，也包含有马氏体晶粒细化来强化钢的目的1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（3）第二相强化 第二相粒子可以有效地阻碍位错运动运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式： 位错切过第二相粒子粒子：第二相粒子的特点是可变形，并与母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，故有沉淀强化之称 沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效合金化的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件例如在马氏体时效钢中加入Ti和Mo，形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（b）Al-Li合金中位错切割Al3Li相的电镜照片,（a）位错切割第二相粒子的机制,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,可变形微粒的强化作用（位错切过机制）,位错绕过第二相粒子粒子：第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。

当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有弥散强化之称这样的滑移变形才能继续进行，这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化 弥散强化是钢中常见的强化机制例如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相这时合金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使碳化物呈细小均匀弥散分布五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,不可变形微粒的强化作用奥罗万机制（位错绕过机制）,（a）位错绕过第二相粒子的机制,（b）Ni合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,总之，第二相强化机制比较复杂，不仅要考虑第二相的大小、数量、形态、分布等方面的影响，而且还要考虑第二相的性质这除了涉及到热处理参数的直接影响外，还涉及到合金元素的影响合金元素的作用主要是为形成所需要的第二相粒子提供成分条件1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（4）位错强化 金属中位错密度提高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。

这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化 位错所造成的强化量与金属中位错密度的平方根成正比，可表示为,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,细化晶粒通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需要的位错为此，宜向钢中加入细化晶粒的合金元素 形成第二相粒子当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多为此，宜向钢中加入强碳化物形成元素1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,合金元素强化金属材料的主要途径,促进淬火效应淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构为此，宜向钢中加入提高淬透性的合金元素 降低层错能通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移为此，宜向钢中加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,钢淬火形成马氏体。

马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应； 马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火,奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应 淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应 由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,提高淬透性 提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度位错保持到较高的温度 使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能 由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,合金元素加入钢中的目的,2合金元素对钢的塑性、韧性的影响 为什么要研究Me对钢的塑性、韧性的影响？ 塑性的好坏不仅涉及到钢的冷变形工艺性能； 塑性的好坏还会影响钢使用的安全性。

因此，有必要深入理解Me对钢的塑性和韧性影响的机制，以便提高合理选用Me的能力1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,2.合金元素对钢的塑性、韧性的影响 （1）Me对钢的塑性的影响及其改善途径 在-Fe中固溶Me时，一般都使钢的塑性下降 少量的Ti、V、Nb等微量元素以固定间隙原子C和N ，使之不向位错偏聚，位错的可动性提高，从而改善钢的塑性1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,合金元素形成的第二相粒子的性质、尺寸、形状、数量和分布特点也会影响钢的塑性 某些Me细化晶粒，使应力集中减弱，推迟孔坑或微裂纹的形成例如，在工具钢中加入细化晶粒的合金元素，对塑性改善或提高断裂抗力会有一定好处，这是工具钢合金化的一个主要的出发点五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,1.2 钢的合金化原理,（2）Me对钢的韧性的影响及其改善途径 由于金属材料断裂有不同的断裂机制，因此改善和提高韧性的途径也有所不同。

1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,（a）延性断裂 （b）解理断裂 （c）沿晶断裂 图1-19 三种基本断裂形式的示意图,延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程 解理断裂抗力与晶粒大小有关晶粒越细，则位错塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性增高 沿晶断裂是晶界弱化而引起的： 溶质原子（如P、As、Sb、Sn）在晶界上偏聚； 第二相质点（如MnS、Fe3C等）沿晶界分布1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响）,Chapter 1 金属材料的合金化原理,提高延性断裂抗力的主要途径： 减少钢中第二相的数量，特别是夹杂物数量，改善第二相粒子的性质、尺寸、形状和分布； 提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶强化效果大的合金元素，如降低Si、Mn、P、C、N的含量； 提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧性的主要措施是提高回火温度，故而发展了调质钢1.2 钢的合金化原理,五、合金元素对钢的性。