金属材料合金化原理.ppt

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1、奥氏体的形核奥氏体的形核奥氏体的长大奥氏体的长大渗碳体的溶解渗碳体的溶解奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.3 合金元素对钢的组织转变的影响合金元素对钢的组织转变的影响1.3.1 AE对钢加热时奥氏体形成过程的影响对钢加热时奥氏体形成过程的影响 1.AE对奥氏体形成速度的影响对奥氏体形成速度的影响 l非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Co和和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度等提高碳在奥氏体中的扩散速度 Si、Al、Mn对奥氏体的形成速度影响不大。对奥氏体的形成速度影响不大。l强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的

2、亲和等与碳的亲和力较大，减慢了奥氏体的形成速度。力较大，减慢了奥氏体的形成速度。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 碳化物的分解碳化物的分解 稳定性高的碳化物，难溶入奥稳定性高的碳化物，难溶入奥氏体中氏体中。奥氏体的成分均匀化奥氏体的成分均匀化 奥氏体均匀，碳和合金奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散。元素均需扩散。图图1-10 碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系 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42.AE2.AE对奥氏体

3、晶粒长大倾向的影响对奥氏体晶粒长大倾向的影响 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。C C、N N、B B、P P等元素促进奥氏体晶粒的长大等元素促进奥氏体晶粒的长大。晶界偏聚和晶界偏聚和降低晶界铁原子间的结合力降低晶界铁原子间的结合力。MnMn在低碳钢中可以细化珠光体组织，也在低碳钢中可以细化珠光体组织，也可以细可以细化奥氏体晶粒化奥氏体晶粒。在中碳以上钢中，。在中碳以上钢中，MnMn加强了碳促进奥加强了碳促进奥氏体晶粒长大的作

4、用。氏体晶粒长大的作用。Cr Cr对奥氏体晶粒有细化作用。对奥氏体晶粒有细化作用。5 AlAl和和SiSi含量极少时含量极少时，仅以高熔点，仅以高熔点AlNAlN、AlAl2 2O O3 3的非金属夹杂物形式存在，的非金属夹杂物形式存在，可以阻止奥氏可以阻止奥氏体晶粒粗化体晶粒粗化，如下图所示。但当含量足够高，如下图所示。但当含量足够高，作为合金元素溶入固溶体时，可以使钢在高温作为合金元素溶入固溶体时，可以使钢在高温时也为时也为相，促进相，促进相的晶粒粗化。相的晶粒粗化。NiNi、CuCu、CoCo等非碳等非碳化物形成元素，对奥氏体化物形成元素，对奥氏体晶粒的长大影响不大。晶粒的长大影响不大。

5、Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 标准晶粒度等级示意图标准晶粒度等级示意图 1 14 4级为本质粗晶粒钢级为本质粗晶粒钢5 58 8级为本质细晶粒钢级为本质细晶粒钢 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 7总总 之之合金元素对奥氏体晶粒长大主要从三个方面起作用：合金元素对奥氏体晶粒长大主要从三个方面起作用：第一，当合金元素形成未溶、处于第一，当合金元素形成未溶、处于晶界上高度弥散晶界上高度弥散的质点的质点，对奥氏体晶粒的粗化起到阻碍作用。，对奥氏体晶粒的粗化起到阻碍作用。第二，合金元素溶入奥氏体中时，可以第二，合金元素溶入奥氏体中时，可以改变

6、奥氏体改变奥氏体的晶界能的晶界能，因而会改变奥氏体的长大倾向。，因而会改变奥氏体的长大倾向。第三，合金元素溶入奥氏体中可以第三，合金元素溶入奥氏体中可以改变原子间的结改变原子间的结合强度合强度，引起激活能和铁自扩散系数的变化，从而，引起激活能和铁自扩散系数的变化，从而影响奥氏体晶粒的长大。影响奥氏体晶粒的长大。因此，应从以上三个方面综合考虑。因此，应从以上三个方面综合考虑。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 81.3.2 AE对钢的过冷奥氏体分解转变的影响对钢的过冷奥氏体分解转变的影响 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Chapter 1

7、金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 强强K形成元素形成元素 中、弱中、弱K形成元素形成元素 Co非非K形成元素形成元素1.AE对过冷奥氏体稳定性的影响对过冷奥氏体稳定性的影响 （C曲线）曲线）非碳化物形成元素（非碳化物形成元素（Ni、Al、Si、Cu、Co），），C曲曲线仍保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。线仍保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。Ni、Si、Cu使转变孕育期变长，即使转变孕育期变长，即C曲线右移。曲线右移。Al、Co则相反，使则相反，使C曲线左移。曲线左移。碳化物形成元素（碳化物形成元素（Cr、M、W、V）等）等，不仅使，不仅使C曲曲线的位置移动，而且也使线的位

8、置移动，而且也使C曲线的曲线的形状改变形状改变，出现，出现两个鼻温，甚至使珠光体区域和贝氏体区域完全分两个鼻温，甚至使珠光体区域和贝氏体区域完全分开，出现一个过冷奥氏体极端稳定的区间。开，出现一个过冷奥氏体极端稳定的区间。对高温转变（对高温转变（珠光体转变珠光体转变）的影响；）的影响；对中温转变（对中温转变（贝氏体转变贝氏体转变）的影响；）的影响；对低温转变（对低温转变（马氏体转变马氏体转变）的影响。）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 102.AE对高温转变（珠光体转变）的影响对高温转变（珠光体转变）的影响 （1）合金元素对珠光体转变的综合作用）合金元素对珠

9、光体转变的综合作用 强碳化物强碳化物Ti、Nb、V 推迟碳化物的形核和长大。推迟碳化物的形核和长大。中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素W、Mo、Cr推迟碳化物形核推迟碳化物形核和长大，还通过增加固溶体原子间结合力、降低铁原和长大，还通过增加固溶体原子间结合力、降低铁原子的自扩散而减慢子的自扩散而减慢转变。转变。弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素Mn推迟珠光体转变时合金渗碳推迟珠光体转变时合金渗碳体的形核和长大，同时体的形核和长大，同时Mn又是扩大又是扩大相区的元素，起相区的元素，起稳定奥氏体并强烈推迟稳定奥氏体并强烈推迟转变的作用。转变的作用。Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的

10、合金化原理 非碳化物形成元素非碳化物形成元素Ni、Co Ni是开启是开启相区并稳定相区并稳定奥氏体的元素，增加奥氏体的元素，增加相的形核功，降低转变温度。相的形核功，降低转变温度。Co由于促进铁的扩散，因而增加由于促进铁的扩散，因而增加相长大速度。相长大速度。(2)AE对对珠光体转变珠光体转变(淬透性淬透性)的影响的影响 除除Co外，几乎所有的合金元素使外，几乎所有的合金元素使C曲线右移曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。型的转变）。C曲线右移的结果，降低了钢曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。合金的临界冷却速度

11、，提高了钢的淬透性。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度及其可能的溶解量。用强度及其可能的溶解量。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 l碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的变的C曲线。曲线。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 l合

12、金元素还改变贝氏体转变动力学过程合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转增长转变孕育期，减慢长大速度变孕育期，减慢长大速度。碳、硅、锰、镍、铬的作用碳、硅、锰、镍、铬的作用较强较强钨、钼、钒、钛的作用钨、钼、钒、钛的作用较小较小3.对中温转变（对中温转变（贝氏体转变贝氏体转变）的影响）的影响 合金元素的作用表现在对马氏体点合金元素的作用表现在对马氏体点MsMf温温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。氏体的精细结构。l除除Co、Al以外，以外，绝大多数合金元绝大多数合金元素都使素都使Ms和和Mf下降下降1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理

13、Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 4.对低温转变（对低温转变（马氏体转变马氏体转变）的影响）的影响 u合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响产生很大影响残余奥氏体量过高（有时残余奥氏体量过高（有时达达30%-40%）时，钢的硬度降低，疲劳抗）时，钢的硬度降低，疲劳抗力下降。力下降。u对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度下（温度下（Ms点远低于室温或零下）获得稳点远低于室温或零下）获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。通常是加入镍、

14、锰、铬、碳、体形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。氮等元素。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u对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要进行附加的处理进行附加的处理：冷处理冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得用干冰与酒精混合可获得-70的低温。的低温。多次回火多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析过程中残余奥氏体发生合金碳化物的

15、析出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的氏体的Ms、Mf点升高，而在回火后的冷却过程中，点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。使残余奥氏体量减少。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 l合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构。合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构。Fe-C系合金系合金分界温度约为分界温度约为200 u当当Ms点温度较高时点温度较高时，由于滑移的临界分切应力较低，

16、由于滑移的临界分切应力较低，在在Ms点以下形成位错结构的马氏体；点以下形成位错结构的马氏体；u在在Ms点温度较低时点温度较低时，孪生分切应力低于滑移临界分切，孪生分切应力低于滑移临界分切应力，则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。应力，则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。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 n一般钢中碳或氮一般钢中碳或氮w(C)0.2的钢都是位错马氏体，的钢都是位错马氏体，w(C)0.6的钢为孪晶马氏体。合金元素如锰、铬、的钢为孪晶马氏体。合金元素如锰、铬、镍、钼或钴都使镍、钼或钴都使Ms和和Mf下降，增加形成孪晶马氏下降，增加形成孪晶马氏体倾向。体倾向。马氏体形态与含碳量的关系马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1.2%C5合金元素合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在主要表现在提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性，即，即钢对回火时钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更