第一章第一章 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素钢：钢： 是一种以是一种以FeFe为基的合金为基的合金合金元素合金元素：合金钢合金钢， 杂质？杂质？低合金钢低合金钢：中合金钢中合金钢： 高合金钢高合金钢： 微合金钢微合金钢： 合金元素合金元素( (如如V,Nb,Ti,Zr,BV,Nb,Ti,Zr,B) )含量小于或等于含量小于或等于0.1%0.1%，而能显著，而能显著影响组织和性能的钢影响组织和性能的钢。钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素表中字体颜色为表中字体颜色为绿色绿色或或深蓝色深蓝色的元素为钢中常见合金的元素为钢中常见合金元素元素; ;字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素。元素。 IIIIIIIVVVI钢中合金元素的分类钢中合金元素的分类1、按与按与FeFe相互作用的特点分：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 2、按照与碳（、按照与碳（C C）相互作用的特点分：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 3、按照对奥氏体层错能的影响分、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等第一节第一节 Fe Fe 基固溶体基固溶体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-Fe，-Fe和-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。 Fe912CA3 Fe1394CA4 Fe链接Fe C相图 ！扩大奥氏体（扩大奥氏体（）区的元素区的元素（奥氏体形成元素）（奥氏体形成元素） 使使A3温度下降，温度下降，A4温度上升，即扩温度上升，即扩大了大了相区。相区。FeC相图两种情况扩大扩大区的元素区的元素1. 无限扩大无限扩大相区的元素：与相区的元素：与Fe无限固溶无限固溶 Ni、Mn、 Co（钴）属于此类合金元素扩大扩大区的元素区的元素2、有限扩大、有限扩大相区的元素：有限固溶相区的元素：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等扩大铁素体扩大铁素体()区的元素区的元素（铁素体形成元素）（铁素体形成元素） 这些合金元素使这些合金元素使A A3 3温度上升，温度上升，A A4 4温度下降温度下降（链（链接接FeFeC C相图）相图） 它包括以下两种情况它包括以下两种情况扩大扩大区的区的元素元素1 1、封闭、封闭 型：型：无限扩大无限扩大区区Cr（铬）、V（钒）扩大扩大区的元素区的元素2 、 缩小缩小型型：出现金属间化合物B（硼）、Nb（铌）等两类元素生产上的指导意义两类元素生产上的指导意义合金元素这种扩大或缩小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）铁素体不锈钢铁素体不锈钢：加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素，如Cr25Ti与Fe形成代位固溶体的合金元素，扩大或缩相区的能力与它们在-Fe和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热力学解释合金元素热力学解释合金元素对对相区的作用相区的作用H元素在相中的摩尔焓；H 元素在相中的摩尔焓；H H HH 0, 元素扩大相区第二节第二节 合金元素与钢中晶体合金元素与钢中晶体 缺陷的相互作用缺陷的相互作用合金中的晶体缺陷合金中的晶体缺陷：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一、钢铁中碳化物和氮化物的特点钢铁中碳化物和氮化物的特点： 高熔点，高硬度高熔点，高硬度， p8，表12，表13 高稳定性高稳定性， 判定，越大，化合物越稳定，判定，越大，化合物越稳定， 图图1 17 7，为什么？为什么？钢中碳化物钢中碳化物 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 d层电子越少，碳、氮化合物越稳定层电子越少，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二、钢中碳化物的稳定性钢铁中的碳化物钢铁中的碳化物在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： ZrTi Nb V Mo W Cr Mn Fe Ti、Nb、Zr 、V强碳化物形成元素；强碳化物形成元素； W、Mo，Cr 中强碳化物形成元素；中强碳化物形成元素； Ni，Co，Cu 的碳化物在钢中不出现的碳化物在钢中不出现钢铁中的碳化物钢铁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钢铁中的碳化物钢铁中的碳化物三、碳化物的结构三、碳化物的结构a rc/rme 0.59 形成复杂点阵结构，复杂C化物，C 化物稳定性差，如 Cr23 C6， Cr7C3b rc/rme0.59，晶格简单的C化物，MC和M2C型，稳定 性高 W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等属于 此类型。钢铁中的氮化物钢铁中的氮化物氮化物具有高硬度和脆性、高熔点，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MN/M均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。第四节第四节 钢中的金属间化合物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。钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物一、一、相相 钢钢中中的的相相：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相。（P11相） 例如：FeCr相在钢中为有害现象在钢中为有害现象：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钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物二、二、ABAB2 2相相( (拉维斯相拉维斯相) )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）钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物三、三、ABAB3 3相相( (有序相有序相) )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）3 Al（Ti，Nb）图18，p12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1 1、改变了奥氏体相区的位置、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，室温合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响扩大相区元素降低了A3温度，也降低了A1温度； 缩小相区元素升高了A3温度，也升高了A1温度2 2、改变了共析温度、改变了共析温度合金元素对铁碳相图的影响3 3、改变了共析体的含碳量、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，使共析点左移合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响合金元素添加量使C0.8%的钢中出现共析组织;合金元素添加使C2.11%的钢中出现合金莱氏体总结：总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由下表表示第六节第六节 合金元素对钢在加热时合金元素对钢在加热时转变的影响转变的影响钢在加热时的转变：相的形成碳化物溶解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合金元素对奥氏体形成的影响改变临界点温度改变临界点温度S S点位置等，改变奥氏体形点位置等，改变奥氏体形成的温度条件及成的温度条件及C C浓度条件。浓度条件。合金元素影响奥氏体均匀化合金元素影响奥氏体均匀化 强碳、氮化物形成元素强碳、氮化物形成元素稳定碳化物或氮稳定碳化物或氮化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到化物，溶解需更高温度，更长时间保温得到均匀一致均匀一致。合金工具钢保留部分合金工具钢保留部分C C化物。化物。影响奥氏体均匀化 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合金元素对奥氏体晶粒长大的影响合金元素对奥氏体晶粒长大的影响非碳、氮化物形成非碳、氮化物形成 元素元素MnMn、P P、有助长有助长 奥化体晶粒长大奥化体晶粒长大非碳、氮化物形成非碳、氮化物形成 元素，元素，Ni. Co Ni. Co 等对等对 大无影响大无影响 强碳、氮化物形成元素强碳、氮化物形成元素 奥氏体晶粒长大倾向，氮化奥氏体晶粒长大倾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用物比碳化物溶解度低，常用第七节第七节 合金元素对过冷奥氏体合金元素对过冷奥氏体转变的影响转变的影响一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱一、影响相变临界点，从而影响相变的过冷度和驱 动力动力 式 （15）和式（16），定量表示各元素 对Ac3和Ac1影响， 形成元素， 形成元素 二、在恒温转变曲线上的影响二、在恒温转变曲线上的影响 C C化物形成元素化物形成元素 C 曲线右移，并改变其形状，出现两个“鼻子” 温 度 非非C C化物形成元素化物形成元素 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：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 均稳定性，淬透性，钢中常用于提高淬透性元素：钢中常用于提高淬透性元素： CrCr、MnMn、MoMo、SiSi、NiNi、B B等等 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。p20,式(1-8)和(1-9),p20, 表1-5 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合金元素对马氏体转变的影响第八节第八节 合金元素对淬火钢合金元素对淬火钢 回火转变的影响回火转变的影响 对对马马氏氏体体分分解解的的影影响响： M分解温度，M M分分解解速速度度 ，回火抗力，回火抗力， 回火稳定性回火稳定性 合金元素： M分解速度 C钢中C化物析出温度250350 合金钢中400500，甚至更高，形成的碳化物越稳定，元素的这种作用越强 Cr. V.Ti W. Mo等强C化物形成元素，阻碍C扩散，使M分解速度 锰（弱）和镍（非）对M分解影响甚小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对残余奥氏体分解的影响对残余奥氏体分解的影响 残残余余分分解解温温度度，合合金金钢钢中中甚甚至至加加热热至至500500700700也也不不分分解解成成珠珠光光体体等等产产物物，但但析析出出C C化化物物使使在在回回火火随随后后的的冷冷却时转变为却时转变为M M，这种现象称为二次淬火。这种现象称为二次淬火。 含含V V、MoMo等等元元素素的的合合金金钢钢回回火火的的二二次次硬硬化化效效应应：随随回回火火温温度度的升高，硬度不是持续下降，而是在的升高，硬度不是持续下降，而是在600600左右有硬度最高点。左右有硬度最高点。原因：原因：高高温温下下C C化化物物析析出出使使 内内C C及及合合金金元元素素贫贫化化，Ms,Ms,冷冷却却时时 转变成转变成M M。在在600600左左右右回回火火，体体系系中中有有大大量量细细小小、稳稳定定、弥弥散散、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物析析出出，产产生生强强烈烈的的第第二二相相强强化化，从从而而使使钢钢具具有有很好的高温强度和硬度很好的高温强度和硬度。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对对C C化物的形成，聚集和长大的影响化物的形成，聚集和长大的影响 含含一一种种或或数数种种足足够够浓浓度度W W、Mo. Mo. V. V. CrCr等等强强C C化化物物形形成成元元素素的的合合金金钢钢，淬淬火火后后较较高高温温度度回回火火（450450650650）时时，产产生生稳稳定定的的、细细小小弥弥散散的的、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物颗颗粒粒。细细小小弥弥散散、不不易易聚聚集集长长大大的的C C化化物物的析出及二次淬火共同造就了二次硬化现象。的析出及二次淬火共同造就了二次硬化现象。 CoCo虽不阻碍扩散，但虽不阻碍扩散，但固溶体的原子结合力，固溶体的原子结合力，也使析出相不易长大。也使析出相不易长大。 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