金属材料科学(第一章 钢的合金化)2PPT课件

拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
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46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
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50、环堵萧然，不蔽风日ຫໍສະໝຸດ 短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
钢的合金化原理
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿

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1.1 碳钢概论
13
Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢 ）
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法
牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质 量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、 TZ）等四个部分按顺序组成。

标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；
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1.1 碳钢概论
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
2-优质碳素结构钢
（1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零 件的力学性能。 （2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火 等状态，一般随用户需要而定。 （3）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两 位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中 硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化 学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。
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1.1 碳钢概论
6
一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）
2．硫（S）和磷（P）的影响
Chapter 1 金属材料的合金化原理
S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。 S 和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。
P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈 地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高 钢在大气中的抗腐蚀性能。 S和P还可以改善钢的切削加工性能。
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1.1 碳钢金化原理
三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）
（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。

第一章钢的合金化概论1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？P1P2①S和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性②P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在在冷加工过程中产生冷脆性③杂质元素S、P容易偏聚于晶界，降低晶界结合强度，导致合金钢的回火脆性2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？P12简单点阵结构：硬度较高、熔点较高、稳定性较好。

复杂点阵结构：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。

3.简述合金钢中碳化物形成规律。

P13①强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物②碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难③NM/NC比值决定了碳化物类型④当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构⑤相似者相溶：形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸和电子因素都相似,则两者的K可以完全互溶，否则有限溶解4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？P9①扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动②封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动③S点左移意味着共析C量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。

①退火态：非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。

优先形成碳化物，余量溶入基体。

②淬火态：Me的分布与淬火工艺有关。

溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。

③回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。

非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ P18Ti、Nb、V等强K形成元素好处：细化晶粒，使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？P30结构钢中，提高马氏体淬透性作用的元素从大到小排列：（B）Mn、Mo、Cr、Si、Ni等作用：①使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求②淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？P28P32提高回火稳定性的合金元素：V、Mo、W、Cr、Mn、Si①使合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度②或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？P24P34第一类回火脆性原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；杂质元素S、P、Bi等偏聚于晶界，降低了晶界的结合强度。

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）
5
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。
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，%
20
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）
α-Fe与δ-Fe相区合并
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）。
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扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γ
A1 α
Fe
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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。
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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。

1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
图1-1 扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
三、合金元素与铁的相互作用
②扩展γ相区(有限扩大γ相区)（图1-2） ������ 虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合 金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3 （GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使γ相 区完全开启。 ������ 这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。 γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量） 范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这 构成了钢的整个热处理的基础。
注意：Cr、Ni同时存在，Cr反而促进奥氏体形成。
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
课堂作业：
1）不锈钢中Cr、Ni的作用是什么？为什么 1Cr13也是不锈钢？ 2）Mn13 为什么常用于挖掘机镐齿、破碎机颚 板？
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
四、合金元素与碳的相互作用
碳化物是钢的重要强化相。碳化物形成元素都 属于过渡族金属，周期表中位于铁的左侧。
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
二、合金元素的分类
2. 按照与碳相互作用的特点： （1）碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Nb、Zr等 （2）非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Cu、P等
Ni、Cu、C——提高奥氏体层错能
Mn、Cr ——降低奥氏体层错能
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
1. 2 合金元素与铁和碳的e有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)
1. 2 合金元素与铁和碳的相互作用
γ稳定化元素

rC/rM与 e 碳化 ＞ ＜ 物 0 0..5 5种 9 9 复 简 类杂 单点 点阵 阵M碳 碳 形 C 畸 化 化 T ， 变 i、 物 物 CVC ， ：点阵
含 量 稍 很高 低： ：形 置成 换 F ， ， eF 多 渗 如 2M e 形 元 碳 4C o（ 成 M 碳 体 6C 合 形 化 中 金 （ ） F 物 的 F2e 渗 W 1 e 、 2） C C 3C 6(碳 M r2C 36 体 ) ，如
同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是 铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。
(二)合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物，还是形成固溶体？ 取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy △G 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。 碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。
按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元
素分为两大类： 扩区 大A ： 4点 ， A3点 ， 区扩 A 大 形成元素 缩区 小A ： 4点 ， A3点 ， 区缩 F小 形成元素
为什么有的合金元素扩大γ区，而有的缩小γ区呢? 取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
(1)硬度：
碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。 如TiC，硬度最高。
易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体 或渗碳体

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4. 学习要求 掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、 组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料 的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和 用途。 能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役 条件，具有合理选用材料，正确确定热处理技术 条件的知识。 能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防 热处理缺陷的措施。
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
主要 内容
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对 钢 的 合 金 化
号合 方金 法钢 的 编
基 本 概 念
影铁 合 响碳 金 相元 图素 的对
存 在在 形钢 式种 的 Me
布 状不 态同 热 的处 分理 Me
Steel
Cast Iron
2% C 3% C 4% C 5% C 6% C
中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%
400 C Fe
1% C
6.70% C
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Chapter 1 金属材料的合金化原理
2. 合金元素对 Fe-Fe3C 相图的影响
1）合金元素对奥氏体相区、铁素体相区的影响 Ni、Co、Mn 等扩大铁碳相图中奥氏相区。当 Ni或 Mn 的含量高时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，如 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、 Mn13 高锰耐磨钢等； Cr、W、Mo、V、Ti、Si 等缩小铁碳相图中奥氏体相 区。Cr、Ti、Si 等当其超过一定含量后，可获得单相铁素钢 ，例如 1Cr17Ti 高铬铁素体不锈钢。
V 形成以α-Fe 为基的无限固溶体；Mo 和 W 形成较宽溶 解度的有限固溶体；Ti、Nb、Ta形成具有较窄溶解度的有限 固溶体；Zr、Hf、Pb在 Fe 具有很小的溶解度。

A体刚形成时，C和Me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 ?
三、A体晶粒长大
1）Ti、Nb、V强碳化物形成元素强烈↓↓A， W、Mo↓A晶粒长大；
2）C、N、B、P↑A晶粒长大 （在A晶界偏聚，↓晶界Fe自扩散Q）；
3）Ni、Co、Cu等非K形成元素作用不大 。
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1.5 Me在钢中的存在形式
一、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
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2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti
Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 ?
W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— A形成元素。
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铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
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1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
Me 合金元素Ti 在铁点V 阵中Cr的固M溶n 情C况o Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限