1、 第第1 1章章 鋼的合金化原理鋼的合金化原理 合金元素和鐵的作用合金元素和鐵的作用 合金元素對合金元素對Fe-C相圖的影響相圖的影響 鐵基固溶體鐵基固溶體 碳碳(氮氮)化合物化合物 合金元素在鋼中的存在形式合金元素在鋼中的存在形式 合金元素與合金鋼中的相變關系合金元素與合金鋼中的相變關系 合金元素對鋼強韌性的影響合金元素對鋼強韌性的影響 合金元素對鋼工藝性的影響合金元素對鋼工藝性的影響 合金的環境協調性設計合金的環境協調性設計1.11.1 MeMe和和FeFe基二元相圖基二元相圖一、鋼中的一、鋼中的MeMe 1、雜質元素、雜質元素（impurity- element）常存雜質常存雜質 冶煉殘

2、余，由脫氧劑帶入。冶煉殘余，由脫氧劑帶入。 Mn、Si、Al；S、P難清除難清除。隱存雜質隱存雜質偶存雜質偶存雜質 生產過程中形成，生產過程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 與煉鋼時的礦石、廢鋼有關，與煉鋼時的礦石、廢鋼有關， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。 熱脆性熱脆性 S FeS(低熔點低熔點989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）； ？ 氫氫 脆脆 H 白點。白點。2、合金元素（、合金元素（alloying-element） 為合金化目的加入，其加入量有一定范圍為合金化目的加入，其加入量有一定范圍的元素稱為合金元素。的元素稱為合金元素。 鋼中常用合金元素：

3、鋼中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。二、二、MeMe和和FeFe的作用的作用 純純Fe Fe-C相圖的變化特點。相圖的變化特點。 Me和和Fe的作用：的作用：1、穩定化元素穩定化元素使使A3，A4，區擴大區擴大a) 與與區無限固溶區無限固溶 Ni、Mn、Co 開啟開啟區區 量大時，量大時， 室溫為室溫為相；相；b) 與與區有限固溶區有限固溶 C、N、Cu 擴大擴大區。區。（相關內容復習：）（相關內容復習：）ANG純鐵的冷卻曲線Fe-Fe3C相圖（局部）板狀馬板狀馬氏體氏體馬氏體變溫形成，與t保無關；馬氏體轉變不完全性，鋼中常存在殘余A（性能下降）,常要求淬火T

4、接近Mf “冷處理”.馬氏體性能與含碳量有關 非擴散型非擴散型（Fe和和C均不擴散）均不擴散）C在在-Fe中的中的過飽和過飽和固溶體固溶體（bcc）240-50M片（針）片（針）狀馬氏狀馬氏體體馬馬氏氏體體板狀：低碳鋼中， F和 Fe2.4C的復相組織。 片狀：高碳鋼中，復相組織。F飽和飽和+ Fe2.4C350240B下下下貝氏下貝氏體體羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間，不均勻分布短桿（片狀）Fe3C ,脆性大，工業上不應用半擴散型半擴散型（只有（只有C擴散）擴散）F飽和飽和+ Fe3C550350B上上上貝氏上貝氏體體貝貝氏氏體體間距：0.030.08m，2000 600550T屈氏體屈

5、氏體間距：0.250.08m，1000 650600S索氏體索氏體片層間距：0.251.9m，500擴散型擴散型（Fe和和C均擴散）均擴散）F+Fe3CA1650P珠光體珠光體珠珠光光體體 特特 征征轉變類轉變類型型相相組組成成轉變溫轉變溫度度/符符號號組織名稱組織名稱注：注：w w（c c）1.01.0時形成片狀馬氏體，時形成片狀馬氏體，HRCHRC：64646666； w w（c c）0.20.2時形成板狀馬氏體，時形成板狀馬氏體， HRCHRC：303050 50 。奧氏體的形成過程奧氏體的形成過程奧氏體形核奧氏晶核長大殘余滲碳體的溶解奧氏體均勻化2、穩定化元素穩定化元素使使A3，A4，

6、區縮小區縮小a) 完全封閉完全封閉區區 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V與與-Fe完全互溶，量大時完全互溶，量大時相相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b) 縮小縮小區區 Nb等。等。穩定穩定相相 A形成元素，穩定形成元素，穩定相相 A形成元素。形成元素。(a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu (c) Cr，V (d) Nb,B等等 圖圖1 1 合金元素和合金元素和FeFe的作用狀態的作用狀態 1.2 1.2 MeMe對對Fe-CFe-C相圖的影響相圖的影響一、對一、對S、E點的影響點的影響 A形成元素均使形成元素均使S、E點向點向左下方左下方移動，移動， F形成元素使形成

7、元素使S、E點向點向左上方左上方移動。移動。 S點左移點左移意味著共析意味著共析C量減小量減小 ； E點左移點左移意味著出現萊氏體的意味著出現萊氏體的C量降低量降低 。合金元素對共析溫度的影響合金元素對共析溫度的影響 合金元素對共析碳量的影響合金元素對共析碳量的影響 二、對臨界點的影響二、對臨界點的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）線向下移動；線向下移動； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）線向上移動線向上移動三、對三、對-Fe區的影響區的影響 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe區擴大區擴大鋼在室鋼在室溫下也為溫下也為A體體 奧氏體鋼；奧氏體鋼； F形

8、成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe區縮小區縮小鋼在高鋼在高溫下仍為溫下仍為F體體 鐵素體鋼。鐵素體鋼。 鉻對鋼鉻對鋼區的影響區的影響 錳對鋼錳對鋼區的影響區的影響 1.3 鐵基固溶體鐵基固溶體一、置換固溶體一、置換固溶體 合金元素在鐵點陣中的固溶情況合金元素在鐵點陣中的固溶情況 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)無無限限無無限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*無無限限無無限限無無限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度與注：有些元素的固溶度與C C量有關量有關 不同元素的固溶情況是不同的。為什么不同元素的固溶情況是不同的。為什么?

9、 ?簡單地說：這與合金元素在元素周期表中的位置有關。簡單地說：這與合金元素在元素周期表中的位置有關。 常用合金元素點陣結構、電子結構和原子半徑常用合金元素點陣結構、電子結構和原子半徑第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu點陣點陣結構結構bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子電子結構結構235567810原子半徑原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、電子結構是、電子結構是3 3d d層電子數；層電子數；2 2、原子半徑是配位數、原子半徑是配位數

10、1212的數值的數值 （1）Ni、Mn、Co與與-Fe的點陣結構、原子的點陣結構、原子 半徑和電子結構相似半徑和電子結構相似無限固溶；無限固溶；（2）Cr、V與與-Fe的點陣結構、原子半徑和的點陣結構、原子半徑和 電子結構相似電子結構相似無限固溶；無限固溶；（3）Cu和和-Fe點陣結構、原子半徑相近，點陣結構、原子半徑相近， 但電子結構差別大但電子結構差別大有限固溶；有限固溶；（4）原子半徑對溶解度影響：）原子半徑對溶解度影響：R8%， 可以形成無限固溶；可以形成無限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度極小。，溶解度極小。結結論論 合金元素的固溶規律，合金元素的固溶規

11、律， 即即Hume-Rothery規律規律 決定決定組元組元在在置換固溶體置換固溶體中的中的溶解溶解度度因素是因素是點陣結構點陣結構、原子半徑原子半徑和和電電子因素子因素，無限固溶必須使這些因素，無限固溶必須使這些因素相同或相似相同或相似. . 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶劑金屬點陣結構溶劑金屬點陣結構：同一溶劑金屬不：同一溶劑金屬不 同點陣結構，溶解度是不同的同點陣結構，溶解度是不同的 如如-Fe與與-Fe 。溶質原子大小溶質原子大小：r，溶解度溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 間隙位置間隙位置 優先占據有利間隙位

12、置優先占據有利間隙位置 畸變為最小。畸變為最小。 間隙位置總是沒有被填滿間隙位置總是沒有被填滿 最小自由能原理。最小自由能原理。 二、間隙固溶體二、間隙固溶體1.4 碳（氮）化物碳（氮）化物(K) 一、鋼中常見的碳化物一、鋼中常見的碳化物 K類型類型、大小大小、形狀形狀和和分布分布對鋼的性能有很對鋼的性能有很重要的作用。重要的作用。 非非K形成形成元素：元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成形成元素：元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由由強到弱強到弱排列）排列）鋼中常見的鋼中常見的K類型有：類型有： M3C：滲碳體，滲碳體，正交正交點陣；點陣； M7C3：例例Cr7C3，

13、復雜復雜六方六方 ； M23C6：例例Cr23C6，復雜復雜立方立方 ； M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方 ； MC：例例VC、TiC，簡單面心立方點陣簡單面心立方點陣 ； M6C：不是一種金屬不是一種金屬K。復雜復雜六方點陣六方點陣 。 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成復合；可形成復合K , 如如(Cr,Fe,Mo，)7C3 復雜點陣結構：復雜點陣結構：M23C6 、M7C3 、M3C。 特點：硬度特點：硬度、熔點較低，穩定性較差；熔點較低，穩定性較差； 簡單點陣結構：簡單點陣結構：M2C、MC。又稱間隙相。又稱間隙相。 特點：硬度高，熔點高，穩定性好。特點：硬度高，熔點高

14、，穩定性好。 M6C型型不屬于金屬型的碳化物不屬于金屬型的碳化物, 復雜結構，復雜結構， 性能特點接近簡單點陣結構。性能特點接近簡單點陣結構。1 1、K K類型類型 K類型類型與與Me的的原子半徑原子半徑有關。有關。 各元素的各元素的r rc c/r/rMeMe的值如下的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53 二、二、K K形成的一般規律形成的一般規律 rc/rMe 0.59 復雜復雜點陣結構，如點陣結構，如Cr、Mn、Fe ，形成形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等

15、形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 簡單簡單結構相，如結構相，如Mo、W、V、Ti等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少時量少時，形成，形成復合復合K，如如（Cr, M）23C6型型 。2 2、相似者相溶、相似者相溶 完全互溶完全互溶：原子尺寸、電化學因素均相似。：原子尺寸、電化學因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解有限溶解：一般：一般K都能溶解其它元素，形成復合都能溶解其它元素，形成復合K 如如Fe3C中可溶入一定量的中可溶入一定量的Cr、W、V等等. 最大值為最大值為 20%Cr， 2%W， 400，Me

16、開始開始重新分布。重新分布。非非K形成元素形成元素仍在基體中，仍在基體中，K形成元素形成元素逐步進逐步進入析出的入析出的K中，其中，其程度程度決定于回火決定于回火溫度和時間溫度和時間。二、二、Me的的偏聚偏聚（Segregation ） 偏聚偏聚現象現象 Me偏聚偏聚 缺陷處缺陷處 基體基體平均平均 這種現象也稱為這種現象也稱為內吸附內吸附或或偏聚偏聚現象。現象。 偏聚偏聚現象對鋼的組織和性能產生了較大影響，現象對鋼的組織和性能產生了較大影響，如如晶界擴散晶界擴散、晶界斷裂晶界斷裂、晶界腐蝕晶界腐蝕、相變形核相變形核等等都與此有關都與此有關. Me+：溶質原子在溶質原子在刃型位錯處刃型位錯處吸

17、附，形成吸附，形成Cottrell氣團氣團； Me+ ：溶質原子在溶質原子在層錯處層錯處吸附形成吸附形成鈴木氣團鈴木氣團； Me+ ：溶質原子在溶質原子在螺位錯螺位錯吸附形成吸附形成Snoek氣團氣團.偏聚偏聚機理機理 溶質溶質原子在缺陷處原子在缺陷處偏聚偏聚，使系統自由能，使系統自由能，符合自然界最小自由能原理。符合自然界最小自由能原理。結構學結構學：缺陷處原子排列疏松，不規則，溶質原：缺陷處原子排列疏松，不規則，溶質原 子容易存在；子容易存在；能量學能量學：原子在缺陷處偏聚，使系統自由能：原子在缺陷處偏聚，使系統自由能， 符合自然界最小自由能原理。（在沒有強制外符合自然界最小自由能原理。（

18、在沒有強制外 力作用下，事物總是朝著力作用下，事物總是朝著能量的方向發生。能量的方向發生。 即使暫時不發生，也存在潛在的趨勢。即使暫時不發生，也存在潛在的趨勢。熱力學熱力學：該過程是自發進行的，其驅動力是溶質：該過程是自發進行的，其驅動力是溶質 原子在缺陷和晶內處的畸變能之差。原子在缺陷和晶內處的畸變能之差。RTECCexp0影響影響因素因素 缺陷處缺陷處溶質濃度溶質濃度 溫度溫度T ：T，內吸附內吸附強烈；強烈； 時間時間t：偏聚偏聚需要需要原子擴散原子擴散需要一定時間需要一定時間； 缺陷缺陷本身：本身：缺陷缺陷越混亂，越混亂，E，吸附也越強烈，吸附也越強烈; 其它元素其它元素：間接作用：間

19、接作用 : 優先吸附問題優先吸附問題 , B與與C 直接作用直接作用: 影響吸附元素影響吸附元素D , MnDP，使，使P擴散加快，促進了鋼的擴散加快，促進了鋼的回火脆性回火脆性； Mo則則相反相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。，是消除或減輕回火脆性的有效元素。 點陣類型點陣類型：bcc點陣內吸附較點陣內吸附較fcc強烈強烈1.6 1.6 合金鋼的加熱合金鋼的加熱A A化化 一、一、K K在在A A中的溶解規律中的溶解規律 基基本本規規律律 1）K穩定性越好穩定性越好，溶解度就越小；，溶解度就越小； 2）溫度）溫度，溶解度，溶解度， 沉淀析出；沉淀析出； 3）K穩定差穩定差的先溶解的先溶解

20、 ; 4）A中有中有弱弱K形成元素形成元素，則會，則會C 活度活度ac ， K的溶解；的溶解；非非K形成元素形成元素（如（如Ni）則相則相 反反,ac，K的溶解。的溶解。如：如：較多較多Mn的存在的存在 使使VC的溶解溫度從的溶解溫度從1100降至降至900。 碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關系碳（氮）化物在奧氏體中的溶解度與加熱溫度的關系 二、二、A體均勻化體均勻化 A體剛形成體剛形成時，時，C和和Me的分布是的分布是不均勻不均勻的的. 合金鋼合金鋼加熱均勻化與加熱均勻化與碳鋼碳鋼相比有什么區別相比有什么區別 ?三、三、A體晶粒長大體晶粒長大 1）Ti、Nb、V強碳化物形成元素強

21、碳化物形成元素強烈強烈A， W、MoA晶粒長大；晶粒長大； 2）C、N、B、PA晶粒長大晶粒長大 （在（在A晶界偏聚，晶界偏聚，晶界晶界Fe自擴散自擴散Q）；）； 3）Ni、Co、Cu等等非非K形成元素形成元素作用不大作用不大 。1.7 1.7 過冷過冷A A體的分解體的分解一、一、過冷過冷A A體體的的穩定性穩定性 過冷過冷A A體穩定性體穩定性實際上有兩個意義：實際上有兩個意義：孕育期孕育期和和相變速度相變速度。孕育期的。孕育期的物理本質物理本質是新相是新相形核形核的的難易難易程度，程度，轉變速度轉變速度主要涉及新相主要涉及新相晶粒的長大晶粒的長大。1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持

22、 C鋼的鋼的“C”線形狀，使線形狀，使 “C”線向右作不同程度的移動；線向右作不同程度的移動；2） Co不改變不改變“C”線，但使線，但使“C”線左移；線左移；3）K形成元素形成元素，使，使“C”線右移，且改變形狀。線右移，且改變形狀。 Me不同作用，使不同作用，使“C”曲線出現不同形狀，大致曲線出現不同形狀，大致 有五種。有五種。“C”C”曲線五曲線五種形狀種形狀 常用合金元素常用合金元素對對奧氏體等奧氏體等溫轉變曲線的影響溫轉變曲線的影響 ( (上左上左) ) 強強K形成元素形成元素 ( (上右上右) ) 中、弱中、弱K形成元素形成元素 ( (下左下左) ) 非非K形成形成元素元素 二、過

23、冷二、過冷A A體的體的P P、B B轉變轉變 P轉變轉變 ：需要：需要C和和Me都擴散都擴散 ； Me都不同程度都不同程度推遲推遲P轉變轉變（使轉變曲線右移），（使轉變曲線右移），影響順序：影響順序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si。 貝氏體轉變貝氏體轉變 ：C原子作短程擴散，原子作短程擴散，Me幾乎沒有擴散。幾乎沒有擴散。Me增長孕育期，減慢長大速度。增長孕育期，減慢長大速度。 影響順序：影響順序：Mn、Cr、Ni、Si ，而而W、Mo等影響等影響很小。很小。三、三、MeMe對對MsMs的影響的影響 各種各種Me對對Ms位置的影響程度是不同的。位置的影響程度是不同的。 思考題：思考題： W

24、、Mo等元素對貝氏體轉變等元素對貝氏體轉變影響不大，而對珠光體轉變的推影響不大，而對珠光體轉變的推遲作用大，如何理解遲作用大，如何理解? 對一般結構鋼的成分設計時，對一般結構鋼的成分設計時，要考慮其要考慮其MS點不能太低，為什么點不能太低，為什么?1.8 1.8 合金鋼的回火轉變合金鋼的回火轉變一、一、M M分解分解 低溫回火：低溫回火：C和和Me擴散較困難，擴散較困難，Me影響不大影響不大 中溫以上：中溫以上：Me活動能力增強，對活動能力增強，對M分解產生不分解產生不同程度影響同程度影響: 1）Ni、Mn的影響很小；的影響很小； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度與它們分解，其程度

25、與它們與與C的親和力大小有關。這些的親和力大小有關。這些Meac，阻止了阻止了滲碳體的析出長大；滲碳體的析出長大；正火是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上適當溫度（3050 ），保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變為穩定的回火組織，并以適當的方式冷卻到室溫的工藝過程。減少和消除淬火應力。低溫回火（低溫回火（150250）回火馬氏體，高硬度、高強度、良好耐磨性，提高了韌性。中溫回火（中溫回火（350500）回火屈氏體，高彈性極限，高強度硬度，良好塑性和韌性。高溫回火（高溫回火（500650）回火索氏體，淬火+高溫回火調質處理，優良綜合機械性能

26、。 3）Si比較特殊：比較特殊： Fe和和C的的結合力結合力 ,a,ac c -FeXC的形核、長大的形核、長大Si能溶于能溶于，不溶于不溶于Fe3C，Si要從要從中出去中出去-FeXC Fe3C 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解溫度從分解溫度從260提高到提高到350以上以上4 4）合金鋼回火時）合金鋼回火時M M中含中含C C量變化規律量變化規律基基本本規規律律 滲碳體形成開始溫度與合金化無關滲碳體形成開始溫度與合金化無關 含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 鋼（線鋼（線2 2）和）和C C鋼（線鋼（線1 1）規律相同；）規律相同； 在相同回火

27、溫度在相同回火溫度Tt下，合金鋼馬氏體中含下，合金鋼馬氏體中含 C量要比量要比C鋼的高，如圖中的鋼的高，如圖中的C3 C1，2 ； 不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物不同合金中，馬氏體中析出特殊碳化物 的溫度的溫度TK是不同的，線是不同的，線3的下降幅度也是的下降幅度也是 是不同的。是不同的。 回火時馬氏體中回火時馬氏體中C C量的變化量的變化 線線1 -C1 -C鋼鋼; ; 線線2-2-含非碳化物形成元素（含非碳化物形成元素（SiSi除外）的合除外）的合金鋼金鋼; ; 線線3 -3 -含碳化物形成元素的合金鋼含碳化物形成元素的合金鋼 二、回火時二、回火時K K的形成的形成 各元素明顯開始擴散

28、的溫度為：各元素明顯開始擴散的溫度為： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K長大長大 聚集溫度：聚集溫度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ，450 600； 2）K成分變化和類型轉變成分變化和類型轉變K轉變轉變 -FeXC Fe3C M3C 亞穩特殊亞穩特殊K特殊特殊K T, 500 能否形成特殊能否形成特殊K，取決于取決于: Me性質、性質、NM/NC比值；比值； T和和t 。 釩鋼（釩鋼（0.3C,2.1V）在在1250淬火不同溫度回火淬火不同溫度回火2h，碳化物成分、結構和硬度的變化碳化物成分、結構和硬度的變化

29、 3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出：原位析出：M 0 + M3C MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 異位析出異位析出 ：M P + M3C 0 + MXCY ( MC ,M2C ) 特殊特殊K析出析出 二次硬化，直接析出二次硬化，直接析出 貢獻最大貢獻最大 三、回火脆性三、回火脆性 1、第、第1類回火脆性（低溫回火脆性）類回火脆性（低溫回火脆性） 脆性脆性特征特征 不可逆；不可逆； 與回火后冷速無關；與回火后冷速無關； 晶界脆斷。晶界脆斷。 產生產生原因原因Me作用作用 200-350 Fe3C薄膜在原薄膜在原A體晶界形成；體晶界形成； 雜質元素雜質元素P、S、Bi等偏聚晶界，等

30、偏聚晶界， 晶界強度。晶界強度。 Mn、Cr、Ni脆性；脆性；Mo、Ti、V、Al改善改善脆性；脆性；Si 推遲脆性溫度區推遲脆性溫度區.2 2、第、第2 2類回火脆性（高溫回火脆性類回火脆性（高溫回火脆性450-650450-650 ） 脆性脆性特征特征 可逆；（可逆；（Cr-Ni鋼大炮）鋼大炮） 回火后慢冷產生，快冷抑制；回火后慢冷產生，快冷抑制； 晶界脆斷晶界脆斷 .產生產生原因原因 雜質雜質Sb、S、As或或N、P等偏聚晶界；等偏聚晶界； 形成網狀或片狀化合物形成網狀或片狀化合物,晶界強度。晶界強度。 高于回脆溫度，雜質擴散離開晶界或化高于回脆溫度，雜質擴散離開晶界或化合物分解；快冷抑

31、制雜質元素擴散。合物分解；快冷抑制雜質元素擴散。Me作用作用 N、O、P、S、As、Bi、Sn等是脆化劑；等是脆化劑； Mn、Ni與雜質元素共偏聚，是促進劑；與雜質元素共偏聚，是促進劑； Cr促進其它元素偏聚，助偏劑；促進其它元素偏聚，助偏劑； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除劑抑制其它元素偏聚，清除劑Me對相圖的影響對相圖的影響Me與與C的作用的作用Me在材料處理各過在材料處理各過程中的行為表現程中的行為表現加熱加熱冷卻冷卻回火回火溫溫度度時間時間 一方面要清楚材料處理各過程的演化規律一方面要清楚材料處理各過程的演化規律; ;另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各過程中的作用和影響在各過程

32、中的作用和影響.為理解為理解Me的作用的作用 要了解鋼的基本強化機理要了解鋼的基本強化機理. .1.9 Me對鋼強韌化的作用對鋼強韌化的作用 一、一、MeMe對鋼強化的形式及其機理對鋼強化的形式及其機理 強化本質：強化本質： 各種強化途徑各種強化途徑塑變抗力塑變抗力位錯運動阻力位錯運動阻力 鋼強度鋼強度固溶強化、位錯強化、細晶強化、第二相彌散強化固溶強化、位錯強化、細晶強化、第二相彌散強化niiSCK表達式表達式 Ki為系數，為系數，Ci為固溶度。為固溶度。 對于對于C、N等間隙原子，等間隙原子， n = 0.332.0； 對于對于Mo、Si、Mn等置換式原子：等置換式原子：n = 0.51.

33、0 機理機理效果效果提高強度，降低塑韌性提高強度，降低塑韌性 原子固溶原子固溶 晶格發生畸變晶格發生畸變 產生彈性產生彈性應力場，與位錯交互作用應力場，與位錯交互作用位錯運動阻力位錯運動阻力1 1、固溶強化、固溶強化 合金元素對低碳鐵素體強度和塑性的影響合金元素對低碳鐵素體強度和塑性的影響 Si、Mn的固溶強化效應大，但的固溶強化效應大，但Si 1.1%，Mn 1.8%時，時，鋼的塑韌性將有較大的下降。鋼的塑韌性將有較大的下降。C、N固溶強化效應最大。固溶強化效應最大。 合金元素對合金元素對Cr18Ni9型不銹鋼的強化效應型不銹鋼的強化效應-間隙元素，間隙元素，-F形成元素，形成元素，-A形成

34、元素形成元素2 2、位錯強化、位錯強化 2/1ddK表達式表達式 機理機理 Kd為系數為系數 位錯密度位錯密度 位錯交割、纏結，位錯交割、纏結， 有效地阻止了位錯運動有效地阻止了位錯運動 鋼強度。鋼強度。 對對bcc晶體，位錯強化效果較好晶體，位錯強化效果較好 ? ? 效果效果 在強化的同時，同樣也降低了伸長在強化的同時，同樣也降低了伸長率，提高了韌脆轉變溫度率，提高了韌脆轉變溫度TK3 3、細晶強化、細晶強化2/1dKgg表達式表達式機理機理 晶粒越細晶粒越細 晶界、亞晶界越多晶界、亞晶界越多 有效有效阻止位錯運動，產生位錯塞積強化。阻止位錯運動，產生位錯塞積強化。效果效果 鋼的強度，又鋼的

35、強度，又塑性和韌度塑性和韌度這是最理想的強化途徑這是最理想的強化途徑. 著名的著名的Hall-petch公式公式 式中，式中，d為晶粒直徑，為晶粒直徑，Kg為系數為系數 晶界處位錯塞積現象晶界處位錯塞積現象4 4、第二相強化、第二相強化1PPKpgdS02 . 0表達式表達式機理機理 粒子間距粒子間距 微粒第二相微粒第二相釘扎釘扎位錯運動位錯運動強化效果強化效果 主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主主要有切割機制和繞過機制。在鋼中主要是繞過機制。要是繞過機制。 兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化，兩種情況：回火時彌散沉淀析出強化， 淬火時殘留第二相強化。淬火時殘留第二相強化。效果效果有效提高強度，

36、但稍降低塑韌性。有效提高強度，但稍降低塑韌性。 鋼強度表達式鋼強度表達式 位錯被質點障礙物所擋住位錯被質點障礙物所擋住在低碳結構鋼中各種強化效果示意圖在低碳結構鋼中各種強化效果示意圖二、合金鋼強化的有效性二、合金鋼強化的有效性 最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結果。最終強化有效性取決于強化和弱化的綜合結果。1 1、強化的有效性、強化的有效性 強化強化:彌散析出彌散析出P |-S|硬度峰值硬度峰值弱化弱化: M分解分解P |-S|弱化緩慢弱化緩慢 圖圖 強化和弱化的演變強化和弱化的演變 1- M分解；分解；2-彌散析出；彌散析出；3-綜合效應綜合效應 2、Me對強化有效性的影響對強化有效性的

37、影響 強化有效性取決于形成彌散相的強化有效性取決于形成彌散相的Me及其量。及其量。 Me量量 彌散相量彌散相量(有足夠的有足夠的C) 二次硬化二次硬化 例：含例：含0.10.15%C鋼，鋼， 需需0.10.2%V；0.080.12%Nb； 2.53.0%Cr強化強化 弱化弱化Me最小濃度最小濃度臨界值臨界值K類型類型含含C量量 圖圖 V對對40鋼回火硬度的作用鋼回火硬度的作用不同含不同含C量量的的V鋼，如鋼，如產生二次硬產生二次硬化，化，V的臨的臨界濃度是不界濃度是不同的同的，為什為什么么? 對結構鋼，細晶強化和沉淀強化貢對結構鋼，細晶強化和沉淀強化貢獻最大。合金鋼與獻最大。合金鋼與C C鋼的

38、強韌性差異，鋼的強韌性差異，主要不在于主要不在于MeMe本身的強化作用，而在于本身的強化作用，而在于MeMe對鋼相變過程的影響，并且對鋼相變過程的影響，并且MeMe的良好的良好作用，只有在進行合適的熱處理條件下作用，只有在進行合適的熱處理條件下才能充分得到發揮。才能充分得到發揮。需要充分理解需要充分理解三、三、MeMe對鋼韌性的影響對鋼韌性的影響 1、影響韌性的因素影響韌性的因素 強化強化因素因素 一般情況，鋼強度一般情況，鋼強度塑韌塑韌, 稱為稱為強韌強韌性轉變矛盾性轉變矛盾。除細化組織強化外，其它強。除細化組織強化外，其它強化因素都會程度不同地化因素都會程度不同地韌性。韌性。 危害最大是間

39、隙固溶；沉淀強化較小危害最大是間隙固溶；沉淀強化較小,但但對強化貢獻較大。對強化貢獻較大。合金合金元素元素 Ni韌性韌性；Mn在少量時也有效果；其它在少量時也有效果；其它常用元素都在不同程度上常用元素都在不同程度上韌性韌性晶粒晶粒度度 細晶既細晶既S，又又TK（韌脆轉變溫度）（韌脆轉變溫度）, 即即 韌性韌性 最佳組織因素。最佳組織因素。第二第二相相 K韌性。韌性。K 小、勻、圓、適量小、勻、圓、適量 工藝努力方向。工藝努力方向。 雜質往往是形變斷裂的孔洞形成核心，雜質往往是形變斷裂的孔洞形成核心， 提高鋼的冶金質量是必須的。提高鋼的冶金質量是必須的。雜質雜質 合金元素對鐵素體合金元素對鐵素體

40、 沖擊韌度的影響沖擊韌度的影響 晶粒大小對強度、韌脆轉晶粒大小對強度、韌脆轉 變溫度變溫度TK的影響的影響20MnSi鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能鋼不同晶粒度的低溫沖擊性能2 2、提高鋼韌度的合金化途徑、提高鋼韌度的合金化途徑 1）細化晶粒、組織）細化晶粒、組織 如如Ti、V、Mo； 2）回火穩定性回火穩定性 如強如強K形成元素形成元素 ； 3）改善基體韌度）改善基體韌度 Ni ； 4）細化細化K 適量適量Cr、V，使使K小而勻小而勻 ； 5）降低或消除鋼的回火脆性）降低或消除鋼的回火脆性 W、Mo ； 6）在保證強度水平下，適當）在保證強度水平下，適當含含C量量. 冶金質量。冶金質量。 思考題

41、：思考題： 有些零件為什么要經過調有些零件為什么要經過調質處理，而不直接用正火態質處理，而不直接用正火態? ?1.10 Me對鋼工藝性的影響對鋼工藝性的影響 一、冷成形性冷成形性 冷成型性包括：深沖、拉延、彎曲等。冷成型性包括：深沖、拉延、彎曲等。 冷作硬化率是在冷變形過程中，材料變硬變冷作硬化率是在冷變形過程中，材料變硬變脆程度的表征參量。冷作硬化率高，材料的冷脆程度的表征參量。冷作硬化率高，材料的冷成型性差。成型性差。P、Si、C等元素等元素冷作硬化率。冷作硬化率。需要冷成型的材料應嚴格控制需要冷成型的材料應嚴格控制P P、N N量，盡可能量，盡可能SiSi、C C等量。等量。二、熱壓力加

42、工性二、熱壓力加工性 熱壓力加工有鍛造、軋制、拉拔等。熱壓力加工有鍛造、軋制、拉拔等。 Me溶入基體溶入基體 產生畸變產生畸變, ,熱變形抗力熱變形抗力 熱壓力加工性能熱壓力加工性能。如如Mo、W、Cr、V等元素等元素影響較大。影響較大。C和和Me量較多時，形成共晶量較多時，形成共晶K，熱，熱壓力加工性更差。壓力加工性更差。 合金鋼的熱壓力加工性能比碳鋼差。高速鋼合金鋼的熱壓力加工性能比碳鋼差。高速鋼等高合金鋼的熱壓力加工難度是較大的等高合金鋼的熱壓力加工難度是較大的.三、切削加工性三、切削加工性 不同情況側重點不同，如粗加工，主要考慮不同情況側重點不同，如粗加工，主要考慮速度；精加工主要考慮

43、表面粗糙度。速度；精加工主要考慮表面粗糙度。 C鋼鋼 硬度在硬度在170230HB，切削性能最好切削性能最好.對組織來說，對組織來說，P:F=1:1較佳較佳。不同含。不同含C量的鋼要量的鋼要得到較好的切削性，其預處理是不同的：得到較好的切削性，其預處理是不同的： 對對C鋼鋼: 0.1%C,宜淬火；宜淬火； 0.5%C,宜正火；宜正火； 0.8%C,宜球化退火宜球化退火思考題：思考題： 為什么鋼的切屑是連續為什么鋼的切屑是連續的，而鑄鐵的切屑是碎的，而鑄鐵的切屑是碎片狀斷開的片狀斷開的? ?四四、材料的熱處理工藝性材料的熱處理工藝性鋼號鋼號合金元素質量分數含量合金元素質量分數含量 / %P轉變孕

44、育期轉變孕育期 / 秒秒35CrCr + Ni = 1.341235CrMoCr+Mo= 1.38 3540CrNiMoCr+Mo+Ni= 3.25 500淬透性淬透性 一般是指淬火時獲得一般是指淬火時獲得M的能力的能力. 合金元素復合作用大合金元素復合作用大,不是簡單加和不是簡單加和. 在結構鋼中，在結構鋼中，M淬透性作用顯著的元素從大淬透性作用顯著的元素從大到小排列：（到小排列：（B）、）、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 。淬透淬透性好性好的作的作用用 可以使工件得到均勻而良好的力學可以使工件得到均勻而良好的力學性能，滿足技術要求；性能，滿足技術要求； 在淬火時，可選用較緩和的冷卻介在淬火時

45、，可選用較緩和的冷卻介質，以減小工件的變形與開裂傾向質，以減小工件的變形與開裂傾向 +Mo 能有效能有效P轉變，但不能完全轉變，但不能完全先共先共析析F的析出的析出B淬淬透性透性 +B 偏聚晶界偏聚晶界 有效抑制先共析有效抑制先共析F的析出的析出0.40%C析出析出5%F5%F（600） 0.14%Mo 0.35%Mo 0.60%Mo 1 2 4P開始轉變時間開始轉變時間 1 3 36貝氏體貝氏體淬透性淬透性 合金化基本元素是合金化基本元素是0.5%Mo + 微量微量B。淬硬性淬硬性 理想淬火條件下理想淬火條件下,形成形成M能達到的最高硬度能達到的最高硬度.淬硬性主要與鋼的含碳量有關淬硬性主要

46、與鋼的含碳量有關。變形開裂傾向變形開裂傾向 熱應力熱應力變形變形;組織應力組織應力 開裂開裂;附加應力附加應力較復雜較復雜.影響因素比較復雜影響因素比較復雜,要綜合分析要綜合分析. 采用分級淬火、等溫淬火或雙液淬火可降采用分級淬火、等溫淬火或雙液淬火可降低應力，減小變形開裂傾向。采用調質、球低應力，減小變形開裂傾向。采用調質、球化退火等預先熱處理也可減小零件的變形。化退火等預先熱處理也可減小零件的變形。 過熱敏感性和氧化脫碳傾向過熱敏感性和氧化脫碳傾向 奧氏體晶粒急劇長大的敏感性奧氏體晶粒急劇長大的敏感性, 含含Mn鋼大鋼大.如如40Mn2、50Mn2、35SiMn、65Mn等。等。 氧化和脫

47、碳往往伴隨產生氧化和脫碳往往伴隨產生. Si.含硅鋼氧含硅鋼氧化脫碳傾向較大，如化脫碳傾向較大，如9SiCr、42SiMn、60Si2Mn、30CrMnSi等。等。 脫碳會降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度，脫碳會降低鋼的硬度、耐磨性和疲勞強度，脫碳對于工具、軸承、彈簧等零件是極其有脫碳對于工具、軸承、彈簧等零件是極其有害的害的.回火穩定性回火穩定性( (熱穩定性熱穩定性) ) 合金鋼回火穩定性要比碳鋼好合金鋼回火穩定性要比碳鋼好. .同樣回火硬同樣回火硬度度, ,合金鋼的回火溫度高合金鋼的回火溫度高, ,時間也可長些時間也可長些, ,應力應力消除也大些消除也大些; ;同樣塑韌性同樣塑韌性, ,合

48、金鋼的強度比碳合金鋼的強度比碳鋼高鋼高. . 回火脆性回火脆性 (前面已介紹前面已介紹) 鋼的編號方法自學鋼的編號方法自學1.8 1.8 金屬材料的環境協調性設計金屬材料的環境協調性設計 目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三目前世界上金屬材料及其合金的種類大約有三千多種。千多種。 材料的廢棄物再生循環很困難材料的廢棄物再生循環很困難 可再生循環設計已成為鋼鐵材料設計的一個可再生循環設計已成為鋼鐵材料設計的一個重要原則。傳統的思路和方法應該更新。應該發重要原則。傳統的思路和方法應該更新。應該發展少品種、泛用途、多目的的標準合金系列。所展少品種、泛用途、多目的的標準合金系列。所以就出現了通用合

49、金和簡單合金的概念。以就出現了通用合金和簡單合金的概念。1.8.1 1.8.1 通用合金與簡單合金通用合金與簡單合金 通用通用合金合金 又稱為泛用性合金。這種通用又稱為泛用性合金。這種通用合金能滿足通用性能，合金在具體合金能滿足通用性能，合金在具體用途中的性能要求則可以通過不同用途中的性能要求則可以通過不同的熱處理等方法來實現。的熱處理等方法來實現。 Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn鋼鋼. 通過改通過改變變Fe、Cr、Ni（Mn）的相對含量，）的相對含量，其組織結構和性能也可以在很大范其組織結構和性能也可以在很大范圍內變化。圍內變化。 Cr-Mo鋼鋼, 耐熱鋼耐熱鋼 簡單簡單合金合金 組元組

50、成簡單的合金系就叫組元組成簡單的合金系就叫做簡單合金。簡單合金在成分設做簡單合金。簡單合金在成分設計上有幾個特點：計上有幾個特點： 合金組元簡單，再生循環過合金組元簡單，再生循環過程中容易分選；程中容易分選； 原則上不加入目前還不能用原則上不加入目前還不能用精煉方法除去的元素；精煉方法除去的元素； 盡量不使用環境協調性不好盡量不使用環境協調性不好的合金元素。的合金元素。兩個兩個基本基本原則原則 （1 1）在維持合金高性能的前提）在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數；下，盡量減少合金組元數； （2 2）獲得合金高性能時，以控）獲得合金高性能時，以控制顯微組織作為加入合金元素的替制顯微組織

51、作為加入合金元素的替代方法。代方法。 這種設計合金的思路叫這種設計合金的思路叫省合金化設計或最小省合金化設計或最小合金化法合金化法。簡單合金的主要用途是代替大量消。簡單合金的主要用途是代替大量消費的金屬結構件材料。費的金屬結構件材料。 Si-Mn合金鋼就是目前重點開發的一合金鋼就是目前重點開發的一種普通的簡單合金。可以通過各種熱處種普通的簡單合金。可以通過各種熱處理獲得不同的組織結構，如理獲得不同的組織結構，如F+P、F+B、B+M、B、M等，等，得到不同強度、塑得到不同強度、塑性配比的性能，以滿足各種用途。性配比的性能，以滿足各種用途。 Si和和Mn作為主要合金元素，在地球上作為主要合金元素，在地球上儲量相當大，并容易提取。是一個有前儲量相當大，并容易提取。是一個有前途的環境材料系列。在汽車薄板和沖壓途的環境材料系列。在汽車薄板和沖壓件上得到了廣泛的應用件上得到了廣泛的應用典典型型例例子子1.8.2 1.8