鋼鐵培訓(xùn)教材金相.ppt

1、金屬材料學(xué) 學(xué) 時：80學(xué)時 理論課：48學(xué)時 實驗課：32學(xué)時,一、金屬材料的歷史地位 二、金屬材料的分類 三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況 四、金屬材料發(fā)展的歷史 五、金屬材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 六、關(guān)于本課程,緒 論,主要內(nèi)容:,一、金屬材料的歷史地位,1.材料是衡量人類社會文明程度的標(biāo)志之一。,金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)。,2.目前，人類還處在金屬器時期。,比高分子材料更高的強度、模量、耐熱性；,比陶瓷更高的韌性、可加工性、性能的可調(diào)節(jié)性、導(dǎo)電性；,石器時代青銅器時代鐵器時代,二、金屬材料的分類,黑色 金屬,有色 金屬,金屬材料,鑄鐵,鋼,工程構(gòu)件用鋼,機器零件用鋼,工具鋼,特殊性能用鋼(不銹鋼

2、及耐熱鋼),輕金屬(鋁,鎂,鈦),重金屬(銅,鋅,鉛,鎳),貴重金屬(金,銀,銅),稀有金屬(鎢鉬釩鈮鈷),放射金屬(鐳鈾釷),三、金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用情況,1.總產(chǎn)量：鋼鐵材料占世界金屬總產(chǎn)量的95，用量最大，且價格低廉。,2. 世界金屬礦產(chǎn)儲量：鐵:5.1，非鐵金屬中鋁:8.8鎂:2.1，鈦:0.6。,3.非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，生產(chǎn)成本高，限制了生產(chǎn)總量的增長幅度。,4.非鐵金屬所創(chuàng)造的價值高，且有鋼鐵所不具備的特殊性能，比強度高，耐低溫、耐腐蝕等，產(chǎn)量仍在迅速增長。,鋼鐵仍將是21世紀中國結(jié)構(gòu)材料的支柱,生產(chǎn)能源消耗低,可大批量生產(chǎn),豐富的礦產(chǎn)資源,低廉的生產(chǎn)成本和銷售價格,

3、優(yōu)異的使用性能和良好的加工性能,公元前4300年：自然的金、銅及鍛打、熱加工等工藝,公元前2800年：鐵的熔煉,四、金屬材料發(fā)展的歷史,公元前3800年：人工冶煉的銅器；,公元前3000年：我國出現(xiàn)錫青銅甘肅東鄉(xiāng)馬家 窯文化的青銅刀（含610Sn）。,公元前2000年：青銅器興盛，編鐘與武器（商、周、春秋戰(zhàn)國）,東漢時：反復(fù)鍛打鋼最原始形變熱處理工藝。,淬火技術(shù):“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” 現(xiàn)代的水淬、油淬。,我國冶鐵技術(shù)在春秋末期有很大的突破，發(fā)明了生鐵經(jīng)退火制造韌性鑄鐵和以生鐵制鋼的技術(shù)。,現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展自19世紀中葉的轉(zhuǎn)爐煉鋼和平爐煉鋼開始。,19世紀末的電弧爐煉鋼和20世紀中葉

4、的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及爐外精煉技術(shù)，使鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)了現(xiàn)代化。,20世紀40年代，用鎂作還原劑從四氯化鈦制得純鈦，并使真空熔煉加工等技術(shù)逐步成熟后，鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用得以實現(xiàn)。,非鐵金屬冶金方面:,19世紀80年代發(fā)電機的發(fā)明，使電解法提純銅的工業(yè)方法得以實現(xiàn)，開創(chuàng)了電冶金新領(lǐng)域；,用熔鹽電解法將氧化鋁加入熔融冰晶石，電解得到廉價的鋁，使鋁成為僅次于鐵的第二大金屬；,同時，其他非鐵金屬也陸續(xù)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。,20世紀中葉，新金屬材料研究發(fā)展迅猛。如非晶態(tài)合金、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬納米材料等。,19世紀末，出現(xiàn)了新型的合金鋼如高速工具鋼、高錳鋼、鎳鋼和鉻不銹鋼，并在20世紀發(fā)

5、展為門類眾多的合金鋼體系。,鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金和難熔金屬及合金等也先后形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。,上圖：吳王夫差矛和越王勾踐劍 右上：青銅鼎 右下：商代青銅縱目人面像,上圖 滄州鐵獅子 鑄于953年，重40余噸。 右圖 當(dāng)陽鐵塔 鑄于1061年，八棱13層， 塔體分段鑄造,擂鼓礅二號墓編鐘復(fù)制件 1981年湖北擂鼓墩二號墓出土戰(zhàn)國編鐘一套，音律準(zhǔn)確，音色優(yōu)美。其件數(shù)和規(guī)模僅次于曾侯乙編鐘，總音域達5個8度以上，可自己轉(zhuǎn)調(diào)，奏出五聲、六聲、七聲音階構(gòu)成的各種樂曲。須五人合作演出，眾聲齊發(fā)，交響疊鳴。無愧為古代音樂之絕響。,水陸兩用汽車 輕型吊軌磁懸浮列車,MX-400空中汽車 美國莫勒潛心研

6、究.被譽為“汽車演變的里程碑”。飛機外形像一輛新穎別致的小汽車。空中飛行依仗的是它有可轉(zhuǎn)動的發(fā)動機及專門提供升力的風(fēng)扇。試用2年多來，它最高飛行時速超過了600多公里，比直升機快2倍，可載4人，飛行最大高度9000米，航程1500公里。,材料的發(fā)展使汽車和飛機等性能發(fā)生了突變,機身材料的變遷:鋼-鋁合金-鈦材料-各種復(fù)合材料,世界貿(mào)易大廈基本 上是用鋁合金貼面的. 在 “9.11”事件中，該 雙子大樓遭到襲擊， 毀于一旦。但它作為 一個大量使用鋁合金 貼面的的雄偉建筑將 永遠載入史冊。,五、金屬材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,1繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料,高強度及超高強度金屬材料,超易切削鋼和超高易切

7、削鋼,高溫合金與難熔合金,有序金屬間化合物,硬質(zhì)合金與金屬陶瓷,金屬基復(fù)合材料,共晶合金定向凝固材料,3材料的設(shè)計及選用科學(xué)化 按照指定的性能對材料進行結(jié)構(gòu)、成分的科學(xué)設(shè)計。,2非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視,超細納米顆粒金屬材料,快速冷凝金屬非晶及微晶材料,本課程的目的、內(nèi)容及學(xué)習(xí)要求,1.目的：,講授金屬結(jié)構(gòu)材料的物理冶金問題，使學(xué)生掌握金屬及合金中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對金屬材料各種性能的影響的基本規(guī)律；掌握分析、解決各種金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計、生產(chǎn)、熱處理和使用中的問題。,金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論，在論述常用類型金屬材料的性能要求的基礎(chǔ)上，分析各類工程構(gòu)件用鋼、機器零件及

8、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱及高溫合金、鑄鐵及有色金屬及其合金等的合金化特征、熱處理工藝特點及選擇材料與使用材料的原則和方法。,3.本課程的內(nèi)容,4. 學(xué)習(xí)要求,掌握金屬材料合金化原理、合金元素對鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律。,掌握常用鋼、鑄鐵、高溫合金、有色金屬等材料的牌號、成份、組織、力學(xué)性能和用途。,能夠根據(jù)工程構(gòu)件、機器零件（或工具）的服役條件，合理選用材料，正確確定熱處理技術(shù)條件。,能對材料產(chǎn)品質(zhì)量作初步分析，提出消除或預(yù)防熱處理缺陷的措施。,5. 參考書目錄,戴起勛編著。金屬材料學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2005。,王笑天主編。金屬材料學(xué)，機械工業(yè)出版社，1987。,王曉敏主編。工程材料

9、學(xué)，機械工業(yè)出版社，1999。,Chapter 1 鋼鐵中的合金相,1.1 碳鋼概論,1.2 鋼鐵中的合金元素,1.3 合金鋼的分類、牌號,主要內(nèi)容,碳鋼中的常存雜質(zhì) 碳鋼的分類 碳鋼的用途,鐵基固溶體 Me與鋼中晶體缺陷的相互作用 鋼鐵中的碳化物和氮化物 鋼中的金屬間化合物 Fe-Fe3C相圖及Me的影響,重點及基本要求:,1.了解碳鋼中的常存元素及其影響，重點掌握碳鋼的分類與應(yīng)用; 2.第二節(jié)是本章重點。要求全面掌握Me對鋼的組織及性能的影響規(guī)律。難點是Me對鋼中基本合金相結(jié)構(gòu)的影響; 3.掌握合金鋼的分類、牌號.,1.1 碳鋼概論,一、碳鋼中的常存雜質(zhì)-Mn和Si（1）,Mn和Si是煉鋼

10、過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進入鋼中的。,(1) Mn0.8%。主要固溶于鐵中。產(chǎn)生固溶強化作用，鋼的強度和硬度。,(2)適量的Mn和S可形成高熔點(1600)MnS夾 雜物。MnS在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，在加工過程中MnS呈條狀沿軋向分布。,(4)夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強度和塑性、韌性。當(dāng)鋼中含有大量硫化物夾雜時，軋成鋼板后會造成分層。,(3) Si0.5%。碳鋼中的Si一般均可溶入鐵中。產(chǎn)生固溶強化作用，鋼的強度和硬度;也可形成SiO2夾雜物。,(2)S和Fe能形成FeS，并易于與-Fe形成低熔點(989)共晶。當(dāng)鋼凝固結(jié)晶時低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有

11、硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100以上時，共晶體就將熔化，因此引起軋制或鍛造時的晶界碎裂(熱脆)。,(1)S是煉鋼時不能除盡的有害雜質(zhì),在固態(tài)鐵中的溶解度極小。,一、碳鋼中的常存雜質(zhì)-S和P（2）,(3)若鋼液脫氧不良，含有較多的FeO，還會形成熔點更低（940）的（Fe+FeO+FeS）三相共晶體，危害更大。,(4)鑄鋼件含S量高時會引起鑄件在鑄造應(yīng)力作用下發(fā)生熱裂。,(5)S容易導(dǎo)致焊縫熱裂，同時在焊接過程中，生成SO2氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。,(6)P也是在煉鋼過程中不能除盡的元素。P可固溶于-Fe。但鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。此外，P-Fe合金的結(jié)晶范圍很寬，因此

12、P具有嚴重的偏析傾向。P可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。,(7)S和P還可以改善鋼的切削加工性能。,應(yīng)變時效含過飽和N的鋼經(jīng)受冷變形后析出氮化物，使低碳鋼的強硬度，塑韌性的現(xiàn)象。,一、碳鋼中的常存雜質(zhì)N、H、O（3）,N是在冶煉時由爐料及爐氣進入鋼中的。,含過飽和N的鋼在室溫長時間放置或稍微加熱時,N逐漸以氮化鐵的形式從F中彌散析出.使低碳鋼的強度、硬度，塑韌性（時效硬化）（有害）。,N還會使低碳鋼產(chǎn)生應(yīng)變時效(不利) ；,N可以與V、Ti、Nb等形成穩(wěn)定的氮化物，有細化晶粒和沉淀強化，N也可鋼的耐熱性能。(有利)。,N是使鋼產(chǎn)生藍脆現(xiàn)象的主要原因。藍脆是指鋼在加熱到150300時產(chǎn)生的硬度，

13、塑韌性的現(xiàn)象，因為鋼在空氣中加熱到150300 時，由于氧化作用，鋼的表面呈現(xiàn)藍色。（有害），但截斷鋼材時可加以利用。,H在鋼中和應(yīng)力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。在鋼中產(chǎn)生裂紋，鋼的塑韌性；容易在焊縫處產(chǎn)生裂紋。,O在鋼中形成硅酸鹽2MnOSiO2、MnOSiO2或復(fù)合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3等非金屬夾雜物，對鋼的質(zhì)量有重要影響。,H是在冶煉過程中，由含水的爐料及潮濕的大氣帶入鋼中的。,二、碳鋼的分類,1按鋼中碳含量分為:,低碳鋼，WC0.25%; 中碳鋼，0.25%WC0.6%; 高碳鋼，WC0.6%。,2按鋼的質(zhì)量（品質(zhì)）分為: 普通碳素鋼：wS0.05%，wP0.0

14、45%。 優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS0.035%，wP0.035%。 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS0.02%，wP0.03%。 特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：wS0.015%，wP0.025%。,3按鋼的用途分類:,4按鋼冶煉時的脫氧程度分類:,沸騰鋼：,脫氧不徹底的鋼，代號為F。,鎮(zhèn)靜鋼：,脫氧徹底的鋼，代號為Z。,半鎮(zhèn)靜鋼：,脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。,特殊鎮(zhèn)靜鋼：,進行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。,三、碳鋼的用途,（2）供貨狀態(tài)：熱軋后空冷。一般不需再進行熱處理而直接使用。,1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,（1）C%在0.060.38%范圍內(nèi)，主要用于一般工程結(jié)構(gòu)和普通零件，它通常軋制成鋼板、鋼帶、鋼管、盤條、型鋼、

15、棒鋼或各種型材（圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等），可供焊接、鉚接、栓接等結(jié)構(gòu)件使用。應(yīng)用量很大（鋼總產(chǎn)量的70%以上）。,標(biāo)志符號Q來源于屈服點的漢語拼音字頭Q； 屈服點數(shù)值共分195、215、235、255、275五個強度等級；,（3）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法,由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四個部分按順序組成。,等級符號：指這類鋼所獨用的質(zhì)量等級符號，也按S、P雜質(zhì)多少來分，以A、B、C、D四個符號代表四個等級，其中： A級wS0.05%, wP0.045%， B級wS0.045%, wP0.045%， C級wS0.0

16、4%, wP0.04%， D級wS0.035%, wP0.035%。 其中質(zhì)量等級最高的是D級，達到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級，A、B、C三個等級均屬于普通級范圍。,Q195、Q275不分質(zhì)量等級，Q215、Q235、Q255，當(dāng)質(zhì)量等級為“A”、“B”時，在保證力學(xué)性能的要求下，化學(xué)成分可根據(jù)需方要求作適當(dāng)調(diào)整。,脫氧方法符號在鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的牌號中可省略。,（4）典型牌號、性能與用途,Q195、Q215鋼：,含碳量很低，強度不高，但具有良好的塑性、韌性和焊接性能，常用作鐵釘、鐵絲、鋼窗及各種薄板等強度要求不高的工件。,Q235A、Q255A：,用于農(nóng)機具中的拉桿、小軸、鏈等。也用于建筑鋼筋、

17、鋼板、型鋼等；,Q235B、Q255B：,用作建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件，機械中一般的轉(zhuǎn)動軸、吊鉤、自行車架等；,強度較高，其中Q275屬于中碳鋼，可用作制造摩擦離合器、剎車鋼帶等。,Q235C、Q235D：,質(zhì)量較好，可作一些重要的焊接結(jié)構(gòu)件及機件。,Q255、Q275鋼：,牌號中的A級鋼，一般用于不經(jīng)鍛壓加工和熱處理的工程結(jié)構(gòu)件或普通滲碳件（如制造機器中受力不大的鉚釘、螺釘、螺母等）；有時也可制造不重要的滲碳件。,B級鋼常用以制造稍微重要的機器零件和船用鋼板，并可代替相應(yīng)含碳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。,（1）這類鋼中硫、磷等有害雜質(zhì)含量相對較低，夾雜物也較少，化學(xué)成分控制較嚴格，質(zhì)量比普

18、通碳素結(jié)構(gòu)鋼好。用于較為重要的機件，可以通過各種熱處理調(diào)整零件的力學(xué)性能。 （2）供貨狀態(tài)：熱軋后空冷，退火、正火等狀態(tài)，一般隨用戶需要而定。 （3）牌號：一般用兩位數(shù)字表示。表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍,如45鋼。,2-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,專用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼還要在牌號的頭部（或尾部）加上代表產(chǎn)品用途的符號，例如平均碳含量為0.2%的鍋爐用鋼，其牌號表示為“20g”等。,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，它們是08F、10F、15F。半鎮(zhèn)靜鋼標(biāo)“b”，鎮(zhèn)靜鋼一般不標(biāo)符號。,高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加符號“A”，特級碳素結(jié)構(gòu)鋼加符號“E”。,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按含錳量的不同，分為普通含錳量(Mn%

19、=0.250.8%)和較高含錳量(Mn%= 0.71.2%)兩組。含錳量較高的一組在其數(shù)字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。,注意：這類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，不要和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼混淆。,1025等鋼的焊接和冷沖壓性很好，可用來制造標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可以經(jīng)熱處理制造表面硬度高、心部有較高的強度和韌性的耐磨損、耐沖擊的零件。如齒輪、凸輪、銷軸、摩擦片、水泥釘?shù)取?（4）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼共有31個鋼號。,08F鋼的碳的質(zhì)量分數(shù)低、塑性好，強度較低。可用于各種冷變形加工成型件。,45等中碳鋼通過適當(dāng)熱處理可獲得良好的綜合力學(xué)性能的機件及表面耐磨、心部韌性好的零件。如傳動軸、發(fā)動機連桿

20、、機床齒輪等。,高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高的e和屈強比以及足夠的韌性和耐磨性?？芍圃煨【€徑的彈簧、重鋼軌、軋輥、鐵鍬、鋼絲繩等。,3-碳素工具鋼 （1）平均含C量在0.651.35%范圍; 主要用于制作各種小型工具?？蛇M行淬火、低溫回火處理獲得高的硬度和高耐磨性?？煞譃閮?yōu)質(zhì)碳素工具鋼（簡稱碳素工具鋼，其wS0.03%，wP0.035%）和高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼（wS0.02%，wP0.03%）兩類。,（2）牌號一般用標(biāo)志性符號“T”（碳字的漢語拼音字頭）加上碳的質(zhì)量分數(shù)的千倍表示。如T10，T12等。一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼不加質(zhì)量等級符號，而高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在其數(shù)字后面再加上“A”字，如

21、T8A，T12A等。,T7、T8適合于制造承受一定沖擊而要求韌性較高的刃具，如木工用斧、鉗工用鑿子等，淬火、低溫回火后的硬度為4854HRC（工作部分）；,（3）含錳碳素工具鋼中錳的質(zhì)量分數(shù)可擴大到0.6%，這時，在牌號的尾部標(biāo)以Mn，如T8Mn，T8MnA。,（4）典型的碳素工具鋼,T9、T10、T11鋼用于制造沖擊較小而要求高硬度與耐磨的刃具，如小鉆頭、絲錐、手鋸條等，淬火、低溫回火后的硬度為6062HRC，T10A鋼還可用于制造一些形狀簡單、工作負荷不大的冷作模具、量具；,T12、T13鋼硬度及耐磨性最高，但韌性最差，用于制造不承受沖擊的刃具，如銼刀、鏟刮刀等，淬火、低溫回火后的硬度為6

22、265HRC。 T12A也可用于制造量具。 T7T12、T7AT12A還可用于形狀簡單的塑料模具。,（1）主要用于鑄鐵保證不了其塑性，且形狀復(fù)雜，不便于用鍛壓制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。 （2）牌號用標(biāo)志性符號“ZG”（鑄鋼這兩個字的漢語拼音字頭）加上最低屈服點值-最低抗拉強度值表示。如ZG340-640表示其屈服強度不小于340MPa，抗拉強度不低于640MPa的鑄鋼。,4-一般工程用鑄造碳素鋼,（3）典型的碳素鑄鋼,ZG200-400：,有良好的塑性、韌性和焊接性。用于受力不大、要求韌性好的各種機械零件，如機座、變速箱殼等；,ZG230-450：,有一定的強度和較好的塑性、

23、韌性，焊接性良好。用于受力不大、要求韌性好的各種機械零件，如砧座、外殼、軸承蓋、底板、閥體、犁柱等,ZG270-500：,有較高的強度和較好的塑性，鑄造性能良好，焊接性能尚好，切削性好。用作軋鋼機機架、軸承座、連桿、箱體、曲軸、缸體等,（4）其他類型的鑄鋼件還有： 焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件 （GB/T7659-1987），如ZG230-450H； 低合金鑄鋼件 （GB/T14408-1993），如ZGD535-720； 耐熱鑄鋼件 （GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20； 不銹耐酸鋼鑄件 （GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti； 中、高強度不銹鋼鑄件 （GB69

24、67-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。,1.2 鋼鐵中的合金元素,特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)從而得到一定的物理、化學(xué)或機械性能的化學(xué)元素。(常用Me來表示） 如：B, C, N; Al, Si, P, S; Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La系,一. 幾個概念,1. 合金元素,如：當(dāng)H，S，P等元素在鋼中一般都為雜質(zhì)元素，但當(dāng)其作為合金元素時：H儲氫合金； S易切削鋼；P耐磨鋼。,2. 雜質(zhì)元素,由冶煉時所用原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的化學(xué)元素。,注意: 同一元素既可能作為合金元素又可

25、能雜質(zhì)，若屬于前者，則決定鋼的組織與性能；若屬于后者，則影響鋼的質(zhì)量。,在化學(xué)成分上特別添加合金元素用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求的組織與性能的鐵基合金。,3. 合金鋼,Me10, 稱為高合金鋼； 不過這種劃分并沒有嚴格的規(guī)定。,4. 微合金元素與微合金化鋼,微合金元素,有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，當(dāng)其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）時，會顯著地影響鋼的組織與性能，將這種化學(xué)元素稱為微合金元素。,微合金鋼,加入了微合金元素, 使鋼的組織或性能有明顯改變的這類鋼則稱為微合金鋼。,1.2.1 鐵基固溶體,1合金元素與Fe的相互作用,奧氏體形成元素：

26、 在-Fe中有較大的溶解度,且能穩(wěn)定-Fe；如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu；,鐵素體形成元素： 在-Fe中有較大的溶解度并使-Fe 不穩(wěn)定的元素。如：V，Nb, Ti 等。,（1）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，即擴大了相區(qū)。,開啟相區(qū)(無限擴大相區(qū)),Me與-Fe形成無限固溶體，與-Fe形成有限固溶體。如：Mn、Ni、Co等。,奧氏體C原子溶入-Fe中形成的間隙固溶體，fcc。硬度較低，塑性好。常用或A表示。,鐵素體碳在-Fe中的固溶體，bcc。強度和硬度低，但塑性和沖擊韌性好。常用或F表示。,圖1-1 擴大相區(qū)并與-Fe無限互溶的Fe-

27、Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b),如果加入足夠量的Ni，可完全使bcc的相從相圖上消失，相保持到室溫（即A1點降低），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。,圖1-2 擴大相區(qū)并與-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b),擴展相區(qū)(有限擴大相區(qū)),Me也使A3降低，A4升高；相區(qū)也隨Me的加入而擴大，但Me與-Fe和-Fe均形成有限固溶體，最終不能使相區(qū)完全開啟。,這類Me主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相區(qū)借助C及N而擴展，當(dāng)C含量在02.11%范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（A），這構(gòu)成了鋼的整個熱處理的基礎(chǔ)。,（2）相

28、穩(wěn)定化元素 Me使A3， A4，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使F形成，即了相區(qū)。,圖1-3 封閉相區(qū)并與-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Cr相圖(b),封閉相區(qū)(無限擴大相區(qū)),Me使A3，A4，達到某一含量時，A3與A4重合，相區(qū)被封閉，或者說Me了F的形成，使相與相區(qū)連成一片。當(dāng)Me超過一定含量時，合金不再有-相變，與-Fe形成無限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。,這類Me有：Si、Al和強K形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。,Cr、V與-Fe完全互溶，W、Mo、Ti等部分溶解.,Me使A3，A4，使相區(qū)但不能使其完全封閉。這類Me有：B、Nb、Zr等。,圖1-

29、4 縮小相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b),縮小相區(qū)(但不能使相區(qū)封閉),可以利用Me擴大和縮小相區(qū)作用，獲得單相組織，具有特殊性能，在耐蝕鋼和耐熱鋼中應(yīng)用廣泛。,合金元素對相圖的影響，可以預(yù)測合金鋼的組織與性能。,生產(chǎn)中的意義,如發(fā)展A鋼時，需要往鋼中加入Ni、Mn、N等A形成元素；欲發(fā)展F鋼時，需要往鋼中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等F形成元素。,同時向鋼中加入兩類Me時，其作用往往相互有所抵消。例外：Cr是F形成元素，在Cr18%與Ni同時加入時卻促進了A的形成。,Me擴大或縮小相區(qū)的作用與該元素在周期表中的位置有關(guān)，與它們的點陣結(jié)構(gòu)、電子因素和原子大小有關(guān)。有利

30、于擴大相區(qū)的Me，其本身具有fcc點陣或在其多型性轉(zhuǎn)變中有一種fcc點陣，與鐵的電負性相近，與鐵的原子尺寸相近。,決定組元在代位固溶體中的溶解度因素是點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似.,（1）代位固溶體(Hume-Rothery規(guī)律),表1-1 常用Me點陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑,注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值,（1）Ni、Mn、Co與-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；,（2）Cr、V與-Fe的點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似無限固溶；,（3）Cu和-Fe點陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大有限固溶；,（4）原

31、子半徑對溶解度影響：R8%，可以形成無限固溶；15%，形成有限固溶；15%，溶解度極小。,（2）間隙固溶體,1、間隙固溶體的形成條件：,間隙固溶體總是有限固溶體，并且間隙原子僅占據(jù)溶劑金屬的部分間隙位置，即總有部分間隙沒有被填滿。,2、間隙固溶體的溶解度取決于溶劑金屬點陣 結(jié)構(gòu)和間隙原子的原子尺寸。,（1）同一溶劑金屬的不同點陣結(jié)構(gòu)，溶解度 是不同的 如-Fe與-Fe。,（2）間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H的順序而增加。,3、間隙原子總是優(yōu)先占據(jù)有利的間隙位置，畸變?yōu)樽钚?。?Fe，是八面體間隙；對-Fe，是八面體或四面體間隙。,鋼中晶體缺陷：晶界、亞晶界、

32、位錯、相界等，缺陷處能量高。Me與晶體缺陷有交互作用，會產(chǎn)生吸附或偏聚現(xiàn)象。,1.2.2 合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用,Me偏聚缺陷處濃度基體平均濃度。,晶界脆性當(dāng)P，As，Sn，Bi，Sb在晶界發(fā)生偏聚時；,晶界遷移與晶界擴散,晶間腐蝕,相變成核相變時晶體缺陷處優(yōu)先成核。,晶界強化耐熱鋼中加入B，Zr等，提高晶界強度；,對組織與性能影響很大,淬透性硼鋼中的B在A體晶界上吸附，鋼的淬透性；,缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原子處在晶界層產(chǎn)生的畸變能比處在晶內(nèi)產(chǎn)生的畸變能要小得多；,偏聚機理,結(jié)構(gòu)學(xué):,原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能，符合自然界最小自由能原理。,能量學(xué):,該過程是自發(fā)進行的，

33、其驅(qū)動力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。,熱力學(xué)：,影響因素：,缺陷處溶質(zhì)濃度：,從溶質(zhì)和基體原子尺寸差引起的畸變能估計E值。E=020KJ/Mol,溫度T：T，內(nèi)吸附強烈；,偏聚是一個擴散過程，溶質(zhì)原子只有在能夠擴散的溫度范圍內(nèi)才能產(chǎn)生偏聚。,H原子：0左右擴散就比較顯著并形成柯氏氣團；,C、N原子：在室溫左右即可產(chǎn)生偏聚；,Mo、Nb、V等高熔點溶質(zhì)原子：在500以上才能發(fā)生明顯的偏聚現(xiàn)象。,時間t：偏聚需要原子擴散需要一定時間；,可控制時間因素來控制吸附。,缺陷本身：缺陷越混亂，E，吸附也越強烈;,其它元素：其它元素對偏聚元素的作用主要有 間接作用和直接作用兩類。,間接作用：優(yōu)先吸

34、附問題,引起E值大的溶質(zhì)元素優(yōu)先發(fā)生偏聚，如B與C。,直接作用：影響吸附元素的D。,MnDP，使P擴散，了鋼的回火脆性；,Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。,點陣類型：,對置換式溶質(zhì)原子的內(nèi)吸附無影響；,對間隙溶質(zhì)原子有影響；間隙溶質(zhì)原子在bcc結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生強烈的吸附；,如C、N原子在F中的吸附比在A中更顯著。,只有與完整晶體內(nèi)原子間距偏差在一定臨界值的晶體點陣，才能接納大的或小的代位溶質(zhì)原子。,一、鋼中常見的碳化物,K的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對鋼的性能有極重要的影響。,非K形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等，與碳不能形成K，但可固溶于Fe中形成固溶體，或者形成其它化合物

35、，如氮化物等。非K形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。,K形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它們都是過渡族元素；K形成元素均位于Fe的左側(cè)。,1.2.3 鋼鐵中的碳化物和氮化物,M6C： (W，Mo，F(xiàn)e)6C，不是一種金屬K。復(fù)雜立方點陣。常在含W、Mo的合金鋼中出現(xiàn)。,鋼中常見K的類型：,M3C：滲碳體，正交點陣；,M7C3：Cr7C3，復(fù)雜六方；可形成復(fù)合K, 如 (Cr,Fe,Mo，)7C3,M23C6：Cr23C6，復(fù)雜立方；多為復(fù)合K,M2C：Mo2C、W2C。密排六方；,MC：VC、TiC，簡單面心立方點陣；,復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)：M23C6 、M7C3 、M3C

36、。 特點：硬度、熔點較低，穩(wěn)定性較差；,簡單點陣結(jié)構(gòu)：M2C、MC。又稱間隙相。 特點：硬度高，熔點高，穩(wěn)定性好。,M6C型不屬于金屬型的碳化物, 復(fù)雜結(jié)構(gòu)， 性能特點接近簡單點陣結(jié)構(gòu)。,在鋼中，鐵的K與合金K相比，是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe的原子可以被若干Me的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等。,Fe-M-C形成的三元K M6C型 復(fù)雜立方，W、Mo的K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。 M23C6型 復(fù)雜立方，W、Mo的K： Fe21Mo2C6，F(xiàn)e21W2C6。,二、碳化物形成的一般規(guī)律,各元素的rc/rMe的值如下： Me Fe

37、 Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53,1、碳化物類型的形成,碳化物類型與Me的原子半徑有關(guān)。,rc/rMe 0.59 復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，如Cr、Mn、Fe ，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；,rc/rMe 0.59 簡單結(jié)構(gòu)相，如Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。,Me量少時，形成復(fù)合碳化物，如(Cr, M)23C6型 。,2、相似者相溶,完全互溶：晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電子因素均相似。,Ti, Zr, Nb, V, Ta的同類K之間可以溶解 (V, Nb）C；（Nb, V, Ta）C； W與Mo的同類K之間； Fe, Mn同類之間, （Fe, Mn）3C,Cr23C6可溶解25%的Fe，還可溶解Mo、W、Mn、Ni等。,有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K，但都有一定的溶解度。,如Fe