钢铁材料第一章课件.ppt

1.2 钢中合金元素 加入适当化学元素改变金属性能的方法叫做合金化。为了合金化的目的而特定在钢中加入含量在一定范围的化学元素称为合金元素。这种钢叫合金钢。 合金元素除碳、氮和硼以外，都与铁形成置换固洛体，它们扩大或缩小γ相区的作用与该元素在周期表中的位置有关。有利于扩大γ相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在共多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电负性相近，与铁的原于尺寸相近。在形成铁基固溶体时，d层电子是主要参加形成固溶体金属键合的电子。 以第四周期元素为例，其中过渡族元素由钛到铜，随着原子序数的增高，元素的晶体点阵由体心立方向面心立方转变、其中钛、钒和铬具有体心立方点阵；锰、铁和钴在其多型件转变中都存在面心立力点阵。镍和铜只有单一的面心立方点阵。从其d层电子数来看，从钛到铜，3d层电子由2个增加到10个。3d层电子数小于等于5的元素是缩小γ相区的，如钛(2个)和钒(3个)；3d电子数大于等于5的元素是扩大γ相区的，如锰(5个)、钴(6个)、镍(8个)和铜(10个)。介于钒和锰之间的铬(5个)具有过渡性，铬的质量分数在小于7．5％时使A3下降，大干7.5％时又使A3上升。Fe-Cr相图中虽然有封闭的γ相区，但铬在γ相中有较大的溶解度。 1.2.5 钢中的氮化物 由于钢铁治炼时吸收大气中的氮或用氮进行合金化，所以钢中形成铁或其他合金元素的氮化物；钢表面氮化时，也要形成各种氮化物。 氮化物对钢的组织和性能有极重要的影响。过渡族元素的氮化物都是间隙相，具有简单密排结构。与碳化物间隙相相似，氮化物化具有高的硬度、高弹性模量和脆性，并具有高的熔点和高的生成热。 氮和金属原子间有存在共价键的可能，但总的说来过渡族金属的氮化物以金属键占优势。此外，钢液用铝脱氧形成氮化铝(AlN)，AlN属于正常价非金属化合物。 过渡族金属的氮化物中，只要金属亚点阵的间隙足够大，尺寸较小的氮原于处于间隙位置上。由于氮原予半径仅0.71?，比碳的0.77?小，所以与金属原子的半径比值均小于0.59，其晶体结构只能出现具有面心或密排六方的简单密排结构。 钢中氮化物的稳定性和碳化物相似、凡是d层电子少的过渡族金属，和氮的亲合力就较大。也可以用其生成热值来比较，生成热越大，其稳定性也越高。首先是钛和锆，其次是铌和钒，再次是铬和钼。钛、锆、铌、钒强氮化物形成元素，难溶于奥氏休。如不锈钢、结构钢、耐热钢和合金中存在的大块TiN夹杂物，微合金化钢小的(Ti,V)N等。 氮化物之间也可以互相溶解，形成完全互溶或有限溶解的复合氮化物。氮化物和碳化物之间也可以互相溶解，形成碳氮化物，如含氮的不锈钢中氮原子可置换(Cr,Fe)23C6中部分碳原子，形成〔Cr，Fe)23(C，N)6的碳氮化物。在含钒、钛、铌微合金化的钢中，可形成如V(C，N)、Nb(C，N)等碳氮化物。当钢中同时含有几种过渡金属元素时，会出现氮化物、碳化物或碳氮化物并存的状态。在平衡条件下，TiN可在钢液中析出，故容易出现大块TiN夹杂物，其他氮化物和碳化物一般都从固溶态析出。 钨、钼是中强氮化物形成元素，它们的氮化物在钢中有较大的稳定性和较小的溶解度。铬、锰、铁属于较弱的氮化物形成元素，其氮化物可溶于奥氏体，在低温下又可重新析出。 在微合金化钢中，可以利用氮比物来细化奥氏体晶粒和弥散强化以提高钢的强度和韧性。氮化钢氮化后，除表面形成铁的氮化物外，还形成合金氮化物如Mo2N、VN和AlN等，起弥散强比作用，提高钢的疲劳强度和耐磨性。高速钢表面氮化也可形成钨、钼、钒、铬等元素的氮化物，提高工具的切削速度和寿命。 1.4 微量元素在钢中的作用 微量元素指的是在钢中含量较低(一般小于0.1%)的一些合金元素，包括从原材料带入或出于一定目的而特意加入的合金元素。微量元素在钢中的作用既有有害的一面，也有有益的方面。特别是随着控轧控冷技术在现代钢铁材料中的应用，微合金化已成为一种获得高性能钢铁材料的重要技术手段 1.4.1 微量元素的种类 钢中存在的微量元素可以分成以下几类： ①常用微合金化元素：B、N、Ti、V、Zr、Nb、稀土元素； ②偶用微合金元素：Ta、Hf； ③为净化、变质和控制夹杂物形态的元素：B、Ca、Ti、Zr、稀土元素； ④改善切削性的元素：S（P）、Se、Te、Sn、Pb、Bi、Ca、Ti； ⑤痕迹有害元素：P、As、Sb、Sn、Pb、Bi。 1.4.2 微量痕迹元素对钢的性能的有害影响 一些微量元素在钢中存在的总量约在0.1%左右。它们往往不是有意加入的，而是在炼钢过程中由原材料（矿石、陶瓷、合金元素、废钢）带入的，影响较大的集中在周期表中ⅣA、ⅤA和ⅥA族的一系列金属微量痕迹元素上。已知象Pb、Bi、Sb和Sn这类元素在ppm数量范围对钢的热塑性，蠕变强度，焊接性和耐腐蚀性等产