第5章 钢的合金化

1、1 本本 章章 主主 要要 内内 容容 1.11.1合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式 1.21.2合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 1.31.3合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响 1.41.4合金元素对钢的组织转变的影响合金元素对钢的组织转变的影响 1.51.5合金元素对钢强韧性的影响合金元素对钢强韧性的影响 第第5 5章章 钢的合金化钢的合金化 n 在钢铁中加入合金元素能改变材料的工在钢铁中加入合金元素能改变材料的工 艺性能和使用性能。艺性能和使用性能。 n 在在使用性能方面使用性能方面，有高的强、韧性的配，有高的强、韧性的配

2、 合，或高的低温韧性，或高温下有高的蠕变合，或高的低温韧性，或高温下有高的蠕变 强度、硬度及抗氧化性或具有良好的耐蚀性强度、硬度及抗氧化性或具有良好的耐蚀性 。 n 在在工艺性能方面工艺性能方面，有良好的热塑性、冷，有良好的热塑性、冷 变形性、切削加工性、淬透性、焊接性等。变形性、切削加工性、淬透性、焊接性等。 n 这主要是由于合金元素加入后改变了钢这主要是由于合金元素加入后改变了钢 的工艺过程和组织结构，的工艺过程和组织结构，钢中所含元素不同钢中所含元素不同 ，其组织和性能也不同，其组织和性能也不同。 3 5.15.1合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式 1 1）钢中常用的合金元

3、素）钢中常用的合金元素 4 2 2）合金元素在钢中的存在形式）合金元素在钢中的存在形式 （1 1）溶于溶于FeFe的基体的基体（奥氏体、铁素体、马氏体）（奥氏体、铁素体、马氏体） 中，形成中，形成FeFe基的置换固溶体或间隙固溶体，合金元基的置换固溶体或间隙固溶体，合金元 素处于替换位置或间隙位置。素处于替换位置或间隙位置。 （2 2）与与C C或或N N形成各种合金渗碳体、特殊碳化物形成各种合金渗碳体、特殊碳化物 或氮化物或氮化物，是钢的主要强化相。，是钢的主要强化相。 （3 3）合金元素之间或与）合金元素之间或与FeFe形成形成金属间化合物金属间化合物， 常在高合金钢中出现。常在高合金钢中

4、出现。 （4 4）形成各类）形成各类非金属夹杂物非金属夹杂物（如与氧、氮、硫（如与氧、氮、硫 相互作用形成氧化物、硫化物及氮化物等）相互作用形成氧化物、硫化物及氮化物等） 5 n（5 5）有些元素如铅（）有些元素如铅（PbPb）既不溶于铁，也）既不溶于铁，也 不形成化合物，而是以不形成化合物，而是以游离状态存在游离状态存在，碳，碳 有时也以游离状态（石墨）存在。有时也以游离状态（石墨）存在。 n（6 6）有些合金元素与晶界等晶体缺陷相互）有些合金元素与晶界等晶体缺陷相互 作用，发生内吸附现象，作用，发生内吸附现象，偏聚于晶界等缺偏聚于晶界等缺 陷处陷处，如，如ZrZr、W W、TiTi、V V

5、、NbNb、RERE等元素原等元素原 子半径都比子半径都比FeFe大的多，都有强烈的内吸附大的多，都有强烈的内吸附 现象。现象。 6 为什么合金元素会出现偏聚现象呢？为什么合金元素会出现偏聚现象呢？ 晶体缺陷处原子排列疏松、不规则，溶质原晶体缺陷处原子排列疏松、不规则，溶质原 子存在于此处，可以使系统的子存在于此处，可以使系统的自由能降低自由能降低，偏聚，偏聚 是一个自发过程，其驱动力是溶质原子在缺陷和是一个自发过程，其驱动力是溶质原子在缺陷和 晶内分布的畸变能之差。晶内分布的畸变能之差。 7 5.2 5.2 合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 1 1）合金元素与铁的相互作用）合金元

6、素与铁的相互作用 纯铁具有同素异构转变，加入合金元素后，构纯铁具有同素异构转变，加入合金元素后，构 成成Fe-MeFe-Me二元合金，二元合金，相图相图变复杂。变复杂。 分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类，分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类， 即即相稳定化元素和相稳定化元素和相稳定化元素相稳定化元素。 8 （1 1）相稳定化元素相稳定化元素 相稳定化元素使相稳定化元素使FeFe的的A A3 3温度降低，温度降低，A A4 4温温 度升高度升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形 成，即扩大了成，即扩大了相区。根据相区。根据Fe-MeFe-Me相图的不

7、同，相图的不同， 可分为：可分为： 合金元素开启合金元素开启相区（即无限扩大相区（即无限扩大相区）相区） 合金元素扩展合金元素扩展相区（即有限扩大相区（即有限扩大相区）相区） 9 这类合金元素与这类合金元素与- - FeFe无限互溶无限互溶，主要有，主要有MnMn、 NiNi、CoCo等。等。 如果加入足够量的如果加入足够量的NiNi或或 MnMn，可完全使体心立方的，可完全使体心立方的 相区从相图上消失，相区从相图上消失，相区相区 保持到室温，故而由保持到室温，故而由相区相区 淬火到室温较易获得亚稳的淬火到室温较易获得亚稳的 奥氏体组织，在不锈钢中常奥氏体组织，在不锈钢中常 用作获得奥氏体组

8、织。用作获得奥氏体组织。 合金元素开启合金元素开启相区（即无限扩大相区（即无限扩大相区）相区） 10 合金元素扩展合金元素扩展相区（即有限扩大相区（即有限扩大相区）相区） 这类合金元素与这类合金元素与-Fe有有 限互溶限互溶，主要有主要有C C、N N、 CuCu、ZnZn、AuAu等。等。 扩大扩大相区，使相区，使A A3 3温度（温度（GSGS 线）降低，线）降低，A A4 4温度（温度（JNJN线）线） 升高，最终不能使升高，最终不能使相区完相区完 全开启。全开启。 C C、N N与与FeFe形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。 当当C C含量在含量在0 02.11%2.11%（wt%wt%

9、） 范围内，获得均匀的固溶体，范围内，获得均匀的固溶体， -钢热处理的基础。钢热处理的基础。 11 （2 2）相稳定化元素相稳定化元素 这类合金元素使这类合金元素使FeFe的的A A4 4温度降低，温度降低，A A3 3温度温度 升高升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成， 即缩小了即缩小了相区。根据相区。根据Fe-MeFe-Me相图的不同，可分相图的不同，可分 为：为： 合金元素封闭合金元素封闭相区（即无限扩大相区（即无限扩大相区）相区） 合金元素缩小合金元素缩小相区相区 ( (不能使不能使相区封闭相区封闭) ) 12 合金元素封闭合金元素封闭相区（既无

10、限扩大相区（既无限扩大相区）相区） 这类合金元素有这类合金元素有Si、Al和和 强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、W、 Mo、V、Ti及及P、Be等等。 合金元素与合金元素与-Fe形成无限固溶形成无限固溶 体，而与体，而与-Fe形成有限固溶体，形成有限固溶体， 当合金元素达到某一含量时，当合金元素达到某一含量时， A3温度与温度与A4温度重合温度重合，即合，即合 金元素超过一定含量时，金元素超过一定含量时，合金合金 不再有不再有相变相变。 当当Cr、V含量足够大时，含量足够大时，Fe- Cr合金、合金、Fe-V合金在高温、合金在高温、 低温均为铁素体组织。低温均为铁素体组织。 13 合金元

11、素缩小合金元素缩小相区相区( (但不能使但不能使相区封闭相区封闭) ) 这类合金元素有这类合金元素有B B、NbNb、 ZrZr、TaTa等。等。 这类合金元素与封闭这类合金元素与封闭 相区的合金元素类似，相区的合金元素类似， 使使A A3 3升高，升高，A A4 4下降，但由下降，但由 于出现了金属间化合物于出现了金属间化合物 使使相区缩小，但不能相区缩小，但不能 使其完全封闭。使其完全封闭。 14 综上所述，将合金元素分为综上所述，将合金元素分为奥氏体形成元素奥氏体形成元素 和铁素体形成元素和铁素体形成元素两大类对生产实际有重要的指两大类对生产实际有重要的指 导意义。导意义。 通过控制钢中

12、合金元素的种类和含量，使钢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。如发展在室温下获得单相组织。如发展奥氏体钢奥氏体钢时，需时，需 要在钢中加入要在钢中加入NiNi、MnMn、N N等奥氏体形成元素；欲等奥氏体形成元素；欲 发展发展铁素体钢铁素体钢时，需要在钢中加入时，需要在钢中加入CrCr、SiSi、AlAl、 MoMo、TiTi等铁素体形成元素。等铁素体形成元素。 15 5.3 5.3 合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响 （1 1）合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响）合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 扩大扩大相区相区的

13、合金元素的合金元素 （如（如NiNi、CoCo、MnMn等）均可以等）均可以 扩大扩大Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的相图中的NJESGNJESG 区域。区域。使使E E，S S点左移，点左移，A3A3线线 下降。下降。 完全扩大完全扩大相区的合金相区的合金 元素元素NiNi或或MnMn的含量较多时，的含量较多时， 可使钢在室温下可使钢在室温下得到单相奥得到单相奥 氏体组织氏体组织，例如，例如1Cr18Ni91Cr18Ni9钢钢 和和ZGMn13ZGMn13钢等。钢等。 MnMn对对Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中奥氏体区的影响相图中奥氏体区的影响 16 缩小缩小相区的合金元素相区的

14、合金元素 （如（如CrCr、W W、MoMo、V V、TiTi、SiSi 等）均缩小等）均缩小Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中奥相图中奥 氏体存在的区域，即氏体存在的区域，即缩小缩小Fe-Fe- FeFe3 3C C相图中的相图中的NJESGNJESG区域。区域。使使 E E，S S点左移，点左移，A3A3线上升；线上升； 其中其中完全封闭完全封闭相区的相区的 合金元素合金元素（例如（例如CrCr、TiTi、SiSi 等）超过一定含量后，可使等）超过一定含量后，可使 钢在很大范围内获得钢在很大范围内获得单相铁单相铁 素体组织素体组织，例如，例如1Cr17Ti1Cr17Ti高铬高铬 铁素体

15、不锈钢等。铁素体不锈钢等。 W(Cr)W(Cr)对对Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中奥氏体区的影响相图中奥氏体区的影响 17 （2 2）合金元素对）合金元素对Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图E,SE,S点的影响点的影响 几乎所有合金元素都使几乎所有合金元素都使S 点左移，点左移，使得共析含使得共析含C量降低，量降低， 意味着钢中的碳含量不到意味着钢中的碳含量不到 0.77%就发生共析转变。如就发生共析转变。如 4Cr13就已经是共析钢；就已经是共析钢； 合金元素使合金元素使E点左移，点左移，使使 得奥氏体中最大含得奥氏体中最大含C量降低，量降低， 使得钢中碳含量不到使得钢中碳含量不到2就

16、出就出 现莱氏体。如现莱氏体。如W18Cr4V （0.70.8含碳量）。含碳量）。 合金元素对共析碳含量的影响合金元素对共析碳含量的影响 （3 3）合金元素对临界点合金元素对临界点A A1 1、A A3 3与温度的影响与温度的影响 n奥氏体形成元素使奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得点下移，使得奥氏体奥氏体 温度下降温度下降； n铁素体形成元素使铁素体形成元素使A1、 A3点上移，使得点上移，使得奥氏体奥氏体 温度上升温度上升，热处理时加热处理时加 热温度应该提高热温度应该提高。 合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 19 几乎所有的合金元素都使几乎所有的合金元素都使共析点碳

17、含量降低共析点碳含量降低。 合金元素对共晶点合金元素对共晶点C C点的影响也有类似点的影响也有类似的规律，且的规律，且 强碳化物形成元素的作用最为强烈。强碳化物形成元素的作用最为强烈。 要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢， 而应根据而应根据Fe-C-MeFe-C-Me三元相图和多元铁基合金系相图三元相图和多元铁基合金系相图 来进行分析。来进行分析。 20 5.4 5.4 合金元素对钢的组织转变的影响合金元素对钢的组织转变的影响 加热加热(奥氏体化奥氏体化) 冷却冷却(奥氏体分解奥氏体分解) 本节主要讲授内容：本节主要讲授内容： 奥氏体形成过程奥氏体形

18、成过程 奥氏体的形核奥氏体的形核 奥氏体的长大奥氏体的长大 渗碳体的溶解渗碳体的溶解 奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 5.4.1 合金元素对钢加热转变的影响合金元素对钢加热转变的影响 1）合金元素对）合金元素对A形成速度的影响形成速度的影响 n合金元素的加入，改变了合金元素的加入，改变了A形成温度形成温度A1，A3和和 Acm及相变点的位置，从而影响了及相变点的位置，从而影响了A形成速度；形成速度； nA的形成速度取决于奥氏体的形核和长大，这都的形成速度取决于奥氏体的形核和长大，这都 和和C的扩散有关，合金元素的加入改变了碳的扩的扩散有关，合金元素的加入改变了碳的扩 散速度，所以影响了散速度

19、，所以影响了A的形成速度。的形成速度。 (1)Co,Ni 提高提高C的扩散，增大的扩散，增大A形成速度；形成速度； (2)Si,Al,Mn影响不大；影响不大； (3)碳化物形成元素碳化物形成元素Cr，Mo，W，Ti，V等阻碍碳的等阻碍碳的 扩散，阻碍扩散，阻碍A形成。形成。 2）合金元素对残余碳化物溶解的影响）合金元素对残余碳化物溶解的影响 合金钢中，当合金钢中，当F全部转变为全部转变为A后，还有相当一部后，还有相当一部 分碳化物被保留下来，为了增强分碳化物被保留下来，为了增强A的合金化程的合金化程 度，充分发挥合金元素的作用，应使残余碳化度，充分发挥合金元素的作用，应使残余碳化 物充分溶解到

20、物充分溶解到A中。中。 由于合金元素的作用造成的扩散困难和合金碳由于合金元素的作用造成的扩散困难和合金碳 化物的稳定性高，要使残余碳化物分解并溶于化物的稳定性高，要使残余碳化物分解并溶于 A中，需要提高加热温度。中，需要提高加热温度。如：高速钢的淬火如：高速钢的淬火 温度温度12501280，而共析温度只有，而共析温度只有820， 就是希望碳化物充分溶解。就是希望碳化物充分溶解。 3）合金元素对）合金元素对A均匀化的影响均匀化的影响 n 奥氏体化过程中，由于碳化物的不断溶解，奥氏体化过程中，由于碳化物的不断溶解， 奥氏体成分很不均匀，为使成分均匀，合金元奥氏体成分很不均匀，为使成分均匀，合金元

21、 素和素和C都要扩散。都要扩散。 n合金元素扩散速度较合金元素扩散速度较C的扩散速度慢的多，只的扩散速度慢的多，只 是碳扩散的千分之几或万分之几。所以合金钢是碳扩散的千分之几或万分之几。所以合金钢 奥氏体化时间较长。这就是合金钢在生产中加奥氏体化时间较长。这就是合金钢在生产中加 热保温时间较长的原因。热保温时间较长的原因。 4）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 C促进促进A晶粒长大；晶粒长大； n强碳化物形成元素强烈阻碍强碳化物形成元素强烈阻碍A晶粒长大；晶粒长大； n中强碳化物形成元素可阻碍，但效果不如强碳中强碳化物形成元素可阻碍，但效果不如强碳 化物；化物； n

22、Ni，Co，Cu作用不明显；作用不明显； nAl，Si含量少时，以夹杂物形式存在，可阻止含量少时，以夹杂物形式存在，可阻止A 晶粒长大，当大量以合金元素加入，促进晶粒长大，当大量以合金元素加入，促进A晶粒晶粒 长大；长大； n当钢中当钢中C含量中等以上时，含量中等以上时，Mn可促进长大，在可促进长大，在 低碳含量时，低碳含量时，Mn可细化晶粒可细化晶粒 26 5.4.2 合金元素对钢的过冷合金元素对钢的过冷A分解的影响分解的影响 过冷奥氏体在冷却时可能发生三过冷奥氏体在冷却时可能发生三 种转变种转变: 高温的珠光体转变高温的珠光体转变; 中温的中温的 贝氏体转变贝氏体转变; 低温的马氏体转变。

23、低温的马氏体转变。 1）对过冷）对过冷A稳定性的影响稳定性的影响 非碳化物形成元素非碳化物形成元素Ni， Si，Cu等加入钢中，等加入钢中， 仍保持仍保持C曲线形状，但曲线形状，但 使使C曲线右移；曲线右移； 碳化物形成元素碳化物形成元素Cr， Mo，W，V不仅使不仅使C 曲线右移，而且改变曲线右移，而且改变 其形状，出现两个鼻其形状，出现两个鼻 温，使珠光体和贝氏温，使珠光体和贝氏 体转变区分开；体转变区分开； Co使使C曲线左移。曲线左移。 2）对珠光体转变的影响）对珠光体转变的影响 对对P转变速度的影响转变速度的影响 除除Co以外，均使以外，均使P转变曲线右移，即推迟转变曲线右移，即推迟

24、P转变；转变； n对珠光体转变温度区的影响对珠光体转变温度区的影响 （1）凡是扩大）凡是扩大相区的元素，相区的元素，Ni，Mn，Cu等，等， 降低降低A1，使，使P转变温区向较低温度；转变温区向较低温度； （2）凡是缩小）凡是缩小相区的元素，提高相区的元素，提高A1使使P转变温转变温 度升高度升高 2）对珠光体转变的影响）对珠光体转变的影响 n对珠光体转变产物的碳化物类型的影响对珠光体转变产物的碳化物类型的影响 （1）碳钢的珠光体（）碳钢的珠光体（FFe3C），碳化物为），碳化物为Fe3C； （2）强碳化物形成元素，将形成）强碳化物形成元素，将形成MC，如，如TiC，NbC， VC等等 （3）

25、中强碳化物形成元素）中强碳化物形成元素 高温区高温区，且合金达到一定含量，形成，且合金达到一定含量，形成M23C6或或M3C，如，如 Cr/C5%，形成，形成Cr23C6，而，而Cr/C4%，形成，形成Cr3C； 低温区低温区，主要为，主要为Fe3C，因为温度低，元素扩散困难。，因为温度低，元素扩散困难。 3）对贝氏体相变的影响对贝氏体相变的影响 特点：贝氏体转变温区较低，合金元素与特点：贝氏体转变温区较低，合金元素与FeFe原子原子 几乎不能进行扩散，只有几乎不能进行扩散，只有C C原子能进行短距离的扩原子能进行短距离的扩 散，脱溶析出碳化物。因此合金元素对散，脱溶析出碳化物。因此合金元素对

26、B B转变的影转变的影 响，主要取决于：响，主要取决于： n合金元素对合金元素对 转变速度的影响转变速度的影响 n合金元素对合金元素对C扩散速度的影响扩散速度的影响 3）对贝氏体相变的影响）对贝氏体相变的影响 n合金元素合金元素Cr，Ni，Mn能降低能降低F(A与与F的自由能差），减少的自由能差），减少 相变驱动力，减慢相变驱动力，减慢A分解，降低了分解，降低了B的转变速度，推迟其转的转变速度，推迟其转 变。变。Cr，Mn又是碳化物形成元素，阻碍又是碳化物形成元素，阻碍C原子的扩散。原子的扩散。 nMo，W对对F影响不大，但是影响不大，但是F形成元素，提高形成元素，提高A1，即提高，即提高 了

27、了 转变温度，也就是提高了转变温度，也就是提高了P的转变温度，又是碳化的转变温度，又是碳化 物形成元素，降低物形成元素，降低C的扩散，降低了的扩散，降低了B的转变温度，所以将的转变温度，所以将 P，B转变温区分开，形成两个鼻温。转变温区分开，形成两个鼻温。 nSi，对，对B有推迟作用，原因是强烈提高有推迟作用，原因是强烈提高Fe的结合力，阻碍的结合力，阻碍C 原子从原子从Fe中脱溶。中脱溶。 nCo，Al能提高能提高F，同时提高，同时提高C的扩散速度，加速的扩散速度，加速B形成。形成。 4）对马氏体相变的影响）对马氏体相变的影响 主要是对主要是对M转变温度的影响，即转变温度的影响，即MsMf点

28、的影响点的影响 除除Co，Al外，大多数合金外，大多数合金 元素固溶在元素固溶在A中，均使中，均使Ms 点下降，增加残余点下降，增加残余A的含的含 量，其中量，其中C的影响最强烈。的影响最强烈。 顺序：顺序：C，Mn，Cr，Ni， Mo，Si，W 合金元素对合金元素对1.0%C碳钢碳钢 Ms点的影响点的影响 合金元素对合金元素对1.0%C碳钢碳钢1150 淬火后残余奥氏体含量的影响淬火后残余奥氏体含量的影响 lMMs s和和MMf f点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量 33 5.5 5.5 合金元素对钢强韧性的影响合金元素对钢强韧性的影响

29、5.5.15.5.1合金元素对钢度的影响合金元素对钢度的影响 钢中加入合金元素可以通过以下四种方式提钢中加入合金元素可以通过以下四种方式提 高强度：高强度：固溶强化、晶界强化、第二相强化、位固溶强化、晶界强化、第二相强化、位 错强化错强化。通过对这四种强化方式单独或综合运用，。通过对这四种强化方式单独或综合运用， 便可以有效地提高钢的强度。便可以有效地提高钢的强度。 钢强化的钢强化的本质就是采用各种途径增加位错运本质就是采用各种途径增加位错运 动的阻力，动的阻力，从而提高钢的塑性变形抗力，在宏观从而提高钢的塑性变形抗力，在宏观 上就提高钢的强度。上就提高钢的强度。 1 1）固溶强化）固溶强化

30、n合金元素的固溶强化合金元素的固溶强化是指溶质原子溶入基体金属中形是指溶质原子溶入基体金属中形 成固溶体所引起的强化。成固溶体所引起的强化。 强化机制强化机制为：由于为：由于溶质原子溶质原子与基体金属原子大小不同，与基体金属原子大小不同， 因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此 应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错增大了位错 运动的阻力，运动的阻力，从而导致强化。从而导致强化。 固溶强化包括：固溶强化包括： 间隙固溶强化间隙固溶强化(强化效果非常显著）强化效果非常显著） 置换固溶强化置换

31、固溶强化 各合金元素的固溶强化效果可以叠加，其效果是非常显著各合金元素的固溶强化效果可以叠加，其效果是非常显著. n固溶强化对塑性、韧性的影响较大，强化效果越大，损固溶强化对塑性、韧性的影响较大，强化效果越大，损 害越严重。害越严重。 间隙溶质原子的强化效应间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强远比置换式溶质原子强 烈，其强化作用相差烈，其强化作用相差10100倍，因此，间隙原子倍，因此，间隙原子 如如C、N是钢中重要的强化元素。是钢中重要的强化元素。 为了提高强化效果，通常利用相变的方法，造成过饱和为了提高强化效果，通常利用相变的方法，造成过饱和 固溶体，如马氏体是固溶体，如马氏体是C固

32、溶在固溶在Fe中的过饱和固溶体，中的过饱和固溶体， 使使C的间隙强化效果得到充分发挥。的间隙强化效果得到充分发挥。 l置换式溶质原子的固溶强化效果置换式溶质原子的固溶强化效果在工程用钢中不在工程用钢中不 可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元素很可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元素很 多，如多，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等。这些合金等。这些合金 元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加， 使总的强化效果增大，尤其是使总的强化效果增大，尤其是Si、Mn的强化作用的强化作用 更大。更大。 2）晶界强化）晶界强化 晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响

33、晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响 HallPetch公式： 其中: d晶粒直径； 0为在单晶体中位错运动的摩擦力（常数）； Ks晶界障碍强度系数。 可见，影响s的因素有2个：Ks和d。 Ks s ; d s 这就是晶界强化的理论基础 2 1 0 dks s 37 一方面，晶界的存在，使得晶界处产生弹性变形不协调和一方面，晶界的存在，使得晶界处产生弹性变形不协调和 塑性变形不协调，在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒塑性变形不协调，在晶界处诱发应力集中，以维持两晶粒 在晶界处的连续性，其结果是在晶界附近引起二次滑移，在晶界处的连续性，其结果是在晶界附近引起二次滑移， 使位错迅速增值，在晶界上造成位

34、错塞积，使位错迅速增值，在晶界上造成位错塞积，形成加工硬化形成加工硬化 微区，阻碍位错运动微区，阻碍位错运动。 另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界， 从而从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动。 晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果就越好晶粒越细小，晶界数量越多，其强化效果就越好。 n晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所 消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用 越大

35、。越大。细化晶粒同时也可增加钢的韧性。细化晶粒同时也可增加钢的韧性。 晶界强化的机制是：晶界强化的机制是： 38 利用晶界强化的主要途径：利用晶界强化的主要途径： （1 1）利用合金元素来改变晶界的特性，提高利用合金元素来改变晶界的特性，提高KsKs值值。钢。钢 中加入表面活性元素如中加入表面活性元素如C C、N N、NiNi和和SiSi等，以便在等，以便在-Fe-Fe 晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的能力；晶界上偏聚，提高晶界阻碍位错运动的能力； （2 2）钢中加入钢中加入AlAl、NbNb、V V、TiTi等元素等元素，形成难熔的第二，形成难熔的第二 相质点，阻碍奥氏体晶界移动，间接细化

36、铁素体或马氏相质点，阻碍奥氏体晶界移动，间接细化铁素体或马氏 体的晶粒。体的晶粒。 （3 3）用热处理方法用热处理方法，如正火、反复快速奥氏体化及控，如正火、反复快速奥氏体化及控 制轧制、控制冷却等工艺措施，也可以细化晶粒。制轧制、控制冷却等工艺措施，也可以细化晶粒。 3）第二相强化）第二相强化 o 第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇 到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：切过和绕过到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：切过和绕过 o 位错切过第二相粒子：位错切过第二相粒子：第二相粒子的特点是第二相粒子的特点是可变形可变形，并，并

37、与与母相具有共格母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，关系，这种强化方式与淬火时效密切相关， 故有故有沉淀强化沉淀强化之称。之称。 沉淀强化沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是 为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中 加入加入Ti和和Mo，形成，形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得理想的强化相，以获得 良好的沉淀强化效果。良好的沉淀强化效果。 （b）Al-Li合金中位错切割合金中位错切割Al3Li相的电镜照片相的电镜照片（a）位错切割第二相粒子的机制

38、）位错切割第二相粒子的机制 可变形微粒的强化作用（位错切过机制）可变形微粒的强化作用（位错切过机制） l位错绕过第二相粒子粒子：位错绕过第二相粒子粒子：第二相粒子第二相粒子不参与变不参与变 形形，与基体有，与基体有非共格非共格关系。当位错遇到第二相粒子时关系。当位错遇到第二相粒子时 ，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加入的，只能绕过并留下位错圈，第二相粒子是人为加入的 ，不溶于基体，故有，不溶于基体，故有弥散强化弥散强化之称。之称。这样的滑移变这样的滑移变 形继续进行，这一过程要消耗额外的能量，故需要提形继续进行，这一过程要消耗额外的能量，故需要提 高外加应力，所以造成强化。高外加应力，

39、所以造成强化。 l弥散强化弥散强化是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火钢是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火钢 及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。这时合及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。这时合 金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使碳化物金元素的主要作用在于在高温回火条件下，使碳化物 呈细小均匀弥散分布。呈细小均匀弥散分布。 不可变形微粒的强化作用不可变形微粒的强化作用奥罗万机制（位错绕过机制）奥罗万机制（位错绕过机制） （a）位错绕过第二相粒子的机制）位错绕过第二相粒子的机制（b）Ni合金中位错绕过合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片相的电镜照片 第二相强化的影响因素第二相强化

40、的影响因素: 第二相粒子的大小，数量，分布，性能都影响强化效果。第二相粒子的大小，数量，分布，性能都影响强化效果。 n第二相的间距越小强化效果越好；第二相的间距越小强化效果越好； n第二相弥散度越大强化效果越好；第二相弥散度越大强化效果越好； n第二相粒子体积分数越大强化效果越好。第二相粒子体积分数越大强化效果越好。 沉淀强化效果大于弥散强化。沉淀强化效果大于弥散强化。 n第二相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到。第二相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到。 |总之，第二相强化机制不仅要考虑第二相的总之，第二相强化机制不仅要考虑第二相的大小大小、数量数量 、形态形态、分布分布等方面的

41、影响，而且还要考虑第二相的等方面的影响，而且还要考虑第二相的性性 质质。这除了涉及到。这除了涉及到热处理参数热处理参数的直接影响外，还涉及到的直接影响外，还涉及到 合金元素合金元素的影响。的影响。 |合金元素的作用主要是为形成所需要的第二相粒子提供合金元素的作用主要是为形成所需要的第二相粒子提供 成分条件成分条件。 位错强化位错强化金属中位错密度提高，则位错运动金属中位错密度提高，则位错运动 时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结 ，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造 成困难，从而提高了钢的强度。成困

42、难，从而提高了钢的强度。 4）位错强化）位错强化 细化晶粒细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调 而诱发几何上需要的位错。为此，而诱发几何上需要的位错。为此，宜向钢中加入细化晶粒宜向钢中加入细化晶粒 的合金元素的合金元素。 形成第二相粒子形成第二相粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕 过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。为此过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。为此 ，宜向钢中加入强碳化物形成元素宜向钢中加入强碳化物形成元素。 促进淬火效应促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏体，造成

43、位错型。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型 亚结构。为此，亚结构。为此，宜向钢中加入提高淬透性的合金元素宜向钢中加入提高淬透性的合金元素。 降低层错能降低层错能。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层 错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，宜向钢中宜向钢中 加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子。 利用位错强化的途径利用位错强化的途径 钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳 和合金元素，产生很强的和合金元素，产生很强的固溶强化效

44、应固溶强化效应； 马氏体形成时产生高密度位错，马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应位错强化效应 很大很大； 附：钢淬火回火提高强度的机制附：钢淬火回火提高强度的机制 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火 奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的 、取向不同的马氏体束，产生、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应细晶强化效应 。 淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子， 间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的 析出强化效应析出强化效应。 |由

45、此可知，马氏体强化充分而合理地利用了由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了 全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效 的强化方法。的强化方法。 附：钢淬火回火提高强度的机制附：钢淬火回火提高强度的机制 49 5.5.2合金元素对钢塑性的影响合金元素对钢塑性的影响 在在-Fe-Fe中固溶合金元素时，一般都使钢的塑性下降。中固溶合金元素时，一般都使钢的塑性下降。 少量的少量的TiTi、V V、NbNb等元素可以固定间隙原子等元素可以固定间隙原子C C和和N N，使，使 之不向位错偏聚，位错的可动性提高，从而改善钢的塑之不向位错偏聚，位错的可动性提高，从而改善钢的

46、塑 性。性。 合金元素形成的第二相颗粒的性质、尺寸、形状、合金元素形成的第二相颗粒的性质、尺寸、形状、 数量和分布特点也会影响钢的塑性。数量和分布特点也会影响钢的塑性。 某些合金元素细化晶粒，使某些合金元素细化晶粒，使应力集中减弱，推迟孔应力集中减弱，推迟孔 洞或微裂纹的形成，洞或微裂纹的形成，从而提高钢的塑性。从而提高钢的塑性。 50 2 2）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径 （1 1）影响韧性的因素）影响韧性的因素 除了细化晶粒强化以外，其他的强化途径都会不除了细化晶粒强化以外，其他的强化途径都会不 同程度地降低塑性和韧性，如图同程度地降低塑性和韧

47、性，如图1.221.22。 图图1.231.23为强化方式对脆性转化温度的影响。除细为强化方式对脆性转化温度的影响。除细 化晶粒外，其他强化都提高脆性转化温度，危害最大化晶粒外，其他强化都提高脆性转化温度，危害最大 的是间隙固溶强化；弥散沉淀强化降低塑性和韧性较的是间隙固溶强化；弥散沉淀强化降低塑性和韧性较 小，而对强度贡献较大，所以是一个较为有效的强化小，而对强度贡献较大，所以是一个较为有效的强化 途径。途径。 51 回火温度与钢强化机制的关系回火温度与钢强化机制的关系 强化方式对脆性转化温度强化方式对脆性转化温度TkTk的影响的影响 2 2）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径）合金元素对

48、钢的韧性的影响及其改善途径 （1 1）影响韧性的因素）影响韧性的因素 52 2 2）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径 （1 1）影响韧性的因素）影响韧性的因素 置换原子置换原子NiNi能提高钢基体的韧性；能提高钢基体的韧性；MnMn含量较少时也含量较少时也 有效果；其他常用元素都降低钢的韧性，如图有效果；其他常用元素都降低钢的韧性，如图1.241.24所示。所示。 细化晶粒提高了钢的强度，又大大降低了钢的韧脆细化晶粒提高了钢的强度，又大大降低了钢的韧脆 转变温度转变温度TkTk。如图。如图1.251.25所示，所示， 碳化物或其他脆性相可以自身开裂或与基体脱开，碳化物或其他脆性相可以自身开裂或与基体脱开， 有可能成为裂纹源，所以能降低钢的韧性。钢中的碳化有可能成为裂纹源，所以能降低钢的韧性。钢中的碳化 物应尽可能细小、均匀、圆整且要适量。物应尽可能细小、均匀、圆整且要适量。 53 2 2）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径 （1 1）影响韧性的因素）影响韧性的因素 合金元素（合金元素（w%w%）对）对 晶粒度对强度和脆性转化温铁晶粒度对强度和脆性转化温铁 素体韧性的影响素体韧性的影响 度度TkTk的影响的影响 54 2 2）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途径）合金元素对钢的韧性的影响及其改善途