第5章 钢的合金化.ppt

合金元素对1.0%C碳钢 Ms点的影响 合金元素对1.0%C碳钢1150℃ 淬火后残余奥氏体含量的影响 Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量 * 5.5 合金元素对钢强韧性的影响 5.5.1合金元素对钢度的影响 钢中加入合金元素可以通过以下四种方式提高强度：固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化。通过对这四种强化方式单独或综合运用，便可以有效地提高钢的强度。 钢强化的本质就是采用各种途径增加位错运动的阻力，从而提高钢的塑性变形抗力，在宏观上就提高钢的强度。 1）固溶强化 合金元素的固溶强化是指溶质原子溶入基体金属中形 成固溶体所引起的强化。 强化机制为：由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。 固溶强化包括： 间隙固溶强化(强化效果非常显著） 置换固溶强化 各合金元素的固溶强化效果可以叠加，其效果是非常显著. 固溶强化对塑性、韧性的影响较大，强化效果越大，损害越严重。 间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈，其强化作用相差10~100倍，因此，间隙原子如C、N是钢中重要的强化元素。 为了提高强化效果，通常利用相变的方法，造成过饱和固溶体，如马氏体是C固溶在α－Fe中的过饱和固溶体，使C的间隙强化效果得到充分发挥。 置换式溶质原子的固溶强化效果在工程用钢中不可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元素很多，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等。这些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化效果增大，尤其是Si、Mn的强化作用更大。 2）晶界强化 晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响 Hall－Petch公式： 其中: d－晶粒直径； σ0－为在单晶体中位错运动的摩擦力（常数）； Ks－晶界障碍强度系数。 可见，影响σs的因素有2个：Ks和d。 Ks σs ; d σs 这就是晶界强化的理论基础 * 一方面，晶界的存在，使得晶界处产生弹性变形不协调和塑性变形不协调，在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒在晶界处的连续性，其结果是在晶界附近引起二次滑移，使位错迅速增值，在晶界上造成位错塞积，形成加工硬化微区，阻碍位错运动。 另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。 晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果就越好。 晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用越大。细化晶粒同时也可增加钢的韧性。 晶界强化的机制是： * 利用晶界强化的主要途径： （1）利用合金元素来改变晶界的特性，提高Ks值。钢中加入表面活性元素如C、N、Ni和Si等，以便在α-Fe晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的能力； （2）钢中加入Al、Nb、V、Ti等元素，形成难熔的第二相质点，阻碍奥氏体晶界移动，间接细化铁素体或马氏体的晶粒。 （3）用热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化及控制轧制、控制冷却等工艺措施，也可以细化晶粒。 3）第二相强化 第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇 到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：切过和绕过 位错切过第二相粒子：第二相粒子的特点是可变形，并 与母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关， 故有沉淀强化之称。 沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是 为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中 加入Ti和Mo，形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得 良好的沉淀强化效果。 （b）Al-Li合金中位错切割Al3Li相的电镜照片 （a）位错切割第二相粒子的机制 可变形微粒的强化作用（位错切过机制） 位错绕过第二相粒子粒子：第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有弥散强化之称。这样的滑移变形继续进行，这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。 弥散强化是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。这时合金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使碳化物呈细小均匀弥散分布。 不可变形微粒的强化作用——奥罗万机制（位错绕过机制） （a）位错绕过第二相粒子的机制 （b）Ni合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片