鋼的合金化基礎(講稿)

工程材料A

第一章鋼的合金化基礎機電工程學院緒論

一、材料的重要性1.社會進步的重要標志

2.現(xiàn)代社會的重要支柱三大支柱：材料、能源、信息3.機械工程的物質(zhì)基礎

緒論二、材料的分類1.按經(jīng)濟部門分類：機械工程材料土建工程材料電工材料電子材料緒論

2.按物質(zhì)結(jié)構分：金屬材料無機非金屬材料（陶瓷、硅酸鹽）高分子材料復合材料緒論

3.按材料功用分：結(jié)構材料---以力學性能為主，兼有一定的物理、化學性能；功能材料---以特殊的物理、化學性能為主，如具有電、光、聲、磁、熱等功能和效應的材料。緒論

碳素鋼優(yōu)點：價格低廉、生產(chǎn)和加工容易，并且通過改變碳的含量和采取相應的熱處理，可以改善性能以滿足使用要求，因而被廣泛應用于生產(chǎn)中。

缺點：①碳鋼的淬透性低；②碳鋼的強度比合金鋼低。合金化-----加入適當化學元素改變金屬性能的方法。第一章鋼的合金化基礎合金元素:為了合金化的目的而特定在鋼中加入含量在一定范圍的化學元素。合金鋼:加入一定含量化學元素的鋼。第一章鋼的合金化基礎合金鋼分類：

低合金鋼合金元素總量≤5﹪中合金鋼合金元素總量5~10﹪高合金鋼合金元素總量＞10﹪本章內(nèi)容：（1）鋼中合金元素及其分類依據(jù)（2）鋼的強化機制（3）改善鋼塑性和韌性的途經(jīng)（4）合金元素對鋼中相變及熱處理的影響第一章鋼的合金化基礎§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)

一、合金元素在鋼中的分布

1、在鋼中常加入的合金元素有：第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si；第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu；第五周期：Zr、Nb、Mo；第六周期：W；第七周期：稀土元素、Ta。

第一章鋼的合金化基礎§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)常用合金元素在周期表中的位置?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?第一章鋼的合金化基礎§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)2、合金元素的存在狀態(tài)：①溶于鋼中原有的相（F、A、M、Fe3C）中；②形成新相。

3、四種存在形式：①溶入F、A、M中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在；②形成強化相：形成合金滲碳體；(Fe,Mn)3C；形成特殊碳化物；WC、VC；形成金屬間化合物；③形成非金屬夾雜物；④以游離狀態(tài)存在。如Pb、Ag等。第一章鋼的合金化基礎§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)4、合金元素以何種形式存在，主要決定于下列因數(shù)：①種類；②含量；③冶煉方法；④熱處理方法；⑤合金元素本身的特性。

5、合金元素特性：①與Fe和C的相互作用；②對A層錯能的影響。第一章鋼的合金化基礎ZXYYXZ§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類1、按與Fe的相互作用的特點分類①A形成元素：C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；②F形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。

2、按與C的相互作用的特點分類①非碳化物形成元素：Ni、Cu、Si、Al、P等；②碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。第一章鋼的合金化基礎§1-1鋼中合金元素及其分類依據(jù)二、合金元素的分類3、按對A層錯能的影響分類①↑A層錯能的元素：Ni、Cu、C等；②↓A層錯能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。第一章鋼的合金化基礎建筑構件鋼橋梁§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響一、合金元素與鐵的相互作用A、同素異晶轉(zhuǎn)變定義

B、關鍵：晶體結(jié)構改變C、Fe同素異晶轉(zhuǎn)變

第一章鋼的合金化基礎-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響元素分類：擴大A相區(qū)元素C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；加入后，A4↑，A3↓，A相區(qū)↑----A形成元素。

第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響（2）縮小A相區(qū)元素，又稱F形成元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si、Be等加入后,A3↑,A4↓,A相區(qū)↓。工程意義：A型不銹鋼F型不銹鋼第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響二、合金元素與C的相互作用

表現(xiàn)在：

①是否易于形成碳化物②形成碳化物傾向性的大小

1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，與C不形成碳化物，可固溶于Fe中形成固溶體，或者形成其他化合物。

2.碳化物形成元素Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等，碳化物是鋼中主要的強化相。

第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響（1）形成碳化物的規(guī)律A、周期表中位置：Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等均位于Fe的左側(cè)，非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等均位于Fe的右側(cè)。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe強--------------------------------------------→弱B、按碳化物晶格類型分：①當rc/rMe>0.59時，復雜點陣的碳化物，如：Cr23C6Cr7C3Fe3C等M23C6型復雜立方M7C3型簡單六方M3C型正交晶系

第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響

②當rc/rMe<0.59時，形成簡單點陣的碳化物（間隙相），

Mo、W、V、Ti、Nb、Zr均屬于這類元素，A：形成MX型：WC、VC、TiC、NbC、ZrCM2X型：W2C、Mo2CB：特點：a.硬度、熔點高（可達3000℃），分解溫度高（1200℃）；b.間隙相碳化物雖含有50~60%的非金屬原子，仍具有明顯的金屬特性；c.可溶入各類金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式。第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響③當含量很小時，合金元素將不能形成自己特有的碳化物只能置換Fe3C中Fe原子，形成(Fe,Cr)3C、(Fe,Mn)3C等合金滲碳體；

④含量有所升高,但仍不足以生成自己特有的碳化物,形成具有復雜結(jié)構的合金碳化物,如Fe2W4C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。（2）特性形成碳化物傾向性↑的元素，其碳化物的硬度↑；形成碳化物能力越強的元素，其碳化物的穩(wěn)定性↑；由弱到強：Fe3C、M23C6、M6C、MC

第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響

①在溫度和應力的長期作用下不易聚集長大，可大大提高材料的性能和使用壽命；②碳化物和固溶體之間不易在高溫下因原子擴散作用而發(fā)生合金元素的再分配。a.對熱強性的影響：使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強度和硬度；b.在達到相同硬度的條件下，碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、韌性更好，所以合金鋼的綜合性能比碳鋼好。

第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響合金元素與C的相互作用的意義：①關系到所形成碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布—→直接影響到鋼的性能，如強度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能，同時對熱處理亦有較大的影響，如A化溫度和時間、A晶粒的長大等；

②由于合金元素和碳的親和力不同，對相變過程中C的擴散速度亦有較大的影響。第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響三、合金元素對A層錯能的影響

1、合金元素的影響趨勢Ni、Cu、和C使A層錯能↑；Mn、Cr、Ru、Ir使A層錯能↓。

2、A層錯能對鋼的力學性能的影響層錯能↓，越有利于位錯擴展和形成層錯，使橫滑移困難，導致鋼的加工硬化趨勢↑。第一章鋼的合金化基礎§1-2合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響三、合金元素對A層錯能的影響

3.A層錯能對鋼相變行為的影響A層錯能對F-N-C合金中M形態(tài)的影響M類型板條M蝴蝶狀M透鏡M薄片狀MA層錯能低———————————→高可見：

A層錯能↓，易于形成板條M，具有位錯型亞結(jié)構；A層錯能↑，易于形成片狀M，具有孿晶型亞結(jié)構。

第一章鋼的合金化基礎§1-3鋼的強化機制鋼中加合金元素：影響：1、強度指標；p、s、b等2、塑性韌性指標ak、、等矛盾兩個方面強化強度提高的過程，金屬變形抗力提高基本點：阻礙位錯運動，變形不易第一章鋼的合金化基礎彈性變形—塑性變形--斷裂其中塑變含屈服變形和加工硬化§1-3鋼的強化機制一、固溶強化1、合金元素固溶，晶格畸變，彈性應力場存在位錯運動阻礙2、金屬原子與位錯交互作用，位錯處柯氏原子氣氛3、強度增量與溶質(zhì)原子（C、N、B等）濃度有關間隙式；置換式4、參量：錯配度

ε=（1/a）da/dc5、固溶強化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強度、硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象第一章鋼的合金化基礎§1-3鋼的強化機制二、晶界強化改善：強度和韌性1、多晶體變形：傳遞和協(xié)調(diào)2、晶界阻礙位錯運動（位錯難增殖），提高強度3、晶界增多（細晶）----變形韌性提高4、強度增量與晶粒直徑有關，Hall-Petch公式5、途徑A、合金元素改變晶界特性，如偏聚等B、合金元素細化晶粒第一章鋼的合金化基礎⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥障礙物源O§1-3鋼的強化機制三、第二相強化合金元素化合物形式存在----彌散強化1、第二相顆粒與基體共格、非共格2、機理----位錯切過滑移或繞過顆粒（位錯環(huán)），增加新界面或應力應變場，阻礙位錯運動第一章鋼的合金化基礎3、獲得形式淬火+時效=彌散強化§1-3鋼的強化機制四、位錯強化位錯數(shù)量與形態(tài)----影響材料抗力1、機理----位錯反應（交割等）2、變量----位錯密度ρ所有合金強化----四種機制都有第一章鋼的合金化基礎§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑塑性韌性指標：沖擊韌性、斷裂韌性、塑性脆性轉(zhuǎn)化溫度等一、改善鋼的塑性基本途徑指標：1、均勻真應變；2、斷裂真應變。途徑：提高基體均勻塑性，防微孔產(chǎn)生第一章鋼的合金化基礎§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑二、影響塑性的主要因素1、溶質(zhì)原子影響塑性下降，間隙影響大于置換固溶體影響2、晶粒大小影響細小晶粒提高塑性3、第二相影響顆粒大小、形態(tài)、分布、數(shù)量等影響4、位錯強化與鋼塑性

位錯密度增加、阻礙位錯運動等塑性下降第一章鋼的合金化基礎納米銅的室溫超塑性§1-4改善鋼的塑性和韌性的基本途徑

三、改善鋼的韌性途徑1、改善延性斷裂途徑減少第二相數(shù)量；提高基體塑性；組織均勻性延性斷裂-微孔坑形成集聚長大，形式—宏觀塑性、脆性斷裂2、改善解理斷裂途徑特性---冷脆現(xiàn)象。方式：細化晶粒；更換基體解理斷裂指標-塑脆轉(zhuǎn)變溫度Tk3、改善沿晶斷裂途徑晶界弱化，原子偏聚；第二相粒子分布。方式：防止原子晶界分布或形成第二相第一章鋼的合金化基礎§1-5合金元素對鋼相變影響熱處理依據(jù)：Fe-C相圖工藝：加熱+保溫+冷卻三階段三個基本的相變過程：加熱時A的形成冷卻時過冷A的分解淬火M回火時的轉(zhuǎn)變一、合金元素對Fe-C相圖影響1、對A相區(qū)的影響第一章鋼的合金化基礎§1-5合金元素對鋼相變影響影響規(guī)律：擴大A區(qū)第一章鋼的合金化基礎擴大奧氏體區(qū)：

C、N、Co、

Ni、Mn、Cu奧氏體形成元素Mn對相圖的影響：低溫、低碳§1-5合金元素對鋼相變影響影響規(guī)律：縮小A區(qū)第一章鋼的合金化基礎縮小奧氏體區(qū)：

Cr、Mo、W、

V、Ti、Si、Al鐵素體形成元素Cr對鐵碳合金相圖的影響:高溫、低碳§1-5合金元素對鋼相變影響影響規(guī)律：元素作用第一章鋼的合金化基礎縮小γ區(qū)擴大γ區(qū)使S、E點的含碳量降低（共析溫度、成分）E點左移，出現(xiàn)Ld的含碳量降低，使含碳量<2.11%的合金鋼中出現(xiàn)萊氏體組織---萊氏體鋼。如W18Cr4V；如鋼中加入大量的擴大A相區(qū)的元素，室溫下獲得穩(wěn)定的單相A組織---奧氏體鋼。如06Cr18Ni11Ti；如鋼中加入大量的縮小A相區(qū)的元素，固態(tài)下獲得穩(wěn)定的單相F組織---鐵素體鋼。如10Cr17。2、對共析溫度影響擴大A相區(qū)的元素，使A3、A1點降低，S點左移；縮小A相區(qū)的元素，使A3、A1點升高，S點左移。§1-5合金元素對鋼相變影響3、對共析點影響

所有合金元素均使S點左移，使含碳量相同的碳鋼和合金鋼組織不同。如：40鋼：F+P亞共析組織

40Cr13：過共析組織。§1-5合金元素對鋼相變影響§1-5合金元素對鋼相變影響二、合金元素對鋼加熱A形成過程影響

1、合金元素作用：改變---溫度+共析成分2、A形成是一個擴散過程，合金元素原子不僅本身擴散困難，而且將影響Fe和C原子的擴散，從而影響A化過程。

3、合金元素(除Mn、P外）阻止A晶粒長大a.Ti、Nb、V等強烈阻止A晶粒長大，起細化晶粒作用；b.W、Mo、Cr等起一定的阻礙作用；c.Si、Ni、Co、Cu的影響不大；d.Al和N形成AlN時，在低于950時強烈阻止A晶粒長大，形成本質(zhì)細晶粒鋼。

第一章鋼的合金化基礎§1-5合金元素對鋼相變影響合金鋼在加熱時不易過熱：即組織不易粗大，阻礙晶粒長大a.有利于淬火后獲得細M；b.有利于適當提高加熱溫度，使A中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及機械性能；c.減小淬火時變形和開裂的傾向。第一章鋼的合金化基礎(a)完全淬透(b)淬透較大厚度(c)淬透較小厚度

淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后機械性能的比較

M低倍

§1-5合金元素對鋼相變影響三、合金元素對過冷A分解過程的影響

1.對過冷A等溫轉(zhuǎn)變的影響過冷A→P（或B），均屬于擴散型相變。因合金元素（除Co外）溶入A后，能↓原子擴散速度，使A穩(wěn)定性↑，從而使C曲線位置右移。第一章鋼的合金化基礎§1-5合金元素對鋼相變影響第一章鋼的合金化基礎合金元素及C對合金C曲線的影響§1-5合金元素對鋼相變影響（1）非（弱）碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Cu等溶入A后，增大了其穩(wěn)定性，減慢其分解，使C曲線右移；（2）碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，溶入A后，延緩A分解。但由于過冷A向P和B轉(zhuǎn)變的延緩程度不同，不僅使C曲線右移，而且還使其分解成兩個“鼻子”。Mo、W、V、Ti強烈推遲P轉(zhuǎn)變，而Mn、Cr推遲了B轉(zhuǎn)變的作用更明顯。第一章鋼的合金化基礎由于合金元素使C曲線右移，故↓鋼的Vk,↑淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al強————————————→弱§1-5合金元素對鋼相變影響提高淬透性為目的的常用元素只有五種：Cr、Mn、Si、Ni、B合金元素只有當淬火加熱溶入A中時，才能起到↑淬透性作用