合金元素的作用(ppt)
金属材料学--钢铁材料的合金化原参考课件
成分分析，元素与含量 相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍
射强度）和尺寸 组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌
不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
5
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
20
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
α-Fe与δ-Fe相区合并
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
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扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γ
A1 α
Fe
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扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
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碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
合金元素的作用
0.4-0.6
0.40
0.15
HT150
<20
20-30
>30
3.5-3.7
3.4-3.6
3.3-3.5
2.2-2.4
2.0-2.3
1.8-2.2
0.4-0.6
0.40
0.15
HT200
<20
20-40
>40
3.3-3.5
3.2-3.4
3.1-3.3
1.9-2.3
1.8-2.2
1.6-1.9
Sb（锑）
1．强烈促进形成珠光体
2．0.002%~0.01%时，对球墨铸铁有使石墨球细化的作用，尤其对大断面球墨铸铁有效
3．其干扰球化的作用，可用稀土元素中和
4．灰铸铁中的加入量为<0.02%，球墨铸铁中的适宜量为0.002%~0.010%
Bi（铋）
1．球墨铸铁中加铋能很有效地细化石墨球
2．大断面球墨铸铁中加铋能防止石墨畸变
0.15
0.10
HT400
>25
2.8-3.0
1.0-1.5
0.8-1.2
0.15
0.10
反球化元素的界限量
元素
Al
Ti
Pb
As
Sb
Bi
Zr
Sn
Te
Se界限量（%）0.Fra bibliotek50.07
0.002
0.05
0.01
0.002
0.03
0.05
0.003
0.0SSS3
2．能细化石墨，增加化合碳量，白口倾向有所增加，强度、硬度有提高趋势，加入量可在0.1%~0.3%
合金元素对钢材性能的影响PPT课件
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
11
其中：
Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构， 如 TiC、VC、TiN、TaC等；
Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构， 如 Cr7 C3、Cr23 C6、W2 C、Mo2 C、(W、Mo、Fe)6 C 等。
（2）如Ni3 (Al,Ti)、Ni3 (Al,Nb)、NiAl、NiTiFeAl等。
准金属也叫半金属。通常指硼、硅、锗、硒、 碲钋、砷和锑。它们在元素周期表中处于金 属向非金属过渡的位置，物理性质和化学性 质介于金属和非金属之间。单质一般性脆， 呈金属光泽。
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4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相
奥氏体的成分均匀化： 由于碳化物的不断溶入，不均匀程 度更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需 扩散。
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由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高 的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏 体，从而充分发挥合金元素的作用。
但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采 用过高的加热温度和过长的保温时间。
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1、合金元素对加热转变的影响
钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长 大，碳化物的分解和溶解，以及奥氏体成分的均 匀化等过程。
整个过程的进行，与碳、合金元素的扩散以及 碳化物的稳定程度有关。
合金元素对奥氏体形成过程的影响体现在以下两 个方面：
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（1）对奥氏体形成速度的影响
奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长 大，两者都与碳的扩散有关。
（1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2 、SiO2 、Al2 O3 、Cr2 O3 、MgO·Al2 O3 、MnO·Al2 O3 、MnS、FeS、 2MnO·SiO2 、CaO·SiO2 等。非金属夹杂物一般都是有害 的。
第七章 合金元素在钢中作用
4．常用钢种
40 40 4ZSiMn 低淬透性合金调质钢 Cr、 MnB、 38 40 中淬透性合金调质钢 CrMoAl、 CrNi 高淬透性合金调质钢 CrMnMo、 Cr Ni4WA 40 25 2
四、合金弹簧钢
1．弹簧性能特点
要求必须具有高的弹性极限，高的屈 要求必须具有高的弹性极限， 强比（Gs/50）高的疲劳强度（ 强比（Gs/50）高的疲劳强度（尤其 是缺口疲劳强度） 是缺口疲劳强度）及足够韧性。
4.合金元素对M相变温度也有影响 4.合金元素对M
大多数合金元素使Ms点下降 大多数合金元素使Ms点下降
第二节 合金钢的分类与编号
一、合金钢分类 通用分类方法有 : 1．按合金元素的质量分数 2．按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、铬镍 按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、 钢、硅锰钼钒钢等 3．按主要用途分
建 筑 及 工 程 用 结 构 钢 结构钢 机 械 制 造 用 结 构 钢 工 具 钢 特 殊 性 能 钢
二、合金钢的牌号
命名原则：由钢中碳的质量分数、 命名原则：由钢中碳的质量分数、 合金元素的种类和质量分数的组合 来表示。 来表示。当钢中合金元素的平均质 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 不标明元素的平均质量分数。 号，不标明元素的平均质量分数。 >1.5%、2.5%、3.5%在元素符 当>1.5%、2.5%、3.5%在元素符 号的后面相应标出2 ……。 号的后面相应标出2、3、4……。
例：20crMnTi钢制造汽车变速箱 20crMnTi钢制造汽车变速箱 齿轮工艺路线： 齿轮工艺路线： 锻造 正火 加工齿形 局部镀 铜（防渗碳） 渗碳 防渗碳） 预冷淬火+ 预冷淬火+ 低温回火 喷丸 磨齿 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 艺曲线及显微组织与力学性能。 艺曲线及显微组织与力学性能。
合金元素作用
合金元素作用
合金是由两种或两种以上金属或金属与非金属元素混合而成的材料。
在工程领域中，合金具有许多重要作用，因为它们可以提高金属的物理和化学特性。
下面介绍合金元素的作用。
1. 提高强度和硬度
合金元素的添加可以提高金属的强度和硬度。
例如，钢经过高温淬火、淬透和回火，可以通过安排合理的合金成分，使其具有高强度、高弹性和高韧性。
2. 改善耐腐蚀性能
合金元素的添加也可以改善金属的耐蚀性能。
例如，不锈钢是一种含有铬、镍和其他合金元素的钢类，具有优异的耐腐蚀性，特别是在酸性和碱性环境中。
3. 提高耐磨性能
含有合金元素的金属材料通常具有良好的耐磨性能。
铜合金、钼合金、铬钼钢和淬火处理的高铬合金等都是可以用来制造机器和设备零件的优秀材料。
4. 提高热稳定性
通过添加稀有金属（如钽、铌和钨等）制造的合金，可以提高金属的高温强度和热稳定性。
这些合金常用于高温下的石化、核电、航空航天等行业。
5. 改善电导率和磁导率
某些合金元素的添加可以改善电导率和磁导率。
例如，铝合金中添加一些铜、镁等元素，可以增加其电导率；而由带有铬或钴合金制成的磁体，具有高磁导率和特定的磁特性。
总之，合金元素的添加可以提高金属的物理、化学和机械特性，从而使它们在各种工业领域中应用得更加广泛，这些领域包括汽车、航空航天、船舶、电子、精密机械、医疗器械等。
1.1钢中的合金元素
2.扩展γ相区的元素
A4
铜、碳和氮虽然使γ相区扩大，
但在γ铁中有限溶解，如图。
A3
除此之外，其他元素都是缩小γ相区，属于 铁素体形成元素，
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➢铁素体形成元素
使A3温度上升，A4温度下降.
1.封闭γ相区的元素
铬和钒与α铁无限互
溶，如图.
A4
A3
2.缩小γ相区元素
其他元素与α铁都是有限溶解。
如图。
A4
制备工艺
合金钢
性能
5
第一节 铁基固溶体—合金相图
所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶 剂类型的合金相。
6
铁基固溶体有哪些？
铁的同素异晶转变:
910℃
1390℃
α-Fe←——→γ-Fe ←———→δ-Fe
A3线
A4线
各种合金元素在α(δ)铁和γ铁中具有不同的溶解度，因而 影响到δ—γ或γ一α转变的温度和α(δ)铁和γ铁基固溶体 的稳定温度和浓度范围。
4
中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内 的钢。 高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等 于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入的化学元素。
组织
合金元素 （化学成分）
晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
β Cg exp( E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中的作用钢中的元素分常存和添加两种。
在实际生产和使用的钢中总是有少量非有意加入的各种元素，如硅、锤、磷、硫、氧、氮、氢等，这些元素称为常存或残余元素。
其中，硅、锺是脱氧后残留下来的；磷、硫主要是原材料带来的；而氧、氮、氢部分是原材料带来，其余部分是在冶炼过程中从空气中吸收的。
为了改善和提高钢的某些性能，或获得某些特殊性能而有意在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。
常用的合金元素有铭(Cr）、镇（Ni ）、铝（Mo ）、鸽（W）、饥（V）、铁（Ti）、银（Nb ）、错（Zr）、钻（Co）、硅（Si）、锤（Mn）、铝（Al）、铜（Cu）、棚（B）、稀土(Re）等。
磷（P）、硫（S）、氮（N）等在某些情况下也起到合金元素的作用。
合金元素在钢中与铁和碳这两个基本组元的相互作用，以及它们彼此之间的相互作用，影响钢中各组成相、组织和结构，促使其发生有利的变化，可提高和改善钢的综合力学性能；能显著提高和改善钢的工艺性能，如洋透性、回火稳定性、切削加工性等；还可使钢获得一些特殊的物理化学性能，如耐热、不锈、耐腐蚀等。
这些性能的改善和获得，一部分是加入合金元素的直接影响，而大部分则是通过合金元素对钢的相变过程影响所引起的。
合金元素所起的作用，与其本身的原子结构、原子大小和晶体结构特征等有关。
人们对合金元素在钢中所起作用的认识是经过长期实践、不断探索而发展起来的，因此，还需不断地研究、探索、发展。
总的说来，合金元素在退火状态下起着强化铁素体的作用，从而提高退火状态下钢的强度。
它们对铁素体强化的程度由强到弱排列为P、Si、Ti、Mn,Al、Cu,Ni、W、Mo、V、Co、Cro除镇外，它们都使伸长率和冲击值下降，而镇一方面显著提高强度，另一方面却始终使塑性和韧性保持高水平。
除C o、Al外的大多数合金元素在洋火回火状态下均能提高钢的洋透性。
添加了合金元素的合金钢在硬度、强度（σb,a.),塑性指标（σ%，ψ%）等性能方面均高于碳钢，冲击韧性αk也较高。
第一部分钢铁中的合金元素
A1
热处理时常用的冷却方
式有两种：一是等温冷却
（常用于理论研究）；二是
连续冷却（常用于生产）。
2、过冷奥氏体等温冷却曲线的绘制 通常将处于A1以下温度尚未发生转变的奥氏体称为过冷
奥氏体。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织 转变。
1）等温冷却试验： （a） 首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共 析温度的条件下进行奥氏体化；（b）将上述奥氏体化后 的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度； （c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样， 置于水中快冷； （d）磨制金相试 样，并观察显微 组织。
溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛,从而 降低系统的内能.
不同溶质原子在位错周围的分布状态
晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
β Cg exp( E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
晶界偏聚的其它问题
➢ 溶质原子的偏聚温度
表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
H
C、N
P Mo、Nb（铌）
0℃以下 室温附近 ＞350 ℃
＞500 ℃
➢ 溶质原子的偏聚区宽度 溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般
在nm级范围，如P：6nm；Sb（锑）：7nm。
➢ 各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响 1、偏聚位置的竞争，E越大的元素有限偏聚； 如Ce（铈）＞ P 2、影响晶界偏聚的速度； 如Ce能减慢Sb在Fe晶界的偏聚速度 3、影响偏聚元素在晶内的溶解度； 如La（镧）的存在，降低了P和Sn在晶内的溶解度 4、出现共偏聚。