金屬材料科學(xué)(第一章鋼的合金化)2

1、二、合金元素的分類二、合金元素的分類 1. 按照與鐵相互作用的特點(diǎn)：（1）奧氏體形成元素（降低AC3，減少過(guò)冷度） C、N、Mn、Ni、Cu、Co 優(yōu)先分布在奧氏體中（2）鐵素體形成元素（升高AC3，增加過(guò)冷度） Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al 優(yōu)先分布在鐵素體中1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用二、合金元素的分類二、合金元素的分類 2. 按照與碳相互作用的特點(diǎn)：（1）碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Nb、Zr等（2）非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Cu、P等 Ni、Cu、C提高奧氏體層錯(cuò)能 Mn、Cr 降低奧氏體層錯(cuò)能1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用三、合金元

2、素與鐵的相互作用三、合金元素與鐵的相互作用 1 相穩(wěn)定化元素 相穩(wěn)定化元素使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為：開啟相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-1）擴(kuò)展相區(qū)(有限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-2）1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用三、合金元素與鐵的相互作用三、合金元素與鐵的相互作用開啟相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-1） 這類合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足夠量的Ni或Mn，可完全使體心立方的相從相圖上消失，相保持到室溫（即A1點(diǎn)降低），故而由相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。 與-F

3、e無(wú)限固溶；與-Fe有限固溶1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用圖1-1 擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)三、合金元素與鐵的相互作用三、合金元素與鐵的相互作用擴(kuò)展相區(qū)(有限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-2）雖然相區(qū)也隨合金元素的加入而擴(kuò)大，但由于合金元素與-Fe和-Fe均形成有限固溶體，并且也使A3（GS線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使相區(qū)完全開啟。這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相區(qū)借助C及N而擴(kuò)展，當(dāng)C含量在0-2.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個(gè)熱處理的基礎(chǔ)。1

4、. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用圖1-2 擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b)1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用穩(wěn)定化元素穩(wěn)定化元素使使A3，A4，區(qū)擴(kuò)大區(qū)擴(kuò)大a) 與與區(qū)無(wú)限固溶區(qū)無(wú)限固溶 Ni、Mn、Co 開啟開啟區(qū)區(qū) 量大時(shí)，量大時(shí)， 室溫為室溫為相；相；b) 與與區(qū)有限固溶區(qū)有限固溶 C、N、Cu 擴(kuò)大擴(kuò)大區(qū)。區(qū)。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用2 相穩(wěn)定化元素 合金元素使A4降低，A3升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為：封閉相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-3）

5、縮小相區(qū)(但不能使相區(qū)封閉)（圖1-4）1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用封閉相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū))（圖1-3）當(dāng)合金元素達(dá)到某一含量時(shí)，A3與A4重合，其結(jié)果使相與相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過(guò)一定含量時(shí)，合金不再有-相變，與-Fe形成無(wú)限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用圖1-3 1-3 封閉相區(qū)并與-Fe-Fe無(wú)限互溶的Fe-MeFe-Me相圖(a)(a)及Fe-CrFe-Cr相圖(b)(b)1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用這類合金元素有：Si、Al和強(qiáng)碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但應(yīng)該指出，含Cr量小于7%時(shí)，A3下

6、降；含Cr量大于7%時(shí)，A3才上升。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用縮小相區(qū)(但不能使相區(qū)封閉)（圖1-4）合金元素使A3升高，A4下降，使相區(qū)縮小但不能使其完全封閉。這類合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用圖1-4 縮小相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b)1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用穩(wěn)定化元素穩(wěn)定化元素使使A3，A4，區(qū)縮小區(qū)縮小a) 完全封閉完全封閉區(qū)區(qū) Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V與與-Fe完全互溶，量大時(shí)完全互溶，量大時(shí)相相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b) 縮小縮小區(qū)區(qū) Nb等。等。穩(wěn)定穩(wěn)定相相 A形成元

7、素，穩(wěn)定形成元素，穩(wěn)定相相 F形成元素。形成元素。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用n3、合金元素與鐵相互作用的機(jī)理解釋n 與點(diǎn)陣類型、原子半徑之比、電子結(jié)構(gòu)及作用有關(guān)。n 相穩(wěn)定化元素：Ni、Mn、Co與Fe原子半徑差小n 與Fe無(wú)限固溶n 相穩(wěn)定化元素：除Si、Al外，均為體心立方結(jié)構(gòu)n Cr與Fe原子半徑接近，無(wú)限固溶n 其它元素，半徑差大，有限固溶1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用4、工程應(yīng)用： 根據(jù)合金元素縮小和擴(kuò)大區(qū)的作用，可以通過(guò)控制鋼中合金元素的種類和含量，使鋼在室溫下獲得單相組織。 如發(fā)展奧氏體鋼時(shí)，需要往鋼中加入Ni、Mn、N等奧氏體形成元素； 欲發(fā)展鐵素體鋼時(shí)，需要往

8、鋼中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等鐵素體形成元素。 1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用課堂作業(yè)：1）不銹鋼中Cr、Ni的作用是什么？為什么1Cr13也是不銹鋼？2）Mn13 為什么常用于挖掘機(jī)鎬齒、破碎機(jī)顎板？四、合金元素與碳的相互作用四、合金元素與碳的相互作用 碳化物是鋼的重要強(qiáng)化相。碳化物形成元素都碳化物是鋼的重要強(qiáng)化相。碳化物形成元素都屬于過(guò)渡族金屬，周期表中位于鐵的左側(cè)。屬于過(guò)渡族金屬，周期表中位于鐵的左側(cè)。 CoCo、NiNi碳化物不穩(wěn)定，非碳化物形成元素碳化物不穩(wěn)定，非碳化物形成元素非碳化物形成元素非碳化物形成元素1.1. 碳化物形成元素碳化物形成元素1. 2 合金元素

9、與鐵和碳的相互作用1 1、非碳化物形成元素、非碳化物形成元素 非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶體，或形成其它化合物，如氮化物等。 非碳化物形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。 Si、Al強(qiáng)烈的石墨化作用 Cu、Ni、Co促進(jìn)石墨化 W、Mo溶入Fe3C，降低其穩(wěn)定性1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用2 2、碳化物形成元素、碳化物形成元素 （由強(qiáng)到弱排列）（由強(qiáng)到弱排列）Zr、Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe 可以根據(jù)熔點(diǎn)、硬度，判斷碳化物的穩(wěn)定性可以根據(jù)熔點(diǎn)、硬度，判斷碳化物的穩(wěn)定性 （教材：（教材：p5，表，表

10、1-1） 穩(wěn)定的碳化物，熔點(diǎn)高，分解溫度高，穩(wěn)定的碳化物，熔點(diǎn)高，分解溫度高， 加熱時(shí)難于溶入固溶體，難以聚集長(zhǎng)大加熱時(shí)難于溶入固溶體，難以聚集長(zhǎng)大1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用3 3、常見碳化物、常見碳化物鋼中常見的鋼中常見的K類型有：類型有： M3C：滲碳體，正交點(diǎn)陣；：滲碳體，正交點(diǎn)陣； M7C3：例：例Cr7C3，復(fù)雜六方，復(fù)雜六方 ； M23C6：例：例Cr23C6，復(fù)雜立方，復(fù)雜立方 ； M2C：例：例Mo2C、W2C。密排六方。密排六方 ； MC：例：例VC、TiC，簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣，簡(jiǎn)單面心立方點(diǎn)陣 ； M6C：不是一種金屬：不是一種金屬K。復(fù)雜六方點(diǎn)陣。復(fù)雜六方點(diǎn)陣 。

11、 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成復(fù)合；可形成復(fù)合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C31. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M23C6 、M7C3 、M3C。 特點(diǎn)：硬度特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差；熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差； 簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。又稱間隙相。 特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好。 M6C型型不屬于金屬型的碳化物不屬于金屬型的碳化物, 復(fù)雜結(jié)構(gòu)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。4 4、碳化物的結(jié)構(gòu)形式、碳化物的結(jié)構(gòu)

12、形式 間隙相：間隙相：MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、TaTa、ZrZr 穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)高，加熱不易溶解穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)高，加熱不易溶解 復(fù)雜結(jié)構(gòu)：復(fù)雜結(jié)構(gòu)：FeFe、MnMn、CrCr 穩(wěn)定性差，熔點(diǎn)低，加熱易于溶解穩(wěn)定性差，熔點(diǎn)低，加熱易于溶解1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1 1、K K類型類型 K類型與類型與Me的原子半徑有關(guān)。的原子半徑有關(guān)。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.

13、53 0.53 1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用 rc/rMe 0.59 復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相，如簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少時(shí)，形成復(fù)合量少時(shí)，形成復(fù)合K，如（，如（Cr, M）23C6型型 。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用相似者相溶相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。完全互溶：原子尺寸、電化學(xué)因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC

14、 VC。 有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合都能溶解其它元素，形成復(fù)合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值為最大值為 20%Cr， 2%W， 0.5%V； MC型不溶入型不溶入Fe，但可溶入少量，但可溶入少量W、Mo。 溶入強(qiáng)者溶入強(qiáng)者,使使K穩(wěn)定性穩(wěn)定性 ;溶入弱者溶入弱者,使使K穩(wěn)定性穩(wěn)定性1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用強(qiáng)者先，依次成強(qiáng)者先，依次成 K形成元素中，強(qiáng)者優(yōu)先與形成元素中，強(qiáng)者優(yōu)先與C結(jié)合，隨結(jié)合，隨C，依次形成依次形成K。如：在含。如：在含Cr、W鋼中，隨鋼中，隨C，依，依次形成次形成M6C，Cr23C6 ，C

15、r7C3 , Fe3C。 如果鋼中如果鋼中C量有限，則弱的量有限，則弱的K形成元素溶入固形成元素溶入固溶體。如：在低碳含溶體。如：在低碳含Cr、V的鋼中，大部分的鋼中，大部分Cr都都在基體固溶體中。在基體固溶體中。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用NM/NC比值決定了比值決定了K類型類型 形成什么形成什么K主要決定于當(dāng)時(shí)的主要決定于當(dāng)時(shí)的NM/NC比值。比值。 退火態(tài)退火態(tài): 在在Cr鋼中，隨鋼中，隨NM/NC ，先后形，先后形 成順序?yàn)椋撼身樞驗(yàn)椋篗3CM7C3M23C6 。 回火態(tài)回火態(tài):基體中的基體中的NM/NC，則析出的，則析出的K中中 NM/NC也也。如。如W鋼回火時(shí)，析出順序?yàn)椋?/p>

16、鋼回火時(shí)，析出順序?yàn)椋?Fe21W2C6 WC Fe4W2C W2C，NW/NC 是不斷是不斷。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用強(qiáng)者穩(wěn)，溶解難，強(qiáng)者穩(wěn)，溶解難， 析出難，聚集長(zhǎng)大也是難析出難，聚集長(zhǎng)大也是難 MC型在型在1000以上才開始溶解；回火時(shí)，以上才開始溶解；回火時(shí)，在在500700才析出，并且不易長(zhǎng)大，產(chǎn)生才析出，并且不易長(zhǎng)大，產(chǎn)生“二二次硬化次硬化”效果。這在高合金鋼中是很重要的強(qiáng)效果。這在高合金鋼中是很重要的強(qiáng)化方法?；椒?。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用五、合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響（一）對(duì)臨界點(diǎn)的影響1. 對(duì)對(duì)A1（A3）的影響）的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn、

17、Co等使等使A1（A3）線向下移動(dòng)；）線向下移動(dòng)； F形成元素形成元素Cr、Mo、V、Ti、Si等使等使A1（A3）線向上移動(dòng)）線向上移動(dòng)2. 對(duì)對(duì)S、E點(diǎn)的影響點(diǎn)的影響 A形成元素均使形成元素均使S、E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，點(diǎn)向左下方移動(dòng)， F形成元素使形成元素使S、E點(diǎn)向左上方移動(dòng)。點(diǎn)向左上方移動(dòng)。 S點(diǎn)左移點(diǎn)左移意味著共析意味著共析C量減小量減小 ； E點(diǎn)左移點(diǎn)左移意味著出現(xiàn)萊氏體的意味著出現(xiàn)萊氏體的C量降低量降低 。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用所有合金元素，降低共析含碳量（S點(diǎn)左移）： 一般碳鋼：0.77， 4%Mn：0.6 4Cr13：過(guò)共析鋼多數(shù)合金元素，降低共晶含碳量（E點(diǎn)左移

18、）： W18Cr4V: 1%C，出現(xiàn)萊氏體 1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用（二）對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響 A A形成元素形成元素NiNi、MnMn、CoCo等使等使-Fe-Fe區(qū)擴(kuò)大區(qū)擴(kuò)大鋼在室溫鋼在室溫下也為下也為A A體體 奧氏體鋼；奧氏體鋼； 其中完全擴(kuò)大其中完全擴(kuò)大相區(qū)的合金元素相區(qū)的合金元素NiNi或或MnMn的含量較多時(shí)，的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni91Cr18Ni9高高鎳奧氏體不銹鋼和鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13ZGMn13高錳耐磨鋼等。高錳耐磨鋼等。1. 2 合金元素與鐵和碳的相互作用（二）對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響 F形成元素形成元素Cr、Si、Ti等使等使-Fe區(qū)縮小區(qū)縮小鋼在高溫下鋼在高溫下仍為仍為F體體 鐵素體鋼。鐵素體鋼。 其中完全