金属材料学课件 第一章 金属材料的合金化原理

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Chapter 1 金属材料的合金化原理
1.2.2合金元素对铁碳相图的影响 1. 鉄基合金 1）扩大或开启相区的元素 合金元素与γ-Fe 形成无限固溶体，与α-Fe 形 成有限固溶体。 它们均使 A3（GS 线）降低，A4（JN 线）升高，如下图。这 类合金元素主要有 Mn、Ni、Co 等。
金属材料学
Metal Materials 课程编号：0802102825 主讲：伍玉娇
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关于本课程
1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金 问题，使学生
掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生
产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本 规律；
掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计
、生产、热处理和使用中的问题。
V 形成以α-Fe 为基的无限固溶体；Mo 和 W 形成较宽溶 解度的有限固溶体；Ti、Nb、Ta形成具有较窄溶解度的有限 固溶体；Zr、Hf、Pb在 Fe 具有很小的溶解度。
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2 ）形成铁基间隙固溶体（Interstitial solution） B、C、N、O、H 与 铁基形成间隙固溶体，优先占据在 α-Fe 的八面体间隙和γ-Fe的八面体或四面体间隙，且其溶 解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按 B、C、N、O、H 的 顺序而增加。
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主要 内容
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对 钢 的 合 金 化
号合 方金 法钢 的 编
基 本 概 念
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对
存 在在 形钢 式种 的 Me
布 状不 态同 热 的处 分理 Me
4. 非金属夹杂物 1）氧化物有简单氧化物如FeO、MnO、TiO2、SiO2 ； 复杂氧化物如MgO · Al2O3, CaO·2A12O3等。 特点: 性脆易裂。这些氧化物在钢材轧锻以后，沿加工方
向呈链状分布。
2） 硫化物：钢中常见的有MnS、FeS。 特点: 高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。 3）硅酸盐如2MnO·SiO2、CaO·SiO2 等，脆性。 5. 自由态：以较纯的金属相存在，如Cu、Pb等
热强钢、易切削非调质机械结构钢、热锻用非调质机械结构钢、 抗震耐火钢、金属基梯度复合材料、金属间化合物材料、金属功 能材料、金属环境材料等。
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1.2 合金元素对铁碳相图的影响
1.2.1 基本概念 1. 合金元素（alloying-element） 主要是Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B、 Re等。 2. 杂质元素（impurity element） 主要有Mn、Si、S、P、N、H、O、Sn、Sb、As、Bi等。 3. 微量元素（trace element） 含量在0.1%时就能显著影响钢的组织性能的若干元素，主 要是Nb、Ti、V、Zr和B(0.001%)。
3.掌握合金钢的分类、牌号。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 合金钢的发展历程
Steelmaking flowlines
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Steel Finishing flowlines
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1.合金发展的先驱—法拉弟 1820-1822年他就在钢中加入了镍、铬、铜、金、 银、铂等合金元素，尽管他没有研究出适用的合金，但 他仍不愧为一位伟大的冶金学家和合金钢研究的前驱。 2．特殊钢到高速钢的发明人—R.Mushet 他在1868 年发展出高钨自淬工具钢,当时称之为R. Mushet特殊钢,开创了高碳合金工具钢的新纪元。 3．现代合金钢的奠基人—Hadfield 他在1882 年试制成功的高锰耐磨钢的成分是:C 1.35 % ,Si 0.69 % ,Mn 12.76 % 。
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4. 学习要求 掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、 组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料 的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和 用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役 条件，具有合理选用材料，正确确定热处理技术 条件的知识。 能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防 热处理缺陷的措施。
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1.3.2
不同热处理态合金元素的分布
1. 正火态(normalizing) 1）碳化物形成元素 2）非碳化物形成元素 2. 淬火态(quenching)
3. 回火态
1）低温回火 2）中温回火 3）高温回火
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2.课程的性质 本课程是材料科学与工程专业的一门主要专业 课。它的主要内容是金属材料的合金化基础理论 ，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上 ，分析各类工程结构钢、机械制造结构钢、工模 具用钢、不锈钢、耐热钢和耐热合金、铸铁、有 色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特 点及选择材料与使用材料的原则和方法。
的 偏 聚
变 影对 响钢 的 相 Me
能 的对 影钢 响的 性 Me
Me
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重点及基本要求 1.了解合金钢发展历史； 2.第二节是本章重点。要求全面掌握合金元素
对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握
合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响；
难点是合金元素对钢中基本合金相结构的影响
M23C6：如Cr23C6，复杂立方。 (Cr，Fe，Mo，…)23C6
M2C：如Mo2C、W2C。密排六方点阵； MC：如VC、TiC、NbC，一般为简单面心立方点阵， MoC、 WC是简单六方点阵。 M6C：不是一种金属碳化物，是复杂六方点阵，性能特点
接近简单点阵结构。
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1.3 钢的合金化
1.3.1 合金元素在钢中的存在形式 1. 形成铁基固溶体 1）形成置换固溶体（Subtitutional solution） Ni、Co、Mn、Cr、V 的原子尺寸 与点阵相同的 Fe 晶体的原子尺寸差ΔR≤±8%，因此这些元素可与 Fe 形成 无限固溶体。 Ni、Co 和 Mn 形成以γ-Fe 为基的无限固溶体，Cr 和
Steel
Cast Iron
2% C 3% C 4% C 5% C 6% C
中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%
400 C Fe
1% C
6.70% C
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2. 合金元素对 Fe-Fe3C 相图的影响
1）合金元素对奥氏体相区、铁素体相区的影响 Ni、Co、Mn 等扩大铁碳相图中奥氏相区。当 Ni或 Mn 的含量高时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，如 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、 Mn13 高锰耐磨钢等； Cr、W、Mo、V、Ti、Si 等缩小铁碳相图中奥氏体相 区。Cr、Ti、Si 等当其超过一定含量后，可获得单相铁素钢 ，例如 1Cr17Ti 高铬铁素体不锈钢。
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2）合金元素对临界点、共析点和共晶点的影响
奥氏体形成元素均使S、E点向左下方移动；铁素体形成 元素使S、E点向左上方移动。
奥氏体形成元素Ni、Mn等使A1线向下移动；铁素体形成
元素Cr、Si等使A1线向上移动。
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Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物具有复杂的点阵结构，如 Cr7C3、
Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C 等。
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在钢中常见的碳化物有：
M3C：渗碳体，复杂正交点阵；
M7C3：如Cr7C3，复杂六方点阵，可形成复合K，(Cr，Fe， Mo，…)7C3 ；
2）氮化物( Nitride ) 形成条件：rN/rMe<0.59 简单立方结构的有（NaCl型）：TiN、NbN、VN、CrN等。 密排六方结构的有：WN、Nb2N、MoN等。
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3. 金属间化合物 金属之间产生相互作用，形成各种金属间化合物。保持 金属的特点。 合金钢中比较重要的金属间化合物有：
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5.教材与参考书目录 伍玉娇、周芳等编著。《金属材料学》，北京：北大出版社 2011 戴起勋主编。《金属材料学》北京： 化学工业出版社 2006 吴承建、陈国良、强文江编著。《金属材料学》，北京：冶金工 业出版社，2000。 王笑天主编。《金属材料学》，北京：机械工业出版社，1993 。 王晓敏主编。《工程材料学》，北京：机械工业出版社，2002 。 6.作业及考核形式 平时每章需完成一定量的思考题和习题；成绩占总评成绩的15％ ；平时表现和课堂回答问题成绩占总评成绩的5%。 期末闭卷笔试，成绩占总评成绩的80%。
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4.廿世纪初的合金结构钢
中碳合金结构钢的发展是从十九世纪末对镍钢进行的研制开 始的。1878-1888年法国的冶金学家用锰脱氧成功地冶炼出可锻 的铁镍合金及镍钢。 5．现代合金钢 21世纪，随着科学技术的发展和社会日益增长的需求，发展 了高性能合金钢：从日本的“超级钢”， 到现在的“高洁净、 均匀化、超细化”钢、低温钢、新型耐蚀钢、新型工具钢、新型