钢铁材料第一章

1、第一章第一章 钢铁材料基础钢铁材料基础1.1 铁碳相图铁碳相图1.2 钢中合金元素钢中合金元素1.3 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响1.4 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用1.5 钢的强化与韧化钢的强化与韧化1.6 合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号1.2 钢中合金元素钢中合金元素 加入适当化学元素改变金属性能的方法叫加入适当化学元素改变金属性能的方法叫做做合金化合金化。为了合金化的目的而特定在钢为了合金化的目的而特定在钢中加入含量在一定范围的化学元素中加入含量在一定范围的化学元素称为称为合合金元素金元素。这种钢叫。这种钢叫合金钢合金钢。 金有金有六齐六齐，六分其金而锡

2、居其一，谓之钟，六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居其一，谓之斧斤鼎之齐；五分其金而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居其一，谓之戈戟之之齐；四分其金而锡居其一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐锡半，谓之鉴燧之齐 -战国后期（公元前世纪）战国后期（公元前世纪）考工记考工记 金柔锡柔，合两柔则刚金柔锡柔，合两柔则刚 - （公元前年左右）（公元前年左右） 吕氏春秋吕氏春秋,别类篇别类篇 钢中常用的合金元素种类很多，钢中常用的合金元素种类很多，不同

3、的不同的国家所使用的合金元素与各国的资源条国家所使用的合金元素与各国的资源条件有很大关系件有很大关系。例如，结构钢中美国多。例如，结构钢中美国多含含Ni元素，前苏联多含元素，前苏联多含Cr元素，西德多元素，西德多含含Cr、Mn元素，日本则多含元素，日本则多含Cr、Mn、Mo等元素。我国是有色金属资源非常丰等元素。我国是有色金属资源非常丰富的国家，除少数合金元素富的国家，除少数合金元素(如如Co)外，外，绝大多数有色金属的含量都很丰富。我绝大多数有色金属的含量都很丰富。我国目前富产国目前富产Mn、Si、Mo、W、V、B及及稀土元素等。过去认为我国缺稀土元素等。过去认为我国缺Cr少少Ni，但近几年

4、已发现了许多但近几年已发现了许多Cr、Ni矿。矿。 钢中的合金元素总含量小于或等于钢中的合金元素总含量小于或等于5时，时，称为称为低合金钢低合金钢。合金元素总含量在。合金元素总含量在510范围内称为范围内称为中合金钢中合金钢。合金元素总。合金元素总含量超过含量超过10的称为的称为高合金钢高合金钢。 合金元素不一定直接影响钢性能的改善，合金元素不一定直接影响钢性能的改善，而大部分是由于它们影响到相变的过程，而大部分是由于它们影响到相变的过程，从而间接发生作用。从而间接发生作用。 1.2.1合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的分布 在钢中常常加入的合金元素有：在钢中常常加入的合金元素有： 第二周期

5、：第二周期：B、C、N； 第三周期：第三周期：Al、Si； 第四周期：第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu； 第五周期：第五周期：Zr、Nb、Mo; 第六周期：第六周期：w； 第七周期：稀土元素。第七周期：稀土元素。 S、P等元素通常作为有害元素看待，但有时也可用等元素通常作为有害元素看待，但有时也可用作合金元素作合金元素(如在易切削钢中如在易切削钢中S被用来改善切削性能被用来改善切削性能)。 存在状态：存在状态：或是溶于钢中原有的相或是溶于钢中原有的相(铁素体、奥氏体、铁素体、奥氏体、渗碳体等渗碳体等)中，或是形成新相。中，或是形成新相。 概括来讲，它们有如下四种存在形式：概括来

6、讲，它们有如下四种存在形式： (1)溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。溶体的溶质形式存在。 (2)形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物等。碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物等。 (3)形成非金属夹杂物，如合金元素与形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。作用形成氧化物、氮化物和硫化物。 (4)有些元素如有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在，碳形成化合物，而是在钢中以游离状态存在，碳钢中碳有

7、时也以自由状态钢中碳有时也以自由状态(石墨石墨)存在。存在。 合金元素究竟以哪种形式存在，主合金元素究竟以哪种形式存在，主要决定于合金元素的要决定于合金元素的种类、含量、种类、含量、冶炼方法及热处理工艺等；此外还冶炼方法及热处理工艺等；此外还取决于合金元素本身的特性。取决于合金元素本身的特性。 合金元素的特性首先表现在合金元素的特性首先表现在与钢中与钢中的两个主要元素铁和碳的相互作用的两个主要元素铁和碳的相互作用上，其次还表现在对奥氏体层错能上，其次还表现在对奥氏体层错能的影响上，的影响上，因此一般常将钢中的合因此一般常将钢中的合金元素按下述方法分类。金元素按下述方法分类。 1.2.2 合金元

8、素的分类合金元素的分类 1按照与铁相互作用的特点分类按照与铁相互作用的特点分类 (1)奥氏体形成元素，如奥氏体形成元素，如C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；等； (2)铁素体形成元素，如铁素体形成元素，如Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。等。 2按照与碳相互作用的特点分类按照与碳相互作用的特点分类 (1)非碳化物形成元素，如非碳化物形成元素，如Ni、Cu、Si、Al、P等等; (2)碳化物形成元素，如碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Ti、Zr、Nb等。等。 3按照对奥氏体层错能的影响分类按照对奥氏体层错能的影响分类 (1)提高奥氏体层错能的元素，如提高奥氏体层错能的元素，如Ni、Cu、

9、C等；等； (2)降低奥氏体层错能的元素，如降低奥氏体层错能的元素，如Mn、Cr、Ru（钌）、（钌）、Ir（铱）等。（铱）等。1.2.3 合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 合金元素加入钢中之后，对钢的合金元素加入钢中之后，对钢的相变、组相变、组织和性能织和性能的影响一般取决于合金元素与铁的影响一般取决于合金元素与铁和碳的相互作用。和碳的相互作用。 合金元素对合金元素对Fe的同素异构转变有很大的影的同素异构转变有很大的影响，响，这一影响主要通过合金元素在这一影响主要通过合金元素在-Fe和和Fe中的固溶度以及对中的固溶度以及对Fe存在温度区存在温度区间的影响表现出来。而这两者又取决于合

10、间的影响表现出来。而这两者又取决于合金元素与铁所构成的二元合金状态图。为金元素与铁所构成的二元合金状态图。为此可以将合金元素分为两大类型。此可以将合金元素分为两大类型。 1无限扩大无限扩大区型区型 合金元素使区扩展，合金元素使区扩展，与与Fe形成无限固形成无限固溶体，与溶体，与 -Fe形成形成有限固溶体。它们均有限固溶体。它们均使使A3点降低，点降低，A4点点升高。这类元素有升高。这类元素有Mn、Ni、Co等。等。 2有限扩大有限扩大区型区型 合金元素使合金元素使A3 点降点降低，低， A4 点升高，与点升高，与 Fe和和 Fe均形均形成有限固溶体，这类成有限固溶体，这类元素有元素有C、N、C

11、u、Zn、Au等。等。3封闭封闭区，无限扩大区，无限扩大区型区型 合金元素使合金元素使A3点上升，点上升， A4点下降，以至达到某一含点下降，以至达到某一含量时，量时，A3点与点与A4点重合，点重合，区被封闭，超过此含量，区被封闭，超过此含量，合金不再有合金不再有/相变，与相变，与-Fe形成无限固溶体。这类形成无限固溶体。这类合金元素有：合金元素有：Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。但应指出，含等。但应指出，含Cr量小量小于于7时，时，A3点下降；含点下降；含Cr量大于量大于7时，时，A3点才上升。点才上升。 4缩小缩小区，但不使区，但不使区封闭型区封闭型 合金元素使合金元素使

12、A3点点上升，上升， A4点下降，点下降，使使区缩小但不封区缩小但不封闭。这类元素有闭。这类元素有B、Nb、Ta、Zr等。等。 应当指出应当指出: 在上述各种铁基二元合金中，合金元素除溶于在上述各种铁基二元合金中，合金元素除溶于Fe或或Fe以外，当元素含量高时，还可以外，当元素含量高时，还可能形成能形成金属间化合物。金属间化合物。 综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大相区的元素称为相区的元素称为奥氏体形成元素奥氏体形成元素；将缩小或封；将缩小或封闭相区的元素称为闭相区的元素称为铁素体形成元素铁素体形成元素。 最后应该指出：最后应该指出： 同时向钢中加

13、入两类合金元素时，其作用往往同时向钢中加入两类合金元素时，其作用往往相互有所抵消。相互有所抵消。但也有例外，例如但也有例外，例如Cr是铁素体是铁素体形成元素，在形成元素，在Crl8与与Ni同时加入时却促进了同时加入时却促进了奥氏体的形成。奥氏体的形成。 合金元素除碳、氮和硼以外，都与铁形成置换固洛体，它合金元素除碳、氮和硼以外，都与铁形成置换固洛体，它们扩大或缩小们扩大或缩小相区的作用与该元素在周期表中的位置有相区的作用与该元素在周期表中的位置有关。有利于扩大关。有利于扩大相区的合金元素，其本身具有面心立方相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在共多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电点阵

14、或在共多型性转变中有一种面心立方点阵，与铁的电负性相近，与铁的原于尺寸相近。在形成铁基固溶体时，负性相近，与铁的原于尺寸相近。在形成铁基固溶体时，d层电子是主要参加形成固溶体金属键合的电子。层电子是主要参加形成固溶体金属键合的电子。 以第四周期元素为例，其中过渡族元素由钛到铜，随着原以第四周期元素为例，其中过渡族元素由钛到铜，随着原子序数的增高，元素的晶体点阵由体心立方向面心立方转子序数的增高，元素的晶体点阵由体心立方向面心立方转变、其中钛、钒和铬具有体心立方点阵；锰、铁和钴在其变、其中钛、钒和铬具有体心立方点阵；锰、铁和钴在其多型件转变中都存在面心立力点阵。镍和铜只有单一的面多型件转变中都存

15、在面心立力点阵。镍和铜只有单一的面心立方点阵。从其心立方点阵。从其d层电子数来看，从钛到铜，层电子数来看，从钛到铜，3d层电子层电子由由2个增加到个增加到10个。个。3d层电子数小于等于层电子数小于等于5的元素是缩小的元素是缩小相区的，如钛相区的，如钛(2个个)和钒和钒(3个个)；3d电子数大于等于电子数大于等于5的元素的元素是扩大是扩大相区的，如锰相区的，如锰(5个个)、钴、钴(6个个)、镍、镍(8个个)和铜和铜(10个个)。介于钒和锰之间的铬。介于钒和锰之间的铬(5个个)具有过渡性，铬的质量分数具有过渡性，铬的质量分数在小于在小于75时使时使A3下降，大干下降，大干7.5时又使时又使A3上

16、升。上升。Fe-Cr相图中虽然有封闭的相图中虽然有封闭的相区，但铬在相区，但铬在相中有较大的相中有较大的溶解度。溶解度。 1.2合金元素在铁中的溶解度合金元素在铁中的溶解度元素元素溶解度（溶解度（%）元素元素溶解度（溶解度（%）-Fe-Fe-Fe-FeCo76无限无限W33(1540)4.5(700)3.2Ni10无限无限Al361.1Mn3无限无限Si18.52Cu1（700）0.2(室温室温)8.5Ti7(1340)2.5(600)0.68C0.022.06P2.80.2N0.12.8Nb1.82.0Cr无限无限12.8Zr0.30.7V无限无限1.4B0.0080.0180.026Mo3

17、7.5(1450)4(室温室温)31.2.4 合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用 合金元素与钢中碳的作用主要表现在合金元素与钢中碳的作用主要表现在是否是否易于形成碳化物，或者形成碳化物倾向性易于形成碳化物，或者形成碳化物倾向性的大小的大小。碳化物是钢中最重要的强化相，碳化物是钢中最重要的强化相，对于决定钢的组织和性能具有极其重要的对于决定钢的组织和性能具有极其重要的意义。意义。 合金元素按照它们与碳的相互作用，可分合金元素按照它们与碳的相互作用，可分为两大类：为两大类： 1非碳化物形成元素非碳化物形成元素 非碳化物形成元素包括非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、

18、S等。它们与碳不形成碳化物，等。它们与碳不形成碳化物，但可固溶于但可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其中形成固溶体，或者形成其它化合物，如氮可形成氮化物。它化合物，如氮可形成氮化物。 2碳化物形成元素碳化物形成元素 碳化物形成元素包括碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等。它们都是过渡族等。它们都是过渡族元素。碳化物是钢中主要的强化相元素。碳化物是钢中主要的强化相 。（1）形成碳化物的规律性）形成碳化物的规律性 从周期表看从周期表看:碳化物形成元素碳化物形成元素(Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Ti、W、Mo等等)均位于均位于Fe的左侧，而非的左侧，而非碳化物形

19、成元素碳化物形成元素(Ni、Si、Co、Al、Cu)等均处于等均处于周期表的右侧。周期表的右侧。 本来本来Ni和和Co也可形成独立的碳化物，但由于其稳也可形成独立的碳化物，但由于其稳定性很差定性很差(比比Fe3C还小还小)，在钢中不会出现，故通，在钢中不会出现，故通常被当作非碳化物形成元素看待。常被当作非碳化物形成元素看待。 Mn是碳化物形成元素，但是碳化物形成元素，但Mn极易溶入渗碳体中，极易溶入渗碳体中，故钢中没有发现故钢中没有发现Mn的独立碳化物。的独立碳化物。 d电子愈是不满，形成碳化物的能力就愈电子愈是不满，形成碳化物的能力就愈强，强，即与碳的亲和力愈大，所形成的碳即与碳的亲和力愈大

20、，所形成的碳化物也就愈稳定。化物也就愈稳定。 金属元素与碳结合生成碳化物时的金属元素与碳结合生成碳化物时的热热效应亦会影响所生成的碳化物稳定性。效应亦会影响所生成的碳化物稳定性。一般说来，碳化物的生成热愈大，其稳一般说来，碳化物的生成热愈大，其稳定性就愈高。定性就愈高。 按照碳化物形成元素所生成的碳化物按照碳化物形成元素所生成的碳化物稳定程度由强到弱顺序，可将这些元素稳定程度由强到弱顺序，可将这些元素依次排列为：依次排列为：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe。 按照碳化物晶格类型的不同，碳化物可分为两按照碳化物晶格类型的不同，碳化物可分为两类类 ： 当当rcrme0.59时，碳与

21、合金元素形成一种时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物复杂点阵结构的碳化物。Cr、Mn、Fe属于这类属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物；元素，它们形成下列形式的碳化物；Cr23C6、Cr7C3、Fe3C等。等。 当当rcrme 059时，形成简单点阵的碳化时，形成简单点阵的碳化物物(间隙相间隙相)。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均均属于此类元素，它们形成的碳化物是：属于此类元素，它们形成的碳化物是： MeX型型：WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC。 Me2X型：型： W2C 、 Mo2C 、 Ta2C 。 此类碳化物此类碳化物硬度大、熔点高硬度大、熔点高(可高达可高达3

22、000)，分解温度高分解温度高(可高达可高达1200)； 实际上钢中的碳化物，除上述两种类型实际上钢中的碳化物，除上述两种类型以外，在某些条件下，还可出现以外，在某些条件下，还可出现下述两下述两种情况种情况： 一是合金渗碳体；一是合金渗碳体； 二是生成具有复杂结构的合金碳化物。二是生成具有复杂结构的合金碳化物。 除去含量条件以外，保证元素在钢中的除去含量条件以外，保证元素在钢中的扩散扩散也是形成碳化物的必要条件。因此，也是形成碳化物的必要条件。因此，碳化物的形成过程与热处理工艺有着极碳化物的形成过程与热处理工艺有着极为密切的关系。为密切的关系。 （）碳化物的特性（）碳化物的特性 如果将纯金属和

23、碳化物的硬度作比较，便如果将纯金属和碳化物的硬度作比较，便可看出碳化物的强化能力是很大的。可看出碳化物的强化能力是很大的。形成形成碳化物倾向性愈强的元素，其碳化物硬度碳化物倾向性愈强的元素，其碳化物硬度也愈高。也愈高。 碳化物是一种很重要的强化相，碳化物是一种很重要的强化相，形成碳形成碳化物能力愈强的元素，其碳化物稳定性化物能力愈强的元素，其碳化物稳定性愈高。愈高。稳定的碳化物具有高熔点、高分稳定的碳化物具有高熔点、高分解温度，难于溶入固溶体，因而也难以解温度，难于溶入固溶体，因而也难以聚集长大。聚集长大。 碳化物稳定性碳化物稳定性由弱到强的顺序是：由弱到强的顺序是：Fe3C、M23C6、M6

24、C、MC。 如果碳化物稳定性高，则：如果碳化物稳定性高，则： 在温度和应力长期作用下不易聚集长大，则可在温度和应力长期作用下不易聚集长大，则可大大提高材料的性能和使用寿命大大提高材料的性能和使用寿命; 碳化物和固溶体碳化物和固溶体(基体基体)之间不易在高温下因原之间不易在高温下因原子扩散作用而发生合金元素的再分配子扩散作用而发生合金元素的再分配; 碳化物的稳定性对于钢的碳化物的稳定性对于钢的热强性热强性也很重要。首也很重要。首先碳化物可使钢在更高的温度下工作并保持其先碳化物可使钢在更高的温度下工作并保持其较高的强度和硬度。较高的强度和硬度。 其次在达到相同硬度的条件下其次在达到相同硬度的条件下

25、,碳化物稳定性碳化物稳定性高的钢可以在更高的温度下回火，高的钢可以在更高的温度下回火，使钢的塑性、使钢的塑性、韧性更好韧性更好。所以合金钢的综合性能比碳钢好。所以合金钢的综合性能比碳钢好。 合金元素在碳化物中有一定的溶解度合金元素在碳化物中有一定的溶解度。 合金元素与碳的相互作用具有重大的实合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义际意义: 1 关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布。的分布。而所有这些都会直接影响到钢的性能，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、红如钢的强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性和某些特殊

26、性能。硬性和某些特殊性能。 2 对钢的热处理亦有较大影响对钢的热处理亦有较大影响，如奥氏体，如奥氏体(A)化温度和时间，化温度和时间，A晶粒的长大等。晶粒的长大等。 3 合金元素与碳有着不同的亲和力，合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过对相变过程中碳的扩散速度亦有较大影响程中碳的扩散速度亦有较大影响；强碳化物形；强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素Mn以及大多数非碳化物形以及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素如成元素则无此作用，甚至某些元素如Co还有还有增大碳原子扩散的作用。因而合金元素与碳

27、的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变有重要的影响。作用对钢的相变有重要的影响。1.2.5 钢中的氮化物钢中的氮化物 由于钢铁治炼时吸收大气中的氮或用氮进行合金化由于钢铁治炼时吸收大气中的氮或用氮进行合金化，所以钢中形成铁或其他合金元素的氮化物；钢表，所以钢中形成铁或其他合金元素的氮化物；钢表面氮化时，也要形成各种氮化物。面氮化时，也要形成各种氮化物。 氮化物对钢的组织和性能有极重要的影响。过渡族氮化物对钢的组织和性能有极重要的影响。过渡族元素的氮化物都是间隙相，具有简单密排结构。与元素的氮化物都是间隙相，具有简单密排结构。与碳化物间隙相相似，氮化物化具有高的硬度、高弹碳化物

28、间隙相相似，氮化物化具有高的硬度、高弹性模量和脆性，并具有高的熔点和高的生成热。性模量和脆性，并具有高的熔点和高的生成热。 氮和金属原子间有存在共价键的可能，但总的说来氮和金属原子间有存在共价键的可能，但总的说来过渡族金属的氮化物以金属键占优势。此外，钢液过渡族金属的氮化物以金属键占优势。此外，钢液用铝脱氧形成氮化铝用铝脱氧形成氮化铝(AlN)，AlN属于正常价非金属属于正常价非金属化合物。化合物。 过渡族金属的氮化物中，只要金属亚点阵的间隙足够大，过渡族金属的氮化物中，只要金属亚点阵的间隙足够大，尺寸较小的氮原于处于间隙位置上。由于氮原予半径仅尺寸较小的氮原于处于间隙位置上。由于氮原予半径仅

29、0.71，比碳的，比碳的0.77小，所以与金属原子的半径比值均小，所以与金属原子的半径比值均小于小于0.59，其，其晶体结构只能出现具有面心或密排六方的简晶体结构只能出现具有面心或密排六方的简单密排结构单密排结构。 钢中氮化物的稳定性和碳化物相似、凡是钢中氮化物的稳定性和碳化物相似、凡是d层电子少的过层电子少的过渡族金属，和氮的亲合力就较大渡族金属，和氮的亲合力就较大。也可以用其生成热值来。也可以用其生成热值来比较，生成热越大，其稳定性也越高。首先是钛和锆，其比较，生成热越大，其稳定性也越高。首先是钛和锆，其次是铌和钒，再次是铬和钼。钛、锆、铌、钒强氮化物形次是铌和钒，再次是铬和钼。钛、锆、铌

30、、钒强氮化物形成元素，难溶于奥氏休。如不锈钢、结构钢、耐热钢和合成元素，难溶于奥氏休。如不锈钢、结构钢、耐热钢和合金中存在的大块金中存在的大块TiN夹杂物，微合金化钢小的夹杂物，微合金化钢小的(Ti,V)N等。等。 氮化物之间也可以互相溶解氮化物之间也可以互相溶解，形成完全互溶或有限溶解的，形成完全互溶或有限溶解的复合氮化物。氮化物和碳化物之间也可以互相溶解，形成复合氮化物。氮化物和碳化物之间也可以互相溶解，形成碳氮化物，如含氮的不锈钢中氮原子可置换碳氮化物，如含氮的不锈钢中氮原子可置换(Cr,Fe)23C6中部分碳原子，形成中部分碳原子，形成Cr，Fe)23(C，N)6的碳氮化物。的碳氮化物

31、。在含钒、钛、铌微合金化的钢中，可形成如在含钒、钛、铌微合金化的钢中，可形成如V(C，N)、Nb(C，N)等碳氮化物。当钢中同时含有几种过渡金属元等碳氮化物。当钢中同时含有几种过渡金属元素时，会出现氮化物、碳化物或碳氮化物并存的状态。在素时，会出现氮化物、碳化物或碳氮化物并存的状态。在平衡条件下，平衡条件下，TiN可在钢液中析出，故容易出现大块可在钢液中析出，故容易出现大块TiN夹夹杂物，其他氮化物和碳化物一般都从固溶态析出。杂物，其他氮化物和碳化物一般都从固溶态析出。 钨、钼是中强氮化物形成元素，它们的氮化物在钢中有较钨、钼是中强氮化物形成元素，它们的氮化物在钢中有较大的稳定性和较小的溶解度

32、。铬、锰、铁属于较弱的氮化大的稳定性和较小的溶解度。铬、锰、铁属于较弱的氮化物形成元素，其氮化物可溶于奥氏体，在低温下又可重新物形成元素，其氮化物可溶于奥氏体，在低温下又可重新析出。析出。 在微合金化钢中，可以利用氮比物来细化奥氏体晶粒和弥在微合金化钢中，可以利用氮比物来细化奥氏体晶粒和弥散强化以提高钢的强度和韧性。氮化钢氮化后，除表面形散强化以提高钢的强度和韧性。氮化钢氮化后，除表面形成铁的氮化物外，还形成合金氮化物如成铁的氮化物外，还形成合金氮化物如Mo2N、VN和和AlN等，起弥散强比作用，提高钢的疲劳强度和耐磨性。高速等，起弥散强比作用，提高钢的疲劳强度和耐磨性。高速钢表面氮化也可形成

33、钨、钼、钒、铬等元素的氮化物，提钢表面氮化也可形成钨、钼、钒、铬等元素的氮化物，提高工具的切削速度和寿命。高工具的切削速度和寿命。 1.3 合金元素对钢相变的影响合金元素对钢相变的影响 由于由于FeC相图是研究钢中相变和对碳钢进行相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时选择加热温度的依据，因此在研究合热处理时选择加热温度的依据，因此在研究合金元素对相变的影响之前，金元素对相变的影响之前，首先要了解合金元首先要了解合金元素对素对FeC相图的影响相图的影响。 在大多数合金钢中，在大多数合金钢中，预期性能主要是通过合金预期性能主要是通过合金元素对相变过程的作用来实现的，因此，合金元素对相变过程的作用来

34、实现的，因此，合金元素对相变过程的影响具有特别重要的意义元素对相变过程的影响具有特别重要的意义。 钢中有三个基本的相变过程，即钢中有三个基本的相变过程，即加热时奥氏体加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变氏体回火时的转变。1.3.1合金元素对合金元素对FeC相图的影响相图的影响 1对奥氏体相区的影响对奥氏体相区的影响 凡是扩大相区的元素凡是扩大相区的元素(如如Ni、Co、Mn等等)均使均使S点左移、点左移、A3线下降；凡线下降；凡是缩小相区的元素是缩小相区的元素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均使均使A3线上升，也

35、使线上升，也使S点左移。从两图可以看出，点左移。从两图可以看出，大多数大多数元素均使元素均使ES线左移。线左移。 E点左移，这就意味着钢中碳的质量点左移，这就意味着钢中碳的质量分数不足分数不足2时就会出现共晶莱氏体。时就会出现共晶莱氏体。 扩大相区的元素如扩大相区的元素如Ni、Mn的含量足的含量足够高时，可使相区扩展到室温以下，够高时，可使相区扩展到室温以下，得到得到奥氏体钢奥氏体钢；Cr和和Si等元素则限等元素则限制相区，甚至使其完全消失，得到制相区，甚至使其完全消失，得到铁素体钢。铁素体钢。 2对共析温度的影响对共析温度的影响 共折反应涉及到铁的同素异晶转变和碳化共折反应涉及到铁的同素异晶

36、转变和碳化物的析出和溶解。合金元素的存在，将改物的析出和溶解。合金元素的存在，将改变钢的共析温度。如扩大变钢的共析温度。如扩大相区的元素，降相区的元素，降低低A3和和A1，使，使S点左移；缩小点左移；缩小相区的元素，相区的元素，使使A3和和A1升高，也使升高，也使S点左移。点左移。 3对共析点位置的影响对共析点位置的影响 所有合金元素均使所有合金元素均使S点左移，这就意味着点左移，这就意味着钢中含碳量不足钢中含碳量不足077时，钢即可变为过时，钢即可变为过共析钢，而析出二次渗碳体，也就是说合共析钢，而析出二次渗碳体，也就是说合金元素使金元素使S点左移，降低了共析体中的含碳点左移，降低了共析体中

37、的含碳量。例如量。例如C%04的的4Crl3钢已不是亚钢已不是亚共析钢，而是过共析钢了共析钢，而是过共析钢了。1.3.2 合金元素对钢加热时奥氏体形合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响成过程的影响合金元素的加入改变了临界点的温度、合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和点的位置和 碳在奥氏体中的溶解度，使碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；了变化；-热力学条件热力学条件奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素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，而且还将影响铁原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子

38、的扩散，从而影响奥氏体化过程。和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。-动力学条件动力学条件 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。大，两者都与碳的扩散有关。 钴和镍钴和镍提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。体的形成速度。 硅、铝、锰硅、铝、锰等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较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。小，故对奥氏体的形成速度影响不大。 碳化物形成元素碳化物形成元素与碳的亲和力较大，显著妨碍碳与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，

39、大大减慢了奥氏体的形成速在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。度。 奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。碳化物。稳定性高的碳化物稳定性高的碳化物，要使其分解并溶人，要使其分解并溶人奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。临界点几十或几百度。 最初形成的奥氏体，其成分并不均匀，而且由于最初形成的奥氏体，其成分并不均匀，而且由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体均匀奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散，由于合金，碳和合金

40、元素均需扩散，由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采用较高的元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采用较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而分发挥合金元素的作用。但对需要奥氏体，从而分发挥合金元素的作用。但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。过高的加热温度和过长的保温时间。 合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。不相同。Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强等强碳化物形成元素强烈阻止奥氏体晶粒

41、长大，起细化晶粒的作用；烈阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒的作用；W、Mo、Cr等阻止奥氏体晶粒长大的作用中等；非碳等阻止奥氏体晶粒长大的作用中等；非碳化物形成元素如化物形成元素如Ni、Si、Co等阻止奥氏体晶粒长等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微；而大的作用轻微；而Mn、P则有助长奥氏体晶粒长则有助长奥氏体晶粒长大的倾向。大的倾向。1.3.3 合金元素对过冷奥氏体分解过合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响程的影响 合金元素可以使钢的合金元素可以使钢的c曲线发生显著变化。曲线发生显著变化。几乎所有的合金元素几乎所有的合金元素(除除Co外外)都使都使C曲线向曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成右

42、移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。除速度。除Co、Al以外，所有的合金元素都以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降使马氏体转变温度下降，如图，如图110所示。所示。 C曲线右移的结果，曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。高了钢的淬透性。这对于许多合金钢来讲是非常重这对于许多合金钢来讲是非常重要的。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素要的。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度及其可能的溶解量。这样，钢中最常用的作用强度及其可能的溶解量。这样，钢中最常用的提高淬透性的元素主要有以下六种：的提高淬透性的元素主要有以下六种： C

43、r、Mn、Mo、Si、Ni、B 前五种元素，除了有较强的提高淬透性的能力以外，前五种元素，除了有较强的提高淬透性的能力以外，还可以大量地溶入钢中，故为提高淬透性最有效的还可以大量地溶入钢中，故为提高淬透性最有效的元素。硼的加入量很小元素。硼的加入量很小(000800025)，但作用强度很大，又比较便宜，也是一种主要的提但作用强度很大，又比较便宜，也是一种主要的提高淬透性的元素，但目前含硼钢的淬透性不稳定，高淬透性的元素，但目前含硼钢的淬透性不稳定，淬透性带波动幅度较宽。淬透性带波动幅度较宽。Mo的价格较贵，一般不的价格较贵，一般不单纯作为提高淬透性的元素使用。因此以提高淬透单纯作为提高淬透性的

44、元素使用。因此以提高淬透性为目的的常用元素只有五种。性为目的的常用元素只有五种。 强调强调: 合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体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。含中时，才能起到提高淬透性的作用。含Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，若淬等强碳化物形成元素的钢，若淬火加热温度不高、保温时间较短、碳化物未火加热温度不高、保温时间较短、碳化物未溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于溶解时，非但不能提高淬透性，反而会由于末溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，末溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。使淬透性下降。 钢中加入合金元素将使钢中加入合金元素将使M

45、s、Mf下降，而使残余奥下降，而使残余奥氏体增多氏体增多(见图见图111和图和图112)，因此在相同的，因此在相同的含碳量下，合金钢中的残余奥氏体量比碳钢中的含碳量下，合金钢中的残余奥氏体量比碳钢中的多。在许多工业用高碳、高合金钢中，淬火钢中多。在许多工业用高碳、高合金钢中，淬火钢中的残余奥氏体量甚至可高达的残余奥氏体量甚至可高达3040以上。这以上。这对钢的性能将产生很大影响。对钢的性能将产生很大影响。残余奥氏体量过高残余奥氏体量过高时钢的硬度降低，疲劳抗力下降。时钢的硬度降低，疲劳抗力下降。为了将残余奥为了将残余奥氏体量控制在合适范围，往往要进行附加的处理，氏体量控制在合适范围，往往要进行

46、附加的处理，例如：例如：冷处理冷处理、多次回火多次回火(二次淬火二次淬火) 。 下列元素可明显地降低钢的下列元素可明显地降低钢的Ms和和Mf点，并增加残点，并增加残余奥氏体量，按照作用的强弱可列为：余奥氏体量，按照作用的强弱可列为： Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si1.3.4 合金元素对回火过程的影响合金元素对回火过程的影响 回火过程是使钢获得预期性能的关键工回火过程是使钢获得预期性能的关键工序，合金元素的主要作用是序，合金元素的主要作用是提高钢的回提高钢的回火稳定性火稳定性(钢对回火时发生软化过程的抵钢对回火时发生软化过程的抵抗能力抗能力)，使回火过程各个阶段的转变速使回火过程各个阶段的转变

47、速度大大减慢，将其推向更高的温度度大大减慢，将其推向更高的温度 。 1对马氏体分解的影响对马氏体分解的影响 合金元素对马氏体分解的第一阶段没有影响，马合金元素对马氏体分解的第一阶段没有影响，马氏体在发生第二阶段分解时，碳化物形成元素氏体在发生第二阶段分解时，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等对碳有较强的亲和力，溶于等对碳有较强的亲和力，溶于马氏体中的碳化物形成元素阻碍碳从马氏体中析马氏体中的碳化物形成元素阻碍碳从马氏体中析出，因而出，因而使马氏体分解的第二阶段减慢使马氏体分解的第二阶段减慢。在碳钢。在碳钢中，实际上所有的碳从马氏体中的析出温度都在中，实际上所有的碳从马氏体中的析出温度都在

48、250350左右，而在含碳化物形成元素的钢中，左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度可将这一过程推移到更高的温度(400500)，其中其中V、Nb的作用比的作用比Cr、W、Mo更强烈。更强烈。非碳化非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但物形成元素对这一过程影响不大，但Si的作用比的作用比较独特。较独特。Si可以显著减慢马氏体的分解速度。可以显著减慢马氏体的分解速度。如如Si%2的钢，可把马氏体的分解温度提高到的钢，可把马氏体的分解温度提高到350以上。以上。 2对残余奥氏体转变的影响对残余奥氏体转变的影响 合金元素大都使残余奥氏体的分解温度向合金元素大都使残余奥氏体的分

49、解温度向高温方向推移高温方向推移，其中尤以，其中尤以Cr、Mn、Si的作的作用最为显著。在含有较多的用最为显著。在含有较多的W、Mo、V等等元素的高合金钢中元素的高合金钢中(如高速钢如高速钢)，由于残余，由于残余奥氏体在回火过程中析出碳化物，造成残奥氏体在回火过程中析出碳化物，造成残余奥氏体中的碳及合金元素贫化，其余奥氏体中的碳及合金元素贫化，其Ms点点高于室温，因而在冷却过程中转变为马氏高于室温，因而在冷却过程中转变为马氏体；体；通过这种回火之后，淬火钢的硬度不通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称但没有降低，反而有所升高，这种现象称为为二次淬火二次淬火。3对碳

50、化物的形成、聚集和长大的对碳化物的形成、聚集和长大的影响影响 合金元素对合金元素对-碳化物的形成没有影响。碳化物的形成没有影响。随着回火随着回火温度的升高，碳钢中的温度的升高，碳钢中的-碳化物于碳化物于260转变为渗转变为渗碳体，合金元素中唯有碳体，合金元素中唯有Si和和Al强烈推迟这一转变，强烈推迟这一转变，使转变温度升高到使转变温度升高到350。此外，。此外，Cr也有使转变也有使转变温度升高的作用，不过比温度升高的作用，不过比Si和和Al作用要小得多。作用要小得多。 随着回火温度的升高，合金元素能够产生明显的随着回火温度的升高，合金元素能够产生明显的扩散，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换

51、扩散，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换Fe原子，形成合金渗碳体。非碳化物形成元素将离原子，形成合金渗碳体。非碳化物形成元素将离开渗碳体。与此同时，将发生合金渗碳体的聚集开渗碳体。与此同时，将发生合金渗碳体的聚集长大，长大，Ni对其聚集长大没有影响，而对其聚集长大没有影响，而Si和和V、W、Mo、Cr则对其聚集长大过程起阻碍作用。则对其聚集长大过程起阻碍作用。 在含在含W、Mo、V较多的钢中，回较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不火后的硬度随回火温度的升高不是单调降低，而是是单调降低，而是在某一回火温在某一回火温度后，硬度反而增加，并在某一度后，硬度反而增加，并在某一温度温度(一般为一般

52、为550左右左右)达到峰达到峰值。值。这种在一定回火温度下硬度这种在一定回火温度下硬度出现峰值的现象称为出现峰值的现象称为二次硬化二次硬化。 二次硬化是由二次硬化是由高温回火时从马氏高温回火时从马氏体中析出的高度分散的合金碳化体中析出的高度分散的合金碳化物粒子所造成的物粒子所造成的。这类碳化物粒。这类碳化物粒子在高温下非常稳定，很不容易子在高温下非常稳定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度。这对在高温下工作的高温强度。这对在高温下工作的钢，特别是高速切削工具及热变钢，特别是高速切削工具及热变形模具用钢，是极为重要的。形模具用钢，是极为重要的。 4对铁素体回

53、复再结晶的影响对铁素体回复再结晶的影响 大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再结晶过程结晶过程，其中，其中Co、Mo、W、Cr、V显著显著提高提高a相的再结晶温度，相的再结晶温度，Si、Mn的影响次的影响次之，之，Ni的影响较小。在碳钢中的影响较小。在碳钢中a相高于相高于400开始回复过程，开始回复过程，500开始再结晶。开始再结晶。当往钢中加入当往钢中加入Co(2)时，可将时，可将a相的再结相的再结晶温度升高到晶温度升高到630，几种元素的综合作用，几种元素的综合作用可以更显著地提高再结晶温度。可以更显著地提高再结晶温度。 5对回火脆性的影响对回火脆性的影响

54、 淬火合金钢在一定温度范围内回火时，表淬火合金钢在一定温度范围内回火时，表现出明显的脆化现象，这种现象就是回火现出明显的脆化现象，这种现象就是回火脆性。应当提出，脆性。应当提出，不可能用热处理和合金不可能用热处理和合金化的方法消除第一类回火脆性化的方法消除第一类回火脆性，但，但Mo、W、V、Al等元素可稍微减弱第一类回火脆性；等元素可稍微减弱第一类回火脆性；而而Mn、Cr则促进这类回火脆性的发展。加则促进这类回火脆性的发展。加入入Si、Cr等，可使回火脆性的温度向高温等，可使回火脆性的温度向高温方向推移。方向推移。 实践证明，实践证明，各种类型的合金钢都有第二类回火脆性的倾向，各种类型的合金钢

55、都有第二类回火脆性的倾向，只是程度不同而已。只是程度不同而已。根据合金元素对第二类回火脆性的作根据合金元素对第二类回火脆性的作用，可将合金元素大致分为三类：用，可将合金元素大致分为三类： (1)增加回火脆性敏感性的有增加回火脆性敏感性的有：Mn、Cr、Ni(与其它元与其它元素一起加入时素一起加入时)、P、V等；等； (2)无明显影响的有无明显影响的有：Ti、Zr、Si、Ni(单一元素作用时单一元素作用时)； (3)降低回火脆性敏感性的有降低回火脆性敏感性的有：Mo、W。 为防止第二类回火脆性，在长期的生产实践中总结出了下为防止第二类回火脆性，在长期的生产实践中总结出了下列方法：列方法： (1)

56、回火后快冷回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷。但，一般小件用油冷，较大件用水冷。但工件尺寸过大时，即使水冷也难以防止脆性产生；工件尺寸过大时，即使水冷也难以防止脆性产生； (2)加入合金元素加入合金元素W、Mo以抑制第二类回火脆以抑制第二类回火脆； (3)提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。1.4 微量元素在钢中的作用微量元素在钢中的作用 微量元素指的是在钢中含量较低微量元素指的是在钢中含量较低(一般小于一般小于0.1%)的一些合金元素，包括从原材料带的一些合金元素，包括从原材料带入或出于一定目的而特意加入的合金元素入或出于一定目的而特意

57、加入的合金元素。微量元素在钢中的作用既有有害的一面。微量元素在钢中的作用既有有害的一面，也有有益的方面。特别是随着控轧控冷，也有有益的方面。特别是随着控轧控冷技术在现代钢铁材料中的应用，微合金化技术在现代钢铁材料中的应用，微合金化已成为一种获得高性能钢铁材料的重要技已成为一种获得高性能钢铁材料的重要技术手段术手段 1.4.1 微量元素的种类微量元素的种类 钢中存在的微量元素可以分成以下几类：钢中存在的微量元素可以分成以下几类： 常用微合金化元素：常用微合金化元素：B、N、Ti、V、Zr、Nb、稀土元素；稀土元素； 偶用微合金元素：偶用微合金元素：Ta、Hf； 为净化、变质和控制夹杂物形态的元素

58、：为净化、变质和控制夹杂物形态的元素：B、Ca、Ti、Zr、稀土元素；、稀土元素； 改善切削性的元素：改善切削性的元素：S（P）、）、Se、Te、Sn、Pb、Bi、Ca、Ti； 痕迹有害元素：痕迹有害元素：P、As、Sb、Sn、Pb、Bi。1.4.2 微量痕迹元素对钢的性能的有微量痕迹元素对钢的性能的有害影响害影响 一些微量元素在钢中存在的总量约在一些微量元素在钢中存在的总量约在0.1%左右。它们往左右。它们往往不是有意加入的，而是在炼钢过程中由原材料（矿石、往不是有意加入的，而是在炼钢过程中由原材料（矿石、陶瓷、合金元素、废钢）带入的，影响较大的集中在周期陶瓷、合金元素、废钢）带入的，影响较

59、大的集中在周期表中表中A、A和和A族的一系列金属微量痕迹元素上。已族的一系列金属微量痕迹元素上。已知象知象Pb、Bi、Sb和和Sn这类元素在这类元素在ppm数量范围对钢的热数量范围对钢的热塑性，蠕变强度，焊接性和耐腐蚀性等产生有害的影响，塑性，蠕变强度，焊接性和耐腐蚀性等产生有害的影响，并且可能导致钢的不同形式的脆性（如回火马氏体脆性和并且可能导致钢的不同形式的脆性（如回火马氏体脆性和第二类回火脆性等）。与痕迹元素相连系的有害效应还包第二类回火脆性等）。与痕迹元素相连系的有害效应还包括热塑性的降低以及在淬透性、可焊性和耐蚀性上的有害括热塑性的降低以及在淬透性、可焊性和耐蚀性上的有害效应。效应。

60、 由于痕迹元素往往集中存在于晶界，当有害痕迹元素存在由于痕迹元素往往集中存在于晶界，当有害痕迹元素存在水平高于水平高于ppm范围时，即使在低变形下，晶界也会断裂。范围时，即使在低变形下，晶界也会断裂。这些效应可以通过完全去除有害痕迹元素或者添加一定的这些效应可以通过完全去除有害痕迹元素或者添加一定的有益痕迹元素来抵消。有益痕迹元素来抵消。1.4.3微量元素对钢的有益效应微量元素对钢的有益效应 微量元素在钢中的有益效应，可以归结为微量元素在钢中的有益效应，可以归结为四个方面：四个方面：净化作用、变质作用、控制夹净化作用、变质作用、控制夹杂物形态、微合金化作用杂物形态、微合金化作用。 1 净化作用