《南航金属材料学》课件：Ch1 金属材料的合金化原理-2.ppt

1、五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响 加入加入Me的主要目的：的主要目的：使钢具有更优异的使钢具有更优异的1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 力学性能力学性能使用性能使用性能耐腐蚀性、耐热性耐腐蚀性、耐热性强强度度塑塑性性韧韧性性耐耐腐腐蚀蚀性性热热强强性性抗抗氧氧化化性性耐热性耐热性工艺性能工艺性能铸铸造造性性能能锻锻压压性性能能焊焊接接性性能能热热处处理理性性能能切切削削性性能能Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合

2、金元素对钢的性能的影响 1Me对钢的强度的影响对钢的强度的影响钢中钢中Me的强化作用主要有以下四种方式：的强化作用主要有以下四种方式：（1）固溶强化固溶强化（2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）（3）第二相强化第二相强化（4）位错强化位错强化通过对这四种方式单独或综合加以运用，通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。便可以有效地提高钢的强度。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （1）固溶

3、强化固溶强化固溶强化的出发点是以合金元素作为溶质原子固溶强化的出发点是以合金元素作为溶质原子阻碍位错运动阻碍位错运动。其。其强化机制强化机制为：为：l由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。增大了位错运动的阻力，从而导致强化。l此外，溶质原子还可以通过与位错的电、化学此外，溶质原子还可以通过与位错的电、化学交互作用而阻碍位错运动。交互作用而阻碍位错运动。 1

4、.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 溶质原子的类型：溶质原子的类型：l间隙溶质原子的强化效应间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子远比置换式溶质原子强烈，其强化作用相差强烈，其强化作用相差10100倍，因此，间隙倍，因此，间隙原子如原子如C、N是钢中重要的强化元素。是钢中重要的强化元素。l置换式溶质原子的固溶强化效果置换式溶质原子的固溶强化效果在工程用钢中在工程用钢中不可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元不可忽视。能

5、与铁形成置换式固溶体的合金元素很多，如素很多，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等。这等。这些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化效果增大，尤其是以叠加，使总的强化效果增大，尤其是Si、Mn的强化作用更大。的强化作用更大。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）晶界强化的机制是：晶界强化的机制是：l一方面一方面，由于

6、晶界两侧晶粒变形的不协调性，由于晶界两侧晶粒变形的不协调性，在晶界附近诱发的位错称为几何上需要的位在晶界附近诱发的位错称为几何上需要的位错。错。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 l另一方面另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。性，阻碍了位错的运动。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属

7、材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） 晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果就越好。这一关系可用就越好。这一关系可用Hall-Petch关系表示关系表示0sK1-2sd在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近。这种在晶界附近产生的位错塞积群界附近。这种在晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力。此反作会对晶内的位错源产生一反作用力。此反作用力随位错塞积的数目用力随位错塞积的数

8、目n而增大：而增大：0kLnGbChapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理利用晶界强化的主要途径有：利用晶界强化的主要途径有：l利用利用Me改变晶界的特性，提高改变晶界的特性，提高Ks值值。为此，可。为此，可向钢中加入表面活性元素如向钢中加入表面活性元素如C、N、Ni和和Si等，以等，以便在便在-Fe晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的能力；能力；l利用利用Me细化晶粒，通过减小晶粒尺寸增加晶

9、界细化晶粒，通过减小晶粒尺寸增加晶界数量数量。常用的方法是向钢中加入。常用的方法是向钢中加入Al、Nb、V、Ti等元素，形成难熔的第二相质点，阻碍奥氏体晶等元素，形成难熔的第二相质点，阻碍奥氏体晶界移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒。界移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒。l用热处理方法用热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化及，如正火、反复快速奥氏体化及控制轧制等措施。控制轧制等措施。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理

10、实例：实例：l对于珠光体来说对于珠光体来说，为了达到强化目的，需向，为了达到强化目的，需向钢中加入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素钢中加入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素Cr、Mn、Mo等，使等，使C曲线右移，在同样的曲线右移，在同样的冷却条件下，可以得到片间距细小的珠光体，冷却条件下，可以得到片间距细小的珠光体，同时还可起到细化铁素体晶粒的作用，从而同时还可起到细化铁素体晶粒的作用，从而达到强化的目的。达到强化的目的。l同样，同样，对于马氏体强化来说对于马氏体强化来说，也包含有马氏，也包含有马氏体晶粒细化来强化钢的目的。体晶粒细化来强化钢的目的。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对

11、钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （3）第二相强化第二相强化第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：错遇到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：l位错切过第二相粒子粒子：位错切过第二相粒子粒子：第二相粒子的特点第二相粒子的特点是可变形，并与母相具有共格关系，这种强化方式是可变形，并与母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，故有与淬火时效密切相关，故有沉淀强化沉淀强化之称

12、。之称。l沉淀强化沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中加入在马氏体时效钢中加入Ti和和Mo，形成形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果。理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （b）Al-Li合金中位错切割合金中位

13、错切割Al3Li相的电镜照片相的电镜照片（a）位错切割第二相粒子的机制）位错切割第二相粒子的机制五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理可变形微粒的强化作用（位错切过机制）可变形微粒的强化作用（位错切过机制）l位错绕过第二相粒子粒子：位错绕过第二相粒子粒子：第二相粒子不参与变第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。当位错遇到第二相粒子形，与基体有非共格关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加

14、时，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有入的，不溶于基体，故有弥散强化弥散强化之称。之称。这样的滑这样的滑移变形才能继续进行，这一过程要消耗额外的能量，移变形才能继续进行，这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。故需要提高外加应力，所以造成强化。 l弥散强化弥散强化是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。这钢及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。这时合金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使时合金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使碳化物呈细小均匀弥散分布。碳化物呈细小均

15、匀弥散分布。五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理不可变形微粒的强化作用不可变形微粒的强化作用奥罗万机制（位错绕过机制）奥罗万机制（位错绕过机制）（a）位错绕过第二相粒子的机制）位错绕过第二相粒子的机制（b）Ni合金中位错绕过合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片相的电镜照片1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响）

16、 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 |总之，第二相强化机制比较复杂，不总之，第二相强化机制比较复杂，不仅要考虑第二相的仅要考虑第二相的大小大小、数量数量、形态形态、分布分布等方面的影响，而且还要考虑第等方面的影响，而且还要考虑第二相的二相的性质性质。这除了涉及到。这除了涉及到热处理参热处理参数数的直接影响外，还涉及到的直接影响外，还涉及到合金元素合金元素的影响。合金元素的作用主要是为形的影响。合金元素的作用主要是为形成所需要的第二相粒子提供成分条件。成所需要的第二相粒子提供成分条件。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的

17、性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （4）位错强化位错强化金属中位错密度提高，则位错运动时易于发金属中位错密度提高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。这种用增加成困难，从而提高了钢的强度。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。位错所造成的强化量与金属中位错密度的平位错所造成的强化量与金属

18、中位错密度的平方根成正比，可表示为方根成正比，可表示为21Gb1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 细化晶粒细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。为此，为此，宜向钢中加入细化晶粒的合金元素宜向钢中加入细化晶粒的合金元素。形成第二相粒子形成第二相粒子。当位错遇到第二相粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留

19、下位错时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。为此，圈，使位错数量迅速增多。为此，宜向钢宜向钢中加入强碳化物形成元素中加入强碳化物形成元素。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 合金元素强化金属材料的主要途径合金元素强化金属材料的主要途径促进淬火效应促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构。为此，体，造成位错型亚结构。为此，宜向钢中宜向钢中加入提高淬透性的合金元

20、素加入提高淬透性的合金元素。降低层错能降低层错能。通过降低层错能，使位错易。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，于扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，防止交叉滑移。为此，宜向钢中加入降低宜向钢中加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子层错能的合金元素形成第二相粒子。五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳和合金

21、元素，产生很强的和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化固溶强化效应效应；马氏体形成时产生高密度位错，马氏体形成时产生高密度位错，位错强位错强化效应很大化效应很大；1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生小的、取向不同的马氏体束，产生细晶细晶强化效应强

22、化效应。淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的生强烈的析出强化效应析出强化效应。|由此可知，马氏体强化充分而合理地利由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。和最有效的强化方法。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） l提高淬透性提高淬透

23、性。l提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微细晶物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度位错保持到较高的温度。粒及高密度位错保持到较高的温度。l使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。|由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主要由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用也只有经过适当的热处理才能元素的良好作用也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来充分发挥出来。 1.2 钢的合金化原理钢

24、的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（1 -合金元素对钢的强度的影响合金元素对钢的强度的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 合金元素加入钢中的目的合金元素加入钢中的目的2合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响为什么要研究为什么要研究Me对钢的塑性、韧性的影响？对钢的塑性、韧性的影响？l塑性的好坏不仅涉及到钢的冷变形工艺塑性的好坏不仅涉及到钢的冷变形工艺性能；性能；l塑性的好坏还会影响钢使用的安全性塑性的好坏还会影响钢使用的安全性。因此，有必要深入理解因此，有必要深入理解Me对钢的塑性和韧性影对钢的塑性和韧性

25、影响的机制，以便提高合理选用响的机制，以便提高合理选用Me的能力。的能力。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 2.合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响（1）Me对钢的塑性的影响及其改善途径对钢的塑性的影响及其改善途径 在在-Fe中固溶中固溶Me时，时，一般都使钢的塑性下一般都使钢的塑性下降降。 少量的少量的Ti、V、Nb等微量元素以固定间隙等微量元素以固定间隙原子原子C和和N ，使

26、之不向位错偏聚，位错的可，使之不向位错偏聚，位错的可动性提高，从而改善钢的塑性动性提高，从而改善钢的塑性。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 合金元素形成的合金元素形成的第二相粒子第二相粒子的的性质性质、尺寸尺寸、形状、形状、数量数量和和分布分布特点也会影响钢的塑性。特点也会影响钢的塑性。某些某些Me细化晶粒，使应力集中减弱，推迟细化晶粒，使应力集中减弱，推迟孔坑或微裂纹的形成。例如，在工具钢中加孔坑或微裂

27、纹的形成。例如，在工具钢中加入细化晶粒的合金元素，对塑性改善或提高入细化晶粒的合金元素，对塑性改善或提高断裂抗力会有一定好处，这是工具钢合金化断裂抗力会有一定好处，这是工具钢合金化的一个主要的出发点。的一个主要的出发点。五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理（2）Me对钢的韧性的影响及其改善途径对钢的韧性的影响及其改善途径由于金属材料断裂有不同的断裂机制，因此由于金属材料断裂有不同的断裂机制，因此改善和提高韧

28、性的途径也有所不同。改善和提高韧性的途径也有所不同。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （a）延性断裂）延性断裂 （b）解理断裂）解理断裂 （c）沿晶断裂）沿晶断裂图图1-19 三种基本断裂形式的示意图三种基本断裂形式的示意图l延性断裂延性断裂的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的微观机制是微孔坑的形成、聚集和长大的过程。的过程。l解理断裂解理断裂抗力与晶粒抗力与晶粒大小大小有关。晶粒越细，则位错有关。晶粒

29、越细，则位错塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理断塞积的数目下降，便不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性增高裂不易产生，因而韧性增高。l沿晶断裂沿晶断裂是晶界弱化而引起的：是晶界弱化而引起的：溶质原子（如溶质原子（如P、As、Sb、Sn）在晶界上偏聚；在晶界上偏聚；第二相质点（如第二相质点（如MnS、Fe3C等）沿晶界分布。等）沿晶界分布。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 提高提高延性断裂

30、延性断裂抗力的主要途径：抗力的主要途径：减少钢中第二相的数量减少钢中第二相的数量，特别是夹杂物数量特别是夹杂物数量，改善改善第二相粒子第二相粒子的的性质性质、尺寸尺寸、形状形状和和分布分布；提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶提高基体组织的塑性，宜减少基体组织中固溶强化效果大的合金元素，如降低强化效果大的合金元素，如降低Si、Mn、P、C、N的含量；的含量；提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧提高组织的均匀性，如对淬火回火钢，改善韧性的主要措施是提高回火温度，故而发展了调性的主要措施是提高回火温度，故而发展了调质钢。质钢。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响

31、五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 提高提高解理断裂解理断裂抗力的主要途径：抗力的主要途径：细化晶粒。如通过正火、控制轧制、加入细化细化晶粒。如通过正火、控制轧制、加入细化晶粒的合金元素；晶粒的合金元素；钢的解理断裂有一个很重要的特性钢的解理断裂有一个很重要的特性冷脆现冷脆现象，即当试验温度低于某一温度时，材料有塑象，即当试验温度低于某一温度时，材料有塑性转变为脆性，这种现象称为冷脆。性转变为脆性，这种现象称为冷脆。向钢中加向钢中加入入Ni元素可以显著降低钢的元素可以显

32、著降低钢的TC ；更换基体组织而采用没有冷脆现象的面心立方更换基体组织而采用没有冷脆现象的面心立方-Fe为基的奥氏体钢。为基的奥氏体钢。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 提高提高沿晶断裂沿晶断裂抗力的主要途径：抗力的主要途径：防止溶质原子沿晶界分布，如加入合金元素防止溶质原子沿晶界分布，如加入合金元素Mo、Ti或或Zr，这几个元素与杂质元素有更强这几个元素与杂质元素有更强的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界

33、偏聚，的交互作用，可以抑制杂质元素向晶界偏聚，从而减轻回火脆性倾向从而减轻回火脆性倾向；防止第二相沿晶界析出，如减少钢中防止第二相沿晶界析出，如减少钢中S含量或含量或加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物，在高温加入稀土元素形成难熔的稀土硫化物，在高温加热时不会熔解，可防止加热时不会熔解，可防止MnS在晶界析出。在晶界析出。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（2 -合金元素对钢的塑性、韧性的影响合金元素对钢的塑性、韧性的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 3合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的

34、影响1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 材料失效的主要形式材料失效的主要形式磨损磨损腐蚀腐蚀疲劳疲劳疲劳疲劳：材料在应力或应变的反复作用下所发生的：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。性能变化叫疲劳。磨损：磨损：材料接触表面在相对运动中由于机械、间材料接触表面在相对运动中由于机械、间或伴有化学作用而产生的不断损耗现象。或伴有化学作用而产生的不断损耗现象。（1）金属腐蚀的基本概念）金属腐蚀的基本概

35、念腐蚀腐蚀是在外界介质的作用下使金属逐渐受到是在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的过程。破坏的过程。l腐蚀按照其化学原理可分为两类：腐蚀按照其化学原理可分为两类：电化学腐蚀：电化学腐蚀： Fe-3eFe3+ 6H+6e=3H2化学腐蚀：化学腐蚀：4Fe+3O22Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+H2五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理化学腐蚀的特点：化学腐蚀的特点：不产生腐蚀电流，在反不产生腐蚀电流，

36、在反应表面形成一层化学生成物。应表面形成一层化学生成物。氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质是化是化学腐蚀的重要特征。学腐蚀的重要特征。l致密的氧化物膜（钝化膜）致密的氧化物膜（钝化膜）能阻止进一步能阻止进一步的腐蚀；的腐蚀；l不连续的或者多孔状的氧化膜不连续的或者多孔状的氧化膜对基体金属对基体金属没有保护作用。没有保护作用。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 l例如，有些金属氧化物

37、，如例如，有些金属氧化物，如Mo2O3、WO3在高温下具有挥发性，完全没有覆盖基在高温下具有挥发性，完全没有覆盖基体的保护作用。体的保护作用。因此要提高金属耐化学腐蚀的能力，主要因此要提高金属耐化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其它方法，在金属表面形是通过合金化或其它方法，在金属表面形成一层稳定的、完整的、致密的并与基体成一层稳定的、完整的、致密的并与基体结合牢固的氧化膜（也称钝化膜）。结合牢固的氧化膜（也称钝化膜）。 五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合

38、金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理电化学腐蚀的特点：电化学腐蚀的特点：有液体电介质存在，有液体电介质存在，不同金属或不同相之间有电极电位差并连通不同金属或不同相之间有电极电位差并连通或接触，同时有腐蚀电流产生。或接触，同时有腐蚀电流产生。l在金属材料中，电化学腐蚀是由在金属材料中，电化学腐蚀是由金属材料中金属材料中不同相之间的电极电位的不同，在介质存不同相之间的电极电位的不同，在介质存在时构成原电池在时构成原电池而产生的。而产生的。l在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。蚀。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、

39、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） 图图1-20 珠光体组织发生电化学腐蚀的示意图珠光体组织发生电化学腐蚀的示意图a) 珠光体的电化学腐蚀原理珠光体的电化学腐蚀原理 b) 珠光体的微电池腐蚀珠光体的微电池腐蚀 c) 珠光体组织的成像珠光体组织的成像 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （2）钢铁

40、材料腐蚀的基本类型）钢铁材料腐蚀的基本类型均匀腐蚀：均匀腐蚀：腐蚀发生在金属裸露的整个表腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的整个工作面上。又称一面上或零件使用的整个工作面上。又称一般腐蚀或连续腐蚀。般腐蚀或连续腐蚀。 晶间腐蚀：晶间腐蚀：晶界的电极电位低于晶内，导晶界的电极电位低于晶内，导致晶界比晶内腐蚀程度大。致晶界比晶内腐蚀程度大。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 点腐蚀：点腐蚀：在金属表面上极局

41、部区域由于氯离在金属表面上极局部区域由于氯离子或氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它子或氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它是由钝化膜的局部破坏所引起的。又称点蚀是由钝化膜的局部破坏所引起的。又称点蚀或孔蚀。或孔蚀。应力腐蚀：应力腐蚀：在张应力状态和特定的腐蚀介质在张应力状态和特定的腐蚀介质（主要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介（主要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介质）作用下，材料发生破裂的现象。质）作用下，材料发生破裂的现象。氢脆：氢脆：在张应力状态作用下的金属合金，发在张应力状态作用下的金属合金，发生腐蚀吸收阴极析出的氢（或其它氢）导致生腐蚀吸收阴极析出的氢（或其它氢）导致的脆化破裂。的脆化破

42、裂。五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理腐蚀疲劳：腐蚀疲劳：在腐蚀介质和交变载荷共同作用在腐蚀介质和交变载荷共同作用下发生的破坏。下发生的破坏。磨损腐蚀：磨损腐蚀：在同时存在着腐蚀和机械磨损时，在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。另外，由于宏观电池作用也会产生腐蚀。例另外，由于宏观电池作用也会产生腐蚀。例如，金属构件中铆钉与铆接材料不同、异种如，金属构件

43、中铆钉与铆接材料不同、异种金属的焊接、船体与螺旋桨材料不同等因电金属的焊接、船体与螺旋桨材料不同等因电极电位差别而造成的腐蚀。极电位差别而造成的腐蚀。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （3）极化与提高钢的耐蚀性能的途径）极化与提高钢的耐蚀性能的途径腐蚀速度腐蚀速度应取决于单位时间内从阳极上溶解应取决于单位时间内从阳极上溶解的金属离子数的金属离子数，即等于单位时间内导线中，即等于单位时间内导线中流过的电量。流

44、过的电量。在腐蚀之后，在腐蚀之后，阴、阳极的电位会发生变化阴、阳极的电位会发生变化，即向着电位差缩小的方向变化，使原电池即向着电位差缩小的方向变化，使原电池的电动势减小，这种电极电位的变化称为的电动势减小，这种电极电位的变化称为极化极化。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 n阳极电位向正的方向的变化称为阳极电位向正的方向的变化称为阳极极化阳极极化。n阴极电位向负的方向的变化称为阴极电位向负的方向的变化称为阴极极

45、化阴极极化。浓差极化浓差极化产生极化的原因产生极化的原因电阻极化电阻极化活化极化活化极化五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理产生阳极极化的原因产生阳极极化的原因主要是由于在腐蚀主要是由于在腐蚀过程中形成有保护作用的钝化膜阻碍了阳过程中形成有保护作用的钝化膜阻碍了阳极金属和溶液的直接接触，使金属形成离极金属和溶液的直接接触，使金属形成离子的速度减慢，因而降低了阳极表面的电子的速度减慢，因而降低了阳极表面的电荷密度

46、，从而升高了阳极的电极电位。荷密度，从而升高了阳极的电极电位。1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 电阻极化电阻极化活化极化活化极化浓差极化浓差极化产生阴极极化的原因产生阴极极化的原因主要是消耗电子的主要是消耗电子的阴极过程受阻，使阴极的电子造成堆积，阴极过程受阻，使阴极的电子造成堆积，升高了阴极表面的电荷密度，从而导致阴升高了阴极表面的电荷密度，从而导致阴极电位变负。极电位变负。活化极化活化极化浓差极化浓差极化

47、五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 腐蚀极化图腐蚀极化图是研究电化学腐蚀的重要工具，是研究电化学腐蚀的重要工具，用途很广。例如，利用极化图可以确定腐用途很广。例如，利用极化图可以确定腐蚀的主要控制因素、解释腐蚀现象、分析蚀的主要控制因素、解释腐蚀现象、分析腐蚀过程的性质和影响因素、判断添加剂腐蚀过程的性质和影响因素

48、、判断添加剂的作用机理，以及用图解法计算多电极体的作用机理，以及用图解法计算多电极体系的腐蚀速度等。可以说，极化图是腐蚀系的腐蚀速度等。可以说，极化图是腐蚀科学最重要的理论工具之一科学最重要的理论工具之一 五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapte

49、r 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 常用的铁、铬、镍、钛等金属的阳极极化常用的铁、铬、镍、钛等金属的阳极极化过程具有独特的极化形式（过程具有独特的极化形式（相同的规律相同的规律）：）：随着阳极极化电位升高，随着阳极极化电位升高，腐蚀电流不是均匀降低，腐蚀电流不是均匀降低，而是先增加，然后减少到而是先增加，然后减少到最小，并保持这个电流经最小，并保持这个电流经一定的电位升高阶段，然一定的电位升高阶段，然后电流再增加。这类极化后电流再增加。这类极化曲线称为曲线称为具有活化钝化转具有活化钝化转变的阳极极化曲线变的阳极极化曲线。由此可见，极化的作用对提高金属材由此可见，极化的作用对提高金

50、属材料的耐蚀性意义很大。料的耐蚀性意义很大。l一切增强阳极极化或阴极极化的因素一切增强阳极极化或阴极极化的因素都能提高金属材料的耐蚀性能；都能提高金属材料的耐蚀性能；l或者说一切去阳极极化或去阴极极化或者说一切去阳极极化或去阴极极化的因素都降低金属材料的耐蚀性能。的因素都降低金属材料的耐蚀性能。 五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响（3 -合金元素对钢的腐蚀性能的影响合金元素对钢的腐蚀性能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理n从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解决从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解决金