【最新】一章节钢铁中合金元素

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碳化物和氮化物
➢ 碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与C、N亲和力的大小，主要取决于过
渡族金属原子的d电子数。 d层电子越少，碳化物和氮化物的稳定性越高 或生成热ΔH越大，碳化物和氮化物越稳定。 （见图1－7所示）
碳化物和氮化物的稳定性排序有： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
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在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结 果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线。
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2）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析
曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线；右边
一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条
水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线
和转变结束温度Mf线。
扩大奥氏体区： C、N、Co、 Ni、Mn、Cu
右图:奥氏体形成元 素Mn对相图的影响
(低温、低碳)
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缩小奥氏体区： Cr、Mo、W、 V、Ti、Si、Al
右图: 铁素体形成 元素Cr对铁碳合金 相图的影响 (高温、低碳)
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合金元素对共析温度的影响
缩小γ区
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而 5) 降低系统的内能.
不同溶质原子在位错周围的分布状态
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晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
βCg exp(E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
常用合金元素：Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、
Zr、Ni、RE(稀土) 等;
钢中合金元素的存在方式：
1) 固
溶：合金铁素体
2) 合金渗碳体：如(Fe、Mn)3C 、(Fe、W)3C 3) 合金碳化物：VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6
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合金元素对相图固溶体区域的影响
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➢ 冷却时钢的组织转变
1、钢的冷却方式
A1
热处理时常用的冷却方
式有两种：一是等温冷却
（常用于理论研究）；二是
连续冷却（常用于生产）。
2、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制 通常将处于A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为过冷
奥氏体。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织
转变。
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727℃ 扩大γ区
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合金元素对共析含碳量的影响
0.77％
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第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作 用
相互作用的方式
从系统的能量考虑,基于原子的尺寸因素和电子因素 等因素,合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用.以下是 两种主要的作用方式:
晶界偏聚: 溶质原子与界面结合;
柯氏气团: 溶质原子与位错作用.
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1）等温冷却试验： （a） 首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共 析温度的条件下进行奥氏体化；（b）将上述奥氏体化后 的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度； （c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样， 置于水中快冷； （d）磨制金相试 样，并观察显微 组织。
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不出现σ相： Nv＜2.52
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➢ AB2相（拉维斯相） 1、特点
钢和合金中的主要AB2相是具有复杂六方的MgZn2型， 如MoFe2、TiFe2等，它是耐热钢和合金中的一种强化相。
当出现元素部分替换时，可出现复式AB2相，如铁基 合金中的(W,Mo,Nb)(Fe,Ni,Cr)2 。 2、形成规律
长大，就必须阻碍晶界的移动。
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➢ 碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制 一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶
界时，将钉扎奥氏体晶界阻碍其晶界移动。
工程上经常用 AlN来细化奥氏体晶 粒，是因为氮化物 比碳化物有更低的溶 解度和更高的稳定性。
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注：1100℃时，AlN颗粒溶解，奥氏体晶粒剧烈长大。
表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
H
C、N
P
0℃以下 室温附近 ＞350 ℃
Mo、Nb（铌） ＞500 ℃
➢ 溶质原子的偏聚区宽度 溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般
在nm级范围，如P：6nm；Sb（锑）：7nm。
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➢ 各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响 1、偏聚位置的竞争，E越大的元素有限偏聚； 如Ce（铈）＞ P 2、影响晶界偏聚的速度； 如Ce能减慢Sb在Fe晶界的偏聚速度 3、影响偏聚元素在晶内的溶解度； 如La（镧）的存在，降低了P和Sn在晶内的溶解度 4、出现共偏聚。
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相互作用机理
产生晶界偏聚和柯氏气团的主要原因是溶质原子与基 体原子的弹性作用.概括起来有以下几点: 1) 溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高(主要是与 2) 基体原子之间存在尺寸差异等); 3) 2) 晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量; 4) 3) 溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变(以较
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第三节 合金中的化合物
概述
1、化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、 数量、尺寸大小、形状及分布状态等。
2、合金中的化合物主要有两大类：一是C或N与合金元素 反应形成的碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元 素与铁之间形成的σ相、AB2相及AB3相。
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2）第二常周期的Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合
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3、形成条件 1）原子尺寸差别不大； 2）钢和合金的“平均族数”在5.7～7.6之间
4、合金设计中的电子缺位数计算 为避免不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金出现σ相，
可用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计。
Nv＝0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66(Cr+Mo+W) +5.66(V+Nb+Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al
合金元素对奥氏体形成的影响
➢ 奥氏体的形成机制 高速加热——α→γ无扩散机制，γ形成后出现碳化 物的溶解。 低速加热——α→γ扩散机制，同时出现碳化物溶解。
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➢ 奥氏体形成的影响因素
1、碳化物的稳定性 稳定性排序： 最好：V、Ti、Nb等； 中等：W、Mo、Cr等； 一般：Mn、Fe等。
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第五节 合金元素对过冷γ转变的影响
碳钢的过冷γ转变
➢钢的热处理相变温度
钢在加热时，实际 转变温度往往要偏离平 衡的临界温度，冷却时 也是如此。随着加热和 冷却速度的增加，滞后
现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母
“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字
母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。
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➢ 加热时钢的组织转变
钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以 共析钢的奥氏体形成过程为例。
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1）奥氏体形核：奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体 的界面上形成。 2）奥氏体晶核长大： 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、 碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不 断溶入到奥氏体中去而进行的。 3）残留渗碳体的溶解： 铁素体全部消失以后，仍有部 分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳 体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
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钢中的合金元素
4、碳氮化物： C和N原子部分替换，如Ti(C,N)、(Cr,Fe)23(C,N)6等
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金属间化合物
➢ σ相 1、特点
属于正方晶系，硬度大，能显著降低合金的塑性和韧 性，应合理设计合金成分来避免σ相出现。 2、形成规律
1）第一常周期的Ⅶ族和Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合， 如Cr-Mn、Mo-Fe、W-Co、V-Ni等
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4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P A 1 C F A A 3 C A
过共析钢的加热过程：
P F 3 C Ⅱ e A 1 C A F 3 C Ⅱ e A c m C A
复杂密排结构
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➢ 碳化物和氮化物的类型
1、简单密排碳化物或氮化物： 以MeC、MeN和Me2C、Me2N为主（合金元素含量少时）
2、复杂密排碳化物： 以Me3C、Me7C3、Me23C6为主（合金元素含量多时）
3、复式碳化物： 金属原子部分替换，如Fe3W3C、 Fe21Mo2C6
在周期表中，符合原子尺寸 dA : dB＝1.2 : 1的任 意两族元素，都能形成AB2相。
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➢ AB3相（有序相） AB3相不属于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之
间的过渡状态。 Ni3Al相是典型的AB3相，fcc结构。在复杂成分的耐
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
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第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
小 5) 的点阵畸变形式存在),有利于系统能量的降低.
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溶质原子的偏聚是一个自发过程,其一般规律是: 1) 较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵; 2) 较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵; 3) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置. 4) 溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛,从
线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。
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组织名称
珠 珠光体 光 索氏体 体 屈氏体 贝 氏 上贝氏 体体
下贝氏 体
符 转变温 相组成
号 度/℃
P A1～650 F+Fe3
S 650～600 C T 600～550
第一章 钢铁中的合金元素
第一节 合金元素对合金相图的影响 第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作用 第三节 合金中的化合物 第四节 合金元素对钢在加热时转变的影响 第五节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 第六节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
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第一节 合金元素对合金相图的影响
钢铁合金化的必要性
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βCg exp(E )
C0
RT
引起晶界偏聚的因素:
1、溶质与基体原子尺寸差异大，即 E↑→β↑；
2、溶质在基体中的固溶度，即 Co↓→β↑；
3、温度低，即 T↓→β↑。
备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。
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晶界偏聚的其它问题
➢ 溶质原子的偏聚温度
过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C曲
线，反应了“温度－时间－转变量”的关系，所以C曲线
又 称 为 TTT 图 （ Temperature-Time － Transformation
Diagram）。
在C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变
的时间不同，这段时间称为“孕育期”。其中，以C曲
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➢ 碳化物和氮化物的点阵结构 氮化物均属简单密排结构，碳化物则有简单和复杂密
排结构两种形式。
简单
复杂
密 排 碳化物的点阵结构 密 排
ⅣⅤⅥⅦⅧ
Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Zr Nb Mo
Hf Ta W
点阵结构判据： rx/rM＜0.59 简单密排结构
rx/rM＞0.59
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2、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高C在奥氏体中的扩散
激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。
合金元素对奥氏体晶粒长大的影响
由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所 以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。
➢ 奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差。要阻止晶粒