金属材料的合金化原理

金属材料的合金化原理Chapter1金属材料的合金化原理

1.1碳钢概论1.2钢的合金化原理1.3合金钢的分类、牌号1.4有色金属材料的分类及合金化特点主要内容碳钢中的常存杂质碳钢的分类碳钢的用途Me在钢中的存在形式Me与铁和碳的相互作用Me对Fe-Fe3C相图的影响Me对钢的热处理的影响Me对钢的性能的影响第2页,共103页，2024年2月25日，星期天重点及基本要求1.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用2.第二节是本章重点。要求全面掌握合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。难点是合金元素对钢中基本合金相结构的影响3.掌握合金钢的分类、牌号4.了解有色金属材料的分类，掌握强化有色金属合金的基本途径。Chapter1金属材料的合金化原理

第3页,共103页，2024年2月25日，星期天SteelmakingflowlinesChapter1金属材料的合金化原理

1.1碳钢概论1.1碳钢概论第4页,共103页，2024年2月25日，星期天SteelFinishingflowlinesChapter1金属材料的合金化原理

1.1碳钢概论第5页,共103页，2024年2月25日，星期天一、碳钢中的常存杂质-锰和硅（1）1.锰（Mn）和硅（Si）是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。

Mn在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。

Si在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成SiO2夹杂物。夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第6页,共103页，2024年2月25日，星期天一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（2）2．硫（S）和磷（P）的影响S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的溶解度极小。S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。发生热脆(裂)。P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶于α-铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。S和P还可以改善钢的切削加工性能。

1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第7页,共103页，2024年2月25日，星期天一、碳钢中的常存杂质氮、氢、氧（3）3．氮（N）、氢（H）、氧（O）的影响N在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。O在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第8页,共103页，2024年2月25日，星期天二、碳钢的分类（1）400C1400C1200C1000C800C600C1600CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgadSteelCastIron1．按钢中碳含量的多少分类（1）复习铁碳合金按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：

0.0218%≤wc≤0.77%共析钢：

wc

=0.77%过共析钢：

0.77%＜wc≤2.11%1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

（2）按钢中碳含量的多少，碳钢通常可分为低碳钢：

wc

≤0.25%中碳钢：0.25%＜wc≤0.6%高碳钢：

wc＞0.6%第9页,共103页，2024年2月25日，星期天2．按钢的质量（品质），碳钢可分为

（1）普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%。

（2）优质碳素钢：wS≤0.035%，

wP≤0.035%。

（3）高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03%。

（4）特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。1.1碳钢概论二、碳钢的分类（2）Chapter1金属材料的合金化原理

第10页,共103页，2024年2月25日，星期天3．按钢的用途分类，碳钢可分为

（1）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。

（2）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。

（3）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。

（4）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。1.1碳钢概论二、碳钢的分类（3）Chapter1金属材料的合金化原理

第11页,共103页，2024年2月25日，星期天4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为

（1）沸腾钢：是指脱氧不彻底的钢，代号为F。

（2）镇静钢：是指脱氧彻底的钢，代号为Z。

（3）半镇静钢：是指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。

（4）特殊镇静钢：是指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。1.1碳钢概论二、碳钢的分类（4）Chapter1金属材料的合金化原理

第12页,共103页，2024年2月25日，星期天1-普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%以上）。（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。wC=0.06%~0.38%，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢

）1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第13页,共103页，2024年2月25日，星期天（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；1.1碳钢概论三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢

）Chapter1金属材料的合金化原理

第14页,共103页，2024年2月25日，星期天等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中：A级wS≤0.05%,wP≤0.045%，B级wS≤0.045%,wP≤0.045%，C级wS≤0.04%,wP≤0.04%，D级wS≤0.035%,wP≤0.035%。其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，A、B、C三个等级均属于普通级范围。脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。

1.1碳钢概论三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢

）Chapter1金属材料的合金化原理

第15页,共103页，2024年2月25日，星期天1.1碳钢概论三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢

）（4）典型牌号、性能与用途（表1-1）Q195、Q215钢含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。Q235A、Q255A用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255、Q275钢强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。Chapter1金属材料的合金化原理

第16页,共103页，2024年2月25日，星期天2-优质碳素结构钢（1）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。（2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。（3）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。1.1碳钢概论三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）Chapter1金属材料的合金化原理

第17页,共103页，2024年2月25日，星期天1.1碳钢概论三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”等。Chapter1金属材料的合金化原理

第18页,共103页，2024年2月25日，星期天优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第19页,共103页，2024年2月25日，星期天1.1碳钢概论（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。08F钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。10~25等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）Chapter1金属材料的合金化原理

第20页,共103页，2024年2月25日，星期天1.1碳钢概论三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢）45等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的σe和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。Chapter1金属材料的合金化原理

第21页,共103页，2024年2月25日，星期天3-碳素工具钢（1）主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其wS≤0.03%，wP≤0.035%）和高级优质碳素工具钢（wS≤0.02%，wP≤0.03%）两类。（2）牌号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如T8A，T12等。1.1碳钢概论三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）Chapter1金属材料的合金化原理

第22页,共103页，2024年2月25日，星期天1.1碳钢概论三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。（4）典型的碳素工具钢（表1-3）T7、T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为48~54HRC（工作部分）；Chapter1金属材料的合金化原理

第23页,共103页，2024年2月25日，星期天T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为60~62HRC，T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；T12、T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为62~65HRC。T12A也可用于制造量具。T7~T12、T7A~T12A还可用于形状简单的塑料模具。三、碳钢的用途（3-碳素工具钢）1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第24页,共103页，2024年2月25日，星期天（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。（2）牌号用标志性符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。（3）典型的碳素铸钢（表1-4）1.1碳钢概论三、碳钢的用途（4-一般工程用铸造碳素钢）Chapter1金属材料的合金化原理

第25页,共103页，2024年2月25日，星期天（4）其他类型的铸钢件还有：焊接结构用碳素铸钢件（GB/T7659-1987），如ZG230-450H；低合金铸钢件（GB/T14408-1993），如ZGD535-720；耐热铸钢件（GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20；不锈耐酸钢铸件（GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；中、高强度不锈钢铸件（GB6967-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。三、碳钢的用途（4-一般工程用铸造碳素钢）1.1碳钢概论Chapter1金属材料的合金化原理

第26页,共103页，2024年2月25日，星期天1．形成铁基固溶体

（1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta）只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。1.2钢的合金化原理1.2钢的合金化原理

一、合金元素的存在形式（1-形成铁基固溶体

）Chapter1金属材料的合金化原理

第27页,共103页，2024年2月25日，星期天（2）形成铁基间隙固溶体（Hägg定则）①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。③间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。1.2钢的合金化原理一、合金元素的存在形式（1-形成铁基固溶体

）Chapter1金属材料的合金化原理

第28页,共103页，2024年2月25日，星期天2．形成合金渗碳体（与氮化物）（1）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe1.2钢的合金化原理一、合金元素的存在形式（2-形成合金渗碳体）Chapter1金属材料的合金化原理

第29页,共103页，2024年2月25日，星期天其中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Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。（3）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。一、合金元素的存在形式（2-形成合金渗碳体）Chapter1金属材料的合金化原理

第30页,共103页，2024年2月25日，星期天3．形成金属间化合物（1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。（2）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、

μ(Co7Mo6)、P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。1.2钢的合金化原理一、合金元素的存在形式（3-形成金属间化合物）Chapter1金属材料的合金化原理

第31页,共103页，2024年2月25日，星期天4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相（1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。非金属夹杂物一般都是有害的。（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。（3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。1.2钢的合金化原理一、合金元素的存在形式（4-形成非金属相）Chapter1金属材料的合金化原理

第32页,共103页，2024年2月25日，星期天二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（1-合金元素与铁的相互作用）1．合金元素与铁的相互作用（1）γ相稳定化元素

γ相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①开启γ相区(无限扩大γ相区)（图1-1）这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低），故而由γ相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。1.2钢的合金化原理Chapter1金属材料的合金化原理

第33页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-1扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第34页,共103页，2024年2月25日，星期天②扩展γ相区(有限扩大γ相区)（图1-2）虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使γ相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0~2.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（1-合金元素与铁的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第35页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-2扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第36页,共103页，2024年2月25日，星期天（2）α相稳定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①封闭γ相区(无限扩大α相区)（图1-3）当合金元素达到某一含量时，A3与A4重合，其结果使δ相与α相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有α-γ相变，与α-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（1-合金元素与铁的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第37页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-3封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Cr相图(b)Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第38页,共103页，2024年2月25日，星期天这类合金元素有：Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但应该指出，含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于7%时，A3才上升。②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)（图1-4）合金元素使A3升高，A4下降，使γ相区缩小但不能使其完全封闭。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（1-合金元素与铁的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第39页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-4缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)1.2钢的合金化原理Chapter1金属材料的合金化原理

第40页,共103页，2024年2月25日，星期天1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（1-合金元素与铁的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有重要的指导意义。通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。第41页,共103页，2024年2月25日，星期天2．合金元素与碳的相互作用（1）形成碳化物规律性（按强弱分类）:碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第42页,共103页，2024年2月25日，星期天规律性（按晶格类型分类）当rc/rMe>0.59时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。当rc/rMe

≤0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均属于此类元素，它们形成的碳化物是：MeX型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X型（W2C、Mo2C、Ta2C）。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第43页,共103页，2024年2月25日，星期天碳化物的特性

硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达1200℃）；间隙相碳化物虽然含有50%~60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。

二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第44页,共103页，2024年2月25日，星期天（2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度，同时将出现碳从固溶体中析出的倾向。（图1-5）

1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第45页,共103页，2024年2月25日，星期天在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷却时它们从固溶体中的析出，以及热处理过程中元素在各相间的再分配这些问题时，合金元素对碳在奥氏体中的活度具有很重大的意义。

图1-5合金元素的摩尔原子浓度对1000℃时碳在奥氏体中的相对活度系数的影响

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第46页,共103页，2024年2月25日，星期天Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响主要表现在碳在A和F中扩散，Me本身在A和F中的扩散、Me对碳在A和F中扩散以及Me对铁的自扩散的影响等。（图1-6）碳化物形成元素如Cr、Mo和W等降低C的活度，即提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。非碳化物形成元素如Ni、Co等提高C的活度，即降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第47页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-6合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第48页,共103页，2024年2月25日，星期天需要指出的是Si是个例外，它能升高扩散激活能，降低扩散系数，造成这个例外的原因，则是由于Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性，即增加了Fe在固溶体中的结合能，因而得到与Ni、Co相反的结果。Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）第49页,共103页，2024年2月25日，星期天总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义:它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。而所有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能。同时对钢的热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

第50页,共103页，2024年2月25日，星期天由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度亦有较大影响；强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素Mn以及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素如Co还有增大碳原子扩散的作用。因而合金元素与碳的作用对钢的相变有重要影响。

二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（2-合金元素与碳的相互作用）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第51页,共103页，2024年2月25日，星期天3．合金元素对奥氏体层错能的影响（1）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的能量。（2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响。一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（3-合金元素对奥氏体层错能的影响）Chapter1金属材料的合金化原理

第52页,共103页，2024年2月25日，星期天例如高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。高Ni钢易于变形加工，Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。高Mn钢则难于变形加工，Mn、Cr、Ru和Ir则降低奥氏体的层错能。Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理二、合金元素与铁和碳的相互作用

及其对γ层错能的影响（3-合金元素对奥氏体层错能的影响）第53页,共103页，2024年2月25日，星期天三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（1-合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响）1．合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响扩大γ相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全扩大γ相区的合金元素Ni或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。1.2钢的合金化原理Chapter1金属材料的合金化原理

第54页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-7合金元素Mn对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响（a）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第55页,共103页，2024年2月25日，星期天缩小γ相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全封闭γ相区的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。Me对Fe-Fe3C相图中A区的影响（图1-7）。Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（1-合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响）第56页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-7合金元素Cr对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响（a）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第57页,共103页，2024年2月25日，星期天2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响Me对共析转变温度的影响1.2钢的合金化原理三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（2-合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响）Chapter1金属材料的合金化原理

扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。图1-8合金元素对共析温度的影响

第58页,共103页，2024年2月25日，星期天Me对共析点（S）和共晶点（E）成分的影响几乎所有合金元素都是共析点碳含量降低（图1-9）；共晶点也有类似的规律，尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。图1-9合金元素对共析含碳量的影响

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（2-合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第59页,共103页，2024年2月25日，星期天大多数合金元素均使ES线左移。E点左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱氏体；S点左移，意味着钢中含碳量不到0.77%时，就会出现二次渗碳体。由此可见，要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据Fe-Fe3C相图。而应根据Fe-C-Me三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

（2-合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第60页,共103页，2024年2月25日，星期天四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

1．Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。1.2钢的合金化原理Chapter1金属材料的合金化原理

第61页,共103页，2024年2月25日，星期天奥氏体形成过程奥氏体的形核奥氏体的长大渗碳体的溶解奥氏体成分均匀化Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

第62页,共103页，2024年2月25日，星期天（1）Me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。非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第63页,共103页，2024年2月25日，星期天碳化物的分解奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。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。要使奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第64页,共103页，2024年2月25日，星期天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。四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第65页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-10碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第66页,共103页，2024年2月25日，星期天（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：

①Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈组织晶粒长大；②W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（1-合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第67页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-11AlN含量对奥氏体晶粒度的影响

图1-12MnNiMo钢中的AlN质点（电解萃取碳复型）Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第68页,共103页，2024年2月25日，星期天③Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；④Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第69页,共103页，2024年2月25日，星期天2．Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响主要表现在合金元素可以使钢的CCT图（C曲线）发生显著变化。具体可以分为以下几个方面：（1）对高温转变（珠光体转变）的影响；（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响；（3）对低温转变（马氏体转变）的影响。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第70页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-13合金元素对奥氏体恒温转变曲线的影响(a)强碳化物形成元素(b)中等及弱碳化物形成元素(c)非碳化物形成元素Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

第71页,共103页，2024年2月25日，星期天Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第72页,共103页，2024年2月25日，星期天Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第73页,共103页，2024年2月25日，星期天Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第74页,共103页，2024年2月25日，星期天Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第75页,共103页，2024年2月25日，星期天Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第76页,共103页，2024年2月25日，星期天（1）对高温转变（珠光体转变）的影响除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度及其可能的溶解量。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第77页,共103页，2024年2月25日，星期天钢中最常用的提高淬透性的合金元素主要有：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B。其中硼的加入量很小（一般只有0.0005%~0.003%），但作用强度很大，又比较便宜；Mo的价格较贵，一般不单纯作为提高淬透性的元素使用。因此以提高淬透性为目的的常用元素只用Cr、Mn、Si、Ni、B五种。

四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第78页,共103页，2024年2月25日，星期天Me的加入对钢还有固溶强化的作用；合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。

如果淬火加热温度不高，保温时间较短，Cr、Mo、W、V等强碳化物未溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第79页,共103页，2024年2月25日，星期天两种或多种合金元素的同时加入对淬透性的影响要比两单个元素影响的总和强得多，例如铬锰钢、铬镍钢等。合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。合金元素的加入推迟珠光体型的转变的同时还可在连续冷却过程中得到贝氏体型组织的钢。四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第80页,共103页，2024年2月25日，星期天（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响合金元素对贝氏体转变的作用是通过对γ→α转变和碳原子的扩散的影响而起作用。首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点的影响。碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的C曲线。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第81页,共103页，2024年2月25日，星期天合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。碳、硅、锰、镍、铬的作用较强钨、钼、钒、钛的作用较小四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第82页,共103页，2024年2月25日，星期天四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

图1-14Mn和Mo对贝氏体转变的影响（图中曲线旁的数字，分别表示Mn或Mo的百分含量）1.2钢的合金化原理第83页,共103页，2024年2月25日，星期天（3）对低温转变（马氏体转变）的影响合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降（图1-15）。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第84页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-15合金元素对1.0%C碳钢的影响四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第85页,共103页，2024年2月25日，星期天Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量（图1-16）。四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

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图1-16合金元素对1.0%C碳钢1150℃淬火后残余奥氏体含量的影响1.2钢的合金化原理第86页,共103页，2024年2月25日，星期天合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响—残余奥氏体量过高（有时达30%-40%）时，钢的硬度降低，疲劳抗力下降。对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度下（Ms点远低于室温或零下）获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。

四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第87页,共103页，2024年2月25日，星期天对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要进行附加的处理：冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70℃的低温。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第88页,共103页，2024年2月25日，星期天多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的Ms、Mf点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第89页,共103页，2024年2月25日，星期天合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构。当Ms点温度较高时，由于滑移的临界分切应力较低，在Ms点以下形成位错结构的马氏体；在Ms点温度较低时，孪生分切应力低于滑移临界分切应力，则马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第90页,共103页，2024年2月25日，星期天在Fe-C合金中，分界温度约为200℃。高于200℃形成位错亚结构，低于200℃形成孪晶亚结构。一般钢中碳或氮w(C)＜0.4％的钢都是位错马氏体，w(C)＞0.6％的钢为孪晶马氏体。合金元素如锰、铬、镍、钼或钴都使Ms和Mf下降，增加形成孪晶马氏体倾向。

四、合金元素对钢的热处理的影响

（2-合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

1.2钢的合金化原理第91页,共103页，2024年2月25日，星期天3．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具体为（1）Me对马氏体分解的影响（2）Me对残余奥氏体转变的影响（3）Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响（4）Me对铁素体回复再结晶的影响（5）Me对回火脆性的影响1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（3-合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第92页,共103页，2024年2月25日，星期天（1）Me对马氏体分解的影响M在发生第二阶段分解时，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等对碳有较强的亲和力，溶于M中的碳化物形成元素阻碍碳从M中析出，因而使M分解的第二阶段减慢。在碳钢中，实际上所有的碳从M的析出温度都在250℃~350℃左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度（400℃~500℃），其中V、Nb的作用比Cr、W、Mo更强烈。1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响

（3-合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响）

Chapter1金属材料的合金化原理

第93页,共103页，2024年2月25日，星期天图1-17质量分数分别为0.3％C、2.1％V钒钢1250℃淬火不同温度回火2小时碳化物成分、结构和硬度的变