第一章 合金鋼中的相組成.ppt

Chapter2合金鋼中的相組成 第一節(jié)鐵基固溶體第二節(jié)鋼中的碳化物第三節(jié)鋼中的氮化物第四節(jié)鋼中的金屬間化合物第五節(jié)非金屬相 主要內(nèi)容 第一節(jié)鐵基固溶體一 置換固溶體的形成規(guī)律決定組元在置換固溶體中的溶解條件是 1 溶劑與溶質(zhì)的點(diǎn)陣相同 2 原子尺寸因素 形成無(wú)限固溶體時(shí) 兩者之差不大于 8 3 組元的電子結(jié)構(gòu) 組元在周期表中的相對(duì)位置 Mn Co Ni與 Fe符合上述條件 可形成無(wú)限置換固溶體 V Cr與 Fe符合上述條件 可形成無(wú)限置換固溶體 注意 對(duì)于形成無(wú)限固溶體來(lái)說(shuō) 組元的點(diǎn)陣相同是必須的 但不是充分的 例如 Mo 2 01 W 2 02 雖然與 Fe 1 72 點(diǎn)陣相同 但原子尺寸相差較大 只能形成有限置換固溶體 對(duì)于鐵基固溶體來(lái)說(shuō) 原子尺寸的最大偏差 可以引用下列資料 例如 Ni Fe 1 62 1 72 0 94 所以Ni在 Fe中能形成無(wú)限固溶體 Mo Fe 2 01 1 72 1 17 所以Mo在 Fe中只能形成有限固溶體 電子結(jié)構(gòu)因素對(duì)于形成無(wú)限固溶體來(lái)說(shuō)同樣也是必要條件 所以與鐵在同一周期并且排列在最接近V 族的元素能在鐵中具有最大的溶解度 二 間隙固溶體形成規(guī)律鐵的間隙固溶體是Fe與較小原子尺寸的間隙元素所組成的 間隙固溶體總是有限固溶體 其溶解度取決于 1 溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2 間隙元素的原子尺寸 體心立方結(jié)構(gòu)的間隙如下圖所示 面心立方結(jié)構(gòu)的間隙 a 四面體間隙 b 八面體間隙 密排六方結(jié)構(gòu)的間隙 a 四面體間隙 b 八面體間隙 其中間隙類(lèi)型 數(shù)量及值 rB為間隙半徑 rA為原子半徑 如下表所示 表 三種典型晶體結(jié)構(gòu)中的間隙 從圖中還可以看出 密排六方的間隙類(lèi)型與面心立方相同 同類(lèi)間隙的形狀完全相同 僅位置不同 在原子半徑相同的條件下這兩種結(jié)構(gòu)同類(lèi)間隙的大小完全相同 一般間隙原子的原子半徑如表所示 C N在 Fe中并不占據(jù)比較大的四面體間隙 而是位于八面體間隙中 Why 間隙原子的溶解度隨其原子尺寸的減小而增加 即按B C N O和H的順序增加 由于面心立方結(jié)構(gòu)的間隙大于體心立方結(jié)構(gòu)的間隙 所以 間隙原子在 Fe中的最大溶解度要高于其在 Fe中的最大溶解度 例如 C原子在 Fe中的最大溶解度 2 11wt C 顯著地高于 Fe中的最大溶解度 0 0218wt C 第二節(jié)鋼中的碳化物一 一般特點(diǎn) 碳化物是鋼中的重要組成相之一 碳化物的類(lèi)型 數(shù)量 大小 形狀及分布對(duì)鋼的性能有極重要的影響 碳化物具有高硬度和脆性 并具有高熔點(diǎn) 這表明它具有共價(jià)鍵特點(diǎn) 碳化物具有正的電阻溫度系數(shù) 具有導(dǎo)電特性 這表明它具有金屬鍵特點(diǎn) 碳化物具有金屬鍵和共價(jià)鍵的特點(diǎn) 以金屬鍵占優(yōu) 二 碳化物的結(jié)構(gòu)過(guò)渡族金屬的碳化物中 金屬原子和碳原子可形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣或復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 金屬原子處于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上 而尺寸較小的碳原子在點(diǎn)陣的間隙位置 如果金屬原子間的間隙足夠大 可以容納碳原子時(shí) 碳化物就可以形成簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu) 若這種間隙還不足容納碳原子時(shí) 就得到比簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)稍有變形的復(fù)雜密排結(jié)構(gòu) 因此碳原子半徑 C 和過(guò)渡族金屬的原子半徑 M 的比值 C M 決定了可以形成簡(jiǎn)單密排還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物 金屬元素的 C M值如下 1 當(dāng)非金屬 C 與金屬 M 的原子半徑比rC rM 0 59時(shí) 形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物 它們大多數(shù)具有面心立方和密排六方結(jié)構(gòu) 也有少數(shù)具有體心立方或簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu) 1 形成NaCl型簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣的碳化物 如VC NbC TiC ZrC等 注意 這種MeC相不具備嚴(yán)格的化學(xué)計(jì)算成分和化學(xué)式 一般形式將是MeCx 其中0 5 x 1 VC的晶體結(jié)構(gòu)如圖2 4所示 圖2 4VC晶體結(jié)構(gòu) 2 形成六方點(diǎn)陣的碳化物如Mo2C W2C MoC WC 2 當(dāng) C M 0 59 形成復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物一般合金鋼中常出現(xiàn)的復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物為Cr Mn Mo Fe的碳化物或它們的合金碳化物 主要類(lèi)型有M3C M7C3 M23C6等 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜 現(xiàn)以結(jié)構(gòu)稍簡(jiǎn)單的滲碳體 Fe3C 為例說(shuō)明之 其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示 屬正交晶系 晶胞中共有16個(gè)原子 其中鐵原子12個(gè) 碳原子4個(gè) 符合Fe C 3 1關(guān)系 小結(jié) 族金屬的碳化物具有簡(jiǎn)單的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 金屬的碳化物具有復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 三 碳化物的穩(wěn)定性碳化物在鋼中的相對(duì)穩(wěn)定性取決于合金元素與碳的親和力的大小 即取決于合金元素d層電子數(shù) 金屬元素的d層電子數(shù)越少 它與碳的親和力就越大 所析出的碳化物在鋼中就越穩(wěn)定 下面給出部分合金元素的d層電子數(shù) 從第四周期合金元素來(lái)看 與碳的親和力鈦 釩 鉻 錳 而鈷和鎳的3d層電子數(shù)比鐵多 與碳的親和力比鐵弱 故在鋼中不形成碳化物 在鋼中碳化物相對(duì)穩(wěn)定性的順序如下 Hf Zr Ti Ta Nb V W Mo Cr Mn Fe鉿 鋯 鈦 鈮 釩是強(qiáng)碳化物形成元素 形成最穩(wěn)定的MC型碳化物 鎢 鉬 鉻是中等強(qiáng)碳化物形成元素 錳 鐵是弱碳化物形成元素 合金碳化物在鋼中的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān) 強(qiáng)碳化物形成元素所形成的碳化物比較穩(wěn)定 其溶解溫度較高 溶解速度較慢 析出和聚集長(zhǎng)大速度也較低 弱碳化物形成元素的碳化物穩(wěn)定性較差 很容易溶解和析出 并有較大的聚集長(zhǎng)大速度 碳化物的穩(wěn)定性可由下式來(lái)歸納表示 四 碳化物的相互溶解鋼中往往同時(shí)存在著多種碳化物形成元素 在一種碳化物中可溶解其它元素 形成含有多種合金元素的復(fù)合碳化物 各種碳化物之間可以完全溶解或部分溶解 影響不同類(lèi)型碳化物溶解度的因素是 1 碳化物的點(diǎn)陣類(lèi)型 2 合金元素的尺寸因素 3 合金元素的電化學(xué)因素 1 完全互溶各種碳化物具有相同的點(diǎn)陣類(lèi)型 并且 碳化物中的金屬原子的外層價(jià)電子結(jié)構(gòu)相近 原子半徑差 8 10 這些碳化物彼此能夠完全互溶 即碳化物中的金屬原子可以任意彼此互相置換 例如 1 Mn3C Fe3C Fe Mn 3C 2 VC NbC TaC V Nb Ta C 3 Mo2C W2C 4 Fe3W3C Fe3Mo3C Fe3 W Mo 3C 2 有限溶解 如果三個(gè)因素中任意一個(gè)不合適 則碳化物之間就形成有限溶解 例如 Fe3C中可溶解 28 Cr 14 Mo 2 W 3 V 形成合金滲碳體 各種碳化物的互溶影響了它們各自的穩(wěn)定性 強(qiáng)碳化物形成元素溶解于弱碳化物中 可提高弱碳化物的穩(wěn)定性 反之 則降低強(qiáng)碳化物的穩(wěn)定性 第三節(jié)鋼中的氮化物由于冶煉時(shí) 鋼液吸收大氣中的氮 會(huì)在鋼中形成鐵或其它合金元素的氮化物 氮化物一般都是間隙相 以金屬鍵占優(yōu) 它具有高硬度和脆性 高熔點(diǎn) 對(duì)鋼的性能有明顯的影響 氮原子比碳原子小 氮原子半徑 N和金屬原子半徑 M之比 N M均小于0 59 所以氮化物都呈簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu) 例如 1 NaCl型簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣 TiN VN CrN Fe4N 等 2 簡(jiǎn)單密排立方點(diǎn)陣 WN MoN Cr2N Fe2 3N 等氮化物的穩(wěn)定性和氮化物之間的溶解與碳化物相類(lèi)似 第四節(jié)鋼中的金屬間化合物合金鋼中合金元素之間以及合金元素與鐵之間產(chǎn)生相互作用 可能形成各種金屬間化合物 通常以Mn族元素為界 將長(zhǎng)周期表內(nèi)元素分為A及B元素 由于A與B之間的原子半徑 負(fù)電性都有一定差異 可以形成各種拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)的金屬間化合物 拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合 得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu) 其空間利用率和配位數(shù)均很高 12 14 15 16 稱(chēng)為拓?fù)涿芏严?簡(jiǎn)稱(chēng)TCP相 一 相在低碳的高鉻不銹鋼 鉻鎳奧氏體不銹鋼及耐熱鋼中都出現(xiàn) 相 例如 Cr46Fe54 相具有較高的硬度 在鉻鎳鋼中伴隨著 相的出現(xiàn) 鋼的塑性和韌性顯著下降 脆性增加 二 AB2相 拉弗斯相 在含鎢 鉬 鈮 鈦復(fù)雜成分的耐熱鋼中均出現(xiàn)AB2相 例如 TiFe2 W Mo Nb Cr Mn Fe Ni 2復(fù)雜相 AB2相是現(xiàn)代耐熱鋼中的一個(gè)強(qiáng)化相 由于具有較高的穩(wěn)定性 可使強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間保持在較高的水平 三 AB3相 有序相 這類(lèi)有序相是介于無(wú)序固溶體和化合物之間的過(guò)渡狀態(tài) 例如 Ni3Fe Fe3Al Ni3Al等 AB3是耐熱鋼和耐熱合金中重要的強(qiáng)化相 第五節(jié)非金屬相鐵及合金生成的氧化物 硫化物 硅酸鹽等一般都不具有金屬性或者金屬性極弱 在鋼中 這些非金屬相稱(chēng)為非金屬夾雜物 一 氧化物簡(jiǎn)單氧化物 如FeO MnO TiO2 Al2O3 SiO2等 復(fù)雜氧化物 如MgO Al2O3 MnO Al2O3等 氧化物的特點(diǎn) 脆 易斷裂 一般無(wú)塑性 這些氧化物在鋼材軋制或鍛造后 沿加工方向呈鏈狀分布 二 硫化物如MnS FeS 硫化物一般有較高的可塑性 熱加工后會(huì)伸長(zhǎng) 注意 由于FeS的熔點(diǎn)較低 且沿晶界連續(xù)分布時(shí) 將引起熱脆性 對(duì)性能特別有