钢铁材料学培训课件(ppt 109页)
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钢铁材料学
2006年 9月
四、钢铁材料的合金化原理 -合金元素在钢中的存在方式
合金化的作用
纯金属中只能采用位错强化和晶粒细化强 化，且强化效果受到一定限制
金属结构材料广泛采用合金化，合金化后 增加了固溶强化和第二相强化方式，同时 使强化技术与工艺丰富多彩
传统认为合金化主要作用是提高钢材淬透 性，但实际合金化的作用已远不止这一作 用
元素
开启γ相区相图
δ
A4
温 度
A3
γ
α
Fe
锰对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500 1400 1300
温 1200 度， ℃ 1100
1000 900 800 700 600
0.35Mn 2.5Mn
4Mn
9Mn
6.5Mn
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
合金化后称为奥氏体
合金元素在钢中的存在方式
固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γA1 αຫໍສະໝຸດ Fe扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
低于Α3温度的A1温度出现共析相变：γ→α＋ 第二相，该温度下合金元素在γ-Fe中的固溶 度大于在α-Fe中的固溶度
大多数合金元素即可固溶也可形成第二相
钢中第二相种类
碳化物 氮化物 硼化物 金属间化合物 非金属化合物（夹杂物） 单质如铜、石墨
固溶合金元素对相图的影响1
扩大γ相区的奥氏体形成元素 （使Α3温度降 低，Α4温度升高 ）：
－开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素 －扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等
封闭γ相区相图
A4
温
度γ
α
A3
Fe
封闭与开启γ相区相图的对称性
A4
温 度
A3
α
ΔH<0
γ
A4 ΔH>0
温 度
γ
α
A3
钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
4Mo
1000
2Mo
900
800
0Mo
700
600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200 度， ℃ 1100
1000
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
Fe-C合金
钢铁材料实质上是Fe-C合金 Fe-C合金发现的偶然性 C的间隙固溶强化的经济有效性 C形成各种碳化物（最典型的是Fe3C） C的加入使铁的固态相变复杂多变，由此导
致钢的性能变化范围大幅度扩大 热处理技术的发展
成分与相
合金元素加入后，使钢的基体化学成分发生变 化，同时还会产生新相
具有在一定程度内变化的化学成分、具有不同 的晶体结构因而不同性能和性质、用相界面与 其他相分隔的部分物质被称为相
成分分析，元素与含量
相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍 射强度）和尺寸
组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌 不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
合金化后称为铁素体
钢中基础相
γ-铁 ,912—1394℃ 稳定,面心立方点阵, 912 ℃点阵 常数0.36468nm,计算最小原子间距（即配位数12时 原子直径）0.25787nm，理论摩尔体积 0.730163×10-5m3/mol，理论密度7.649Mg/m3，实 测密度为7.694Mg/m3。α→γ相变时体积变化约0.66%。室温下γ铁点阵常数0.35782nm，计算最小 原子间距（即配位数12时原子直径）0.25302nm,理 论摩尔体积0.689728×10-5m3/mol，理论密度为 8.097Mg/m3。
C在铁中的固溶度公式
loC g][3.8 155/5 T0(石墨在α铁中,573-1011K） loC g][1.50 16/8T0 (石墨在γ铁中,1011-1427K) loC g][2.3 840/4 T0(Fe3C在α铁中,473-1000K) loC g][1.36 14/8T0(Fe3C在γ铁中,1000-1421K)
α-Fe与δ-Fe相区合并
缩小γ相区相图
A4
δ
温 度γ
A3 α Fe
缩小γ相区相图的特点
出现金属间化合物限制合金元素的固溶 高于Α3温度出现包析相变：γ+金属间化合物
→α，该温度下合金元素在γ-Fe中的固溶度 小于在α-Fe中的固溶度 γ相区的右端点一般连接一共析相变： δ→γ+金属间化合物，该温度下合金元素在 γ-Fe中的固溶度小于在δ-Fe中的固溶度
γ相区的右端点一般连接一共晶相变
固溶合金元素对相图的影响2
缩小γ相区的铁素体形成元素 （使Α3温度升 高、Α4温度降低 ）：
－封闭γ相区：形成γ相圈，主要有钒、铬、 钛、钼、钨、铝、硅、磷、锡、锑、砷等 ， 其中钒和铬在α-Fe中无限固溶
－缩小γ相区：出现了金属间化合物，破坏了 γ圈的完整性，使得α-Fe相区与δ-Fe相区被 分割开，主要有硼、锆、铌、钽、硫、铈
2006年 9月
四、钢铁材料的合金化原理 -合金元素在钢中的存在方式
合金化的作用
纯金属中只能采用位错强化和晶粒细化强 化，且强化效果受到一定限制
金属结构材料广泛采用合金化，合金化后 增加了固溶强化和第二相强化方式，同时 使强化技术与工艺丰富多彩
传统认为合金化主要作用是提高钢材淬透 性，但实际合金化的作用已远不止这一作 用
元素
开启γ相区相图
δ
A4
温 度
A3
γ
α
Fe
锰对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500 1400 1300
温 1200 度， ℃ 1100
1000 900 800 700 600
0.35Mn 2.5Mn
4Mn
9Mn
6.5Mn
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
合金化后称为奥氏体
合金元素在钢中的存在方式
固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γA1 αຫໍສະໝຸດ Fe扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
低于Α3温度的A1温度出现共析相变：γ→α＋ 第二相，该温度下合金元素在γ-Fe中的固溶 度大于在α-Fe中的固溶度
大多数合金元素即可固溶也可形成第二相
钢中第二相种类
碳化物 氮化物 硼化物 金属间化合物 非金属化合物（夹杂物） 单质如铜、石墨
固溶合金元素对相图的影响1
扩大γ相区的奥氏体形成元素 （使Α3温度降 低，Α4温度升高 ）：
－开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素 －扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等
封闭γ相区相图
A4
温
度γ
α
A3
Fe
封闭与开启γ相区相图的对称性
A4
温 度
A3
α
ΔH<0
γ
A4 ΔH>0
温 度
γ
α
A3
钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
4Mo
1000
2Mo
900
800
0Mo
700
600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200 度， ℃ 1100
1000
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
Fe-C合金
钢铁材料实质上是Fe-C合金 Fe-C合金发现的偶然性 C的间隙固溶强化的经济有效性 C形成各种碳化物（最典型的是Fe3C） C的加入使铁的固态相变复杂多变，由此导
致钢的性能变化范围大幅度扩大 热处理技术的发展
成分与相
合金元素加入后，使钢的基体化学成分发生变 化，同时还会产生新相
具有在一定程度内变化的化学成分、具有不同 的晶体结构因而不同性能和性质、用相界面与 其他相分隔的部分物质被称为相
成分分析，元素与含量
相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍 射强度）和尺寸
组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌 不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
合金化后称为铁素体
钢中基础相
γ-铁 ,912—1394℃ 稳定,面心立方点阵, 912 ℃点阵 常数0.36468nm,计算最小原子间距（即配位数12时 原子直径）0.25787nm，理论摩尔体积 0.730163×10-5m3/mol，理论密度7.649Mg/m3，实 测密度为7.694Mg/m3。α→γ相变时体积变化约0.66%。室温下γ铁点阵常数0.35782nm，计算最小 原子间距（即配位数12时原子直径）0.25302nm,理 论摩尔体积0.689728×10-5m3/mol，理论密度为 8.097Mg/m3。
C在铁中的固溶度公式
loC g][3.8 155/5 T0(石墨在α铁中,573-1011K） loC g][1.50 16/8T0 (石墨在γ铁中,1011-1427K) loC g][2.3 840/4 T0(Fe3C在α铁中,473-1000K) loC g][1.36 14/8T0(Fe3C在γ铁中,1000-1421K)
α-Fe与δ-Fe相区合并
缩小γ相区相图
A4
δ
温 度γ
A3 α Fe
缩小γ相区相图的特点
出现金属间化合物限制合金元素的固溶 高于Α3温度出现包析相变：γ+金属间化合物
→α，该温度下合金元素在γ-Fe中的固溶度 小于在α-Fe中的固溶度 γ相区的右端点一般连接一共析相变： δ→γ+金属间化合物，该温度下合金元素在 γ-Fe中的固溶度小于在δ-Fe中的固溶度
γ相区的右端点一般连接一共晶相变
固溶合金元素对相图的影响2
缩小γ相区的铁素体形成元素 （使Α3温度升 高、Α4温度降低 ）：
－封闭γ相区：形成γ相圈，主要有钒、铬、 钛、钼、钨、铝、硅、磷、锡、锑、砷等 ， 其中钒和铬在α-Fe中无限固溶
－缩小γ相区：出现了金属间化合物，破坏了 γ圈的完整性，使得α-Fe相区与δ-Fe相区被 分割开，主要有硼、锆、铌、钽、硫、铈