工程材料學_第6章-鋼的合金化

1、鋼的合金化原理鋼的合金化原理工業(yè)常用鋼鐵材料工業(yè)常用鋼鐵材料（碳鋼、合金鋼、鑄鐵）（碳鋼、合金鋼、鑄鐵）一、鋼中的合金元素一、鋼中的合金元素 特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結構從而得到一定的物理、化學特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結構從而得到一定的物理、化學或機械性能的化學元素?；驒C械性能的化學元素。1 1、合金元素、合金元素常存雜質常存雜質 冶煉殘余，由脫氧劑帶入。冶煉殘余，由脫氧劑帶入。 Mn、Si、Al、S、P難清除難清除。隱存雜質隱存雜質偶存雜質偶存雜質 生產(chǎn)過程中形成，生產(chǎn)過程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 與煉鋼時的礦石、廢鋼有關，與煉鋼時的礦石、廢鋼

2、有關， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。由冶煉是所用的原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的化學元素。由冶煉是所用的原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的化學元素。殘留元素對鋼的影響殘留元素對鋼的影響有益作用：有益作用：提高淬透性提高淬透性(Cr(Cr、Ni)Ni)；固溶強化；固溶強化(Cr(Cr、MnMn) )；不利影響：不利影響：大多數(shù)情況下不利；如大多數(shù)情況下不利；如CrCr、NiNi、CuCu對焊接性、冷變形性對焊接性、冷變形性能不利；能不利；P P、S S產(chǎn)生脆性；產(chǎn)生脆性；H H產(chǎn)生氫脆產(chǎn)生氫脆5% 低合金鋼低合金鋼510%10%中合金鋼中合金鋼 高合金鋼高合金鋼在化學成

3、分上特別添加合金元素泳衣保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求在化學成分上特別添加合金元素泳衣保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求的組織和性能的鐵基合金。的組織和性能的鐵基合金。微合金元素：微合金元素：有些合金元素如有些合金元素如V V、NbNb、TiTi、ZrZr、B B等，當其含量在等，當其含量在0.1%0.1%左右（如左右（如B0.001%B0.001%，V0.2%V0.2%）時，會顯著地影響鋼的組織與性）時，會顯著地影響鋼的組織與性能，將這種化學元素稱為微合金元素。能，將這種化學元素稱為微合金元素。微合金鋼：微合金鋼：大大加入了微合金元素，使鋼的組織或性能有明顯改變的加入了微合金元素，使鋼的

4、組織或性能有明顯改變的這類鋼稱為微合金鋼。這類鋼稱為微合金鋼。二、合金元素與二、合金元素與FeFe和和C C的相互作用的相互作用四種存在形式：四種存在形式：（1）固溶體：）固溶體：固溶于鋼中的鐵素體、奧氏體、馬氏體中；可以是置換固溶于鋼中的鐵素體、奧氏體、馬氏體中；可以是置換型型, 間隙型；可有限互溶、無限互溶。間隙型；可有限互溶、無限互溶。（2）與鋼中的碳形成碳化物或與）與鋼中的碳形成碳化物或與Fe形成金屬間化合物。形成金屬間化合物。（3）形成非金屬夾雜物）形成非金屬夾雜物： O、N、S形成氧化物、氮化物、硫化物形成氧化物、氮化物、硫化物; 還可形成硅酸鹽；統(tǒng)稱還可形成硅酸鹽；統(tǒng)稱非金屬夾雜

5、物。非金屬夾雜物。（4）以自由狀態(tài)存在：）以自由狀態(tài)存在：Pb、Cu、Be(鈹鈹)等不溶于等不溶于Fe、或溶解度極低，、或溶解度極低，也不與也不與C形成形成C化物，而以游離狀態(tài)存在于鋼中化物，而以游離狀態(tài)存在于鋼中,C可以石墨態(tài)的形式存可以石墨態(tài)的形式存在在.1 1、合金元素在鋼中的存在形式、合金元素在鋼中的存在形式二、合金元素與二、合金元素與FeFe和和C C的相互作用的相互作用2 2、合金元素分類、合金元素分類與鐵相互作用：與鐵相互作用： 奧氏體形成元素：奧氏體形成元素： MnMn、NiNi、C C、N N、CuCu、CoCo等等; ; 鐵素體形成元素：鐵素體形成元素：CrCr、MoMo、

6、W W、V V、TiTi、SiSi、AlAl等等與碳作用：與碳作用： 碳化物形成元素：碳化物形成元素： CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb等等 ; ; 非碳化物形成元素：非碳化物形成元素： NiNi、SiSi、AlAl、CuCu、P P等等. .奧氏體層錯能奧氏體層錯能： 提高奧氏體層錯能提高奧氏體層錯能NiNi、CuCu、C;C; 降低降低奧氏體奧氏體層錯能層錯能MnMn、CrCr等等 二、合金元素與二、合金元素與FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素與、合金元素與FeFe的相互作用的相互作用（奧氏體形成元素）（奧氏體形成元素）二、合金元素與二、合金元素與

7、FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素與、合金元素與FeFe的相互作用的相互作用（鐵素體形成元素）（鐵素體形成元素）二、合金元素與二、合金元素與FeFe和和C C的相互作用的相互作用3 3、合金元素與、合金元素與FeFe的相互作用的相互作用（1 1）NiNi、MnMn、CoCo與與-Fe-Fe的點陣結構、原子的點陣結構、原子 半徑和電子結構相似半徑和電子結構相似無限固溶；無限固溶；（2 2）CrCr、V V與與-Fe-Fe的點陣結構、原子半徑和的點陣結構、原子半徑和 電子結構相似電子結構相似無限固溶；無限固溶；（3 3）CuCu和和-Fe-Fe點陣結構、原子半徑相近，點陣結構、

8、原子半徑相近， 但電子結構差別大但電子結構差別大有限固溶；有限固溶；（4 4）C C、N N原子半徑小，與原子半徑小，與FeFe形成間隙固溶體形成間隙固溶體f.c.cf.c.c結構間隙尺寸大，結構間隙尺寸大，b.c.cb.c.c間隙小，所以間隙小，所以C C、N N在在-Fe中溶解度大，所以擴大中溶解度大，所以擴大相區(qū)。相區(qū)。結結論論二、合金元素與二、合金元素與FeFe和和C C的相互作用的相互作用4 4、合金元素與、合金元素與C C的相互作用的相互作用（1 1）碳化物形成元素碳化物形成元素屬過渡族屬過渡族, ,其其d d殼層電子未填滿程度比鐵高；且未填滿電子數(shù)目越多，形殼層電子未填滿程度比鐵

9、高；且未填滿電子數(shù)目越多，形成成C C化物趨勢越強，化物趨勢越強，碳化碳化化物越穩(wěn)定化物越穩(wěn)定。（2 2）非碳化物形成元素非碳化物形成元素有有: Si: Si、AlAl、CuCu、NiNi、CoCo、N N、P P、S S等等, ,CoCo、NiNi有獨立碳化物有獨立碳化物, , 但穩(wěn)定性比但穩(wěn)定性比FeFe3 3C C小小, , 故不會出現(xiàn)。故不會出現(xiàn)。SiSi、AlAl有強的石墨化作用有強的石墨化作用, , 促進促進C C擴散擴散CuCu、NiNi、CoCo也促進石墨化也促進石墨化. . Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱強強弱弱強強 弱弱碳碳化化物物元元素素: : Fe

10、、Mn。 中中強強碳碳化化物物元元素素: : Cr、Mo、W。 強強碳碳化化物物元元素素: : V、Ti、Nb、Zr。 rc/rMe 0.59 復雜點陣結構，復雜點陣結構，如如Cr、Mn、Fe ，形成，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的碳化物碳化物； rc/rMe 0.59 簡單結構相，簡單結構相，如如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。三、合金元素與三、合金元素與Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖的影響相圖的影響1 1、對奧氏體相區(qū)的影響、對奧氏體相區(qū)的影響 奧氏體奧氏體形成元素：如形成元素：如MnMn、NiNi、CoCo

11、等使等使奧氏體奧氏體相區(qū)擴大相區(qū)擴大鐵素體鐵素體形成元素形成元素：CrCr、MoMo、V V、TiTi等，奧氏體等，奧氏體區(qū)縮小直至消失；區(qū)縮小直至消失；合合金金元元素素對對 S 點點成成分分的的影影響響Why:Why:3Cr2W8V 熱模具鋼0.3%C 卻屬過共析鋼？W18Cr4V 高速鋼鑄態(tài)下（1.0%C） 出現(xiàn)萊氏體組織？三、合金元素與三、合金元素與Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖的影響相圖的影響2 2、對共析點的影響、對共析點的影響改變共析點成分和溫度改變共析點成分和溫度四、合金元素對熱處理的影響四、合金元素對熱處理的影響1 1、對加熱轉變奧氏體的影響、對加熱轉變奧氏體的影響（1）影響

12、）影響A形成速度形成速度 （a）(Cr,Mo,W,V)碳化物形成元素，推遲推遲A轉變； （b）非碳化物形成元素：Co、Ni加快加快A形成；Al、Si、Mn影響不大（2）影響影響A晶粒長大晶粒長大 （a）強烈阻礙：V、Ti、Nb、Zr(生成特殊碳化物：高熔點、顆粒、彌散間隙) （b）中等阻礙：W、Mo、Cr （c）影響不大：Si、Ni、Cu （d）促進長大：Mn（只在高溫下和碳結合）、P、Ba.a.碳化物穩(wěn)定性碳化物穩(wěn)定性b.b.阻礙阻礙C C在在 相中的擴散相中的擴散除除CoCo以外，幾乎所有元素都會使以外，幾乎所有元素都會使C C曲線右移曲線右移。原因：原因： 因為大部分因為大部分合金元素能

13、合金元素能提高奧氏體的穩(wěn)定性提高奧氏體的穩(wěn)定性, ,其中弱碳化物形成元其中弱碳化物形成元素比強碳化物形成元素素比強碳化物形成元素更能更能穩(wěn)定奧氏體穩(wěn)定奧氏體。此外，大量合金元素的加入，還。此外，大量合金元素的加入，還會改變會改變C C曲線的形狀（如出現(xiàn)雙曲線的形狀（如出現(xiàn)雙C C曲線曲線對應多個相變對應多個相變）。）。 四、合金元素對熱處理的影響四、合金元素對熱處理的影響2 2、對過冷奧氏體的影響、對過冷奧氏體的影響（1）提高回火穩(wěn)定性：）提高回火穩(wěn)定性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co（2）產(chǎn)生二次硬化：）產(chǎn)生二次硬化：A M：Mn、Mo、W、Cr、V 、 (Ni、Co協(xié)同） 沉淀硬化：

14、V、Mo、W、Cr、(Ni、Co協(xié)同）（3）影響回火脆性）影響回火脆性（第二類回火脆性450-600oC高溫，與P有關）：（a）增大第二類回火脆性：Mn、Cr、Ni（b）消除第二類回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%)四、合金元素對熱處理的影響四、合金元素對熱處理的影響3 3、對回火轉變的影響、對回火轉變的影響五、合金元素對鋼工藝性能的影響五、合金元素對鋼工藝性能的影響（1）鑄造性能）鑄造性能：Cr、Mo、V、Ti、Al使之惡化（2）塑性加工性能：）塑性加工性能： 熱加工： Cr、Mo、W熱塑性下降 合金鋼加熱冷卻需緩慢 冷加工：固溶合金元素多提高冷加工硬化率， Si、Ni、Cr、Cu降低深沖

15、性能 Nb、Ti、Zr（改善硫化物形態(tài)）提高沖壓性能（3）焊接性能：）焊接性能：C%越高，合金元素多降低焊接性能 少量 V、Ti可提高焊接性能（4）切削性能）切削性能（HB170-230）：一般合金鋼比碳鋼難切削 易切削鋼：S(0.08-0.30%)、P(0.08-0.15%)、 Pb(0.10-0.30%)（5）熱處理性能：熱處理性能：淬透性（高）、變形與開裂傾向（大）、過熱敏感性（P、Mn、Si大）、回火脆化傾向（ P主導、Mn、Cr、Ni協(xié)同）、氧化脫碳傾向（Si大，Ni、Mo次之）六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響1 1、合金元素對強度的影響、合金元素對強度的影響各種

16、強化途徑各種強化途徑塑變抗力塑變抗力位錯運動阻力位錯運動阻力 鋼強度鋼強度六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響1 1、合金元素對強度的影響（、合金元素對強度的影響（4 4種強化機制）種強化機制）niiSCK表達式表達式機理機理 原子固溶原子固溶 晶格發(fā)生畸變晶格發(fā)生畸變 產(chǎn)生彈性應力場，產(chǎn)生彈性應力場，與位錯交互作用與位錯交互作用位錯運動阻力位錯運動阻力合金元素對合金元素對Cr18Ni9Cr18Ni9型不銹鋼的強化效應型不銹鋼的強化效應-間隙元素，間隙元素，-F-F形成元素，形成元素，-A-A形成元素形成元素a. a. 固溶強化固溶強化 六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對

17、鋼性能的影響1 1、合金元素對強度的影響（、合金元素對強度的影響（4 4種強化機制）種強化機制）表達式表達式機理機理b. b. 位錯強化位錯強化2/1ddK 位錯密度位錯密度 位錯交割、纏結位錯交割、纏結 有效地阻止了位錯運動有效地阻止了位錯運動 鋼強度。鋼強度。六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響1 1、合金元素對強度的影響（、合金元素對強度的影響（4 4種強化機制）種強化機制）表達式表達式機理機理c. c. 細晶強化細晶強化2/1dKgg晶粒越細晶粒越細 晶界、亞晶界越多晶界、亞晶界越多 有效阻止位錯運動，有效阻止位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積強化。產(chǎn)生位錯塞積強化。晶界處位錯塞積

18、現(xiàn)象晶界處位錯塞積現(xiàn)象六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響1 1、合金元素對強度的影響（、合金元素對強度的影響（4 4種強化機制）種強化機制）表達式表達式機理機理d. d. 第二相強化第二相強化2/1dKgg位錯被質點障礙物所擋住位錯被質點障礙物所擋住微粒第二相釘扎位錯運動微粒第二相釘扎位錯運動強化效果強化效果主要有切割機制和繞過主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主機制。在鋼中主要是繞過機制。要是繞過機制。兩種情況：回火時彌散兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，沉淀析出強化，淬火時殘留第二相強化。淬火時殘留第二相強化。1PPK六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響1

19、1、合金元素對強度的影響（、合金元素對強度的影響（4 4種強化機制）種強化機制）熱處理（熱處理（淬火回火）綜合利用四種強化手段綜合利用四種強化手段p固溶強化固溶強化：過飽和C和Me，p位錯強化位錯強化：高密度位錯p細晶強化：細晶強化：極細小、不同取向的馬氏體束p第二相強化第二相強化：析出細小碳化物粒子p基本保持了淬火態(tài)的細小晶粒、高密度位錯及一定的固溶強化作用。淬火形成：+ 回火六、合金元素對鋼性能的影響六、合金元素對鋼性能的影響2 2、合金元素對韌性的影響、合金元素對韌性的影響 （1） 細化晶粒細化晶粒 Ti、V、Nb、AlTiC、VC、NbC、AlN阻礙A長大細化晶粒。 （2） 改善基體韌

20、性改善基體韌性 Ni，Mn可以降低Tc韌性提高 （3） 提高回火穩(wěn)定性提高回火穩(wěn)定性同等硬度可提高回火溫度 （4） 細化碳化物細化碳化物 過共析鋼：Mn，Cr，V （5） 控制非金屬夾雜和雜質元素控制非金屬夾雜和雜質元素提高韌性的途徑提高韌性的途徑一、碳鋼一、碳鋼 主要合金元素：主要合金元素：Mn、Si1、碳鋼的分類、碳鋼的分類1碳含量 ：低碳鋼C% 0.25% 、中碳鋼0.25C%0.6%2質量 （S、P雜質含量）： 普碳鋼、優(yōu)質碳素鋼、高級優(yōu)質碳素鋼3按用途 ：碳素結構鋼、碳素工具鋼、鑄鋼2、碳鋼的牌號及應用、碳鋼的牌號及應用 a普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼 碳素結構鋼分為五類20種，其牌

21、號主要依據(jù)鋼材的厚度（或直徑）不大于16mm的鋼的屈服強度數(shù)值進行劃分，然后以鋼的質量等級和脫氧方法進行細分。其牌號中符號的意義如下： Q代表鋼的屈服點字母。 A、B、C、D反映碳素結構鋼中有害元素（S、P）含量多少的質量 等級符號，按字母順序，等級高含S、P量下降。 F、b、Z、TZ表示脫氧方法的符號。其中 F沸騰鋼、b半鎮(zhèn)靜鋼、Z鎮(zhèn)靜鋼、TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼。例如例如Q235AF表示屈服強度為235MPa的質量等級為A級的沸騰鋼。2、碳鋼的牌號及應用、碳鋼的牌號及應用 B. 優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼 鋼號用平均碳含量的萬分數(shù)萬分數(shù)的數(shù)字表示。如：08F （F表沸騰鋼），20A（后有“A”表高

22、級優(yōu)質鋼） ，45，15Mn （表含Mn量高） 。 應用于制作各種機器零件，一般進行熱處理。 08F 塑性好，冷沖壓件 10，20 冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。 35，45，40，50 齒輪、軸類 60，65 彈簧2、碳鋼的牌號及應用、碳鋼的牌號及應用 C. 碳素工具鋼碳素工具鋼 0.651.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 鋼號用平均碳含量的千分數(shù)千分數(shù)的數(shù)字和T一起表示。如：T10A （1.0%C，A表示高級優(yōu)質碳素工具鋼）, T9 （0.9%C） , T12 （ 1.2%C,） T7，T8，強度，韌性較高，可制作沖頭、鑿子、榔頭 T9、T10、T11，強度，韌性適中，可制作鉆頭、刨刀

23、、絲錐、手鋸及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韌性低，可制作銼刀、刮刀、量規(guī)。d. 鑄鋼鑄鋼“ ZG”加平均碳含量萬分數(shù)萬分數(shù)表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C）形狀復雜，需要一定強度、塑性和韌性的零件。2、碳鋼的牌號及應用、碳鋼的牌號及應用 C. 碳素工具鋼碳素工具鋼 0.651.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 鋼號用平均碳含量的千分數(shù)千分數(shù)的數(shù)字和T一起表示。如：T10A （1.0%C，A表示高級優(yōu)質碳素工具鋼）, T9 （0.9%C） , T12 （ 1.2%C,） T7，T8，強度，韌性較高，可制作沖頭、鑿子、榔頭 T9、T10、T11，強

24、度，韌性適中，可制作鉆頭、刨刀、絲錐、手鋸及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韌性低，可制作銼刀、刮刀、量規(guī)。d. 鑄鋼鑄鋼“ ZG”加平均碳含量萬分數(shù)萬分數(shù)表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C）形狀復雜，需要一定強度、塑性和韌性的零件。二、合金鋼二、合金鋼 主要合金元素：主要合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V.1合金結構鋼 碳含量用萬分數(shù)萬分數(shù)（兩位）C 如40Cr， C%=0.4% （1）、合金含量用（百分數(shù)百分數(shù)）表示,如20Cr3MoWVA, 其中C%=0.2%, （2）、Cr%=3%, Mo,W,V1.5%. （3）、合金含量小于1.5%不標 （4）、 A：表示高級優(yōu)質注注2 2合金工具鋼，特殊性能鋼 （1）、碳含量大于1.0%時，不標注其含量。 （2）、碳含量小于1.0%時，用千分數(shù)千分數(shù)表示， 如5CrMnMo