第一章 钢铁中的合金元素

1、第一章第一章 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素l第一节第一节 铁基固溶体铁基固溶体l第二节第二节 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用l第三节第三节 钢铁中的碳化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物 l第四节第四节 钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物 l第五节第五节 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响 l第六节第六节 合金元素对钢在加热时转变的影响合金元素对钢在加热时转变的影响 l第七节第七节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响合金元素对过冷奥氏体分解的影响 l第八节第八节 合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响l碳钢在性能方面的不足：

2、合金化l1、淬透性低。水淬的最大淬透直径只有15mm20mm。 l2、强度和屈强比较低l3、回火稳定性差l4、不能满足特殊性能要求l在碳钢中加入合金元素所获得的钢，称之为合金钢合金钢。它具有更优良的或特殊的性能。l1 1、在使用性能方面，、在使用性能方面，有高的强度与韧有高的强度与韧性的配合，或高的低温韧性，或高温性的配合，或高的低温韧性，或高温下有高的蠕变强度、硬度及抗氧化性，下有高的蠕变强度、硬度及抗氧化性，或具有良好的耐蚀性。或具有良好的耐蚀性。l2 2、在工艺性能方面，、在工艺性能方面，有良好的热塑性、有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等等

3、。l钢中常用合金元素有：lB（硼）、C（碳）、N（氮）、Al（铝）、Si（硅）、P（磷）、S（硫）、Ti（钛）、V（钒）、Cr（铬）、Mn（锰）、 Co（钴）、Ni（镍）、Cu（铜）、 Y（钇）、Zr（锆）、Nb（铌）、 Mo（钼）、La族（稀土）、Ta（钽）、W（钨）等。 铁在加热和冷却过程中产生如下的多型性转变： -Fe -Fe （910910A A3 3）-Fe -Fe （13901390A A4 4）-Fe-Fe 合金元素对铁多型性转变的影响分为两大类： 奥氏体形成元素奥氏体形成元素：在-Fe中有较大溶解度并能稳定-Fe的元素（ Mn、Ni、Co、 C，N，Cu等 ）； 铁素体形成元素

4、铁素体形成元素：在-Fe中有较大溶解度并使-Fe不稳定的元素（ Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si 、 B、Nb、Zr等） 。l（1）完全扩大区（开启相区） ：如 MnMn，NiNi，CoCo等，它们可与-Fe 无限固溶，使和相区缩小；l（2）部分扩大区 ：如C C，N N，CuCu等 ，它们只能与-Fe 有限固溶。l（1）完全封闭区元素 ：如 CrCr，MoMo，W W，V V，TiTi，AlAl，SiSi等， 相区被相区封闭，在相图上形成圈 ；l（2）部分缩小区元素 ：如 B B，NbNb，ZrZr等，主要是出现了金属间化合物，破坏了圈。l溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高，因此比基体

5、原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界和位错等缺陷区，以降低能量。l1、溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚（内吸附）；l2、溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团。l晶界偏聚及其偏聚浓度晶界偏聚及其偏聚浓度l溶质元素在合金中含量虽少，但因与晶体溶质元素在合金中含量虽少，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨大的影响，如大的影响，如晶界强化、晶界脆性、晶间晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核等。等。 l可以用下式估算晶界区

6、的溶质偏聚浓度c cg g： （c0为溶质在基体晶内的浓度 ，E值为畸变能）RTEccgexp0(a) 比基体原子大的溶质原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵；(b) 比基体原子小的溶质原子趋向于缺陷区受压缩的点阵；(c) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置。l溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点阵畸变松弛，从而降低体系内能，所以阵畸变松弛，从而降低体系内能，所以这种这种偏聚过程是自发进行的偏聚过程是自发进行的。l晶界偏聚是一个扩散过程，晶界偏聚是一个扩散过程，只有在溶质只有在溶质原子能扩散的温度范围才能发生原子能扩散的温度范围才能发生，并需，并需要一定时间才能达

7、到该温度下溶质的晶要一定时间才能达到该温度下溶质的晶界平衡偏聚能度。界平衡偏聚能度。l溶质元素之间发生强相互作用，叫做溶质元素之间发生强相互作用，叫做共共偏聚偏聚。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共偏聚而促进回火脆性。偏聚而促进回火脆性。l1 1、碳化物的类型、碳化物的类型l当rcrM0.59时形成简单密排结构的间隙化合物；l当rcrM0.59时，形成复杂结构的间隙化合物。l简单点阵的碳化物，也叫间隙相，主要有MC和M 2C类型。l复杂点阵的碳化物 主要有 M 23C6 、 M 7C3和 M 3C类型。l钢中由于 FeMeC三种元素存在，还会形成三元碳化物 ，包括 MC

8、、M 2C、 M 23C6 、 M 7C3、 M 3C 和 M 6C六种类型。l2 2、碳化物及其稳定性、碳化物及其稳定性l碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小，主要取决于其亲和力的大小，主要取决于其d d层电子数层电子数。d d层电子愈少，则金属元素与碳的结合强度愈层电子愈少，则金属元素与碳的结合强度愈大，在钢中的稳定性也愈大。大，在钢中的稳定性也愈大。l也可以用生成热也可以用生成热H H值来比较，生成热绝对值来比较，生成热绝对值愈高，其稳定性也愈高。值愈高，其稳定性也愈高。 生成热生成热H H绝对绝对值由大到小顺序为：值由大到小顺序为：T

9、iTi、ZrZr、V V、NbNb、TaTa、WW、MoMo、CrCr、MnMn、FeFel因此，过渡族金属元素可依其与碳的结合强度的大小分类：l1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素；l2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元素；l3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。l强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定，其溶解温度也较高，而溶解速度较慢，析出后聚集长大速度也较低。lMC型碳化物：由强碳化物形成元素TiTi、V V、NbNb、ZrZr形成，在900以上才开始溶解于-Fe中，1100以上才大量溶解，在500700范围析出时，具有较低的聚集长大速度，因而可以成为钢中的强化相。lM2C型碳化物：主要是中强碳

10、化物形成元素WW和和MoMo形成的，在钢中的稳定性较差，但仍可做500650范围的强化相。lM23C6型碳化物：Cr23C6的稳定性更差，只有在少数耐热钢中，经过综合合金化后，才有较高的稳定性，例如（Cr，Fe，V，Mo，W）23C6可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化相。lMM7 7C C3 3及及MM3 3C C型碳化物：很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度，因此不能作为高温强化相不能作为高温强化相。l3 3、氮化物及其稳定性、氮化物及其稳定性l根据过渡族金属与氮的结合强度分类：l强氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；l中强氮化物形成元素：W、Mo ；l弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe

11、。l当钢中存在多种过渡族金属元素时，存在着复合碳化物和复合氮化物，例如（Cr，Fe）23C6。l氮化物和碳化物之间也可互相溶解，形成碳氮化物碳氮化物。例如氮可置换部分碳原子，在含钒、钛、铌微合金钢中形成Ti（C，N）、V（C，N）和Nb（C，N）。l此外，冶炼中钢液用铝脱氧，因而存在铝的氮化物AlN。AlN在钢中有很高的稳定性，只有在1100以上才大量溶于-Fe，在较低温度下又重新析出。l在生产中可以利用氮化物的弥散强在生产中可以利用氮化物的弥散强化作用来提高钢的疲劳强度，利用化作用来提高钢的疲劳强度，利用氮化物的高硬度来进一步提高表面氮化物的高硬度来进一步提高表面硬度和耐磨性。硬度和耐磨性。

12、 l金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的晶体结构和金属基本特性的化合物。l一、相l在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现都会出现相。其化学式为相。其化学式为ABAB或或 AxByAxBy，如如FeCrFeCr、FeMoFeMo、FeVFeV等。等。 相对合金性相对合金性能有害，在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆能有害，在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆性，在耐热钢和高温合金中引起脆性。性，在耐热钢和高温合金中引起脆性。 l在二元系中，形成相的条件是：l1 1）原子尺寸差别不大。）原子尺寸差别不大。l2 2）钢和合金的）钢和合金的“平

13、均族数平均族数”（或（或s sd d层电子浓度）层电子浓度）在在 5.77.6范围。范围。 l为避免在合金中出现为避免在合金中出现 相，可用元素的电子缺相，可用元素的电子缺位数位数N NV V来进行合金设计。来进行合金设计。 lN NV V = 0.66Ni + 1.71Co + 2.66Fe + 3.66Mn = 0.66Ni + 1.71Co + 2.66Fe + 3.66Mn +4.66(Cr + Mo + W) + 5.66 (V + +4.66(Cr + Mo + W) + 5.66 (V + NbNb + Ta ) + Ta ) + 6.66 (Ti + Si ) + 7.66Al

14、+ 6.66 (Ti + Si ) + 7.66All当当N NV V值值 2.522.52时，不出现时，不出现 相相 。l二、AB2相（拉维斯相）l含含钨、钼、铌和钛钨、钼、铌和钛的复杂成分耐热钢和的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在耐热合金中，均存在ABAB2 2相。它是现代耐相。它是现代耐热钢和合金以及镁合金中的一种热钢和合金以及镁合金中的一种强化相强化相。 lABAB2 2相是尺寸因素起主导作用的化合物，相是尺寸因素起主导作用的化合物，但它具有哪一种点阵，则受电子浓度的但它具有哪一种点阵，则受电子浓度的影响。周期表中任何两族金属元素，只影响。周期表中任何两族金属元素，只要符合原子尺寸要

15、符合原子尺寸b bA A / / b bB B = 1.2 / l = 1.2 / l 时，时，都能形成都能形成ABAB2 2相。相。 l三、AB3相（有序相，如-Ni3Al ） l钢和合金中存在着多种有序结构的相，钢和合金中存在着多种有序结构的相，它们各组元之间尚不能形成稳定的化合它们各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶体到化合物之间的过渡状物，处于固溶体到化合物之间的过渡状态。态。 l -Ni-Ni3 3AlAl为为L1L12 2型结构，属面心立方结型结构，属面心立方结构，在复杂成分耐热钢和耐热合金中，构，在复杂成分耐热钢和耐热合金中，NiNi3 3AlAl是重要的是重要的强化相强化

16、相。 l一、合金元素对钢临界点的影响 l合金元素对碳钢的重要影响是合金元素对碳钢的重要影响是改变改变临界点的温度和含碳量临界点的温度和含碳量，使合金钢，使合金钢和铸铁的热处理制度不同于碳钢。和铸铁的热处理制度不同于碳钢。 l1、扩大相区的奥氏体形成元素使 FeC相图中A3和A1温度下降（如Mn）,但钴例外。 l2、缩小相区的铁素体形成元素使A3和A1温度升高（如Mo）。l3、几乎所有的合金元素都使共析点和共晶点碳质量分数降低，即S点和E点左移，使合金钢的平衡组织发生变化。 （1 1）CrCr、MoMo、W W、V V等强碳化物形成元素与等强碳化物形成元素与碳的亲合力大，形成难溶于奥氏体的合金碳

17、的亲合力大，形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著阻碍碳的扩散，碳化物，显著阻碍碳的扩散，大大减慢奥大大减慢奥氏体形成速度氏体形成速度。（2 2）CoCo、NiNi等部分非碳化物形成元素，因等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度使奥氏体的形成速度加快加快。（3 3）AlAl、SiSi、MnMn等合金元素对奥氏体形成等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。速度影响不大。l（1 1）强烈阻碍晶粒长大的元素：）强烈阻碍晶粒长大的元素：V V、TiTi、NbNb、ZrZr等。等。AlAl在钢中易形成高熔点的在钢中易形成高熔点的AlNAlN、AlAl2 2O O3 3细

18、质点，也强烈阻止晶粒长大。细质点，也强烈阻止晶粒长大。l（2 2）中等阻碍晶粒长大的元素：）中等阻碍晶粒长大的元素：W W、MoMo、CrCr。l（3 3）对晶粒长大影响不大的元素：）对晶粒长大影响不大的元素：SiSi、NiNi、CuCu。l（4 4）促进晶粒长大的元素：）促进晶粒长大的元素：MnMn、P P、B B有有此倾向。此倾向。l1 1、钛、铌、钒、钨、钛、铌、钒、钨、钼（钼（TiTi、NbNb、V V、W W、MoMo）等元素）等元素强烈推迟强烈推迟珠光体转变珠光体转变 ，对贝，对贝氏体转变推迟较少，氏体转变推迟较少，同时升高珠光体最大同时升高珠光体最大转变速度的温度，降转变速度的温

19、度，降低贝氏体最大转变速低贝氏体最大转变速度的温度。使度的温度。使C C曲线曲线分离开来，出现两个分离开来，出现两个C C曲线。曲线。l2 2、铬和锰（、铬和锰（CrCr、MnMn）都）都有强烈推迟珠光体和贝有强烈推迟珠光体和贝氏体转变的作用，而推氏体转变的作用，而推迟贝氏体的作用更加显迟贝氏体的作用更加显著。著。l l3 3、非碳化物形成元素硅、非碳化物形成元素硅、铝（铝（SiSi、AlAl）都增加过冷）都增加过冷奥氏体的稳定性，但推迟奥氏体的稳定性，但推迟贝氏体转变的作用更强烈，贝氏体转变的作用更强烈，并且将珠光体转变区和贝并且将珠光体转变区和贝氏体转变区分开。氏体转变区分开。 l4 4、

20、非碳化物形成元素镍、非碳化物形成元素镍NiNi有强烈推迟珠有强烈推迟珠光体转变光体转变的作用。当镍含量高时，珠光的作用。当镍含量高时，珠光体转变完全被抑制，仅在体转变完全被抑制，仅在500500以下发生以下发生贝氏体转变。贝氏体转变。l5 5、非碳化物形成元素钴、非碳化物形成元素钴CoCo和其他合金元和其他合金元素不同，它在各个温度都是素不同，它在各个温度都是降低奥氏体降低奥氏体的稳定性的稳定性，但它不改变奥氏体恒温转变，但它不改变奥氏体恒温转变C C曲线的形状。曲线的形状。l6 6、钢中加入微量元素也有效地增加过冷、钢中加入微量元素也有效地增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。如奥氏体的稳

21、定性，提高钢的淬透性。如钢中加入钢中加入0.00050.00050.0030.003硼（硼（B B），硼，硼是内吸附元素，主要存在于奥氏体晶界，是内吸附元素，主要存在于奥氏体晶界，它使过冷奥氏体转变的它使过冷奥氏体转变的C C曲线的位置向右曲线的位置向右移，但对曲线的形状影响不大移，但对曲线的形状影响不大。l合金钢采用合金钢采用多元少量合金化原则多元少量合金化原则，可最，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。性的作用。 l1 1、强碳化物、强碳化物钛、铌、钒钛、铌、钒主要是通过推迟主要是通过推迟珠光体转变时碳化物的形核和长大来珠光体转变时碳化物的形核

22、和长大来增增加过冷奥氏体的稳定性加过冷奥氏体的稳定性；l2 2、中强碳化物形成元素、中强碳化物形成元素钨、钼、铬钨、钼、铬除了除了推迟珠光体转变时碳化物形核和长大外，推迟珠光体转变时碳化物形核和长大外，还通过增加固溶体原子间结合力，降低还通过增加固溶体原子间结合力，降低铁的自扩散激活能，从而铁的自扩散激活能，从而减慢减慢转转变变；l3 3、弱碳化物锰推迟珠光体转变时，、弱碳化物锰推迟珠光体转变时，富锰的合金渗碳体（富锰的合金渗碳体（FeFe，MnMn）3 3C C的的形核和长大，同时锰又是扩大形核和长大，同时锰又是扩大相相区的元素，区的元素，起稳定奥氏体并强烈推起稳定奥氏体并强烈推迟迟转变的作

23、用转变的作用；l4 4、非碳化物形成元素镍、钴、硅和、非碳化物形成元素镍、钴、硅和铝对珠光体转变中碳化物形核和长铝对珠光体转变中碳化物形核和长大的影响小，主要表现在推迟大的影响小，主要表现在推迟转变。转变。 l1 1、碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素、碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低都降低B BS S点，使得在贝氏体和珠光体转变点，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，温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的形成两个转变的C C曲线。曲线。 l2 2、合金元素改变贝氏体转变动力学过程，、合金元素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

24、、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、钛锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。的作用较小。l3 3、钴由于升高、钴由于升高A A3 3点，降低点，降低相的化学自由相的化学自由能，使转变的驱动力增加，促进贝氏体转能，使转变的驱动力增加，促进贝氏体转变。变。 l1 1、绝大多数合金元素都、绝大多数合金元素都降低降低 M MS S点点，只有，只有钴和铝相反。钴和铝相反。 l2 2、随钢中合金元素增加，、随钢中合金元素增加，M MS S和和M Mf f点继续点继续下降（过冷奥氏体稳定性增加）室温下下降（过冷奥氏体稳定性增加）室温下将保留更多的残留奥氏体量。

25、将保留更多的残留奥氏体量。 l3 3、当、当M MS S点温度高于点温度高于200200 时，形成位错时，形成位错结构的马氏体；在结构的马氏体；在M MS S点低于点低于200200时，马时，马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。l合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有以下三点：l1 1、提高回火稳定性。提高回火稳定性作、提高回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：用较强的合金元素有：V V、SiSi、MoMo、W W、NiNi、CoCo等。等。 l2 2、产生二次硬化（包括两种情况）、产生二次硬化（包括两种情况）l3 3、增大回火脆性（第二类回火脆性

26、）、增大回火脆性（第二类回火脆性）l回火稳定性回火稳定性l回火稳定性就是回火稳定性就是钢对于回火时所发生的钢对于回火时所发生的软化过程的抗力软化过程的抗力。许多合金元素可以使许多合金元素可以使回火过程中各阶段的转变速度大大减慢，回火过程中各阶段的转变速度大大减慢，并推向更高的温度发生。并推向更高的温度发生。主要表现为主要表现为马氏体和残余奥氏体分解速度减慢，并马氏体和残余奥氏体分解速度减慢，并向高温推移；提高铁素体的再结晶温向高温推移；提高铁素体的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大，仍保持度；使碳化物难以聚集长大，仍保持比较分散而细小的状态。比较分散而细小的状态。 l（1 1）回火升温过程的二次硬化：）回火升温过程的二次硬化：l一些一些MoMo、W W、V V质量分数较高的高合金钢回质量分数较高的高合金钢回火时，硬度不是随回火温度升高而单调降火时，硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度（约低，而是到某一温度（约400400）后反而）后反而开始增大，并在另一更高温度（一般为开始增大，并在另一更高温度（一般为550550左右）达到峰值。也称左右）达到峰值。也称沉淀硬化沉淀硬化。l（2 2）回火降温过程的二次硬化：）回火降温过程的二次硬化：l由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的氏体的二次淬火二次淬火所引起。所引起。 l1 1、第一类