燃气轮机材料基础 课件 11合金化原理

燃气轮机材料基础2

第6章碳钢和合金化原理3合金钢，在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元素（Me）的钢。常加入元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、稀土(RE)等元素。

碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械的使用要求，是工业中用量最大的金属材料，但工业生产不断对钢提出更高的要求。1、淬透性差2、回火稳定性差3、综合机械性能低4、不能满足某些特殊场合要求碳钢不足具体表现合金钢弥补碳钢缺点引言4（1）使用性能方面：低温韧性高，高温下蠕变强度、硬度及抗氧化性高，耐蚀性好等；（2）工艺性能方面：具有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。Me与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了钢铁中各相的稳定性，并产生了许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织，在宏观上表现为改变了钢铁材料的使用和工艺性能。合金钢的优点改良原因51.1碳钢简介1.2钢的合金化原理主要内容碳钢中的常存杂质碳钢的分类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对钢的相变的影响Me对钢强韧化的影响Me对钢工艺性的影响6重点及基本要求1.了解碳钢中的常存元素及其影响、碳钢的分类。2.

掌握合金元素在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，对Fe-Fe3C相图、对钢的热处理及组织与性能的影响规律。7几个基本概念合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。8低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。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。91.1碳钢简介10生产流程图11一、碳钢中的杂质（一）常存杂质：1.锰（Mn）和硅（Si）

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。Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。1.1碳钢简介122．硫（S）和磷（P）S：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：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是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

1.1碳钢简介13（二）隐存杂质―氮（N）、氢（H）、氧（O）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。

N、H、O是有害杂质。1.1碳钢简介14（三）偶存杂质―Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等

与炼钢过程中所使用的矿石和废钢有关。1.1碳钢简介15二、碳钢的分类400C1400C1200C1000C800C600C1600CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgadSteelCastIron1．按钢中的碳含量（1）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%（2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：

wc

≤0.25%中碳钢：0.25%＜wc≤0.6%高碳钢：

wc＞0.6%1.1碳钢简介亚过SE162．按钢的质量（品质即S、P含量）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碳钢简介173．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碳钢简介18

4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为

（1）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为F。

（2）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为Z。

（3）半镇静钢：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：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。

1.1碳钢简介191.2钢的合金化原理20ⅠA

0H

ⅡA

ⅢA

ⅣA

ⅤA

ⅥA

ⅦA

He

LiBeBCNOFNeNaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTi

V

Cr

Mn

Fe

CoNiCuZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLa

Hf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn钢中常用的合金元素表中字体颜色为绿色和蓝色的元素为钢中常见合金元素；字体颜色为蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。211.2钢的合金化原理一、合金元素在钢中的存在形式Me与钢中铁之间形成铁基固溶体Me与碳、氮形成碳化物和氮化物Me之间或Me与铁之间形成金属间化合物Me的存在形式221．形成铁基固溶体

（1）形成铁基置换固溶体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23（2）形成铁基间隙固溶体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242．形成碳化物和氮化物（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。它们与纯金属相比，具有高硬度、高弹性模量、高脆性和高熔点。钢中常见碳化物和氮化物的硬度和熔点见课本表1.2和1.3。（2）碳化物的强度（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253．形成金属间化合物（1）σ相、AB2（拉维斯相）

及AB3相（有序相）。（2）形成金属间化合物的元素若为碳化物形成元素，则优先形成碳化物，过量后才能形成金属间化合物。（3）金属间化合物的形成一般可使钢的强度和硬度提高，但同时也会产生脆性等不良影响。1.2钢的合金化原理26二、合金元素与铁和碳的相互作用1．Me与铁的相互作用（Me对铁的多型性转变的影响）（1）奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大溶解度并能稳定γ固溶体的元素。

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：开启γ相区（无限扩大γ相区）；扩展γ相区（有限扩大γ相区）。1.2钢的合金化原理27①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。它们可与γ-Fe形成无限置换固溶体，使δ和α相区缩小。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，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。28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)1.2钢的合金化原理29②扩大γ相区（有限扩大γ相区）（图1-2）合金元素与γ-Fe形成有限固溶体，随合金元素的加入虽然A3降低，A4升高,γ相区也逐渐扩大，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%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30图1-2扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Fe3C相图(b)1.2钢的合金化原理311．Me与铁的相互作用（2）铁素体形成元素在α-Fe中有较大溶解度并能稳定α固溶体的元素。

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：封闭γ相区；缩小γ相区。

1.2钢的合金化原理32①封闭γ相区（图1-3）

●无限扩大α相区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）。

这类合金元素有：Si、Al和强碳化物形成元素Cr、V、P及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。1.2钢的合金化原理33●有限扩大α相区这类合金元素有Mo、W、Ti等，它们与α-Fe有限互溶，γ相区被封闭，在相图上形成γ圈。图1-3封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图（a）与α-Fe有限互溶的Fe-Me相图（b）封闭奥氏体相区类型Fe-M相图示意图(a)及Fe-Cr相图(b)35②缩小γ相区(不能使γ相区封闭)合金元素使A3升高，A4下降，使相区缩小，但不能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。1.2钢的合金化原理36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37二、合金元素与铁和碳的相互作用2．合金元素与碳的相互作用形成碳化物碳化物形成元素：(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元素周期表中Fe的左侧。非碳化物形成元素：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38碳化物的晶体结构：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39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。

1.2钢的合金化原理402．合金元素与碳的相互作用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412．合金元素与碳的相互作用在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷却，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的影响具有很重大的意义。

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

1.2钢的合金化原理42Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响碳化物形成元素：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432、合金元素与C的相互作用总之，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

44三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1．合金元素对奥氏体(A)、铁素体(F)存在范围的影响除了Co以外，扩大γ相区的奥氏体形成元素（Ni、Mn、Cu、N等），均使A3和A1温度下降，A4上升。

其中完全开启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12Cr18Ni9(原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45三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响缩小γ相区的合金元素

缩小γ相区的铁素体形成元素Mo、W、Si、Al、Nb、V、Ti等将使A3温度升高。1.2钢的合金化原理Fe-Mo-C三元系的奥氏体相区Fe-Si-C三元系的奥氏体相区Fe-Ti-C三元系的奥氏体相区Fe-Cr-C三元系的奥氏体相区472、Me对S、E点的影响

扩大γ相区的合金元素均使S、E点向左下方移动，

封闭γ相区的合金元素使S、E点向左上方移动。

几乎所有合金元素都使S点左移，尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。图1-7

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S点左移—意味着共析碳含量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的碳含量降低。48

S点上下移动―对共析转变温度A1的影响1.2钢的合金化原理扩大γ相区的元素使铁碳合金相图中共析转变温度A1下降，S点下移；缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的A1上升，S点上移。图1-8合金元素对共析温度的影响

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响49四、合金元素对钢的相变影响

1.2钢的合金化原理奥氏体的形核奥氏体晶粒的长大碳（氮）化物和铁素体的溶解奥氏体成分均匀化1．Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响奥氏体形成过程

●合金元素的加入改变了临界点的温度和碳在奥氏体中的溶解度（S、E），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。

50四、合金元素对钢的相变影响（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、碳（氮）化物的溶解、成分的均匀化，这些都与碳的扩散有关。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。强或中强碳化物形成元素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51四、合金元素对钢的相变影响碳（氮）化物的溶解：

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，在钢中的溶解度越小，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。1.2钢的合金化原理---P17图1-9碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系

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。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。52四、合金元素对钢的相变影响（2）Me对奥氏体晶粒长大的影响

♠Ti、V、Zr、Nb等强K形成元素所形成的K在高温下非常稳定，很难溶于A中，能强烈阻止A晶粒长大，显著细化晶粒；Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大。♠W、Mo、Cr中强碳化物形成元素等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等。1.2钢的合金化原理---P1853图1-10AlN含量对奥氏体晶粒度的影响

图1-11MnNiMo钢中的AlN质点（电解萃取碳复型）1.2钢的合金化原理Chapter1钢铁中的合金元素

54♠非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微。♠C、N、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。♠Mn在低碳钢中有细化晶粒的作用，而在中碳钢中可促进晶粒长大。

1.2钢的合金化原理---P19Chapter1钢铁中的合金元素

55四、合金元素对钢的相变影响

2．Me对钢的过冷奥氏体分解的影响1.2钢的合金化原理过冷A体：冷却至A转变温度以下，仍保持相对稳定的A。过冷A体稳定性有两个意义：孕育期和相变速度。珠光体贝氏体马氏体LMN图1-12

共析钢的C曲线示意图

56Me对钢的过冷奥氏体分解的影响主要表现在合金元素可以使钢的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。57四、合金元素对钢的相变影响（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A的稳定性，增加A的孕育期，推迟珠光体的转变）。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。1.2钢的合金化原理图9-16合金元素对过冷奥氏体等温转变图位置及形状的影响59两种或多种合金元素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。

60

☻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Chapter1钢铁中的合金元素

61四、合金元素对钢的相变影响（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C曲线形状发生变化，出现两个鼻温区。甚至使过冷A向P转变的区域与向B转变的区域完全分开，形成两个转变的C曲线，使得在B和P转变温度之间出现一个过冷奥氏体极稳定的温度区间。1.2钢的合金化原理

62四、合金元素对钢的相变的影响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。1.2钢的合金化原理63四、合金元素对钢的相变影响（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转变开始点Ms和终止点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1-13）。1.2钢的合金化原理64图1-13

合金元素对1.0%C碳钢的影响

1.2钢的合金化原理四、合金元素对钢的相变影响65随钢中合金元素Mn、Cr、Ni的增加，Ms和Mf点持续下降，使得室温下保留了更多的残留奥氏体量（图1-14）。图1-14

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钢的合金化原理四、合金元素对钢的相变影响66四、合金元素对钢相变的影响对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度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

，使Ms点远低于室温或零下―通常加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。1.2钢的合金化原理673.Me对淬火钢的回火转变的影响

淬火后钢的组织由M和残余A组成，它们在室温下都处于亚稳状态，M处于含碳过饱和状态，残余A处于过冷状态，它们都趋向于向F和渗碳体（碳化物）的稳定状态转化。淬火钢的回火正是促进这种转变更易于进行，我们把这种转变称为回火转变。四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理回火：将淬火得到的马氏体的钢加热到不超过A1临界温度进行保温，而后冷却下来，以调整和改善钢性能的一种热处理操作。68●马氏体分解；●残余奥氏体的转变；●碳化物的转变；淬火钢回火后，随着回火温度的升高和回火时间的延长，相应要发生如下几种转变：四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理69(1)Me对回火时马氏体（M）分解的影响

M分解过程：碳原子在M的晶体缺陷处偏聚；ε-Fe2.4C介稳碳化物析出；M中含碳量降低；ε-Fe2.4C转变为Fe3C。低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理70

中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响:

☻非K形成元素Ni、弱K形成元素Mn的影响很小；☻K形成元素降低碳的活度ac，阻止了渗碳体的析出长大，从而阻止M分解。其程度与它们与C的亲和力大小有关，亲和力越大，阻止程度越高。

效果:能使M分解完毕温度从260℃提高到500℃左右四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理71

☻Si比较特殊：<300℃时强烈延缓M分解Si

和Fe的结合力>Fe和C的结合力,↑ac，↓ε-Fe2.4C介稳碳化物的形核、长大；Si能溶于ε-Fe2.4C，不溶于Fe3C，要完成ε-Fe2.4C→Fe3C的转变及Fe3C的形核和长大，Si要从ε-Fe2.4C中扩散开去。

效果:含2%Si能使M分解完毕温度从260℃提高到350℃以上四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理72基本规律☻合金钢回火时M中含C量变化规律

回火时马氏体中C量的变化

线1-C钢;线2-含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢;线3-含碳化物形成元素的合金钢

四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理①渗碳体形成开始温度与合金化无关；②含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢（线2）和C钢（线1）回火时M中含C量的规律相同；③在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含C量要比C钢的高，如图中的C2、3>C1；④不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是不同的。73(2)Me对残余A转变的影响Me的选择：降低Ms点的Me均增加淬火钢中的残余A量，而升高Ms点的Me均减少淬火钢中的残余A量；回火：回火保温（500~600℃）过程中，从残余A中析出M23C6等类型的碳化物，从而使残余A中的C和Me的含量降低，提高Ms点温度，从而在回火冷却过程中转变成M或B。因此，为了减少残余A量，往往会经过多次回火。合金钢淬火后过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，工件形状不稳定。减少残余A的途径：四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理74(3)Me对淬火钢回火时K转变的影响

a）K聚集长大

Si、Al和强K形成元素可强烈阻碍K的聚集长大温度：渗碳体M3C型，350~400℃；其它K，450~600℃；b）K成分变化和类型转变K转变ε-FeXC→Fe3C→M3C→亚稳特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500K的析出与转变过程主要包括：碳化物形成元素向碳化物中富集形成合金渗碳体含强碳化物形成元素且NM/NC比值较高时，该Me会取代Fe形成更稳定的特殊K四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理75c）特殊K的形成途径（举例）

●原位析出（K形成元素在渗碳体中富集，当其超过在合金渗碳体中的溶解度时，合金渗碳体就在原位转变为特殊K而析出）：

αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)

●异位析出（直接由过饱和相中形核析出）：αM→α

+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)

特殊K析出→二次硬化，直接析出→贡献最大四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理―P2376(4)合金钢的回火脆性

脆性特征①不可逆（更高温度回火消除后不会再产生）；②产生与回火后冷速无关；③表现为晶界脆断。产生原因Me作用①Fe3C薄膜在A晶界或M板条间形成，↓晶界强度

②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界强度。

Mn、Cr、Ni提高脆性；V、Al改善脆性；Si可推迟脆性温度区.四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理―P24a、第一类回火脆性（低温回火脆性200―350℃）

77b、第2类回火脆性（高温回火脆性450~650℃）

脆性特征

①可逆（可重复出现）；②回火后慢冷产生，快冷抑制；③表现为晶界脆断.产生原因

①杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；形成网状或片状化合物,↓晶界强度。

②高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用

Sn、B、P、S、As、Bi等是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂四、合金元素对钢相变的影响1.2钢的合金化原理―P2478五、

Me对钢强韧化的影响

（一）钢强化的形式及其机理

各种强化途径↑位错滑移阻力↑塑性变形抗力

↑钢强度五、合金元素对钢强韧化的影响♦强化的本质机理：♦强化形式：固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相弥散强化。1.2钢的合金化原理―P24791、固溶强化五、合金元素对钢强韧化的影响

Ki为系数，Ci为固溶度；C、N等间隙原子，n=0.33~2.0；Mo、Si、Mn等置换式原子：n=0.5~1.0合金元素的固溶强化效果：基体金属通过它本身与一种或一种以上合金元素形成固溶体来提高其硬度和强度的一种方式。固溶强化机理：原子固溶→晶格发生畸变

→产生弹性应力场，与位错交互作用→↑位错运动阻力1.2钢的合金化原理―P2580

合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响

C、N固溶强化效应最大。Si、Mn的固溶强化效应大，为常用的固溶强化元素，但Si>1.1%，Mn>1.8%时，钢的塑韧性将有较大的下降。

五、合金元素对钢强韧化的影响1.2钢的合金化原理―P2581固溶强化优缺点●提高钢的强度；●降低塑韧性：降低伸长率

、冲击韧度Akv以及材料的加工性，提高钢的韧脆转变温度Tk。五、合金元素对钢强韧化的影响1.2钢的合金化原理―P25822、位错强化

五、合金元素对钢强韧化的影响位错：晶体在结晶时受到杂质﹑温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击﹑切削﹑研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行间相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，由此形成的缺陷称位错。它在一个方向上尺寸较长，所以被称为线状缺陷。实际晶体在生长和塑性变形过程中都会产生位错。位错强化量：Kd―系数

―位错密度：晶体中单位面积所包含的位错数目，或单位体积中所有位错线的长度之和。1.2钢的合金化原理―P2583

缺点：在强化的同时，同样也降低了伸长率

，提高了韧脆转变温度TK。1.2钢的合金化原理―P25五、合金元素对钢强韧化的影响位错强化机理：

位错密度ρ↑→↑↑位错交割、缠结，→有效地阻止了位错运动→↑钢强度。对体心立方晶体，位错强化效果较好843、细晶强化―细化晶粒提高钢的强度

优点：↑钢的强度，又↑塑性和韧度。这是最理想的强化途径.五、合金元素对钢强韧化的影响细晶强化增量―Hall-petch公式：

d为晶粒直径，Kg为系数

机理：晶粒越细→晶界、亚晶界越多→

有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。1.2钢的合金化原理―P26当由一位错源放出来的一系列位错中的第一个位错被障碍物所阻碍时，随后的各位错依次塞积在障碍物之前的现象。85

晶界处位错塞积现象五、合金元素对钢强韧化的影响当位错产生塞积时，后面的位错由于受到外力作用，要推着前面的位错继续前进，而前面的位错对后面的位错有斥力，塞积的越多斥力越大，阻碍位错运动，提高钢的强度。864、第二相强化五、合金元素对钢强韧化的影响1.2钢的合金化原理―P26位错的作用机制：有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。优缺点：有效提高强度，但稍降低塑韧性。

强化机理：微粒第二相钉扎位错运动→强化效果第二相的形成过程：回火时第二相弥散沉淀析出强化；淬火时残留第二相强化。第二相强化增量：Kp为系数，为粒子间距87位错被质点障碍物所挡住，当位错通过第二相沉淀粒子时需要消耗一定的能量，增大了位错滑移阻力，提高钢的强度。五、合金