金属材料与热处理教学课件作者朱黎江第10章合金钢.ppt

第10章 合金钢 本章简介:通过在碳钢中加入各种合金元素和采用不同热处理的方法，改变了钢材的成分、结构组织、力学性能、工艺性能以及物理化学性能等，从而使合金钢能够更好地满足工业生产和人们生活的性能要求。 重点:合金元素对钢性能的影响，合金钢的分类、性能特点及应用。 难点:合金元素在钢中的作用。 10. 1 钢的合金化原理 为了改善和提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能，人们总是有目的地在冶炼过程中加入一些合金元素，常用的合金元素有Mn, Al, B, Co, Cr, Mo, Cu, Ni, Si, Ti ,V , W等，由于合金元素与钢中的铁、碳两个基本组元的作用，促使钢中晶体结构和显微组织发生有利的变化，使得钢的性能得到提高和改善。 10. 1. 1合金元素在钢中的存在形式 合金元素加入钢中，一般都在钢中形成各种相:固溶体、非金属夹杂物或中间相，从而影响钢材的使用性能和工艺性能。 1.合金固溶体 钢中合金元素可分别与α-Fe, β-Fe和δ-Fe形成铁基固溶体，分别称为α、β和σ固溶体。 10. 1 钢的合金化原理 这些固溶体仍保留着铁的同素异构转变的特性，这是大多数合金钢仍能有效地进行热处理的原因之一。 合金钢热处理效果的好坏，可由α固溶体和γ固溶体稳定存在的温度范围及其成分范围变化所决定。由于钢的室温组织大多是由高温的γ固溶体(奥氏体)变化而来，所以，通常把γ固溶体(奥氏体)的相对稳定性的大小作为合金元素对铁基固溶体影响的一个重要方面来讨论。我们把那些在γ固溶体(奥氏体)有较大溶解度，并能使γ固溶体(奥氏体)相对稳定的合金元素称为促成奥氏体的合金元素。所有合金元素都能在加热时溶入奥氏体形成合金奥氏体，并可在随后淬火时形成马氏体;相反，在α固溶体中有较大溶解度，并使α固溶体相对稳定的合金元素称为促成铁素体的合金元素。 10. 1 钢的合金化原理 2.非金属夹杂物 (1)钢中的碳化物。钢中的碳化物是重要的合金相之一，碳化物的类型、数量、形态、大小及分布，对钢的性能有着很重要的影响。 根据合金元素和碳的相互作用情况，可以把合金元素分为以下两大类。 1)非碳化物形成元素:如Ni, Si, Al, Cu等，一般这些元素在钢中大多溶于铁素体或奥氏体中，或以其他相的形式(氮化物)存在于钢中，但不形成单独的碳化物。 2)碳化物形成元素:碳化物形成元素都具有一个未填满的d电子层，d电子层愈是不满，形成碳化物的能力就愈强，形成的碳化物愈稳定 我们可将合金元素形成碳化物的能力由强至弱排列如图10-1所示。 10. 1 钢的合金化原理 强碳化物形成元素和碳有很强的亲和力，易于形成不同渗碳体类型的碳化物，属于特殊碳化物。弱碳化物形成元素，一部分进入固溶体中，另一部分进入渗碳体，取代其中部分铁原子，形成合金渗碳体，当中强碳化物形成元素在钢中的质量分数不大于0. 5 %~3%时，一般倾向于形成合金渗碳体，如(Fe, Mn)3C, (Fe, Cr)3C等，合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也较高(71~75 HRC )，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 除Mn以外，当元素含量超过一定限度时，又可形成特殊碳化物，它的晶格与渗碳体完全不同，通常是由中强碳化物元素形成，一类为简单晶格的间隙相碳化物，如WC, Mo2C,VC , TiC等;另一类为复杂晶格的碳化物，如(Cr23C6, FeW3C, (Fe, Cr)7C, (Fe,W)6C等。 10. 1 钢的合金化原理 特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性，很稳定，不易分解。在常用的合金钢材中，由于碳化物高硬度的特点，当其一细小的质点均匀分布在固溶体的基体上，增大了基体的形变抗力，而不降低其韧性，这对提高工具的使用性能极为有利，因此，普遍采用碳化物作为第二相来强化钢材。 (2)钢中的氮化物。钢中的氮化物的形成规律及其性能与碳化物相似，常见的氮化物有FeN , Fe2N , CrN , Cr2N , MnN , TiN , VN等，钢中氮化物几乎不溶解于基体，故一般我们视其为夹杂物，但在氮化钢中，却可利用氮化物来提高钢的表面硬度和耐磨性，提高钢的抗疲劳能力。在低合金高强度钢中，利用正常价非金属化合物AlN来细化晶粒。 应当指出，大多数碳化物与氮化物、氮化物与氮化物之间可以互相溶解。 10. 1 钢的合金化原理 同时碳化物与氮化物可以形成复合的碳氮化合物，如(Cr, Fe)23 (C, N), Ti (N, C)等。 (3)中间相(金属化合物)。合金元素与铁或合金元素之间可形成各种中间相(金属化合物)，如Ni3Al , Ni2AITi等，利用金属化合物从固溶体中脱溶，已成为铁基、