合金化原理-2.ppt

合金化原理 ——微量元素对钢的作用  丁 俭 材料科学与工程学院 内 容 合金元素对相变基本因素的影响 合金元素对α、γ相自由能的影响 合金钢中的扩散 碳在铁中的活度 合金元素对奥氏体形成的影响 奥氏体化过程：α-Fe→γ-Fe，渗碳体或特殊碳化物在奥氏体溶解；奥氏体晶粒的再结晶。 钢的重结 加热时奥氏体的形成可以按两种相互竟争的相变机制进行，即晶体学无序机制和有序机制。 按无序机制形成奥氏体时，α-Fe→γ-Fe转变伴随者重结晶，即γ相新晶粒的形成相对于原始α相来说，改变了大小和取向。 按有序机制过渡为奥氏体时，则不伴随着重结晶，由于奥氏体切变式的转变引起的相强化，促进了一次再结晶的发生，这样，重结晶在较高温度下进行。 决定重结晶机制的主要因素是原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。原始无序组织（铁素体+碳化物）仅发生无序的重结晶机制。原始有序组织（马氏体、贝氏体和魏氏组织）两种重结晶机制都可能观察到，但这要取决于钢的和进化程度和加热速度。 钢的重结 在结构钢和工具钢的实际热处理中，常常对原始组织为无序的铁素体+碳化物（F+P，P，P+C）的钢进行加热奥氏体化。奥氏体形成的无序（正常）机制的示意图如图3-5所示。加热高于临界点时，相过渡与再结晶过程重合，因而得到很细的奥氏体晶粒。进一步在奥氏体区加热，则引起晶粒长大（聚集再结晶，或称二次再结晶）。 原始F+C的无序组织的相变重结晶过程，在碳素钢和合金钢中没有什么区别。形成的奥氏体晶粒在所有的钢中都是很细的。加热速度越高，则所得晶粒越细，因为新相核心的形成速度高于其长大速度。碳素钢与合金钢之间存在的差异，表现在高温奥氏体区，这里进行着奥氏体晶粒长大及其聚集再结晶。 原始有序组织-----钢中的组织遗传性 对粗晶有序组织加热高于AC3，可能导致形成的奥氏体晶粒与钢的原始晶粒具有相同的形状、大小和取向。这种现象称为钢的组织遗传性。 原始有序组织-----钢中的组织遗传性 加热速度相当于1000℃/S时可能出现组织遗传性。 钢的合金化程度越高，加热速度越快，越容易在钢中出现组织遗传性。合金化影响临界加热速度。重复加热高于AC3时，观测到原始粗晶粒的恢复，并不能使奥氏体晶粒细化。 碳化物在奥氏体中的溶解规律 奥氏体的晶粒长大 强烈形成稳定碳化物的元素显著地阻止奥氏体晶粒粗化。 形成间隙固溶体的元素，当其溶于奥氏体时，促使奥氏体晶粒长大粗化。 Si、Al当其含量极少，仅以非金属夹杂物形式存在时，可以阻止奥氏体晶粒粗化。当含量足够高，作为合金元素溶入固溶体时，则促使奥氏体晶粒粗化。 Ni、Co、Cu作用很不明显。 当钢中碳量在中等以上时，Cr对奥氏体晶粒有细化作用而Mn却较明显的促使晶粒长大。 但在低碳钢中，Mn对晶粒度有细化作用，因此在研究普低钢时，往往以锰来合金化。 我们知道，粗大的晶粒具有较低的自由能，因此晶粒粗化过程是一个自发过程。那么为什么有的钢晶粒容易变粗而有的钢就不容易？ 最先出现的说法为机械阻碍法：奥氏体晶粒之所以不容易长大，是由于在晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械的阻碍了奥氏体晶粒的长大。这种高度弥散的化合物，可以使一些稳定的碳化物、氮化物，甚至是其它非金属夹杂物。 另一种理论认为合金元素对奥氏体晶粒粗化的作用，是由于合金元素溶入奥氏体之后，改变了晶界能，因而改变了奥氏体的长大倾向。还有一种理论则认为合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，在很大程度上取决于他们改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁的自扩散系数的变化。 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 对过冷奥氏体稳定性的影响 合金元素对C曲线的影响，一般分为两种类型： 第一类：非碳化物形成元素 钢中加入这些元素，C曲线仍然保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。 第二类：碳化物性能元素 钢中加入这些元素以后，不但使C 曲线位置移动，而且也是C曲线的形状改变，出现两个鼻温，甚至使珠光体区域与贝氏区域完全分开，出现一个过冷奥氏体极端稳定的温度区间。 根据合金钢的特点，可以把过冷奥氏体的等温分解曲线及其相应的连续冷却转变曲线分为六种基本类型。 对珠光体转变的影响 珠光体转变是典型的形核和长大过程。 研究表明，合金元素，除Co、Al以外，当其溶入奥氏体以后，均将延迟过冷奥氏体向珠光体的转变。但是，为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，是否需要合金元素的扩散再分配，长期以来存在两种不同结论。 目前比较公认的是：在某些钢中，在渗碳体和铁素体与奥氏体之间的界面上，合金元素却能产生再分配，但必须具有足够高的温度。 Coates等人指出，珠光体转变可以分成两种长大方式，既