金属材料你学（全套课件691P）.ppt

1,金 属 材 料 学,2,教 材 1. 金 属 材 料 学 吴承建、陈国良、强文江 编著 2.钢 铁 材 料 学 章守华、吴承建 主编 3.合金钢 章守华主编,3,考核 1.期末考试采用闭卷笔试。 2.成绩评定：期末考试占70， 平时成绩占30。 3.平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题等部分组成。,4,绪 论 一、本课程主要内容 1、钢铁材料 (1)合金化原理 合金元素在钢中与Fe，C的相互作用。 合金元素在相变中的作用。,5,(2)各类钢铁材料 2、有色金属材料 介绍铜合金、铝合金、镁合金、钛合金的特点及应用。,6,二、研究思路 使用条件性能要求组织结构化学成分 生产工艺 1、化学成分：碳含量；合金元素种类及含量。 2、生产工艺： (1) 材料生产的全过程。,7,(2) 不同钢种生产过程中的特殊问题。 如工程结构钢的带状组织，轴承钢的夹杂物，高碳钢的碳化物不均匀性等。 (3) 不同钢种的热处理特点。 不同的合金元素，对淬火加热温度、冷却方式、回火温度、回火冷却方式等热处理工艺制度的不同影响。,8,关键：对具体问题进行具体分析 固溶强化： 1、回火马氏体：碳 室温使用；高温使用。 2、铁素体、奥氏体：合金元素 强化效率；价格；对其它性能的影响。,9,3、金属材料的性能 (1) 使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。 力学性能 化学性能 物理性能,10,(2)工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。 主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接性等。,11,使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。,12,如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。 如含铜时效钢06MnNiCuNb，淬透性好，强度高，可焊性好。 b：690MPa，0.2：620MPa， ：23%，：80%，-40ak:255j。,13,二.钢铁材料的分类 非合金钢 低合金钢 合 金 钢 高温合金 铸 钢 铸 铁,14,1、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其它元素的金属材料。 注：在铬钢中含碳量可能大于2%，但2%通常是钢和铸铁的分界线。 2、高温合金：不以碳作为主要在强化元素，通常也不以铁作为基体。,15,3、铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，其杂质含量比钢高。 4、合金元素：为了提高钢的某些性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素。,16,5、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因，不可避免地存在于钢中的元素，含量要求低于某一标准值。 (1)常存元素： Si，Mn，S，P，N，H，O (2)残余元素： Cr，Ni，Mo，W，Cu，V，Ti,17,6、非合金钢： 内涵比“碳素钢”广泛，不但包括“碳素钢”，还包括电工用纯铁（C0.02%称纯铁）、原料纯铁、及其他专用的具有特殊性能的非合金钢。,18,7、低合金钢 Mn，Cr，Cu，Mo，Ni，Si，Ti，V，W等元素含量在非合金钢和合金钢含量之间。,19,20,我国低合金钢从50年代开始研制，生产。目前标准牌号约100个，以Mn为主，重点牌号为16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb，Cu，N，Re等。如按照国际标准划类，16Mn等这类钢只能划为“非合金钢”，与我国历史、现状和发展前途不适应。,21,三、合金钢分类 1、按质量等级分类 (1)优质钢： 结构钢：S0.045%，P0.040%。 工具钢：S0.030%，P0.035%。 (2)高级优质钢：S0.020%，P0.030%。 注：非合金钢，低合金钢中还含普通质量钢。,22,2、按金相组织分类 (1)按退火组织 亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢。 (2)按正火组织分类 珠光体钢，贝氏体钢，马氏体钢，奥氏体钢。,23,(3)按加热和冷却时有无相变及室温组织分类 铁素体钢：加热和冷却时始终为铁素体。 奥氏体钢：加热和冷却时始终为奥氏体。,24,半铁素体钢：加热和冷却时，只有部分发生/相变，其它部分始终保持铁素体。 半奥氏体钢：加热和冷却时，只有部分发生/相变，其它部分始终保持奥氏体。,25,3、按合金元素总量分类 低合金：总量10%,26,4、按用途分类 (1)结构钢 工程结构用合金钢 机械制造用合金钢 (2)工具钢 (3)不锈钢、耐热钢,27,四、合金钢和低合金钢编号方法 编号方法： 碳含量合金元素种类和数量质量 碳含量：区分不同钢种的主要标志。,28,1、合金元素种类和数量： 种类：用化学符号表示 数量：1.5%，不表示 1.52.5%，用2表示 2.53.5%，用3表示 （以下类推） 2、质量：高级优质钢加A，其余不表示。,29,3、碳含量：不同钢种有不同表示方法 （区分不同钢种的主要标志） (1) 低合金钢和合金结构钢,如：40Cr，42CrMo，09CuPTi， 15MnVN，15MnVB。,含C量以0.01%为单位，用两位数字表示。,30,有时两个钢种，其中一个主要合金元素含量不同，但都小于1.5%，其余成分相同，此时含量较高的在元素后面标“1”来加以区别。 如:12CrMoV，Cr：0.40.6% 12Cr1MoV，Cr：0.91.2%,31,(2) 轴承钢,前面标以G，表示滚动轴承钢。,如：GCr15，GCr15SiMn，GCr9。,含C量1%，故不表示。,含Cr量以0.1%为单位，其余合金元素方法不变。,32,(3) 不锈、耐蚀和耐热钢,含碳量以0.1%为单位。,如：1Cr13，2Cr13。,0：0.08%； 00：0.03%。,如：0Cr18Ni9，00Cr18Ni10。,含碳量很低时，用0，00表示。,33,(4) 工具钢 含碳量以0.1%为单位，用1位数字表示。当1%时不表示。 如：9CrSi，CrWMn。 含Cr量低于1%的铬合金工具钢，Cr含量以0.1%为单位，并在前面加一个“0”字表示。 如：Cr06, Cr, Cr2。,34,高速钢含碳量小于1时，通常也不标注含碳量 。,如：W18Cr4V： 含碳量 0.7-0.8% W6Mo5Cr4V2： 含碳量 0.8-0.9%,合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，如9W18Cr4V。,35,第一章 钢中的合金元素,36,§11 铁基固溶体 铁基固溶体： 铁素体（F）；奥氏体（A）。 一、合金元素对铁基固溶体的影响 1、奥氏体形成元素 使A3温度下降，A4温度上升，扩大相区。,37,(1) 开启相区： Mn，Co，Ni：与Fe可以无限固溶。 Ni含量高时，可使稳定到室温。 (2) 扩大相区： C，N，Cu：与Fe有限固溶。,38,2、铁素体形成元素 使A3温度上升，A4温度下降，缩小相区。 (1) 封闭相区 V，Cr，Ti，W，Mo，Al，P A3和A4在一定浓度时汇合形成圈。,39,Cr，V：与Fe无限固溶； 其余元素为有限固溶。 (2) 缩小相区 B，Zr，Nb，S：出现了金属间化合物，破坏了圈。,40,3. 热力学讨论 用C，C分别表示在温度T时某元素在相和相的平衡浓度，在平衡状态下得：,41,H：热焓的变化 HHH H、 H：单位溶质元素溶于相、相的溶解热。 铁素体形成元素： H0，CC。 奥氏体形成元素： HH，H0，CC。,42,二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度 1、间隙固溶体： Fe中间隙尺寸大，故溶解度较大。 2、置换固溶体： 铁素体形成元素在Fe中溶解度小；在Fe中大。 奥氏体形成元素在Fe中溶解度小；在Fe中大。,43,影响置换固溶体溶解度的因素： (1) 尺寸因素： d：810%，无限溶解 (2) 晶体结构因素： (3) 化学亲和力因素： 负电性差x0.40.5，有利于形成固溶体。 (4) 电子轨道因素,44,说明： 1.Nb,Zr在Fe 和Fe中的溶解度都较小，并且后者比前者稍大。 Nb： 1.8% () 2.0% () Zr： 0.3% () 0.7% () 2.B原子半径为0.97A ，在Fe 和Fe中的溶解度都非常小。 0.008% () 0.018% (),45,§12 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 一、相互作用 合金元素和杂质元素在晶体缺陷处偏聚。 1、晶界内吸附（晶界偏聚）：溶质原子在晶界、相界、亚晶界等处的浓度远远超过在基体中的平均浓度。,46,2. 柯垂耳气团 溶质原子在刃型位错处的吸附。 3. 铃木气团 溶质原子在层错处的吸附。,47,二、产生相互作用的原因 溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很大。因此，溶质原子在晶体缺陷处偏聚，可使点阵畸变松弛，从而降低系统的内能。,48,三、影响相互作用的因素,Cg：溶质原子在缺陷区的吸附浓度。 C0：溶质原子在基体晶格内的浓度。 Q：畸变能之差。 单位溶质原子在晶格未畸变区和晶体缺陷处引起的畸变能之差。,49,1.畸变能差（Q） QCg/C0，偏聚严重。 Nb：原子半径和Fe相差大，在铁素体和奥氏体中均在晶界和位错处强烈富集。如在层错富集析出NbC沉淀相。 B：在550950时在奥氏体晶界产生强烈的内吸附。含0.0010.005%时可显著增加淬透性。,50,2. 温度（T） (1) 温度升高使偏聚浓度下降,B：1100加热时，内吸附基本消失，不增加淬透性。 P：400600回火，产生内吸附，空冷时出现脆性。重新加热到650，内吸附大大降低。,T Q/RTCg/C0（设Q不变） TEQCg/C0,51,(2) 低于临界温度时不发生显著内吸附 不同原子都有一个发生显著内吸附的临界温度： H：0以下； C，N：室温附近。 P：350； Nb，Mo：500。,52,3.原始浓度（C0） C0越低，产生显著晶界偏聚的时间也越长。 4. 多种溶质原子之间的相互作用 (1) 畸变能差大的元素优先发生偏聚。 (2) 影响晶界偏聚速度。 (3) 影响在晶界的溶解度。 (4) 发生共偏聚。,53,四、对合金组织和性能的影响 晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、相变时晶体缺陷处形核、高温回火脆性等都与此有关。,54,§13 钢中碳化物形成规律,一、合金元素与钢中碳的相互作用 1. 非碳化物形成元素 在钢中不与碳结合形成碳化物。 Co，Ni，Cu，Al，Si，P，S，N等 2. 碳化物形成元素 在钢中可以与碳结合形成碳化物。,55,3碳化物的稳定性 碳化物稳定性越高，其硬度、熔点也越高，晶体结构也越简单。 强碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V。 中强碳化物形成元素：W，Mo，Cr。 弱碳化物形成元素：Mn。,56,二、碳化物的结构 间隙相 (1) 形成面心立方点阵的碳化物（Ti，Zr，Nb，V） MC型：TiC，ZrC，NbC，VC。 (2) 形成六方点阵的碳化物（W，Mo） MC型：简单六方点阵。WC，MoC。 M2C型：密排六方点阵。W2C，Mo2C。,57,2. 间隙化合物 rC/rM0.59，形成复杂点阵的碳化物 (1) 复杂立方点阵：（Cr，Mn） M23C6型：Cr23C6，Mn23C6。 (2) 复杂六方点阵（Cr，Mn） M7C3型：Cr7C3，Mn7C3。 (3) 正交晶系点阵 M3C型：Mn3C，Fe3C。,58,3. 三元碳化物,（W、Mo）FeC，均为间隙化合物。,(1) 复杂立方点阵(M6C型碳化物),Fe3W3C，Fe4W2C，Fe3Mo3C，Fe4Mo2C，,(2) 复杂立方点阵(M23C6型碳化物) Fe21W2C6，Fe21Mo2C6。,59,三、碳化物的相互溶解 1. 完全互溶,只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶格类型的碳化物之间。,除了ZrC和VC之间因原子尺寸相差大，不能完全互溶外，其余碳化物之间均可完全互溶。,(1) Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物,60,(2) W和Mo形成的碳化物 相同结构的碳化物之间可完全互溶。 (3) Fe和Mn形成的碳化物 Fe3C和Mn3C之间可完全互溶。,61,2. 有限互溶 (1) Fe3C中： 可溶解一定量的Cr，Mo，W，V等，形成合金渗碳体。 超过溶解度后，将由合金渗碳体变为特殊碳化物。 (2) Cr的碳化物中： 可溶解一定量的Fe，Mn，Mo，W，V等。,62,(3) W和Mo的碳化物中： 可溶解较多的Cr。 (4) Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物中： 可溶解较多的W和Mo，可溶解较少量的Cr，Mn。,63,3. 相互溶解对稳定性的影响 (1)强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中，可提高其稳定性。 如42CrMo钢：生成的（Fe,Cr,Mo)3C，稳定性比Fe3C，淬火温度升高。 如奥氏体耐热钢4Cr14Ni14W2Mo：生成的（Cr,W,Mo,Fe,Ni)23C6稳定性比Cr23C6高，可以作为强化相。,64,(2) 较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物中，可降低其稳定性。 如15MnV钢，形成的（V，Mn）C稳定性比VC低，溶入奥氏体中的温度也随之降低，当Mn=1.47%时，由1100降至900。,65,四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向,66,五、钢中的碳化物 1.强碳化物形成元素即使在钢中含量很低（0.1%）时，也要优先形成MC型碳化物。 2. 中强碳化物形成元素在钢中含量较高时，可形成特殊碳化物;含量较低时只能溶入Fe3C中，形成合金渗碳体。 3. 弱碳化物形成元素Mn在钢中只形成合金渗碳体。,67,§14钢中的氮化物,一、钢中氮的来源 1. 冶炼时来自大气中的氮。 2. 作为合金元素加入钢中的氮。 3. 表面渗氮。,68,二、钢中氮化物的结构 1. 过渡族金属的氮化物 rC/rM0.59,均为间隙相。 (1) 面心立方点阵的氮化物 TiN，NbN，ZrN，VN，Mo2N，W2N，CrN，MnN，Fe4N，Mn2N。 (2) 密排六方点阵的氮化物 WN，MoN，Nb2N，Cr2N，Mn2N。,69,2、铝的氮化物 AlN：正常价非金属化合物，密排六方点阵。 三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物 如含Ti钢中，可形成Ti(C，N)。TiN为金黄色，Ti（C，N）的颜色随含碳量增加由桔红变为紫色。,70,四、氮化物的稳定性 1. 强氮化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V 几乎不溶于奥氏体。 2. 中强氮化物形成元素：W，Mo 稳定性较高。 3. 弱氮化物形成元素：Cr，Mn，Fe 高温时溶于奥氏体，低温时析出 。 4. AlN：稳定性很高。,71,五、氮化物的作用 1. 细化晶粒 2. 提高表面耐磨性和疲劳强度 3. 提高表面耐蚀性,72,§15 钢中的硼化物 一、钢中硼的来源 1. 作为合金元素加入 微硼钢(0.0010.005%B)：提高淬透性。 高硼钢(0.14.5%B)：吸收中子，用于核反应堆。 2. 表面渗硼,73,二、钢中硼化物的结构 1. Fe2B (1)具有复杂结构。 (2) 硬度较高，HV12001700。 (3) 在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。,74,2. FeB (1)具有复杂结构。 (2) 硬度高，HV18002000，脆性大。 (3) 表面渗硼时在渗层表面得到。,75,3. Fe23（C，B）6 (1) 碳硼化物，其结构和Cr23C6相同。 (2) 在微硼钢中出现，一般位于晶界，使钢脆性增大，形成硼脆。 (3)可溶入其他元素，形成复杂硼化物。,76,§16 钢中的金属间化合物,一、相 1. 相为正方晶系，a=bc。单位晶胞有30个原子。 2. 二元系中相的形成条件 (1) 原子尺寸相差不大，d12%。 (2) 平均族数在5.77.6范围内。,77,3、 第三种元素会影响相形成的浓度和温度范围 如FeCr相，在820以下稳定。 加入Ni把稳定温度提高到850。 加入Si把稳定温度提高到900950。 加入Mn，Mo把稳定温度提高到1000。,78,4、在高Cr，高Cr、Ni的不锈钢，耐热钢中出现相。因为相硬度很高，使钢的塑性、韧性显著下降，脆性增加 。当相沿晶界形成网状时，更为严重。,79,二、AB2相（拉维斯相） 1. 合金钢中出现的AB2相主要是复杂六方点阵的MgZn2型。 如MoFe2，WFe2，NbFe2，TiFe2。 2. 多元合金钢中出现复合的AB2相，尺寸较小的Cr，Mn，Ni可置换Fe，尺寸较大的W，Mo，Nb处于A的位置。 3. 耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相。,80,三、AB3相（有序相） 1. 钢和合金中使用着相当数量的有序相 一部分有序相接近无序固溶体。 另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。 2. Ni3Al是耐热钢和耐热合金中重要的强化相,81,§17 合金元素对铁碳相图的影响 一、合金元素对临界点的影响 1、对S，E点成分的影响 合金元素使S，E点向左移动，使S，E点碳含量下降。 亚共析钢平衡组织中珠光体增多。,82,当合金元素含量高时，对钢的组织影响很大： 如：3Cr13： 0.3%C、13%Cr，组织为共析钢。 4Cr13： 0.4%C、13%Cr，组织为过共析钢。 如：W18Cr4V：0.7-0.8%C， 组织中有大量莱氏体存在。,83,2. 对A1，A3点的影响 奥氏体形成元素：使A1，A3点下降。 铁素体形成元素：使A1，A3点上升。,84,二、对奥氏体相区的影响 1、扩大或缩小奥氏体相区 2、奥氏体钢 镍、锰含量高的钢，可以使奥氏体稳定到室温，成为室温组织。 3、铁素体钢 铬含量高的钢，奥氏体相区完全消失，使铁素体成为高温组织。,85,§18合金元素对钢在加热时转变的影响 一、合金元素对奥氏体形成的影响 相的形成依赖于碳化物的溶解和碳的扩散。 强和中强碳化物形成元素阻碍奥氏体形成 (1)形成特殊碳化物或合金渗碳体，稳定性比Fe3C高，难以溶解。 (2)增加碳的扩散激活能，阻碍碳扩散。,86,2. 弱碳化物形成元素锰，对奥氏体形成影响不大。 3. 非碳化物形成元素Ni，Co促进奥氏体形成。 降低碳的扩散激活能，促进碳的扩散。,87,二、合金元素对奥氏体成分均匀化的影响 1. 奥氏体形成时，奥氏体中碳化物形成元素和碳的分布不均匀。 2. 碳化物形成元素均匀化是奥氏体成分均匀化的控制因素。 碳化物形成元素扩散系数小。 碳化物形成元素对碳有吸引力。,88,三、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 1. V，Ti，Nb，Zr，Al强烈阻止奥氏体晶粒长大。 2. C，P，Mn（高碳）促进奥氏体晶粒长大 C，P在晶界内吸附，改变了晶界原子扩散激活能。 锰促进碳的扩散,89,§19合金元素对过冷奥氏体转变的影响 V，Ti，Nb，Zr，W，Mo： 强烈推迟P转变，P转变温度上升。 推迟B转变较少，B转变温度下降。 Cr，Mn： 强烈推迟P转变，推迟B转变更显著。 B转变温度下降。,90,Si：推迟B转变更显著。 Ni：推迟P转变更显著。,91,一、合金元素对珠光体转变的影响 P（K） Fe：扩散型转变重建晶格。 C，Me：扩散重新分布。 1.合金元素对珠光体转变时碳化物形成的影响,92,(1) 碳化物中合金元素的含量 碳化物形成元素在特殊碳化物和合金渗碳体中的含量远高于奥氏体中的平均含量。 非碳化物形成元素Si，Al不存在于碳化物中，只存在于相中。,93,(2) 合金元素的影响 合金元素在形成碳化物时要重新分配，而合金元素的扩散系数比碳小5个数量级，因而大大推迟碳化物的形成，故推迟珠光体转变。,94,2. 合金元素对珠光体转变时转变的影响 (1) 转变是扩散型转变，受相形核功和Fe自扩散激活能的控制。 (2) 合金元素的影响 Mn，Ni：增加相形核功，在过冷度小时作用显著。,95,Cr，Mo，W，Si： 增加Fe自扩散激活能，在过冷度大时作用显著。 以上两类元素同时加入时，作用显著增加。 如 8.5%Cr：孕育期60s。 2.5%Ni：孕育期20min。 5%Co：孕育期7min。,96,3. 合金元素对先共析铁素体析出的影响 (1) 碳的扩散是先共析铁素体析出的控制因素 相中析出先共析时，C原子要从相界面向相中扩散，由于扩散距离长，所以碳的扩散已成为先共析析出的控制因素。,97,(2) W，Mo，Cr等中强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，因而推迟先共析铁素体的析出。 4. 相间沉淀 (1) 形态 含V，Ti，Nb，W，Mo，Cr等亚共析钢中，过冷奥氏体转变为铁素体时，特殊碳化物在铁素体中呈平行列状分布。,98,(2) 形成机理 当相界面前沿相中碳原子浓度达到临界值后，特殊碳化物在相界面形核析出。 因碳化物在相界面析出，故称为相间沉淀。 5. 合金元素对过冷奥氏体发生珠光体转变的综合作用,99,100,B：产生内吸附，降低奥氏体晶界能。 推迟低碳钢作用显著。 推迟先共析铁素体开始析出时间，对珠光体转变终了时间影响不大。,101,1.多元合金化 采用多种合金元素，发挥各自不同的作用，大大提高过冷奥氏体的稳定性。 35Cr Me:1.75% F-P孕育期20S 35CrMo Me:1.38% F-P孕育期35S 40CrNiMo Me:3.25% F-P孕育期500S 18Cr2Ni4Mo Me:6.34% 500-700不发生P转变,102,2. SiMnMoV系列钢 采用中国富产的合金元素Mo、V，研制的系列钢种,用于替代Cr，Ni钢，得到广泛使用。 如:35SiMn2MoV 55SiMnMoV,103,二、合金元素对贝氏体转变的影响 K 半扩散转变： C：扩散重新分布。 Me：不扩散。 Fe：切变重组晶格。 转变的控制因素： C的扩散 转变的形核功,104,1. Cr，Mn，Ni： 降低相的自由能，因而增加了相形核功，减慢转变，推迟贝氏体转变。 2. W，Mo，V，Ti： 增加C在相中的扩散激活能，降低扩散系数，推迟贝氏体转变，但作用比Cr，Mn，Ni小。,105,3. 以上两类元素均降低Bs点，含量高时会在贝氏体转变和珠光体转变之间出现一个过冷奥氏体稳定区。 4. W、Mo、V、Ti推迟B转变的作用比推迟P转变作用弱，在空冷时易获得贝氏体组织。,106,三、合金元素对马氏体转变的影响 特点：非扩散转变，合金元素对Ms，Mf及马氏体精细结构有影响。 1. 对Ms点的影响 降低Ms：C最强烈， Mn，Cr，Ni次之， V，Mo，W，Si再次之。 升高Ms：Co，Al。,107,2. 对残余奥氏体的影响 Ms点越低，室温中残余奥氏体越多。 3. 对马氏体形态和亚结构的影响 合金元素一般都增加形成孪晶马氏体的倾向。,108,§110 合金元素对淬火钢回火转变的影响,一、合金元素对马氏体分解的影响 马氏体分解： MC在晶体缺陷处偏聚（0.25%C）FexC Fe3C 1. 碳化物形成元素阻碍马氏体分解，提高马氏体分解温度。 原因：和碳有强烈的相互吸引作用,109,2. 非碳化物形成元素Si，Al，明显阻碍马氏体分解 Si：可由260提高到350。 原因：FexC中可以含Si，为钢中平均含量，所以不需要发生扩散。而Fe3C中不含Si，故必须发生Si的扩散才能形成Fe3C。（即马氏体分解）,110,二、合金元素对回火时残留奥氏体转变的影响 1. 残留奥氏体转变规律基本遵循过冷奥氏体恒温转变规律。 2. 如高合金钢过冷奥氏体分解在P和B转变之间有一个中温奥氏体稳定区，则残留奥氏体回火时在此温度间也有一个稳定区。,111,3. “二次淬火” 高合金钢残留奥氏体在中温稳定区（500600）保温一段时间后，冷却时将发生残留奥氏体向马氏体转变。,112,原因：(1) 残留奥氏体在加热时析出部分碳化物，使残留奥氏体中碳和合金元素含量降低，Ms点升高，冷却时发生马氏体相变。 (2) 残留奥氏体并未析出碳化物，而是发生反稳定现象，使Ms上升，冷却时发生马氏体相变。 作用：用以消除高速钢，高合金模具钢等钢种的残留奥氏体。,113,三、合金元素对碳化物析出的影响 1.碳化物形成元素提高了形成合金渗碳体的温度。 Me在相中开始显著扩散的温度： Mn：350，Cr：400450， Mo：500，W，V：500550。,114,2. 强和中强碳化物形成元素阻碍合金渗碳体的聚集和长大 (1) 增加合金渗碳体的稳定性，减慢了溶解。 (2) 增加C在相的扩散激活能，减慢碳的扩散。,115,3. 强和中强碳化物形成元素在钢中M/C较高时，能析出特殊碳化物。 (1)原位析出（Cr） 合金渗碳体中碳化物形成元素发生富集，当浓度超过溶解度时，其点阵改组为特殊碳化物的点阵。 原位析出时，通常碳化物颗粒较粗大，(由于原始合金渗碳体较粗大）弥散硬化作用较弱。,116,(2) 异位析出（W，Mo，V，Ti，Nb） 合金渗碳体中碳化物形成元素浓度超过溶解度后，合金渗碳体向相基体溶解，特殊碳化物直接从相中析出。 异位析出时，由于碳化物颗粒细小，且与基体共格，有弥散硬化作用，硬度反而上升。,117,4. 碳化物类型的转变 Cr，W，Mo能形成多种碳化物，在回火时随着温度升高和时间延长，会发生碳化物类型转变。 Cr：（Fe，Cr）3C（Cr，Fe）7C3（Cr，Fe）23C6 W，Mo：（Fe，Mo）3CMo2CMo6C,118,四、合金元素对析出金属间化合物的影响 低碳和微碳的合金马氏体回火时，从基体中析出金属间化合物，并可产生沉淀强化作用。 如在Fe-Ni系马氏体中加入Ti和Nb，在450550 析出Ni3Ti、Ni3Mo金属间化合物。,119,第二章 工程结构钢,120,使用条件： 用于制造桥梁、船体、建筑钢结构、管道、锅炉、高压容器、车辆、油井架或矿井架及海上勘采设备等工程结构件。,121,性能要求： 1、高的强度。 2、良好的塑性。 3、冲击韧性好。 （一定的常温冲击韧性；尽可能低的脆性转变温度；低的时效敏感性） 4、良好的可焊性。,122,§21 工程结构钢的合金化 一、工程结构钢的强化 1、固溶强化 合金元素溶入铁素体，提高铁素体的强度和硬度。 Mn，Si：起主要作用。 1%Mn：35MPa; 1%Si：90Mpa。,123,2、细晶强化 (1) 强碳化物形成元素（V，Ti，Nb）和Al细化奥氏体晶粒。 未溶碳、氮化物颗粒钉扎奥氏体晶界。 作用大小： Ti Nb Al V 固溶的Nb、Al偏聚在奥氏体晶界，阻止晶界运动。 (2) Cr，Mn，Ni增加过冷奥氏体的过冷能力，降低相变温度，细化铁素体和珠光体。,124,3、沉淀强化 固溶于奥氏体中的V，Ti，Nb，发生相间沉淀和在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒，产生弥散强化作用。 (1) 产生原因 V，Ti，Nb是强碳化物形成元素，有优先形成碳化物的特性。 V，Ti，Nb在奥氏体转变为铁素体时溶解度急剧下降。,125,(2) 形态 相间沉淀：在相界面析出。 紊乱分布：在铁素体内位错线和基体上析出。,126,4、增加珠光体数量 (1) 合金元素增加珠光体数量，使抗拉强度增加。 (2) 含碳量小于0.1%时，珠光体数量对屈服强度无影响。 (3) 珠光体对塑性、韧性产生不利影响。不采用增加碳含量来提高强度。 (4) 发展无珠光体钢，满足焊接、深冲、耐低温等要求。,127,二、铁素体珠光体组织的冷脆性 1、碳含量 随碳含量增加，珠光体数量增加，韧-脆转变温度升高。 2、Mn、Ni、Cr 降低韧-脆转变温度。,128,Mn：常用元素。 1.5%时，产生非铁素体组织，明显降低韧性。 Ni：对耐低温钢尤其重要。 Cr：含量较低时提高韧性。 3、P、Si 明显降低冲击韧性，升高韧-脆转变温度。,129,4、N 固溶于铁素体时可明显降低冲击韧性，升高韧-脆转变温度，并产生应变时效。 加铝、钛，生成稳定的氮化物，可固定氮，并细化晶粒，降低韧-脆转变温度。,130,5、V，Ti，Nb 产生的细晶强化可以补偿弥散强化对韧性的损害。 6、非金属夹杂物 MnS夹杂塑性好，沿形变方向呈条带状分布，降低横向冲击韧性。 加稀土元素可形成球状夹杂物，使横向与纵向冲击韧性趋于一致。,131,三、工程结构钢的焊接性 1、可焊性 在简单可行的焊接工艺条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区性能。 2、热影响区 由于焊后冷却速度快，易得到马氏体组织，内应力大，产生裂纹。,132,3、碳当量 要求：CE不大于0.4-0.5%。 碳及合金元素的作用，反映了钢的淬透性和淬硬性。 四、工程结构钢的耐大气腐蚀性能 钢中加入少量的铜、磷，提高钢的耐大气腐蚀性能。 如：09CuPTi耐候钢。,133,§22 铁素体-珠光体钢 一、碳素结构钢 1. 编号 Q屈服点质量等级脱氧 Q：表示屈服强度 屈服点：分为5个等级：195，215， 235，255，275（MPa）,134,质量等级： 分A，B，C，D四个等级，表示对冲击试验的要求不一样。 A：不要求， B：20时27J。 C：0时27J， D：2027J。 脱氧：镇静钢：不表示。 沸腾钢：F； 半镇静钢：b。,135,2. 特点： (1)碳含量较低。0.06-0.38%C (2)热轧态供货，不需热处理，组织为FP。 (3) S，P含量随质量等级提高而减少。 3. 用途 主要用于工程结构钢。 产量大。,136,二、高强度低合金钢 特点：显微组织中，F：7590%， P：1025%。 1、低碳：C0.15%。 2、热轧态或正火态供货。 3、强度较低：s：345440MPa。,137,典型钢种： 16Mn 345MPa Mn：起固溶强化和 细化晶粒作用。 15MnV 390MPa 增加V的微合金化， 起细化晶粒和沉淀强化作用。 15MnVN 440MPa 增加V，N复合微合金化，起细化晶粒和沉淀强化作用。,138,三、微合金钢 微合金钢：在高强度低合金钢中加入0.1%左右的V、Ti、Nb等合金元素。 关键：采用控制轧制和控制冷却的生产工艺，充分发挥微合金元素的细化晶粒和沉淀强化作用。,139,轧制：加热温度高于1200,钒的碳、氮化物完全溶入奥氏体，铌和钛的碳、氮化物一部分溶入奥氏体，一部分未溶解。 溶入奥氏体的V、Ti、Nb在轧制过程中析出，抑制再结晶和晶粒长大；在轧后的冷却时继续析出，产生沉淀强化作用。 未溶的碳、氮化物阻止加热时奥氏体晶粒长大。,140,1、抑制奥氏体形变再结晶。 铌作用最强，钛作用次之，钒较弱。 (1) 应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，阻碍晶界和位错运动，抑制再结晶。 (2) 固溶的铌原子偏聚在奥氏体晶界，阻碍晶界运动。,141,2、阻止奥氏体晶粒长大 每一道次轧制奥氏体再结晶完成后，就要发生晶粒长大。钛、铌、钒的氮化物颗粒能阻止奥氏体晶粒长大。 3、沉淀强化 钒：析出VC的沉淀强化效果非常显著。 铌： 0.04%，沉淀强化显著。,142,4、细化铁素体组织 (1) 固溶在奥氏体中的铌、钒提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。 (2) 细小的奥氏体和未再结晶的形变奥氏体增加了铁素体形核数量。 铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢，屈服强度的极限为440Mpa,超过此强度需采用其他强化措施。,143,§23低碳贝氏体和马氏体钢 一、低碳贝氏体钢 1、特点 在热轧或正火后直接产生贝氏体组织，屈服强度较高。 2、碳含量低，保证韧性和焊接性。 C：0.10-0.20%，一般为0.10-0.16%。,144,3、合金化 以0.5%Mo，或0.5%Mo+B为基础，同时加入Mn，Cr，Ni及V，Ti，Nb。 (1) Mo，B：保证空冷条件下获得贝氏体组织。 原因：强烈推迟先共析铁素体析出和珠光体转变。,145,(2) Cr，Ni，Mn： 增加淬透性，使贝氏体转变温度降低，便于得到下贝氏体组织，具有更低的脆性转变温度。 (3) V，Ti，Nb： 细化晶粒，弥散强化。,146,4、典型钢种 14MnMoV： s：490Mpa，用于制造容器。 板厚小于14mmm，热轧态。 板厚大于14mmm，正火加高温火。 14CrMnMoVB： s：640Mpa，用于制造高压容器。,147,二、针状铁素体钢 1、化学成分 实质上属于低碳或超低碳贝氏体钢。 典型钢种：C0.1%， Mn（1.2-2.0%）， Mo（0.2-0.6%），Nb（0.04-0.06%）。有时还加0.06%V，0.01%Ti。,148,2、显微组织 具有高位错密度亚结构和弥散沉淀相的细晶粒的针状铁素体。,149,3、强化机制 (1) 细晶强化：细小的铁素体晶粒。 (2) 位错强化：铁素体内切变形成的高密度位错。 (3) 沉淀强化：Nb(C,N)，VC沉淀相。 (4) 固溶强化：铁素体中固溶的碳和合金元素。,150,4、典型钢种 09MnMoVNb： s470MPa，20%，-15冲击韧性90J。 采用控制轧制和控制冷却。用于制造寒冷地区的输油管线。,151,三、低碳马氏体钢 1、性能 强度高，b可达1000Mpa； 韧性好； 焊接性好。 2、显微组织 以低碳马氏体为主。,152,3、合金化 (1) 碳含量：低碳。 (2) 合金元素：Mn、Cr、Mo、Nb、V、B。 提高淬透性，防止铁素体析出和珠光体转变。,153,4、典型钢种 BHS-1：C：0.1%， Mn：1.8%， Mo：0.45%， Nb：0.05%。 锻轧后空冷：B + M + F混合组织。 b：1049Mpa，Ak：96J。 淬火：低碳马氏体。 b：1197Mpa， Ak：50J。,154,四、双相钢 1、特点 金相组织是由7080%的细晶多边状铁素体和2030%的马氏体组成，后者以小岛态或纤维状均匀分布在铁素体基体上。 2. 性能 具有优良的深冲性能，是F，F+P类型低合金钢不能满足的。,155,(1) s下降，上升。 （碳含量低，铁素体占80%） (2) b上升 （20%的马氏体） （铁素体的加工硬化） (3) 均匀延伸提高，塑性应变比上升。 （与岛状马氏体的形态分布有关）,156,3. 热处理双相钢 加热：双相区。（740800） 冷却：空冷时岛状因C和合金元素含量高，转变为马氏体。,157,4. 热轧双相钢 热轧冷却时先析出80%以上的铁素体，未转变的奥氏体因C和合金元素含量高，转变为马氏体。,158,§24工程结构钢的冶金工艺特点 一、冶炼工艺 1、氧气炼钢 可降低钢中的含氮量。,159,2、铝终脱氧 (1) 脱氧充分，含氧量低。 (2) 保证Ti、Nb、V的收得率。 (3) 形成AlN，固定钢中的氮，减少应变时效，细化晶粒。,160,3、控制MnS夹杂 (1) 采取脱硫措施，降低含硫量。 (2) 加入稀土元素，生成难以变形的复合硫化物。,161,4、降低杂质，提高纯净度。 (1) 采用钢液真空处理、钢包精炼等炉外精炼新技术。 (2) 加入稀土元素，和杂质元素生成难熔化合物。,162,二、控制轧制和控制冷却 1、传统控制轧制 (1) 特点：控制道次压下量。 (2) 950以上，发生动态再结晶。 (3) 950以下，发生静态再结晶或回复。 (4) 铁素体在形变奥氏体的晶界和晶内形变带上形核，细化铁素体。 (5) 缺点：终轧温度低，轧机负荷大。,163,2、再结晶控制轧制 (1) 特点：以TiN阻止奥氏体晶粒粗化，以V(C,N)为沉淀强化相。 (2) 含钛量控制在0.01-0.02%，保证钢液凝固后从奥氏体中析出弥散分布的TiN，能抑制高温形变后再结晶奥氏体的粗化，经多道形变细化奥氏体。,164,(3) 终轧温度高于950，V(C,N)在奥氏体中无应变诱导析出，而在低温下发生相间沉淀