金属材料科学(第一章 钢的合金化)3

γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换 铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
γ’相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。
1. 4 钢的强韧化机制
合金化目的：提高性能
结构钢：力学性能
强度与韧性、塑性的矛盾
综合性能：强度与韧性的匹配
高强钢：韧性 疲劳：表面硬度 耐磨：硬度与韧性
Mn↑，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。
点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈
1.6 钢中微量合金元素的作用
一、钢中常见的微量元素
1 微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土
2 净化、变质、控制夹杂物形态：
B、Ca、Ti、Zr、稀土
3 改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
二、Me的偏聚（segregation）
偏聚 现象
Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.
Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；
20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能
1. 4 钢的强韧化机制
2、提高钢韧性的合金化途径
1）细化晶粒、组织—— 如Ti、V、Mo；
2）提高冶金质量，降低有害元素含量
3）细化K —— 适量Cr、V，使K小而匀 ； 4）细化亚结构—消除粗大组织 5）利用残余奥氏体韧化 6）利用相变诱发韧性
↑回火稳定性 — 如强K形成元素 ；↓回脆 —— W、Mo ； 在保证强度水平下，适当↓含C量
1. 4 钢的强韧化机制
合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但Si >1.1%，Mn >1.8%时，钢的塑 韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。
1. 4 钢的强韧化机制
2、位错强化
表达式
d K d
1/ 2
机理
位错密度ρ↑ →↑↑位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 →↑钢强度。 对bcc晶体，位错强化效果较好 ?
第1章 钢铁中的合金元素
1. 3 合金钢中的相组成
合金元素加入钢中，一般要形成各种相： 1、形成固溶体 间隙固溶体 C、N 置换固溶体 2、形成具有金属性质的化合物 C、N、B（碳化物、氮化物、硼化物） 金属间化合物 3、非金属相 氧化物、硫化物、硅酸盐
1. 3 合金钢中的相组成
3、非金属相：
一般为非金属夹杂物。
1. 4 钢的强韧化机制
在低碳结构钢中各种强化效果示意图
1. 4 钢的强韧化机制
对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡 献最大。合金钢与C钢的强韧性差异， 主要不在于Me本身的强化作用，而在于 Me对钢相变过程的影响，并且Me的良好 作用，只有在进行合适的热处理条件下 才能充分得到发挥。 需要充分理解
1. 4 钢的强韧化机制
导致钢产生回火脆性
思 考 题
1．描述下列元素在普通碳素钢的作用： (a)锰、(b)硫、 (c)磷、(d)硅。 2 ．当轧制时，硫化锰在轧制方向上被拉长。在轧制板 材时，这种夹杂的缺点是什么? 3．对工程应用来说，普通碳素钢的主要局限性是哪些? 4 ．列举五个原因说明为什么要向普通碳素钢中添加合 金元素以制造合金钢? 5．叙述1.0~1.8％锰添加剂强化普通碳素钢的机理。
γ’本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高， 同时具有一定的塑性。这些基本特点使γ’相成为高温合金最主要 的强化相。 时效析出的γ’相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状。
(4) 钢中的金属间化合物
3）γ’相（AB3）
高温时效时，γ’相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状 的方形γ’相。 在长期时效和使用过程中，γ’相会聚集长大。
二、钢的韧化途径 1、影响韧性的因素
一般情况，钢强度↑→塑韧↓, 称为强韧
强化 因素
性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强
化因素都会程度不同地↓韧性。 危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小,但对强化贡献较大。
合金 元素
Ni↑韧性；Mn在少量时也有效果；其它 常用元素都在不同程度上↓韧性
1. 4 钢的强韧化机制
降低钢的塑形、韧性、疲劳强度，影响抗蚀、耐磨性 氧化物：脆性相 简单氧化物：FeO、MnO、TiO、SiO2、Al2O3 复杂氧化物：MgOAl2O3、MnOAl2O3 经锻造、轧制：沿加工方向呈破碎的链状分布
1. 3 合金钢中的相组成
（1）碳化物
特性：
硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达 1200℃）； 间隙相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明 显的金属特性； 可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中 常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。
晶粒 度
细晶既↑σS，又↓↓TK, 即 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
第二 相
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
1. 4 钢的强韧化机制
合金元素对铁素体 冲击韧度的影响
晶粒大小对强度、韧脆转 变温度TK的影响
1. 4 钢的强韧化机制
1. 3 合金钢中的相组成
（2）氮化物
氮的来源：冶炼时吸收大气的氮，合金化时气氛加入
间隙相：原子半径小，简单密排结构
特性：与碳化物相似，高硬度，高熔点
性质： 氮化物之间可相互溶解，复合氮化物 与碳化物之间相互溶解，碳氮化物
1. 3 合金钢中的相组成
（2）氮化物
含氮不锈钢(Fe、Cr)23(C、N)6
2 变质作用
B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成 非常细小的质点，提高形核率，促进自发形核， 阻止晶粒长大。
稀土，提高钢液的流动性
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
3 控制夹杂物形态
改变夹杂物成分，从而改变其性能，降低危害
MnS：典型的塑性夹杂物
导致：降低强度，产生各向异性，形成织构 措施：加入Zr，先于Mn与S结合 加入稀土，降低O、S溶解度 加入Ca，强氧化物硫化物形成元素
1. 4 钢的强韧化机制
材料处理各过程的演化规律; Me在各过程中的作用和影响. 为理解Me的作用 →要了解钢的基本强化机理.
Me对相图的影响
Me与C的作用
Me在材料处理各过 程中的行为表现
加热
温 度 冷却 回火
时间
1. 4 钢的强韧化机制
一、钢的强化机理 强化本质：
各种强化途径
↑钢强度
↑塑变抗力
Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
偏聚 机理
溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。 结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。 热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
4 微合金化
微合金元素：<0.2%，0.001%
微合金钢：Nb、V、Ti
形成细小、弥散的Me(CN)第二相质点， 沉淀强化，细化晶粒
1.6 钢中微量合金元素的作用
三、微量元素对钢的有害影响
Pb、Bi、Sb、Sn、P、As
熔点低，影响热塑性，蠕变强度，焊接性
↑位错运动阻力
1. 4 钢的强韧化机制
1、固溶强化
表达式
S K i C
n i
对于C、N等间隙原子， n = 0.33~2.0； 对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n = 0.5~1.0 原子固溶 → 晶格发生畸变 →产生弹性 应力场，与位错交互作用→↑位错运动阻力
机理
效果
提高强度，降低塑韧性
晶界σ 相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。
(4) 钢中的金属间化合物
2）Laves相（AB2）
析出温度范围较宽，约为650～1100℃，其上限温度随成分而异。
由于Laves相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺， 获得细晶材料。
铁基高温合金容易产生Laves相。钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素 都促进Layes相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
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。
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
影响 因素
缺陷处 溶质浓度
E C C 0 exp RT
温度T ：↓，内吸附强烈；
时间t：偏聚需要原子扩散→需要一定时间；
缺陷本身：缺陷越混乱，E↑，吸附也越强烈; 其它元素：①间接作用 : 优先吸附问题 , B与C
②直接作用: 影响吸附元素 ,
属四方点阵，最大配位数为15。
σ相的成分范围比较宽，镍基高温合金中为(Cr，Mo)x(Ni，Co)y， 式中x、y值在1～7之间，铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。
主要金相形态为颗粒状和片(针)状，数量多时可呈魏氏体组织。
(4) 钢中的金属间化合物
1）σ相（AB、AXBY）
σ相常在晶界形核，但也在M23C6颗粒上形核。 最快析出的温度范围为750～870C。 镍阻止σ相形成，铁、钴、铬、钨、钼、铝、钛、硅都促进σ 相 形成。 片(针)状σ 相是裂纹产生和传布的通道，使合金脆化，有时还降 低持久强度。
1. 3 合金钢中的相组成
(4) 金属间化合物：
特性：
优先形成碳化物，超量时才形成金属间化合物
不锈钢，耐热钢，高温合金：强化相
1. 3 合金钢中的相组成
1）σ相
在高铬不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及 耐热合金中，都会出现相。伴随着相的析出，钢和合金的塑性和 韧性显著下降，脆性增加。
V、Ti、Nb：V(CN)、Ti (CN)、 Nb(CN)
在微合金钢中，利用了氮化物的弥散强化作用
表面渗氮：渗氮层中形成γ`-Fe4N、 ε-Fe2~3N 合金氮化物：Mo2N、VN、AlN
1. 3 合金钢中的相组成
（3）硼化物
硼：合金化，强化晶界；表面渗硼
硼化物特点：高熔点，高硬度，脆性大
FeB
1. 4 钢的强韧化机制
4、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
钢强度表达式
0.2 0 S d g p
4 有害元素：P、Pb、Sn、As、Sb
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
1 净化作用
B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成 比重小的难熔化合物。
B、Zr、Mg、稀土可与低熔点的Pb、Sn、As、 Sb、Bi，形成高熔点的金属间化合物
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
呈细小弥散质点析出的Laves相对合金有一定的硬化作用。大量针 状Layes相会降低室温塑性。 少量短棒状Laves相没有严重的有害作用。
(4) 钢中的金属间化合物
3）γ’相（AB3）
化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。存在于铁基、镍 基高温合金中。 γ’与γ 基体的结构相似，所以γ’相在时效析出时具有弥散均匀 形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。
效果
在强化的同时，同样也降低了伸长 率，提高了韧脆转变温度TK
1. 4 钢的强韧化机制
3、细晶强化
表达式
g K g d
1 / 2
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Kg为系数
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
1. 3 合金钢中的相组成
(4) 金属间化合物：
定义：金属与金属、金属与准金属形成的、由电子浓度决定的电 子化合物化合物。存在于高合金钢、高温合金中 金属互化物与普通化合物不同。
（1）组成常可在一定范围内变动；（2）组成元素的化合价很难 确定，但有显著的金属键。
特点：高温性能，高温下高强度和高模量、优良的抗蠕变和抗氧 化性能。 典型：Ti3Al，高温结构材料：航空发动机