ch1金属材料的合金化原理1

1、Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 第一部分第一部分 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 1.3 合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号 1.4 有色金属材料的分类及合金化特点有色金属材料的分类及合金化特点 主主 要要 内内 容容 碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质 碳钢的分类碳钢的分类 碳钢的用途碳钢的用途 Me在钢中的存在形式在钢中的存在形式 Me与铁和碳的相互作用与铁和碳的相互作用 Me对对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 Me对钢的热处理的影响对钢的热处理的影响 Me对钢的

2、性能的影响对钢的性能的影响 重点及基本要求重点及基本要求 1.了解了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握 碳钢的分类碳钢的分类与应用与应用 2.第二节是第二节是本章重点本章重点。要求。要求全面全面掌握掌握合金元素合金元素 对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌 握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影 响。响。难点难点是合金元素对钢中基本合金相结构是合金元素对钢中基本合金相结构 的影响的影响 3.掌握掌握合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号 4.了解了解有色金属材料的分类，掌握强化有色金

3、有色金属材料的分类，掌握强化有色金 属合金的基本途径。属合金的基本途径。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 Steelmaking flowlines Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 1.1 碳钢概论碳钢概论 Steel Finishing flowlines Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-锰和硅（锰和硅（1） 1.锰（锰（ Mn ）和硅（）和硅（ Si ）是炼钢过程中随脱氧是炼钢过程中随脱氧 剂或者由生铁残存而

4、进入钢中的。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在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，。可固溶， 也可形成高熔点也可形成高熔点MnS（1600）夹杂物夹杂物。 MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发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。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在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可。可固溶，也可 形成形成SiO2夹杂物。夹杂物。 夹杂物夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧将使钢的疲劳强度和塑、韧 性下降。性下降。 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属

5、材料的合金化原理金属材料的合金化原理 一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-硫和磷（硫和磷（2） 2硫（硫（S）和磷（和磷（P）的影响的影响 S是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的是炼钢时不能除尽的有害杂质。在固态铁中的 溶解度极小。溶解度极小。 S和和Fe能形成能形成FeS，并易于形成并易于形成 低熔点共晶。低熔点共晶。发生发生热脆热脆 (裂裂)。 P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶也是在炼钢过程中不能除尽的元素。磷可固溶 于于-铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温铁。但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温 韧性，称为韧性，称为冷脆冷脆。磷可以提高钢在大气中的磷可以提高钢在大气中的

6、 抗腐蚀性能。抗腐蚀性能。 S和和P还可以改善钢的切削加工性能。还可以改善钢的切削加工性能。 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 一、碳钢中的常存杂质氮一、碳钢中的常存杂质氮、氢氢、氧（氧（3） 3氮（氮（N）、）、氢（氢（H）、）、氧（氧（O）的影响的影响 N在在-铁中铁中 可溶解，含可溶解，含过饱和过饱和N的钢的钢经受冷变形经受冷变形 后析出氮化物后析出氮化物机械时效或应变时效。机械时效或应变时效。N可以可以 与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶 粒和沉淀强化。粒和沉淀强化。 H在钢中和应力的联

7、合作用将引起金属材料产生在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生 氢脆。氢脆。 O在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO2或或 复合氧化物复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（1） 400 C 1400 C 1200 C 1000 C 800 C 600 C 1600 C F e 1% C2% C3% C 4% C5% C6% C6.70% C L g a d SteelCast Iron 1按钢中碳含量的多少分类按钢中碳含量的多少分类 （1

8、）复习铁碳合金按）复习铁碳合金按Fe- Fe3C相图分类相图分类 亚共析钢：亚共析钢： 0.0218%wc0.77% 共共 析析 钢：钢： wc =0.77% 过共析钢：过共析钢： 0.77%wc2.11% 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （2）按钢中碳含量的多少，）按钢中碳含量的多少， 碳钢通常可分为碳钢通常可分为 低碳钢：低碳钢： wc 0.25% 中碳钢：中碳钢：0.25%wc0.6% 高碳钢：高碳钢： wc0.6% 2按钢的质量（品质），碳钢可分为按钢的质量（品质），碳钢可分为 （1）普通碳素钢：）普通碳素钢：wS0.05%，wP

9、0.045%。 （2）优质碳素钢：）优质碳素钢：wS0.035%， wP0.035%。 （3）高级优质碳素钢：）高级优质碳素钢：wS0.02%， wP0.03%。 （4）特级优质碳素钢：）特级优质碳素钢：wS0.015%， wP0.025%。 1.1 碳钢概论碳钢概论 二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（2） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 3按钢的用途分类，碳钢可分为按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）碳素结构钢：）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，主要用于各种工程构件， 如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太 重要的机件。重要的

10、机件。 （2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机主要用于制造各种机 器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 （3）碳素工具钢：）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，主要用于制造各种工具， 如刃具、模具、量具等。如刃具、模具、量具等。 （4）一般工程用铸造碳素钢：）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造主要用于制造 形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。 1.1 碳钢概论碳钢概论 二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（3） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为按钢

11、冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢：）沸腾钢：是指脱氧不彻底的钢，代号是指脱氧不彻底的钢，代号 为为F。 （2）镇静钢：镇静钢：是指脱氧彻底的钢，代号为是指脱氧彻底的钢，代号为 Z。 （3）半镇静钢：半镇静钢：是指脱氧程度介于沸腾钢是指脱氧程度介于沸腾钢 和镇静钢之间，代号为和镇静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：特殊镇静钢：是指进行特殊脱氧的钢，是指进行特殊脱氧的钢， 代号为代号为TZ。 1.1 碳钢概论碳钢概论 二、碳钢的分类（二、碳钢的分类（4） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 （1）主要用于一般工程结构和普通零

12、件）主要用于一般工程结构和普通零件，它通，它通 常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒 钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋 等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。 应用量很大（钢总产量的应用量很大（钢总产量的70%以上）。以上）。 （2）热轧后空冷）热轧后空冷是这类钢通常的是这类钢通常的供货状态供货状态。用。用 户一般不需要再进行热处理而是直接使用。户一般不需要再进行热处理而是直接使用。wC =0.06%0.38%，当质量等级为，当质量等级为“A”、“B”时，时， 在保

13、证力学性能的要求下，化学成分可根据需在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需 方要求作适当调整。方要求作适当调整。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 ） 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （3）普通碳素结构钢的牌号表示方法）普通碳素结构钢的牌号表示方法 牌号表示方法牌号表示方法是由代表屈服点的字母（是由代表屈服点的字母（Q）、）、 屈服点数值、质量等级符号（屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D） 及脱氧方法符号（及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部等四个部 分按顺序组成。分按顺序组成。 标志符号标志

14、符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头来源于屈服点的汉语拼音字头Q； 屈服点数值屈服点数值共分共分195、215、235、255、275 五个强度等级；五个强度等级； 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 ） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 等级符号等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，是指这类钢所独用的质量等级符号， 也按也按S、P杂质多少来分，以杂质多少来分，以A、B、C、D四个四个 符号代表四个等级，其中：符号代表四个等级，其中： l A级级wS0.05%, wP0.045%， l B级级wS0.045%,

15、wP0.045%， l C级级wS0.04%, wP0.04%， l D级级wS0.035%, wP0.035%。 其中质量等级最高的是其中质量等级最高的是D级，达到了碳素结构钢的优质级，级，达到了碳素结构钢的优质级，A、 B、C三个等级均属于普通级范围。三个等级均属于普通级范围。 脱氧方法符号脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号 中可省略。中可省略。 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 ） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（

16、1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢 ） （4）典型牌号、性能与用途（表典型牌号、性能与用途（表1-1） Q195、Q215钢含碳量很低，强度不高，但具有良钢含碳量很低，强度不高，但具有良 好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、 钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。 Q235A、Q255A用于农机具中的拉杆、小轴、链用于农机具中的拉杆、小轴、链 等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、 Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件

17、， 机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、 Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机 件。件。 Q255、Q275钢强度较高，其中钢强度较高，其中Q275属于中碳钢，属于中碳钢， 可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢 （1）用于较为重要的机件）用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零，可以通过各种热处理调整零 件的力学性能。件的力学性能。 （2）供货状态）供货状态可以是

18、热轧后空冷，也可以是退火、正火可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火 等状态，一般随用户需要而定。等状态，一般随用户需要而定。 （3）优质碳素结构钢的牌号）优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两一般用两位数字表示。这两 位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢中 硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化硫、磷等有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化 学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢） Chap

19、ter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢） 优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它，它 们是们是08F、10F、15F。半镇静钢标半镇静钢标“b”，镇静镇静 钢一般不标符号。钢一般不标符号。 高级优质碳素结构钢高级优质碳素结构钢在牌号后加符号在牌号后加符号“A”， 特级碳素结构钢加符号特级碳素结构钢加符号“E”。 专用优质碳素结构钢专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或还要在牌号的头部（或 尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳尾部）加上代表产品用途的符号

20、，例如平均碳 含量为含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为的锅炉用钢，其牌号表示为“20g” 等。等。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 优质碳素结构钢按含锰量的不同，分优质碳素结构钢按含锰量的不同，分 为普通含锰量和较高含锰量两组。为普通含锰量和较高含锰量两组。含含 锰量较高的一组在其数字的尾部加锰量较高的一组在其数字的尾部加 “Mn”，如如15Mn 、45Mn等。等。 注意：注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，这类钢仍属于优质碳素结构钢， 不要和低合金高强度结构钢混淆。不要和低合金高强度结构钢混淆。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢

21、） 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 （4）优质碳素结构钢共有）优质碳素结构钢共有31个钢号（表个钢号（表1-2）。）。 08F钢钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。 可用于各种冷变形加工成型件。可用于各种冷变形加工成型件。 1025等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制 造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制 造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐 磨损、耐冲击的

22、零件。如齿轮、凸轮、销轴、磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、 摩擦片、水泥钉等。摩擦片、水泥钉等。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢） 45等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的等的中碳钢通过适当热处理可获得良好的 综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好 的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。 高碳碳素结构钢高碳碳素结

23、构钢经适当热处理后可获得高的经适当热处理后可获得高的 e和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造 小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳 等。等。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 3-碳素工具钢碳素工具钢 （1）主要用于）主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、制作各种小型工具。可进行淬火、 低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分 为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其 wS0.03%，wP0.035%）和高级优质

24、碳素工具和高级优质碳素工具 钢（钢（wS0.02%，wP0.03%）两类。两类。 （2）牌号）牌号一般用标志性符号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语碳字的汉语 拼音字头拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如加上碳的质量分数的千倍表示。如 T10，T12等。一般优质碳素工具钢不加质量等。一般优质碳素工具钢不加质量 等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字 后面再加上后面再加上“A”字，如字，如T8A，T12等。等。 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（3-碳素工具钢碳素工具钢） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金

25、化原理 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（3-碳素工具钢碳素工具钢） （3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩 大到大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以，这时，在牌号的尾部标以Mn， 如如T8Mn，T8MnA。 （4）典型的碳素工具钢（表典型的碳素工具钢（表1-3） T7、T8适合于制造承受一定冲击而要求适合于制造承受一定冲击而要求 韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿 子等，淬火、低温回火后的硬度为子等，淬火、低温回火后的硬度为 4854HRC（工作部分）；工作部分）； Chapter 1 金属材料的

26、合金化原理金属材料的合金化原理 T9、T10、T11钢用于制造冲击较小而要求钢用于制造冲击较小而要求 高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯 条等，淬火、低温回火后的硬度为条等，淬火、低温回火后的硬度为6062HRC， T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负钢还可用于制造一些形状简单、工作负 荷不大的冷作模具、量具；荷不大的冷作模具、量具； T12、T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最钢硬度及耐磨性最高，但韧性最 差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲 刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为刮刀等，淬火、低温回火后

27、的硬度为6265 HRC。 T12A也可用于制造量具。也可用于制造量具。 T7T12、T7AT12A还可用于形状简单的塑还可用于形状简单的塑 料模具。料模具。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（3-碳素工具钢碳素工具钢） 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （1）主要用于）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复铸铁保证不了其塑性，且形状复 杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含 量一般小于量一般小于0.65%。 （2）牌号）牌号用标志性符号用标志性符号“ZG”（铸钢这两个字铸钢这两个字 的汉语拼音字头的汉语拼

28、音字头）加上最低屈服点值加上最低屈服点值-最低抗最低抗 拉强度值表示。如拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度表示其屈服强度 不小于不小于340MPa，抗拉强度不低于抗拉强度不低于640MPa的的 铸钢。铸钢。 （3）典型的碳素铸钢（表）典型的碳素铸钢（表1-4） 1.1 碳钢概论碳钢概论 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（4-一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （4）其他类型的铸钢件还有：）其他类型的铸钢件还有： 焊接结构用碳素铸钢件焊接结构用碳素铸钢件 （GB/T7659-1987），），如如ZG230-450H

29、； 低合金铸钢件低合金铸钢件 （GB/T14408-1993），），如如ZGD535-720； 耐热铸钢件耐热铸钢件 （GB/T8492-1987），），如如ZG40Cr30Ni20； 不锈耐酸钢铸件不锈耐酸钢铸件 （GB2100-1980），），如如ZG1Cr18Ni9Ti； 中、高强度不锈钢铸件中、高强度不锈钢铸件 （GB6967-1986），），如如ZG10Cr13Ni1Mo等。等。 三、碳钢的用途（三、碳钢的用途（4-一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢） 1.1 碳钢概论碳钢概论 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1形成铁基固溶体形成铁基固溶体 （1）

30、形成铁基置换固溶体形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）定律） Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与等元素可与Fe形成无限固溶体。形成无限固溶体。 其中其中Ni、Co和和Mn形成以形成以-Fe为基的无限固溶体，为基的无限固溶体， Cr和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。 Mo和和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如- Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。 Ti、Nb、Ta）只能形成具有较窄溶解度的有限固溶只能形成具有较窄溶解度的有限固溶 体；体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。 1.2 钢的合金化

31、原理钢的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（1 -形成铁基固溶体形成铁基固溶体 ） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 （2）形成铁基间隙固溶体形成铁基间隙固溶体（Hgg定则）定则） 对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙原子优先占据的位置是八面体 间隙。间隙。 对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙原子优先占据的位置是八面体 或四面体间隙。或四面体间隙。 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而 增加，即按增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。的顺序

32、而增加。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（1 -形成铁基固溶体形成铁基固溶体 ） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 2形成合金渗碳体形成合金渗碳体（与氮化物）（与氮化物） （1）合金渗碳体（碳化物）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和碳、氮、氮化物和碳、氮 化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和 氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta

33、、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（2 -形成合金渗碳体形成合金渗碳体） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 其中其中 、族金属的碳化物与氮化物具有族金属的碳化物与氮化物具有简单的简单的 点阵结构点阵结构，如，如TiC、VC、TiN、TaC等；等； 、金属的碳化物与氮化物具有金属的碳化物与氮化物具有复杂复杂 的点阵结构的点阵结构，如，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、 Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。等。 （3）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，）在钢中，铁的碳化物与合金

34、碳化物相比， 是最不稳定的。渗碳体中是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若的原子可以被若 干合金元素的原子所取代。如干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、 (Fe,Cr)23C等。等。 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（2 -形成合金渗碳体形成合金渗碳体） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 3形成金属间化合物形成金属间化合物 （1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、 电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合 物通常仅指电子化合物。物通常仅指电子化合物。 （2）在奥

35、氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高 温合金中较为重要的金属间化合物是温合金中较为重要的金属间化合物是 (Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、 NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。等。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（3 -形成金属间化合物形成金属间化合物） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属

36、材料的合金化原理 4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、 SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、 MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金属等。非金属 夹杂物一般都是有害的。夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化 钢或其它有色金属合金。钢或其它有色金属合金。 （3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某 些金属或合金形成非晶体相结构。钢

37、中非晶体相些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相 的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 一、合金元素的存在形式（一、合金元素的存在形式（4 -形成非金属相形成非金属相） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 -合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用） 1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 （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A3降低，降低，A

38、4升高，在较升高，在较 宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了相区。根据相区。根据 Fe-Me相图的不同相图的不同，可分为：可分为： 开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)（图图1-1） 这类合金元素主要有这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的等。如果加入足够量的Ni 或或Mn，可完全使体心立方的可完全使体心立方的相从相图上消失，相从相图上消失，相保持到室相保持到室 温（即温（即A1点降低），故而由点降低），故而由相区淬火到室温较易获得亚稳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。的奥氏体组织

39、，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 图图1-1 扩大扩大相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Ni相图相图(b) Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)（图图1-2） 虽然虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素 与与-Fe和和-Fe均形成有限固溶体，并且也使均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线

40、）线） 降低，降低，A4（JN线）升高，但最终不能使线）升高，但最终不能使相区完全开启。相区完全开启。 这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。相区借相区借 助助C及及N而扩展，当而扩展，当C含量在含量在02.11%（重量）范围内，（重量）范围内， 均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的 整个热处理的基础整个热处理的基础。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 -合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作

41、用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 图图1-2 扩大扩大相区并与相区并与-Fe有限互溶的有限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-C相图相图(b) Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 （2）相稳定化元素相稳定化元素 合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升升 高高，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-Me相图的不同，可分相图的不同，可分 为：为： 封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)（图（图1-3） 当合金元

42、素达到某一含量时，当合金元素达到某一含量时，A3与与A4重合，其重合，其 结果使结果使相与相与相区连成一片。当合金元素超过相区连成一片。当合金元素超过 一定含量时，合金不再有一定含量时，合金不再有-相变，与相变，与-Fe形成形成 无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制 度）。度）。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 -合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 图图1-3 封闭封

43、闭相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Cr相图相图(b) Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 这类合金元素有：这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元和强碳化物形成元 素素Cr、W、Mo、V、Ti及及P、Be等。但应该指等。但应该指 出，含出，含Cr量小于量小于7%时，时，A3下降；含下降；含Cr量大于量大于 7%时，时，A3才上升。才上升。 缩小缩小相区相区(但不能使但不能使相区封闭相区封闭)（图（图1-4） 合金元素使合金元素使A3升高，升高，A4下降，使下降，使相区缩小相区缩小 但

44、不能使其完全封闭。但不能使其完全封闭。 这类合金元素有：这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。等。 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 -合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 图图1-4 缩小缩小相区的相区的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Nb相图相图(b) 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和

45、碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（1 -合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元 素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有 重要的指导意义。通过控制钢中合金元素的重要的指导意义。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。种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。 如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、 Mn、N等奥氏体

46、形成元素；欲发展铁素体钢等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢 时，需要往钢中加入大量的时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、 Mo、Ti等铁素体形成元素等铁素体形成元素。 2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用 （1）形成碳化物形成碳化物 规律性规律性（按强弱分类）（按强弱分类）: l碳化物形成元素碳化物形成元素包括包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、 Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。等。碳化物是钢中主要的强化相。 碳化物形成元素均位于碳化物形成元素均位于Fe的左侧。的左侧。 l非碳化物形成元素非碳化物形成元素包括包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、 P、S等，与碳不能

47、形成碳化物，但可固溶于等，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。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非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。的右侧。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 规律性规律性（按晶格类型分类）（按晶格类型分类） l当当rc/rMe 0.59时时，碳与合金元素形成一种复杂碳与合金元

48、素形成一种复杂 点阵结构的碳化物。点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类元素，属于这类元素， 它们形成下列形式的碳化物：它们形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、 Fe3C。 l当当rc/rMe 0.59时时，形成简单点阵的碳化物（间形成简单点阵的碳化物（间 隙相）。隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均属于均属于 此类元素，它们形成的碳化物是：此类元素，它们形成的碳化物是：MeX型（型（WC、 VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和和Me2X型型 （W2C、Mo2C、Ta2C）。）。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁

49、和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 碳化物的特性碳化物的特性 l硬度大、熔点高（可高达硬度大、熔点高（可高达3000），分解），分解 温度高（可达温度高（可达1200）；）； l间隙相碳化物虽然含有间隙相碳化物虽然含有50% 60%的非金的非金 属原子，但仍具有明显的金属特性；属原子，但仍具有明显的金属特性； l可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶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。体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。 如

50、：如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。等。 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 （2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响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合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表主要表 现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金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。属原子与碳的结合力或结合

51、强度。 l碳化物形成元素碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金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。之间的结合力，降低其活度。 l非碳化物形成元素非碳化物形成元素，相反将，相反将“推开推开”碳原子，碳原子， 提高其活动性，即增加碳的活度，同时将出提高其活动性，即增加碳的活度，同时将出 现碳从固溶体中析出的倾向。（现碳从固溶体中析出的倾向。（图图1-5） 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化

52、原理金属材料的合金化原理 在研究碳化物、氮化在研究碳化物、氮化 物和碳、氮化合物在物和碳、氮化合物在 奥氏体中的溶解和冷奥氏体中的溶解和冷 却时它们从固溶体中却时它们从固溶体中 的析出，以及热处理的析出，以及热处理 过程中元素在各相间过程中元素在各相间 的再分配这些问题时，的再分配这些问题时， 合金元素对碳在奥氏合金元素对碳在奥氏 体中的活度具有很重体中的活度具有很重 大的意义。大的意义。 图图1-5 合金元素的摩尔原子浓度对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时碳在奥氏体中的相对活度系数 的影响的影响 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1

53、.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 Me对对C在在A中的扩散激活能和扩散系数的影响中的扩散激活能和扩散系数的影响 主要表现在碳在主要表现在碳在A和和F中扩散，中扩散， Me本身在本身在A和和 F中的扩散、中的扩散、 Me对碳在对碳在A和和F中扩散以及中扩散以及Me对对 铁的自扩散的影响等。（图铁的自扩散的影响等。（图1-6） l碳化物形成元素碳化物形成元素如如Cr、Mo和和W等降低等降低C的活的活 度，即提高了度，即提高了C在在A中结合力，因而使扩散激中结合力，因而使扩散激 活能升高扩散系数下降。活能升高扩散系数下降。 l非碳化物形成元素非碳化物形成元素如如Ni、Co等提高等提高C的活度，的活

54、度， 即降低了即降低了C在在A中的结合力，因而使扩散激活中的结合力，因而使扩散激活 能下降，扩散系数升高。能下降，扩散系数升高。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 图图1-6 合金元素对合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 需

55、要指出的是需要指出的是Si是个例外是个例外，它能升高扩，它能升高扩 散激活能，降低扩散系数，造成这个例散激活能，降低扩散系数，造成这个例 外的原因，则是由于外的原因，则是由于Si虽提高虽提高C的活度，的活度， 但同时降低了但同时降低了Fe原子的活动性，即增加原子的活动性，即增加 了了Fe在固溶体中的结合能，因而得到与在固溶体中的结合能，因而得到与 Ni、Co相反的结果。相反的结果。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元

56、素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） 总之，合金元素与碳的相互作用具有重总之，合金元素与碳的相互作用具有重 大的实际意义大的实际意义: : 它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在 钢中的分布钢中的分布。而所有这些都会直接影响到钢。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、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。时间，奥氏体晶粒的长大等。 1.2

57、钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对 相变过程中碳的扩散速度亦有较大影响；相变过程中碳的扩散速度亦有较大影响； 强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳 原子的扩散速度；弱碳化物形成元素原子的扩散速度；弱碳化物形成元素Mn以以 及大多数非碳化物形成元素则无此作用，及大多数非碳化物形成

58、元素则无此作用， 甚至某些元素如甚至某些元素如Co还有增大碳原子扩散的还有增大碳原子扩散的 作用。因而合金元素与碳的作用对钢的相作用。因而合金元素与碳的作用对钢的相 变有重要影响。变有重要影响。 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（2 -合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 3合金元素对奥氏体层错能的影响合金元素对奥氏体层错能的影响 （1）层错能的概念）层错能的概念：晶体中形成层错时增加：晶体中形成层错时增加 的能量。的

59、能量。 （2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响。 一般认为层错能越低，越有利于位错扩展一般认为层错能越低，越有利于位错扩展 和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工 硬化趋势增大。硬化趋势增大。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（3 -合金元素对奥氏体层错能的影响合金元素对奥氏体层错能的影响） Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 例如高例如高Mn钢和高钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，钢都是奥氏体型钢

60、， 但加工硬化趋势相差很大。但加工硬化趋势相差很大。 l高高Ni钢易于变形加工，钢易于变形加工， Ni、Cu和和C等元等元 素使奥氏体层错能提高。素使奥氏体层错能提高。 l高高Mn钢则难于变形加工，钢则难于变形加工， Mn、Cr、Ru 和和Ir则降低奥氏体的层错能。则降低奥氏体的层错能。 Chapter 1 金属材料的合金化原理金属材料的合金化原理 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 二、合金元素与铁和碳的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互作用 及其对及其对层错能的影响（层错能的影响（3 -合金元素对奥氏体层错能的影响合金元素对奥氏体层错能的影响） 三、合金元素对三、合金元素对Fe-Fe3C