金属材料学全册配套最完整精品课件.ppt

1、金属材料学全册配套金属材料学全册配套 最完整精品课件最完整精品课件 第第1 1章章 钢的合金化原理钢的合金化原理 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚 合金钢中的相变合金钢中的相变 合金元素对钢强韧性的影响合金元素对钢强韧性的影响 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用 金属材料的环境协调性设计金属材料的环境协调性设计 合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号 重点及基本要求重点及基本要求 第第1章是章是本课程基础和重点，要求本课程基础和重点，要求全全 面面掌

2、握掌握了解了解钢中的常见钢中的常见合金合金元素对元素对钢的钢的 组织、热处理及性能的影响规律，掌握组织、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合金元素的加入对钢的基本强化机制的 影响。影响。 难点难点:合金元素对钢中基本合金相结构合金元素对钢中基本合金相结构 的影响的影响 1.11.1 MeMe和和FeFe的作用的作用 一、钢中的一、钢中的MeMe *表中字体颜色为表中字体颜色为绿色绿色或或深蓝色深蓝色的元素为钢中常见合金元素；的元素为钢中常见合金元素； 字体颜色为字体颜色为深蓝色深蓝色 的元素为钢中常见碳化物形成元素的元素为钢中常见碳化物形成元素 * S, P, A

3、s, Sb, Pb, Sn, Bi通常为有害元素，但通常为有害元素，但S，P， Pb在易切削钢中用来改在易切削钢中用来改 进切削加工性能进切削加工性能 。 A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg B B B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb

4、 Bi Po At Rn 钢中常加入的合金元素钢中常加入的合金元素 1、杂质元素（、杂质元素（impurity- element） 常存杂质常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。 隐存杂质隐存杂质 偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）； ？ 氢氢 脆脆 H 白点。白点。 2、合金元素（、合金元素（all

5、oying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素：钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。 二、二、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-Me相图的变化特点。相图的变化特点。 Me和和Fe的作用：的作用： 1、稳定化元素稳定化元素 使使A3，A4，区扩大区扩大 a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启开启区区 量大时，量大时， 室温为室温为相；相； b) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。 2、稳定化元素

6、稳定化元素 使使A3，A4，区缩小区缩小 a) 完全封闭完全封闭区区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解 b) 缩小缩小区区 Nb等。等。 稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 形成元素。形成元素。 (a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu (c) Cr，V (d) Nb,B等等 合金元素和合金元素和FeFe的作用状态的作用状态 三、三、MeMe对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响 1、对、对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动， F

7、形成元素使形成元素使S、E点向点向左上方左上方移动。移动。 S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小 ； E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低 。 合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响合金元素对共析碳量的影响 2、对临界点的影响、对临界点的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）线向下移动；线向下移动； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向上移动线向上移动 3、对、对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室 温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；

8、奥氏体钢； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高钢在高 温下仍为温下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。 铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 1.2 合金钢中的相组成合金钢中的相组成 一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTi VCrMn CoNiCuCN 溶溶 解解 度度 Fe7 (1340) 无无 限限 无无 限限 376100.20.020.1 Fe0.681.4 12.8 * 无无 限限 无无 限限 无无 限限 8.52.062.8 注：有些元素的固溶度与注：有些元素的固溶度与C C量有关

9、量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么? ? 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径 第四第四 周期周期 TiVCrMnFeCoNiCu 点阵点阵 结构结构 bcc/ hcp bccbccbcc或fcc fcc/ hcp fccfcc 电子电子 结构结构 235567810 原子半径原子半径 /nm 0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128 R，% 14.27.10.83.1 0.82.40.8 注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3d d层电子数；层电子数；2 2、原

10、子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值 （1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶； （2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶； （3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶； （4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%， 可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度极小。，溶解度极小。 结结

11、论论 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规律， 即即Hume-Rothery规律规律 决定组元在置换固溶体中的溶解决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是度因素是点阵结构点阵结构、原子半径原子半径和和电电 子因素子因素，无限固溶必须使这些因素，无限固溶必须使这些因素 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 溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe 。 溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0

12、.077nm。 间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位置优先占据有利间隙位置 畸变为最小。畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满间隙位置总是没有被填满 最小自由能原理。最小自由能原理。 二、间隙固溶体二、间隙固溶体 三、碳（氮）化物及其形成规律三、碳（氮）化物及其形成规律 1 1、钢中常见的碳化物、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很类型、大小、形状和分布对钢的性能有很 重要的作用。重要的作用。 非非K形成元素：形成元素：Ni、Si、Al、Cu等等 K形成元素：形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）由强到弱排列） 钢中常见的钢中常见的K类型有：

13、类型有： M3C：渗碳体，正交点阵；渗碳体，正交点阵； M7C3：例例Cr7C3，复杂六方复杂六方 ； M23C6：例例Cr23C6，复杂立方复杂立方 ； M2C：例例Mo2C、W2C。密排六方密排六方 ； MC：例例VC、TiC，简单面心立方点阵简单面心立方点阵 ； M6C：不是一种金属不是一种金属K。复杂六方点阵复杂六方点阵 。 K也有空位存在也有空位存在 ；可形成复合；可形成复合K , 如如 (Cr,Fe,Mo，)7C3 自然辩证法原理自然辩证法原理 一切化学过程都归结为化学的吸引和排斥一切化学过程都归结为化学的吸引和排斥 的过程。正是由于分子中的过程。正是由于分子中原子之间化学键原子之

14、间化学键的形的形 成和断裂所引起的化合和分解的对立统一，构成和断裂所引起的化合和分解的对立统一，构 成了一切化学运动过程的丰富内容。在化学的成了一切化学运动过程的丰富内容。在化学的 吸引和排斥中，吸引和排斥中，各种化学元素的多种多样性质各种化学元素的多种多样性质 最充分地暴露出来，同时产生出多种多样形态最充分地暴露出来，同时产生出多种多样形态 的化学物质。的化学物质。 复杂点阵结构：复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；熔点较低，稳定性较差； 简单点阵结构：简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性

15、好。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。 M6C型型不属于金属型的碳化物不属于金属型的碳化物, 复杂结构，复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。性能特点接近简单点阵结构。 1 1）K K类型类型 K类型与类型与Me的原子半径有关。的原子半径有关。 各元素的各元素的r rc c/r/rMe Me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 2 2、K K形成的一般规律形成的一般规律 rc/rMe 0.59 复杂点阵结构，如复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成形成Cr7C3、C

16、r23C6、Fe3C、Mn3C等形式的等形式的K； rc/rMe 0.59 简单结构相，如简单结构相，如Mo、W、V、Ti 等，形成等，形成VC等等MC型，型，W2C等等M2C型型 。 Me量少时，形成复合量少时，形成复合K，如如（Cr, M）23C6型型 。 2 2）相似者相溶）相似者相溶 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如如Fe3C，Mn3C (Fe,Mn)3C；TiC VC。 有限溶解：一般有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合都能溶解其它元素，形成复合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. 最大值为最大值为

17、28%Cr， 2%W， 400，Me开始开始 重新分布。非重新分布。非K形成元素仍在基体中，形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进形成元素逐步进 入析出的入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。中，其程度决定于回火温度和时间。 总结：总结： 合金元素在钢中的分布主要取决于以下因素：合金元素在钢中的分布主要取决于以下因素： 合金元素种类和含量合金元素种类和含量 冶金加工方法和热处理制度冶金加工方法和热处理制度 二、二、Me的偏聚（的偏聚（segregation ） 偏聚偏聚 现象现象 Me偏聚偏聚 缺陷处缺陷处C 基体平均基体平均C 这种现象也称为内吸附现象。这种现象也称为内吸附现象。 Me+：

18、溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；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；溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+ ：溶质原子在螺位错吸附形成溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团气团. 能在钢中产生内吸附的元素：能在钢中产生内吸附的元素： Zr，Ni，Mn，Re，P，B，Sb，As，Bi，C，N其中，其中，B最最 强烈强烈 晶晶 内内 缺缺 陷陷 晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响， 如高温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及如高温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及B钢钢 淬透性等淬透性等

19、. 另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关。另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关。 晶晶 界界 HP炉管所用的铸造高温合金铸态微观组织炉管所用的铸造高温合金铸态微观组织 奥氏体奥氏体+ M7C3碳化物（右图为碳化物（右图为M7C3对应的衍射斑点）对应的衍射斑点） 行星架石状断口宏观观察行星架石状断口宏观观察 类韧窝的底部有片状类韧窝的底部有片状AlN结晶体存在结晶体存在 偏聚偏聚 机理机理 溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能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。符合自然界最小自由能原理。 结构学结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原：缺陷处原子排列疏松，

20、不规则，溶质原 子容易存在；子容易存在； 能量学能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能：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，事物总是朝着力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。 热力学热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质：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。原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。 RT E CCexp 0 影响影响 因素因素 缺陷处缺陷处 溶质浓度溶质浓度 温度温度T ：T，

21、内吸附强烈；内吸附强烈； 时间时间t：偏聚偏聚需要需要原子扩散原子扩散需要一定时间需要一定时间； 缺陷本身：缺陷越混乱，缺陷本身：缺陷越混乱，E，吸附也越强烈，吸附也越强烈; 其它元素：间接作用其它元素：间接作用 : 优先吸附问题优先吸附问题 , B与与C 直接作用直接作用: 影响吸附元素影响吸附元素D , MnDP，使，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性；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。则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。 点阵类型：点阵类型：bcc点阵内吸附较点阵内吸附较fcc强烈强烈 1. 1.4 4 合金钢中的相变合金钢中的相变 一、合金钢

22、的加热、合金钢的加热A A化化 二二、过冷过冷A A体的分解体的分解 三三、合金钢的回火转变、合金钢的回火转变 一、合金钢的加热合金钢的加热A A化化 1 1、K K在在A A中的溶解规律中的溶解规律 基基 本本 规规 律律 1）K稳定性越好，溶解度就越小；稳定性越好，溶解度就越小； 2）温度）温度，溶解度，溶解度， 沉淀析出；沉淀析出； 3）K稳定差的先溶解稳定差的先溶解 ; 4）A中有弱中有弱K形成元素，则会形成元素，则会C 活度活度ac ， K的溶解；非的溶解；非K形成元素（如形成元素（如Ni）则相则相 反反,ac，K的溶解。如：较多的溶解。如：较多Mn的存在的存在 使使VC的溶解温度从

23、的溶解温度从1100降至降至900。 碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系 2 2、A体均匀化体均匀化 A体刚形成时，体刚形成时，C和和Me的分布是不均匀的的分布是不均匀的. 合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别 ? 3 3、A体晶粒长大体晶粒长大 1）Ti、Nb、V，W、Mo晶粒长大；晶粒长大； 2）C、N、B晶粒长大；晶粒长大； 3）Mn在低碳钢中在低碳钢中晶粒，中高碳钢中晶粒，中高碳钢中晶粒；晶粒； 4）Ni、Co、Cu作用不大作用不大 。 二二 过冷过冷A A体的分解体的分解 1 1、过冷、过冷

24、A A体的稳定性体的稳定性 过冷过冷A A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和体稳定性实际上有两个意义：孕育期和 相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易 程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。 1）Ni、Si和和Mn，大致保持大致保持 C钢的钢的“C”线形状，使线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；线向右作不同程度的移动； 2） Co不改变不改变“C”线，但使线，但使“C”线左移；线左移； 3）K形成元素，使形成元素，使“C”线右移，且改变形状。线右移，且改变形状。 Me不同作用，使不同作用，使“C”曲线出现

25、不同形状，大致曲线出现不同形状，大致 有五种。有五种。 “C C”曲线五种形状曲线五种形状 常用合金元素对奥氏体等温常用合金元素对奥氏体等温 转变曲线的影响转变曲线的影响 ( (上左上左) ) 强强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形成元素形成元素 2 2、过冷、过冷A A体的体的P P、B B转变转变 lP转变转变 ：需要：需要C和和Me都扩散都扩散 ，Me扩散是扩散是K形核的形核的 控制因素控制因素 影响影响C曲线右移顺序：曲线右移顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si lB转变转变 ：C作短程扩散，作短程扩散，Me几乎没

26、有扩散几乎没有扩散 影响顺序：影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si ，而而W、Mo等影响等影响 很小。很小。 生产上如需获得生产上如需获得B B组织，应选用含组织，应选用含MoMo、W W的钢种。的钢种。 3 3、MeMe对对MsMs的影响的影响 l除除Co，Al外，大多数合金元素外，大多数合金元素固溶在固溶在A中中，均使，均使Ms点点 下降，增加残余下降，增加残余A的含量，其中的含量，其中C的影响最强烈的影响最强烈。 l 顺序：顺序：C，Mn，Cr，Ni，Mo，Si，W 思考题：思考题： W、Mo等元素对贝氏体转变等元素对贝氏体转变 影响不大，而对珠光体转变的推影响不大，而对珠光体转变的推 迟作

27、用大，如何理解迟作用大，如何理解? 对一般结构钢的成分设计时，对一般结构钢的成分设计时， 要考虑其要考虑其MS点不能太低，为什么点不能太低，为什么? 三三 合金钢的回火转变合金钢的回火转变 钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的 不同，淬火组织会发生一系列的组织转变，包括：不同，淬火组织会发生一系列的组织转变，包括： 这几个过程被这几个过程被C和和Me扩散所控制，是相互扩散所控制，是相互 交错进行的，很难截然分开。交错进行的，很难截然分开。 回火过程回火过程 马氏体的分解马氏体的分解 残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解 碳化物的形成、聚集和长大碳化物的形

28、成、聚集和长大 Fe的回复和再结晶的回复和再结晶 1 1、M M分解分解 低温回火：低温回火：C和和Me扩散较困难，扩散较困难，Me影响不大影响不大 中温以上：中温以上：Me活动能力增强，对活动能力增强，对M分解产生不分解产生不 同程度影响同程度影响: 1）Ni、Mn的影响很小；的影响很小； 2）K形成元素阻止形成元素阻止M分解，其程度与它们分解，其程度与它们 与与C的亲和力大小有关。这些的亲和力大小有关。这些Meac，阻止了阻止了 渗碳体的析出长大；渗碳体的析出长大； 3）Si比较特殊：比较特殊： Fe和和C的的结合力结合力 ,a,ac c -FeXC的形核、长大的形核、长大 Si能溶于能溶

29、于，不溶于不溶于Fe3C，Si要从要从中出去中出去 Fe3C 效果效果: 含含2% Si能使能使M分解温度从分解温度从260提高到提高到350以上以上 回火时马氏体中回火时马氏体中C C量的变化量的变化 线线1 -C1 -C钢钢; ; 线线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 金钢金钢; ; 线线3 -3 -含碳化物形成元素的合金钢含碳化物形成元素的合金钢 4 4）合金钢回火时）合金钢回火时M M中含中含C C量变化规律量变化规律 基基 本本 规规 律律 渗碳体形成开始温度基本与合金化无关；渗碳体形成开始温度基本与合金化无关； 含非碳化物形成元素（含非碳

30、化物形成元素（SiSi除外）的合金除外）的合金 钢（线钢（线2 2）和）和C C钢（线钢（线1 1）规律相同；）规律相同； 在相同回火温度在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含下，合金钢马氏体中含 C量要比量要比C钢的高，如图中的钢的高，如图中的C3 C1， ，2 ； ； 不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物 的温度的温度TK是不同的，线是不同的，线3的下降幅度也是的下降幅度也是 不同的。不同的。 2 2、MeMe对残对残A A转变的影响转变的影响 中、高碳钢及合金钢淬火后，组织都有残余中、高碳钢及合金钢淬火后，组织都有残余A，特别是，特别是 合金元素量大时，更

31、是如此。合金元素量大时，更是如此。 低合金钢低合金钢：残：残A在高于在高于200开始分解，于开始分解，于300完成。完成。Me 一般一般 残残A的分解温度。其中的分解温度。其中Cr，Mn，Si作用最大。作用最大。 高合金钢高合金钢：Me多，残多，残A稳定性大，其分解温度一般稳定性大，其分解温度一般 在在500600，且具有转变不完全特性，有时需要，且具有转变不完全特性，有时需要 二次或多次高温回火。二次或多次高温回火。 二次淬火二次淬火：回火时残：回火时残A析出析出K，其，其C和和Me含量下降，含量下降， Ms ，在冷却过程中，可能会转变成，在冷却过程中，可能会转变成M，而使钢回，而使钢回 火

32、硬度高于淬火硬度（如高速钢回火）。硬度升高火硬度高于淬火硬度（如高速钢回火）。硬度升高 的另一原因，是回火时合金的另一原因，是回火时合金K化物析出产生的沉淀化物析出产生的沉淀 硬化，后者有时称为硬化，后者有时称为“二次硬化二次硬化”。 3 3、回火时、回火时K K的形成的形成 各元素明显开始扩散的温度为：各元素明显开始扩散的温度为： Me Si Mn Cr Mo W V T, 300 350 400500 500 500550 1）K长大长大 聚集温度：聚集温度：M3C型，型，350 400；其它；其它K ， 450 600； 2）K成分变化和类型转变成分变化和类型转变 K转变转变 -FeXC

33、 Fe3C M3C 亚稳特殊亚稳特殊K特殊特殊K T, 500 能否形成特殊能否形成特殊K，取决于取决于: Me性质、性质、NM/NC比值；比值； T和和t 。 3）特殊特殊K的形成的形成 原位析出原位析出：M 0 + M3C （中、弱（中、弱K元素）元素） MXCY ( M7C3 , M23C6 ) 异位析出异位析出 ：M S + M3C （强（强K元素）元素） 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 贡献最大贡献最大 钒钢（钒钢（0.3C,2.1V）在在1250淬火不同温度回火淬火不同温度回火 2h，碳化物成分、结构和硬度的变化碳

34、化物成分、结构和硬度的变化 自然辩证法原理自然辩证法原理 自然界运动形式的转化，是一个由量变引起自然界运动形式的转化，是一个由量变引起 质变的过程，这过程是通过渐变和突变实现的。质变的过程，这过程是通过渐变和突变实现的。 渐变往往是突变的前提，在一定条件下，两者可渐变往往是突变的前提，在一定条件下，两者可 以转化。以转化。 事物发展总有主要矛盾事物发展总有主要矛盾, 主要矛盾可转化主要矛盾可转化. 在新、旧物质演化过程中，系统之间往往存在新、旧物质演化过程中，系统之间往往存 在过渡状态或中介类型。在过渡状态或中介类型。 4. 合金元素对合金元素对相回复相回复和再结晶的影响和再结晶的影响 M分解

35、后的分解后的相具有高的位错密度，晶格畸变严重，相具有高的位错密度，晶格畸变严重， 在一定的回火温度下会发生回复和再结晶过程。如：在一定的回火温度下会发生回复和再结晶过程。如： 碳钢高于碳钢高于400 开始回复，开始回复，500 以上开始再结晶。以上开始再结晶。 1 1）合金元素一般延缓）合金元素一般延缓M M分解，即提高分解，即提高相的回复和再相的回复和再 结晶，使钢具有更高的结晶，使钢具有更高的。 2 2）对再结晶温度延缓强弱顺序是）对再结晶温度延缓强弱顺序是: : Mo Mo，W W，CoCo，CrCr，MnMn，SiSi，NiNi 5 5、回火脆性、回火脆性 1) 第第1类回火脆性类回火

36、脆性(200350) 脆性脆性 特征特征 不可逆；不可逆； 与回火后冷速无关；与回火后冷速无关； 晶界脆断。晶界脆断。 产生产生 原因原因 Me 作用作用 Fe3C薄膜在晶界形成；薄膜在晶界形成； 杂质元素杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，等偏聚晶界， 晶界强度。晶界强度。 Mn、Cr脆性；脆性； Si 脆性温度区脆性温度区. V、Al、Mo等改善脆性；等改善脆性； 2 2) ) 第第2 2类回火脆性类回火脆性(450650) 脆性脆性 特征特征 可逆；可逆； 回火后慢冷产生，快冷抑制；回火后慢冷产生，快冷抑制； 晶界脆断晶界脆断 . 产生产生 原因原因 杂质杂质Sb、S、As或或N、P等偏聚晶

37、界；等偏聚晶界； 形成网状或片状化合物形成网状或片状化合物,晶界强度。晶界强度。 高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化 合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。 Me 作用作用 N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；等是脆化剂； Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；与杂质元素共偏聚，是促进剂； Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；促进其它元素偏聚，助偏剂； Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂抑制其它元素偏聚，清除剂 沿晶脆断沿晶脆断 回火后冷速对回火后冷速对30CrMnSi 钢冲击韧度的影响钢冲击韧度的影响 37CrNi3钢回火时硬度与钢

38、回火时硬度与 冲击韧度的变化冲击韧度的变化 在总体上在总体上, ,合金钢和碳钢相比合金钢和碳钢相比 优点优点: : 晶粒细小晶粒细小, , 淬透性高淬透性高, , 回火稳定性好回火稳定性好. . 缺点缺点: : 有回火脆性有回火脆性 Me对相图的影响对相图的影响 Me与与C的作用的作用 Me在材料处理各过在材料处理各过 程中的行为表现程中的行为表现 加热加热 冷却冷却 回火回火 温温 度度 时间时间 一方面要清楚材料处理各过程的演化规律一方面要清楚材料处理各过程的演化规律; ; 另一方面要掌握另一方面要掌握Me在各过程中的作用和影响在各过程中的作用和影响. 为理解为理解Me的作用的作用 要了解

39、钢的基本强化机理要了解钢的基本强化机理. . 1.5 Me对钢强韧化的作用对钢强韧化的作用 一、一、MeMe对钢强化的形式及其机理对钢强化的形式及其机理 强化本质：强化本质： 各种强化途径各种强化途径 塑变抗力塑变抗力位错运动阻力位错运动阻力 钢强度钢强度 畸变应力场；畸变应力场； 位错密度；位错密度； 位错塞积；位错塞积； 钉扎位错。钉扎位错。 固溶强化；固溶强化； 位错强化；位错强化； 细晶强化；细晶强化； 弥散强化。弥散强化。 n i n iiS CKR 1 表达式表达式 对于对于C、N等间隙原子，等间隙原子， n = 0.332.0； 对于对于Mo、Si、Mn等置换式原子：等置换式原子

40、：n = 0.51.0 机理机理 效果效果 提高强度，降低塑韧性提高强度，降低塑韧性 提高了韧脆转变温度提高了韧脆转变温度TK 原子固溶原子固溶 晶格发生畸变晶格发生畸变 产生产生弹性弹性 应力场应力场，与位错交互作用，与位错交互作用位错运动阻力位错运动阻力 1 1、固溶强化、固溶强化 合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响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，但的固溶强化效应大，但Si 1.1%，Mn 1.8%时，时， 钢的塑韧性将有较大的下降。钢的塑韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。固溶强化效应最大。 合金元素对合金元素对Cr18Ni9型不锈钢的强化效应

41、型不锈钢的强化效应 (R.P. Reed. JOM.(1989):16) 2 2、位错强化、位错强化 2 2/ /1 1 D DD D K KR R 表达式表达式 机理机理 位错密度位错密度 位错交割、缠结位错交割、缠结， 有效地阻止了位错运动有效地阻止了位错运动 钢强度。钢强度。 对对bcc晶体，位错强化效果较好晶体，位错强化效果较好 ? ? 效果效果 强化的同时，降低了伸长率，强化的同时，降低了伸长率， 提高了韧脆转变温度提高了韧脆转变温度TK 3 3、细晶强化、细晶强化 2 2/ /1 1 d dK KR R G GG G 表达式表达式 机理机理 晶粒越细晶粒越细 晶界、亚晶界越多晶界、

42、亚晶界越多 有效有效 阻止位错运动，产生阻止位错运动，产生位错塞积强化位错塞积强化。 效果效果 钢的强度，又钢的强度，又塑性和韧度塑性和韧度 这是最理想的强化途径这是最理想的强化途径. 著名的著名的Hall-Petch公式公式 式中，式中，d为晶粒直径，为晶粒直径，KG为系数为系数 晶界处位错塞积现象晶界处位错塞积现象 4 4、第二相强化、第二相强化 1 1 P PH HP PH H K KR R 表达式表达式 机理机理 微粒第二相微粒第二相钉扎钉扎位错运动位错运动强化效果强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。要是绕过机制。 两种情况：回

43、火时弥散沉淀析出强化，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。淬火时残留第二相强化。 效果效果有效提高强度，但稍降低塑韧性。有效提高强度，但稍降低塑韧性。 l 第二相的间距越小强化效果越好；第二相的间距越小强化效果越好； l 第二相弥散度越大强化效果越好；第二相弥散度越大强化效果越好； l 第二相粒子体积分数越大强化效果越好第二相粒子体积分数越大强化效果越好 位错被质点障碍物所挡住位错被质点障碍物所挡住 沉淀强化（沉淀强化（与基体有化学交互作用与基体有化学交互作用）效果大于弥散强化）效果大于弥散强化 在低碳结构钢中各种强在低碳结构钢中各种强 化效果示意图化效果示意图 P PH

44、 HG GD DS Se eL L R RR RR RR RR RR R 0 0 钢宏观强度钢宏观强度 二、合金钢强化的有效性二、合金钢强化的有效性 最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。最终强化有效性取决于强化和弱化的综合结果。 强化强化: 弥散析出弥散析出 RPH |-RS|强度峰值强度峰值 弱化弱化: M分解分解 RPH |-RS|弱化缓慢弱化缓慢 1 1、强化的有效性、强化的有效性 图图 强化和弱化的演变强化和弱化的演变 1- M分解；分解；2-弥散析出；弥散析出；3-综合效应综合效应 2、Me对强化有效性的影响对强化有效性的影响 强化有效性取决于形成弥散相的强化有效性取决于形成弥

45、散相的Me及其量。及其量。 Me量量 弥散相量弥散相量(有足够的有足够的C) 二次硬化二次硬化 例：含例：含0.10.15%C钢，出现强化峰值需钢，出现强化峰值需 0.10.2%V；0.080.12%Nb；2.53.0%Cr 强化强化 弱化弱化 Me最小浓度最小浓度 （临界值）（临界值） K类型类型 含含C量量 V对对40钢回火硬度的作用钢回火硬度的作用 不同含不同含C量量 的的V钢，如钢，如 产生二次硬产生二次硬 化，化，V的临的临 界浓度是不界浓度是不 同的同的，为什为什 么么? 不同的钢在回火过程中不同的钢在回火过程中, , 主要的强化机制有什么变化主要的强化机制有什么变化 规律规律?

46、?主要矛盾是什么主要矛盾是什么? ? 回火温度和钢强化机制的关系（示意）回火温度和钢强化机制的关系（示意） 强化效果强化效果 对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡 献最大。合金钢与献最大。合金钢与C C钢的强韧性差异，钢的强韧性差异， 主要不在于主要不在于MeMe本身的强化作用，而在于本身的强化作用，而在于 MeMe对钢相变过程的影响，并且对钢相变过程的影响，并且MeMe的良好的良好 作用，只有在进行合适的热处理条件下作用，只有在进行合适的热处理条件下 才能充分得到发挥。才能充分得到发挥。 需要充分理解需要充分理解 三、三、MeMe对钢韧性的影响对钢韧性的影响 1、影响

47、韧性的因素影响韧性的因素 强化强化 因素因素 一般情况，钢强度一般情况，钢强度塑韧塑韧, 称为称为强韧强韧 性转变矛盾性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强。除细化组织强化外，其它强 化因素都会程度不同地化因素都会程度不同地韧性。韧性。 危害最大是危害最大是间隙固溶间隙固溶； 沉淀强化沉淀强化较小较小,但对强化贡献较大。但对强化贡献较大。 合金合金 元素元素 Ni韧性韧性(细化晶粒、提高层错能细化晶粒、提高层错能)；Mn 在少量时也有效果；其它常用元素都不在少量时也有效果；其它常用元素都不 同程度同程度韧性韧性 晶粒晶粒 度度 细晶既细晶既S，又又TK, 即即 韧性韧性 最佳组织因素。最佳组织因

48、素。 第二第二 相相 K韧性。韧性。K 小、匀、圆、适量小、匀、圆、适量 工艺努力方向。工艺努力方向。 杂质往往是形变断裂过程中孔洞形成杂质往往是形变断裂过程中孔洞形成 的核心，的核心， 提高钢的冶金质量是必须的。提高钢的冶金质量是必须的。 杂质杂质 合金元素对铁素体合金元素对铁素体 冲击韧度的影响冲击韧度的影响 晶粒大小对强度、韧脆转晶粒大小对强度、韧脆转 变温度变温度TK的影响的影响 20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能钢不同晶粒度的低温冲击性能 2 2、提高钢韧度的合金化途径、提高钢韧度的合金化途径 1）细化晶粒、组织）细化晶粒、组织 如如Ti、V、Mo； 2）回火稳定性回火稳定性 如

49、强如强K形成元素形成元素 ； 3）改善基体韧度）改善基体韧度 Ni ； 4）细化细化K 适量适量Cr、V，使使K小而匀小而匀 ； 5）回脆回脆 W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当）在保证强度水平下，适当含含C量；量； 7） 冶金质量；冶金质量； 8）利用一定量的、稳定的残）利用一定量的、稳定的残A。 自然辩证法原理自然辩证法原理 有一种矛盾起着领导的、决定的作用，规定有一种矛盾起着领导的、决定的作用，规定 或影响着其他矛盾的存在和发展，这种矛盾就称或影响着其他矛盾的存在和发展，这种矛盾就称 为主要矛盾。在事物发展的不同过程中，主要矛为主要矛盾。在事物发展的不同过程中，主要矛 盾也是可以改

50、变的。矛盾双方必有主要的和非主盾也是可以改变的。矛盾双方必有主要的和非主 要的。矛盾的主要方面决定着事物的性质。矛盾要的。矛盾的主要方面决定着事物的性质。矛盾 的主次方面的地位不是一成不变的，在一定条件的主次方面的地位不是一成不变的，在一定条件 下，矛盾的主次方面是可以转化的。下，矛盾的主次方面是可以转化的。 思考题：思考题： 钢中可能的性能主要矛盾钢中可能的性能主要矛盾 是什么是什么? ? 有些零件为什么要有些零件为什么要 经过调质处理，而不直接用经过调质处理，而不直接用 正火态正火态? ? 一一、钢、钢的热处理工艺性的热处理工艺性 淬透性淬透性 指钢淬火时获得指钢淬火时获得M的能力，是钢固