钢铁中的合金元素级

关于钢铁中的合金元素级1.1钢中的合金元素及其分类合金元素：合金钢，杂质？低合金钢：中合金钢：

高合金钢：

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。钢：是一种以Fe为基的合金第2页,共51页，2024年2月25日，星期天钢铁中的合金元素表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金元素;字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。

IIIIIIIVVVI第3页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中合金元素的分类1、按与Fe相互作用的特点分：

形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等形成元素：Cr，Mo，Si等2、按照与碳（C）相互作用的特点分：碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr等非碳化物形成元素：Ni，Si，Al等3、按照对奥氏体层错能的影响分提高奥氏体层错能的元素：Ni，Cu等降低奥氏体层错能的元素：Mn，Cr等

第4页,共51页，2024年2月25日，星期天1.2合金元素与铁和碳的相互作用纯铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变:

合金元素对α-Fe，γ-Fe和δ-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有极大的影响。

－Fe912

CA3－Fe1394

CA4－Fe链接Fe－C相图！第5页,共51页，2024年2月25日，星期天6.67Lreturn1纯铁：N点，A4G点，A3①②③A第6页,共51页，2024年2月25日，星期天6.67L钢：A4线NHA3线GS①②③AReturn2第7页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素与铁的相互作用：

（1）扩大奥氏体（γ）区的元素

（奥氏体形成元素）使A3温度下降，A4温度上升，即扩大了γ相区。Fe－C相图两种情况第8页,共51页，2024年2月25日，星期天扩大γ区的元素

无限扩大γ相区的元素：与Fe无限固溶

Ni、Mn、Co（钴）属于此类合金元素第9页,共51页，2024年2月25日，星期天扩大γ区的元素有限扩大γ相区的元素：有限固溶与－Fe和－Fe均形成有限固溶,相有稳定存在的最低温度点。C、N、Cu等第10页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素与铁的相互作用：

（2）扩大铁素体（α）区的元素（铁素体形成元素）这些合金元素使A3温度上升，A4温度下降（链接Fe－C相图）

包括以下两种情况:第11页,共51页，2024年2月25日，星期天扩大α区的元素封闭型：无限扩大α区Cr（铬）、V（钒）第12页,共51页，2024年2月25日，星期天扩大α区的元素

缩小γ型：出现金属间化合物

B（硼）、Nb（铌）等第13页,共51页，2024年2月25日，星期天两类元素生产上的指导意义合金元素这种扩大或缩小γ相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能将产生重大的影响，对钢铁材料的成分设计有很重要的指导意义，eg.不锈钢的成分设计：使钢在室温具有单相、或单相的组织奥氏体不锈钢：加入大量的Ni，Mn等奥氏体形成元素，如1Cr18Ni9，（wCr18％促进Ni的奥氏体化作用）铁素体不锈钢：加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素，如Cr25Ti（p8）第14页,共51页，2024年2月25日，星期天与Fe形成代位固溶体的合金元素，扩大或缩γ相区的能力与它们在α-Fe和γ－Fe中的溶解度有关,主要有3个影响因素:（自学）1.合金元素与铁元素电子结构的差异;2.合金元素与铁元素点阵类型的差异;3.合金元素与铁元素原子尺寸因素的差异第15页,共51页，2024年2月25日，星期天热力学解释合金元素

对相区的作用H

－－－元素在相中的摩尔焓；H

－－－元素在相中的摩尔焓；H＝H

－

H

H<0，元素扩大相区H>0,元素扩大相区第16页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素与铁的相互作用：

（3）、形成金属间化合物①σ相

钢中的σ相：在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现σ相。（P11σ相）

例如：FeCr

相（p5，图1.3（b））在钢中为有害现象：σ相具有较高的硬度，钢中FeCr析出通常在晶界处，析出时伴随较大的体积变化，所以在铬镍钢中伴随着σ相的出现，钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。同时造成钢的耐腐蚀性能下降。第17页,共51页，2024年2月25日，星期天②、AB2相(拉维斯相)尺寸因素起主导作用形成的相：AB2金属间化合物是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，如耐热钢中的NbFe2，耐热铝合金中的CuAl2等（原子直径之比）第18页,共51页，2024年2月25日，星期天③AB3相(有序相)

是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。 是耐热钢和耐热合金中重要的强化相，例如：Ni3Al等。

Ni3Al中可溶解多种元素，电负性和原子半径决定Ni（Co，Cu）3Al（Ti，Nb）第19页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素与铁的相互作用：

（4）对奥氏体层错能的影响Ni提高奥氏体的层错能，Mn降低奥氏体层错能奥氏体不锈钢第20页,共51页，2024年2月25日，星期天第二节合金元素与钢中晶体

缺陷的相互作用合金中的晶体缺陷：晶界、相界、亚晶界、位错等

溶质原子与晶界结合晶界偏聚溶质原子与位错结合柯垂尔气团，C、N热力学解释：柯氏气团、晶界偏聚为使体系能量降低的自发过程p7解释，

McLean公式，偏聚程度与畸变能差有关第21页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素晶界偏聚的富积系数原子尺寸，相差大，E大，晶界偏聚大固溶度小，C0小，晶界偏聚大温度降低，E不变，晶界偏聚大几种溶质原子之间同时在晶界偏聚：E值大的优先；影响晶界偏聚速度；共偏聚作用：溶质原子之间有强相互作用，在晶界产生沉淀Cg－－－晶界区的溶质偏聚浓度；C0－－－溶质在基体晶内的浓度第22页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素与碳的相互作用一、钢铁中碳化物的特点：

高熔点，高硬度，高稳定性，p10，表1-1判定，越大，化合物越稳定，为什么？第23页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中碳化物合金元素的d层电子数决定其与C、N原子形成的键的强度，d层电子越少，碳、氮化合物越稳定链接元素周期表二、钢中碳化物的稳定性第24页,共51页，2024年2月25日，星期天部分合金元素的d层电子数对第四周期合金元素：

与碳的亲和力Ti>V>Cr>Mn,而Co和Ni的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。return第25页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物

在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：

Ti>Zr>Nb>V>Mo>W>Cr>Mn>Fe

Ti、Nb、Zr

、V－－－强碳化物形成元素；W、Mo，Cr－－－中强碳化物形成元素；

Ni，Co，Cu

的碳化物在钢中不出现第26页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关第27页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物arc/rme>0.59形成复杂点阵结构，复杂碳化物，碳化物稳定性差，如Cr23C6，Cr7C3brc/rme<0.59，晶格简单的C化物，MeC和Me2C型，稳定性高W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属于此类型。第28页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物复合碳化物：在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金元素碳化物，如（Fe，V）3C，（Fe，Mn）3C等。

各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。

四、碳化物的相互溶解第29页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物1、完全互溶

各种碳化物具有相同的点阵类型，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差<8-10%，碳化物彼此能够完全互溶，即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换例如：

Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3CVC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)CMo2C-W2CFe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C第30页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的碳化物2、有限溶解：

如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解<28%Cr,<14%Mo,<2%W,<3%V,形成合金渗碳体。第31页,共51页，2024年2月25日，星期天钢铁中的氮化物

氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。

氮原子比碳原子小，氮原子半径

N和金属原子半径γMe,γN/γMe均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。第32页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的金属间化合物合金钢中合金元素之间以及合金元素与铁之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。金属间化合物保持着金属的特点，对奥氏体不锈钢、马氏体时效钢和许多高温合金的强化有较大的影响。第33页,共51页，2024年2月25日，星期天钢中的金属间化合物一、σ相IIIIIIIVVVI第一长周期的第七族（VIIB）和第八族（VIIIB）能和第五族（VB）及第六族（VIB）元素形成相，如Cr－Mn，Cr－Fe等第34页,共51页，2024年2月25日，星期天1.5合金元素钢相变的影响

1、改变了奥氏体相区的位置Mn,Ni等：形成元素，扩大

区，室温Cr，Mo等：铁素体形成元素，

会消失，室温1-61-7第35页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素钢相变的影响扩大γ相区元素降低了A3温度，也降低了A1温度；

缩小γ相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度2、改变了共析温度1-8第36页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素钢相变的影响3、改变了共析体的含碳量

所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移1-9第37页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素钢相变的影响合金元素添加量使C≤0.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C≤2.11%的钢中出现合金莱氏体总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示第38页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对奥氏体形成的影响钢在加热时的转变：

γ相的形成碳化物溶解γ相中合金元素的均匀化溶质元素的晶界平衡偏聚奥氏体晶粒长大第39页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对奥氏体形成的影响改变临界点温度S点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及C浓度条件。合金元素影响奥氏体均匀化→强碳、氮化物形成元素→稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致γ。合金工具钢保留部分C化物。影响奥氏体均匀化

第40页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对钢在加热时转变的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响,p15→非碳、氮化物形成元素Mn、P、有助长奥化体晶粒长大→非碳、氮化物形成元素，Ni.Co等对γ长大无影响

→强碳、氮化物形成元素↓奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用第41页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对过冷奥氏体转变的影响一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱动力

元素对Ac3和Ac1影响可定量表示，

形成元素，形成元素

二、在恒温转变曲线上的影响

C化物形成元素

C曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子”温度（图1.10）非C化物形成元素使C-曲线右移，形状不变，特殊情况Co↑C扩散，C曲线左移综述：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。除Co外，所有合金元素均↑γ稳定性，↑淬透性，钢中常用于提高淬透性元素：

Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等第42页,共51页，2024年2月25日，星期天℃550700727γ＋Pγγ＋BγPBMsTimeMA1bcaMf共析钢的“C”曲线（TTT曲线）return第43页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素扩散慢，是珠光体转变时碳化物形核的控制因素合金元素影响形核功或转变激活能，降低相转变速度，p17（Ti，V，Nb）（Cr，Mo，W）

（Al，Si）合金元素对先共析铁素体析出的影响：C在相变前端的扩散为控制因素，强碳化物形成元素对析出不利，Ni、Mn也减慢这种转变相间沉淀:碳化物相间沉淀，尺寸取决于转变温度和碳化物形成元素的种类

合金元素对过冷奥氏体转变的综合作用合金元素对珠光体转变的影响（自学）

P19，合金元素对贝氏体转变的影响（自学）第44页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对贝氏体转变的影响合金元素对贝氏体转变上限温度的影响。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、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。(自学)第45页,共51页，2024年2月25日，星期天

绝大多数合金元素都降低MS，↑钢中的残余量,但有Co和Al相反。P22，readtogether

合金元素影响马氏体的结构:C和合金元素增加形成针状马氏体的倾向合金元素对马氏体转变的影响第46页,共51页，2024年2月25日，星期天合金元素对回火转变的影响

对马氏体分解的影响：↑M分解温度，↓M分解速度，↑回火抗力，↑回火稳定性

合金元素：↓M分解速度

C钢中C化物析出温度250—350℃合金钢中400