钢的合金化基础 (2)优秀课件
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金属材料的合金化原理 ppt课件
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1.1 碳钢概论
13
Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法
牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质 量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、 TZ）等四个部分按顺序组成。
标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；
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1.1 碳钢概论
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
2-优质碳素结构钢
（1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零 件的力学性能。 （2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火 等状态，一般随用户需要而定。 （3）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两 位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中 硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化 学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。
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1.1 碳钢概论
6
一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）
2．硫（S）和磷（P）的影响
Chapter 1 金属材料的合金化原理
S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。 S 和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。
P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈 地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高 钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P还可以改善钢的切削加工性能。
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1.1 碳钢金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。
钢的合金化基础
在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其 溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度 也较低； 弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很 容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化 物；
型 2. rc/rMe >0.59 引起点阵畸变，形成复杂点阵类
（3）渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等
特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自 己特有的 碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称 为合金渗碳体。
硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。
铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。
合金元素改变奥氏体区的位置
随Cr含量增加，SE 向左上移，SG向左 上移，使γ区逐渐缩 小。
• 缩小A相区的元素 （Cr，W，Mo，V， Ti，Si等）使S点左 移，A3线上升；
铬对奥氏体相区的影响
合金元素对特征点S、E的影响
奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得奥氏 体温度下降；铁素体 形成元素使A1、A3点 上移，热处理时加热 温度应该提高。
1.1.2 按与C相互作用（亲和力大小）分类
• 非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等
• 碳化物形成元素
Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe
最强
中强
弱
1.1.3 按对奥氏体层错能的影响分类
2．硫（S）和磷（P） S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其 溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度 也较低； 弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很 容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化 物；
型 2. rc/rMe >0.59 引起点阵畸变，形成复杂点阵类
（3）渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等
特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自 己特有的 碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称 为合金渗碳体。
硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。
铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。
合金元素改变奥氏体区的位置
随Cr含量增加，SE 向左上移，SG向左 上移，使γ区逐渐缩 小。
• 缩小A相区的元素 （Cr，W，Mo，V， Ti，Si等）使S点左 移，A3线上升；
铬对奥氏体相区的影响
合金元素对特征点S、E的影响
奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得奥氏 体温度下降；铁素体 形成元素使A1、A3点 上移，热处理时加热 温度应该提高。
1.1.2 按与C相互作用（亲和力大小）分类
• 非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等
• 碳化物形成元素
Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe
最强
中强
弱
1.1.3 按对奥氏体层错能的影响分类
2．硫（S）和磷（P） S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔
钢的合金化基础
T Cg T Cg
C1－－晶内溶质溶解度 E－－溶质与晶界结合力 T－－温度
（热力学因素） 3) 晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定 时间保证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）
2. 能在钢中产生内吸附的元素
Zr，Ni，Mn，Re，P，B，Sb，As，Bi，C，N 其中，B最强烈 3. 晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理 论解释金属材料中的一些现象） 晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高 温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及B钢淬透 性等. 另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关
(1)封闭γ相区的元素 Cr， V，Ti，W， Mo，Al，Si， Be属于此类合金 元素。
其中Cr，V与α-Fe 形成无限固溶体
Fe－Cr相图
(2)缩小γ相区元素
B，Nb，Ta，Zr属 于此类合金元素。
3. 合金元素扩大、缩小γ相区的影响因素
为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般 认为以下几个因素共同作用的结果 (1) 合金元素的点阵类型（与γ-Fe相同还是α-Fe相同） (2) 原子尺寸因素（与Fe原子半径之比） △r/r铁 <8% 可形成无限固溶体（Cr，V，Mn，Ni， Co等） 8%<△r/r铁 <15% 有限固溶体 Mo，10％；W， 11％ △r/r铁 ＝15% 较窄的固溶体 Ti，Ta，Nb △r/r铁 >15% 很小的固溶度，Zr，Hf
特点：有较高的塑 性，热加工时沿加 工方向呈带状、纤 维状或线状分布
钢中的MnS夹杂
（3） 硅酸盐（常见的非金属夹杂) 易变形的 MnO.SiO2
（与硫化物相似）
不易变形的 Al2O3.SiO2 （与氧化物相似）
C1－－晶内溶质溶解度 E－－溶质与晶界结合力 T－－温度
（热力学因素） 3) 晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定 时间保证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）
2. 能在钢中产生内吸附的元素
Zr，Ni，Mn，Re，P，B，Sb，As，Bi，C，N 其中，B最强烈 3. 晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理 论解释金属材料中的一些现象） 晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高 温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及B钢淬透 性等. 另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关
(1)封闭γ相区的元素 Cr， V，Ti，W， Mo，Al，Si， Be属于此类合金 元素。
其中Cr，V与α-Fe 形成无限固溶体
Fe－Cr相图
(2)缩小γ相区元素
B，Nb，Ta，Zr属 于此类合金元素。
3. 合金元素扩大、缩小γ相区的影响因素
为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般 认为以下几个因素共同作用的结果 (1) 合金元素的点阵类型（与γ-Fe相同还是α-Fe相同） (2) 原子尺寸因素（与Fe原子半径之比） △r/r铁 <8% 可形成无限固溶体（Cr，V，Mn，Ni， Co等） 8%<△r/r铁 <15% 有限固溶体 Mo，10％；W， 11％ △r/r铁 ＝15% 较窄的固溶体 Ti，Ta，Nb △r/r铁 >15% 很小的固溶度，Zr，Hf
特点：有较高的塑 性，热加工时沿加 工方向呈带状、纤 维状或线状分布
钢中的MnS夹杂
（3） 硅酸盐（常见的非金属夹杂) 易变形的 MnO.SiO2
（与硫化物相似）
不易变形的 Al2O3.SiO2 （与氧化物相似）
第5章钢的合金化基础
1.高温回火时从马氏体中析出 高度分散的合金碳化物颗粒，起到 了沉淀强化的作用；
2.回火过程中残余奥氏体转变 为马氏体的二次淬火。
27
（3）增大回火脆性倾向 回火脆性——在某些温度区间回火时，表现出明显的脆化现象。 第一类回火脆性，对应回火温度范围：250-400 ℃。 第二类回火脆性，对应回火温度范围：450-600 ℃。 消除第二类回火脆性的方法：
至于Cr是否为扩大γ相区元素，视其含量而定，Cr的质 量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。
10
5.1.3 合金元素与碳的相互作用
按照合金元素与碳的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。 非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。 （1）形成碳化物的规律性
12
金属元素的 C/ Me值如下：
金属 γ c/γ M
Fe
Mn
Cr V
Mo
W
Ti
Nb
Zr
0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48
1、当C/rM0.59时，形成MC型和M2C型简单点阵的碳 化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。
1.快冷； 2.加入 Mo 或 W降低回火敏感性； 3.降低有害元素的含量。
28
5.3 合金元素与钢的强韧化 结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是主
要的使用性能，增加强度往往要牺牲韧性，或者反过来也 是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强化，而 是追求强韧化。 5.3.1 合金元素对钢的强度的影响
与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔 点、硬度和耐磨性也越高；
2.回火过程中残余奥氏体转变 为马氏体的二次淬火。
27
（3）增大回火脆性倾向 回火脆性——在某些温度区间回火时，表现出明显的脆化现象。 第一类回火脆性，对应回火温度范围：250-400 ℃。 第二类回火脆性，对应回火温度范围：450-600 ℃。 消除第二类回火脆性的方法：
至于Cr是否为扩大γ相区元素，视其含量而定，Cr的质 量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。
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5.1.3 合金元素与碳的相互作用
按照合金元素与碳的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。 非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。 （1）形成碳化物的规律性
12
金属元素的 C/ Me值如下：
金属 γ c/γ M
Fe
Mn
Cr V
Mo
W
Ti
Nb
Zr
0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48
1、当C/rM0.59时，形成MC型和M2C型简单点阵的碳 化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。
1.快冷； 2.加入 Mo 或 W降低回火敏感性； 3.降低有害元素的含量。
28
5.3 合金元素与钢的强韧化 结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是主
要的使用性能，增加强度往往要牺牲韧性，或者反过来也 是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强化，而 是追求强韧化。 5.3.1 合金元素对钢的强度的影响
与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔 点、硬度和耐磨性也越高；
化学钢的合金化原理PPT课件
A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ?
三、A体晶粒长大
1）Ti、Nb、V强碳化物形成元素强烈↓↓A， W、Mo↓A晶粒长大；
2）C、N、B、P↑A晶粒长大 （在A晶界偏聚，↓晶界Fe自扩散Q）；
3）Ni、Co、Cu等非K形成元素作用不大 。
第31页/共74页
第24页/共74页
1.5 Me在钢中的存在形式
一、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
4
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5
第5页/共74页
2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti
Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 ?
W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— A形成元素。
6
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第9页/共74页
铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
10
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11
1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
Me 合金元素Ti 在铁点V 阵中Cr的固M溶n 情C况o Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限
三、A体晶粒长大
1）Ti、Nb、V强碳化物形成元素强烈↓↓A， W、Mo↓A晶粒长大；
2）C、N、B、P↑A晶粒长大 （在A晶界偏聚，↓晶界Fe自扩散Q）；
3）Ni、Co、Cu等非K形成元素作用不大 。
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1.5 Me在钢中的存在形式
一、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
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2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti
Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 ?
W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— A形成元素。
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铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
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1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
Me 合金元素Ti 在铁点V 阵中Cr的固M溶n 情C况o Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限
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存 在 形 式
溶入Fe3C形成合金渗碳体
3．形成强化相： 与C形成碳化物
合金元素间形成金化 属合 间物
4．自由存在：某些合金元素如银和铅等，既不溶于铁中基体中又不与
之形成化合物，而以游离状态存在于基体中。
存在形式决定于？
元素种类 含量 冶炼、加工方法 热处理
三、合金元素与铁、碳的相互作用 (一)合金元素与铁的相互作用
钢的合金化基础 (2)优秀课件Fra bibliotek钢合 碳金 钢F钢 ：e、： C合有金意及识 一 微地 种 量加 或 元入 多 素种合金元素
低合金钢：合 5％ 金（ w元 ％素 ）＜ 合金钢：合金钢化 中以 合后 金的 钢：5合 ～1金 ％ 0 元素
高合金钢：合 1％ 0金 元素＞
二、为什么发展合金钢？
改善提高钢的性能，弥补碳钢的不足。 如有些特殊条件下的使用要求：韧性、耐蚀、抗氧化、耐磨、高温强 度等，车削速度较高的刀具要求红硬性，大尺寸零件要求高的淬透性… 这时碳钢已不能满足要求。
(一)按照与铁相互作用的特点分类 合金元素与铁的相互作用主要是影响铁的同素异构结构。 Fe的同素异构转变： Fe 912 ℃ － Fe 1394 ℃ －Fe
奥氏体(A)： C溶于γ－Fe，面心立方，C溶解度大；
铁素体 (F)：C溶于α－Fe，体心立方，C溶解度小。
1)奥氏体形成元素: 如碳、氮、镍、锰、铜、钴等。稳定和扩大A区，优先 分
非碳化物形成元素易溶入铁素体和奥氏体等固溶体中；而碳化物形成元 素易于溶入碳化物中。如加入少量碳化物形成元素时，它也可以溶入固溶 体中，或溶入渗碳体中形成合金渗碳体等，当加入数量较多时，形成特殊 碳化物。
1.形成碳化物的规律 碳化物形成元素在周期表中都是过渡族元素（次d层未排满）： 与Fe原子相比，次d层越不满，形成碳化物的趋势越强，碳化物越稳定。
同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是 铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。
(二)合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物，还是形成固溶体？ 取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy △G 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。 碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。
钢的合金化原理内容相当广泛，包括不同合金元素的不同作用，不同 合金元素的交互作用，不同合金元素在不同热处理工艺、C含量、杂质含 量条件下的不同行为…
合金化基础：合金元素与Fe、C的基本作用，一般规律，即共性。主要 内容分为以下5个方面：
1) 钢中合金元素及其分类。 2) 合金元素与钢中铁和碳的相互作用。 3) 钢的强化。 4) 改善钢的塑性与韧性的途径。 5) 合金元素对钢的相变和热处理工艺性能的影响
第一节 钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用
一、钢中合金元素的分类 钢中常加入的合金元素有： 第二周期：硼、碳、氮； 第三周期：铝、硅； 第四周期：钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜； 第五周期：锆、铌、钼； 第六周期：钨； 第七周期：稀土元素。 硫、磷等元素通常作为有害元素看待，但有时也可当作合金元素(如在易切 削钢中硫被用来改善切削性能)。
布于A中。 2)铁素体形成元素: 如铬、硅、钒、钛、钼、钨、铌、钽、铝、锆等。稳定
和扩大F区，优先分布于F中。 但合金元素的实际分布还与加入量和热处理条件有关。 (二)按照与碳相互作用的特点分类 1) 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、铝、磷等。易溶入F或A中 2) 碳化物形成元素： 如铬、钼、钨、钒、钛、锆、铌等。
rC/rM与 e 碳化 ＞ ＜ 物 0 0..5 5种 9 9 复 简 类杂 单点 点阵 阵M碳 碳 形 C 畸 化 化 T ， 变 i、 物 物 CVC ， ：点阵
含 量 稍 很高 低： ：形 置成 换 F ， ， eF 多 渗 如 2M e 形 元 碳 4C o（ 成 M 碳 体 6C 合 形 化 中 金 （ ） F 物 的 F2e渗 W 1 e 、 2） C C 3C 6(碳 M r2C 36 体 ) ，如
其它杂质：
1．形成非金属夹杂：与钢中O、N、S、Si等结合形成化合物，残留在
钢中。使塑韧性和疲劳强度降低，还降低耐磨性、耐蚀性，并影响淬
合 透性。其危害与夹杂物成分(性能）、形状、大小、数量和分布有关。
金 元
但AlN可弥散于钢中，提高性能。
素 2．溶入固溶体：溶于F、A和M。不同元素在不同的组织中溶解度不同。
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体 或渗碳体
(三)按照对A层错能的影响分类 1) 提高A层错能的元素：如镍、铜、碳等。 2) 降低A层错能的元素：如锰、铬、钌、铱等。
A的层错能低，利于位错扩展→形成层错→滑移困难→加工硬化趋势增大
二、钢中杂质、合金元素存在形式
S：生Fe、燃料带入，溶解度很小，晶界低熔点FeS-Fe，热脆。加Mn形成高熔点MnS 杂 P：形成Fe3P硬脆相，冷脆脆。 质 H：固溶，氢脆。
合金元素含量高到形成σ相，合金将严重发脆。
合金元素与铁的相互作用的工程实际意义：为了保证钢具有良好的耐蚀性(如 不锈钢)，需要在室温下获得单一相组织，就是运用上述合金元素与铁的相互 作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温条件下获得单 相奥氏体或铁素体等单一组织来实现。例如，为了获得奥氏体型不锈钢，通 常向钢中加人大量的Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；为获得铁素体型不锈钢， 通常向钢中加入大量的Cr、Si、A1、Mo、Ti等铁元素形成元素。
按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元
素分为两大类： 扩区 大A ： 4点 ， A3点 ， 区扩 A 大 形成元素 缩区 小A ： 4点 ， A3点 ， 区缩 F小 形成元素
为什么有的合金元素扩大γ区，而有的缩小γ区呢? 取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素