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金属材料学第一章讲述
第一章金属材料合金化基础
钢中的合金元素
钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用
合金元素对Fe-C相图的影响
合金元素在钢中的存在形式
合金元素对热处理的影响
Me对强韧性和工艺性能的影响
合金钢的分类与编号
杂质元素(impurity-element)
1.1 钢中的合金元素(Me)
合金元素:为了改善和提高钢的力学性能和使之获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。
合金钢:在化学成分上有目的加入合金元素,用以保证一定的生产和加工工艺及力学性能要求的铁基合金,称合金钢。
热脆性----S----FeS(低熔点共晶体989℃)
冷脆性----P----Fe3P(硬脆)
氢脆--- --H-----白点
第二周期:B、C、N
第三周期:Al、Si
第四周期:Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu
第五周期:Zr、Nb、Mo
第六周期:W
第七周期:稀土Re
钢中常常加入的合金元素有:
1.2 Me与Fe和C相互作用
γ相稳定化元素
使A3 ,A4 ,γ区扩大
一、Me和Fe作用
α相稳定化元素
使A3 ,A4 ,γ区缩小
稳定γ相----A形成元素 稳定α相----F形成元素
(a)Ni,Mo Co
(b)C,Ni,Cu
(c)Cr,V
(d)Nb,B
合金元素和铁的作用状态
二、Me和C作用
合金元素与钢中碳的作用,主要表现是否易于形
成碳化物及形成碳化物倾向性的大小。
非K形成元素:Ni,Si,Al,Cu等
碳化物形成元素:
Ti,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe
(由强到弱顺序排列)
K类型,大小,形状和分布对钢的性能有重要的影响
1)碳化物的类型
钢中常见的碳化物类型有
M3C:渗碳体,正交点阵;
M7C3:例Cr7C3,复杂六方;
M23C6:例Cr23C6,复杂立方;
M2C:例Mo2C、W2C.密排六方;
MC:例VC,TiC,简单面心立方点阵;
M6C:不是一种金属K,复杂六方点阵。
K也有空位存在;可形成复合K,如
(Cr,Fe,Mo,…) 7C3
复杂点阵结构:M23C6,M7C3,M3C
特点:硬度、熔点较低,稳定性较差;
简单点阵结构:MC,M2C。又称间隙相
特点:硬度高,熔点高,稳定性好。
M6C型不属于金属型碳化物,复杂结构,
性能特点接近于简单点阵结构
2)K形成规律的一般规律
(1)K类型
碳化物类型与合金的原子半径有关:
各元素的当rc/rMe的值如下:
Me
Fe
Mn
Cr
V
Mo
W
Ti
Nb
rc/rMe
0.61
0.60
0.60
0.57
0.56
0.55
0.53
0.53
rc:为碳原子半径;rMe为合金元素的原子半径
当rc/rMe 0.59时--简单点阵的碳化物(间隙相),
Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr ,形成VC等MC型 ,
W2C等M2C型
当rc/rMe 0.59时,--复杂点阵结构(间隙化合物),
如Cr、Mn、Fe ,形成Cr23C6、Cr7C3、Fe3C、Mn3C
等形式的K。
Me元素少时,形成复合K,如(Cr,M)23C6
(2)同一周期中,由左到右(Ti----Ni)MeC稳定性逐步下降。
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
3d层
2
3
5
5
6
7
8
(3)随着周期的增加,碳和合金元素的结合强度增加,
碳化物的稳定性提高。ZrTi
(4)相似者相溶
(5)强者先,依次成
K形成元素中,强者优先与C结合,随C ,依次
形成K 。如在含Cr,W钢中,随C ,依次形成
M6C,Cr23C6,Cr7C3,Fe3C。
如果钢中C量有限,则弱的K形成元素溶入固
溶体。如在低碳含Cr,V的钢中,大部分Cr都
在基体固溶体中。
(6)强者稳,溶解难
析出难,聚集长大也是难
MC型在1000℃以上才开始溶解;回火时,在
500℃~700 ℃才析出,并且不易长大,产生”二
次硬化“效果。这在高合金钢中是很重要的强化
方法。
1.3Me对Fe-C相图的影响
(1)对S、E点的影响
A形成元素均使S、E点向左下方移动,GS线下沉。
F形成元素均使S、E点向左上方移 动。
S点左移—意味着共析碳含量减少
E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低
(a)Fe-C-Mn系 (b)Fe-C-Cr系
图1-3 M对Fe-C相图的影响
(2)对临界点的影响
A形成元素,随Me元素的增加,A1线下降;
F形成元素,随Me元素的增加,A1线上升。
图1-4Me对共析温度的影响
图1-5 M对共析含碳量的影响
思考题:
1、40,40Mn2,
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