金属材料学 绪论 第1章 金属材料的合金化原理

1、金属材料学向向 嵩嵩绪 论 材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步行着密切关系。它是材料发展与社会进步行着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。衡量人类社会文明程度的标志之一。 金属材料是现代文明的基础金属材料是现代文明的基础石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代铸铁钢黑色金属二、金属材料的分类金属材料工模具用钢机械零件用钢钢工程构件用钢特殊用途钢轻金属稀有金属贵金属有色金属重金属放射金属Al、Mg、TiCu、Zn、PbAu、Ag、PtW、Mo、CoRa、U、Th三、金属结构材料的应用情况1.从总产量来看，钢铁材料的

2、产量占绝对优从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的势，占世界金属总产量的95，而且有许而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，且价格低廉。用，故用量最大，且价格低廉。 2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如如铁只占铁只占5.1，而非铁金属中而非铁金属中铝为铝为8.8镁为镁为2.1，钛为，钛为0.6。3.但非铁金属冶炼较困难，所需能源消

3、耗大，因但非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。 4.而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史1.公元前公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前国在公元前3000年出现锡青铜年出现锡青铜甘肃东甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含乡马家窑文化的

4、青铜刀（含610Sn）。）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元世纪到公元前前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。 四、金属材料发展的历史3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著术，在明末科学家宋应星所著天工开物天工开物中有中有详细的阐述。详细的阐述。

5、4.现代冶金技术的发展自现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和20世纪世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。铁工业实现了现代化。 我国冶铁技术在我国冶铁技术在春秋春秋末期有很大的末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，这标志着生产力以生铁制钢的技术，这标志着生产力的重大进步。在的重大进步。在战国战国燕下都出土

6、的大燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。 四、金属材料发展的历史5.在非铁金属冶金方面，在非铁金属冶金方面，19世纪世纪80年代发电年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；以实现，开创了电冶金新领域；用熔盐电用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属属；20世纪世纪40年代，用镁作还原剂从四氯年代，用镁作还原

7、剂从四氯化钛制得化钛制得纯钛纯钛，并使真空熔炼加工等技术，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工其他非铁金属也陆续实现工业化生产。业化生产。 五、金属材料的发展热点1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料3特殊条件下应用的金属材料特殊条件下应用的金属

8、材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究构、组织和性能的研究 4材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计六、关于本课程 1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生冶金问题，使学生 掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；响的基本规律； 掌握分析、解决各种金属材料的

9、化学成分掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。设计、生产、热处理和使用中的问题。六、关于本课程2.课程的性质课程的性质 本课程是材料科学与工程专业的一门主要本课程是材料科学与工程专业的一门主要专业课。它的主要内容是金属材料的专业课。它的主要内容是金属材料的合金合金化基础理论化基础理论，在论述常用类型金属材料的，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类性能要求的基础上，分析各类工程工程构件用构件用钢、钢、机器零件机器零件及及工模具用钢工模具用钢、不锈钢不锈钢、耐耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处

10、理工艺特点及选择等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。材料与使用材料的原则和方法。六、关于本课程3.课程内容课程内容v金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材料中的料中的合金元素合金元素、金属合金中的、金属合金中的相组成与相变相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响影响和和微量元素在金属材料中的微量元素在金属材料中的作用作用。 v常用常用钢铁材料、有色金属钢铁材料、有色金属及及合金材料和新金属结合金材料和新金属结构材料构材料（包括工程构件用钢、机器零件用钢、工（包括工程构件用

11、钢、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、有色金属及模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁、有色金属及合金、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、合金、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属材料等）。亚稳金属材料等）。 4.教材与参考书目录教材与参考书目录 v吴承建、陈国良、强文江编著。吴承建、陈国良、强文江编著。金属材料学金属材料学，北京：冶金工业出版社，北京：冶金工业出版社，2000。 v王笑天主编。金属材料学，北京：机械工业出版王笑天主编。金属材料学，北京：机械工业出版社，社，1993。 v王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工业出版王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工业出版社，

12、社，2002。5.作业及考核形式作业及考核形式v平时每章需完成一定量的思考题和习题；成绩占平时每章需完成一定量的思考题和习题；成绩占总评成绩的总评成绩的15；平时表现和课堂回答问题成绩；平时表现和课堂回答问题成绩占总评成绩的占总评成绩的5%。 v期末闭卷笔试，成绩占总评成绩的期末闭卷笔试，成绩占总评成绩的80%。六、关于本课程Chapter 1 金属材料的合金化原理合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号钢的合金化原理钢的合金化原理碳钢概论碳钢概论1.2钢的合钢的合金化原理金化原理1.3合金钢的合金钢的分类、牌号分类、牌号1.1碳钢概论碳钢概论碳钢中的常碳钢中的常存元素存元素碳钢的分碳钢的分类类碳

13、钢的用碳钢的用途途Me在钢种的在钢种的存在形式存在形式Me与铁和碳与铁和碳的相互作用的相互作用Me对铁对铁-碳碳相图的影响相图的影响Me对钢的热对钢的热处理的影响处理的影响Me对钢的性对钢的性能的影响能的影响主主要要内内容容Chapter 1 金属材料的合金化原理1.1 碳钢概论Steelmaking flowlinesSteel Finishing flowlines 1.1 碳钢概论1.锰锰(Mn)和硅和硅(Si) Mn0.8%。Mn与与S形成高熔点形成高熔点MnS（1600）夹杂物。）夹杂物。 MnS在高温下具有一在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫定的塑性，不会使钢发生热

14、脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。化锰呈条状沿轧向分布。 Si0.59 0.59时，碳与合金元素形成一种复杂时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。点阵结构的碳化物。CrCr、MnMn、FeFe属于这类元素，它们属于这类元素，它们形成下列形式的碳化物：形成下列形式的碳化物：CrCr2323C C6 6、CrCr7 7C C3 3、FeFe3 3C C。 当当r rc c/r/rMeMe 0.59 0.59时，形成简单点阵的碳化物（间隙时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。相）。MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、TaTa、ZrZr均属于此类元素，均属于此类元素，它们形成的碳化物是

15、：它们形成的碳化物是：MeXMeX型（型（WCWC、VCVC、TiCTiC、NbCNbC、TaCTaC、ZrCZrC）和）和MeMe2 2X X型（型（W W2 2C C、MoMo2 2C C、TaTa2 2C C）。）。1.2 钢的合金化原理碳化物的特性碳化物的特性 硬度大、熔点高（可高达硬度大、熔点高（可高达30003000），分解温度），分解温度高（可达高（可达12001200）；）； 间隙相碳化物虽然含有间隙相碳化物虽然含有50% 60%50% 60%的非金属原子，的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；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可以溶入各类金属原

16、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：式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：FeFe3 3W W3 3C C、FeFe4 4W W2 2C C、FeFe3 3MoMo3 3C C等。等。1.2 钢的合金化原理1.2 钢的合金化原理 （2 2）MeMe对固溶体中碳活度及扩散系数的影对固溶体中碳活度及扩散系数的影响响 合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要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。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碳化物形成元素增

17、加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。素之间的结合力，降低其活度。 非碳化物形成元素，相反将非碳化物形成元素，相反将“推开推开”碳原碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度，同时将子，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。（图出现碳从固溶体中析出的倾向。（图1-51-5） 1.2 钢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

18、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 Cf的影响的影响 1.2 钢的合金化原理 MeMe对对C C在在A A中的扩散激活能和扩散系数的中的扩散激活能和扩散系数的影响主要表现在碳在影响主要表现在碳在A A和和F F中扩散，中扩散， MeMe本身在本身在A A和和F F中的扩散、中的扩散、 MeMe对碳在对碳在A A和和F F中扩散以及中扩散以及MeMe对铁的自扩散的影响等。（图对铁的自扩散的影响等。（图1-61-6） 碳化物形成元

19、素如碳化物形成元素如CrCr、MoMo和和W W等降低等降低C C的的活度，即提高了活度，即提高了C C在在A A中结合力，因而使扩散中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。激活能升高扩散系数下降。 非碳化物形成元素如非碳化物形成元素如NiNi、CoCo等提高等提高C C的活的活度，即降低了度，即降低了C C在在A A中的结合力，因而使扩散中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。激活能下降，扩散系数升高。1.2 钢的合金化原理图图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 1.2 钢的合金化原理 需要指出的是需要指出的

20、是SiSi是个例外，它能升高扩是个例外，它能升高扩散激活能，降低扩散系数，造成这个例外的散激活能，降低扩散系数，造成这个例外的原因，则是由于原因，则是由于SiSi虽提高虽提高C C的活度，但同时降的活度，但同时降低了低了FeFe原子的活动性，即增加了原子的活动性，即增加了FeFe在固溶体在固溶体中的结合能，因而得到与中的结合能，因而得到与NiNi、CoCo相反的结果。相反的结果。 1.2 钢的合金化原理 总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义实际意义: : 它关系到所形成的碳化物的种类、性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

21、都会直接质和在钢中的分布。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，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，奥氏体晶粒的长如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。大等。1.2 钢的合金化原理 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；强碳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，降低碳原子的扩化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩

22、散速度；弱碳化物形成元素散速度；弱碳化物形成元素MnMn以及大多数非碳以及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素如化物形成元素则无此作用，甚至某些元素如CoCo还有增大碳原子扩散的作用。因而合金元素与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变有重要影响。碳的作用对钢的相变有重要影响。 1.2 钢的合金化原理作作 业业1 1合金元素合金元素V V、CrCr、W W、MoMo、MnMn、CoCo、NiNi、CuCu、TiTi、AlAl中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在体形成元素？哪些能在a a-Fe-Fe中形成无限固溶中

23、形成无限固溶体？哪些能在体？哪些能在g g-Fe -Fe 中形成无限固溶体？中形成无限固溶体？ 2 2钢中常见的碳化物类型主要有六种，例如钢中常见的碳化物类型主要有六种，例如M6CM6C就是其中的一种，另外还有其它哪五种？就是其中的一种，另外还有其它哪五种？哪一种碳化物最不稳定？哪一种碳化物最不稳定？ 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：晶体中形成层错时增）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的能量。加的能量。 （2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影）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，越有利于位错扩展响。一般认为层错能越低，越有利

24、于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。趋势增大。1.2 钢的合金化原理 如果堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异，就称为层错如果堆垛顺序与正常的堆垛顺序出现差异，就称为层错（stacking faultsstacking faults）。）。 层错能层错能: :形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，晶体的完整性和正常的周期性，使电子发生反常的衍射效应，故使晶体的能量有所增加。这部分增加的能量称堆垛层能量故使晶体的能量有所增加。这部分增加的能量

25、称堆垛层能量（J/m2)J/m2)，它一般可用实验方法间接测得。从能量的观点，它一般可用实验方法间接测得。从能量的观点来看，晶体中出现层错的几率与层错能有关，层错能越高则来看，晶体中出现层错的几率与层错能有关，层错能越高则几率越小。几率越小。 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，但加工硬化趋势相差很大。但加工硬化趋势相差很大。 高高Ni钢易于变形加工，钢易于变形加工， Ni、Cu和和C等元素等元素使奥氏体层错能提高。使奥氏体层错能提高。 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。1.2 钢的

26、合金化原理三、合金元素对三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 1.缩小缩小相区的合金元素相区的合金元素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全封闭域。其中完全封闭相区的合金元素（例如相区的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包括室等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。高铬铁素体不锈钢等。 Me对对Fe-Fe3C相图中相图中A区的影响（图区的影响（图1-7）。）。1.2 钢的合

27、金化原理图图1-7 合金元素合金元素Mn对对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响（相图中奥氏体区的影响（a）l 扩大扩大相区的元素相区的元素使铁使铁碳合金相图的共析转变碳合金相图的共析转变温度下降；温度下降； l 缩小缩小相区的元素相区的元素使铁使铁碳合金相图的共析转变碳合金相图的共析转变温度上升。温度上升。图图1-8 合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 2 2合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图共析点相图共析点S S的影响的影响 MeMe对共析转变温度的影响对共析转变温度的影响1.2 钢的合金化原理MeMe对共析点（对共析点（S S）和共晶点（）和共晶点（E

28、E）成分的影响）成分的影响 几乎所有合金几乎所有合金元素都是共析点碳元素都是共析点碳含量降低（图含量降低（图1-1-9 9）；共晶点也有）；共晶点也有类似的规律，尤其类似的规律，尤其以强碳化物形成元以强碳化物形成元素的作用最为强烈素的作用最为强烈。 图图1-9 合金元素对共析含碳量的影响合金元素对共析含碳量的影响 1.2 钢的合金化原理 大多数合金元素均使大多数合金元素均使ES线左移线左移。E点左点左移，意味着钢中含碳量不到移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共就会出现共晶莱氏体；晶莱氏体；S点左移，意味着钢中含碳量不到点左移，意味着钢中含碳量不到0.77%时，就会出现二次渗碳体。时，就

29、会出现二次渗碳体。 由此可见，要判断一个合金钢是亚共析由此可见，要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据Fe-Fe3C相图。而应根据相图。而应根据Fe-C-Me三元相图和多三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。元铁基合金系相图来进行分析。1.2 钢的合金化原理四、合金元素对钢的热处理的影响四、合金元素对钢的热处理的影响 1 1MeMe对钢加热时奥氏体形成过程的影响对钢加热时奥氏体形成过程的影响 1)1)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 S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体点的位置和碳在奥氏体中的溶

30、解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化； 2)2)由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合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。铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。1.2 钢的合金化原理奥氏体形成过程奥氏体形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碳化物的溶解碳化物的溶解奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化1.2 钢的合金化原理(1)Me(1)Me对奥氏体形成速度的影响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

31、核的形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。成和长大，两者都与碳的扩散有关。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素CoCo和和NiNi等提高碳在奥氏等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。SiSi、AlAl、MnMn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，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。故对奥氏体的形成速度影响不大。 强碳化物形成元素强碳化物形成元素CrCr、MoMo、W W、V V等与碳的等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥

32、氏体的形成速度。大大减慢了奥氏体的形成速度。 1.2 钢的合金化原理 碳化物的分解碳化物的分解: : 奥氏体形成后，还残留奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提碳化物，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高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。百度。 奥氏体的成分均匀化奥氏体的成分均匀化: : 由于碳化物的不断由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体均匀，溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散。碳和合金元素均需扩散。

33、1.2 钢的合金化原理 由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合由于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，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，从而充分发挥合金以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。元素的作用。 但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具但对需要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钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。时间。1.2 钢的合金化原理图图1-10 碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系 1.2 钢的合金化原理(2)Me

34、(2)Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响对奥氏体晶粒长大倾向的影响 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响，合金细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：元素可分为： TiTi、V V、ZrZr、NbNb等强烈阻止奥氏体晶粒等强烈阻止奥氏体晶粒长大，长大，AlAl在钢中易形成高熔点在钢中易形成高熔点AlNAlN、AlAl2 2O O3 3细质细质点，也能强烈组织晶粒长大；点，也能强烈组织晶粒长大； W W、MoMo、CrCr等阻碍奥氏体晶粒长

35、大的作等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；用中等；1.2 钢的合金化原理图图1-11 AlN含量对奥氏体晶粒度的影响含量对奥氏体晶粒度的影响 图图1-12 MnNiMo钢中的钢中的AlN质点质点 （电解萃取碳复型）（电解萃取碳复型） NiNi、SiSi、CuCu、CoCo等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微； MnMn、P P、B B则有助于奥氏体的晶粒长大。则有助于奥氏体的晶粒长大。MnMn钢有较强烈的钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。1.2 钢的合金化原理2Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响对钢的过

36、冷奥氏体分解转变的影响 主要表现在合金元素可以使钢的主要表现在合金元素可以使钢的CCT图图（C曲线）发生显著变化。具体可以分为以下曲线）发生显著变化。具体可以分为以下几个方面：几个方面： （1）对高温转变（珠光体转变）的影响；）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；）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。）对低温转变（马氏体转变）的影响。1.2 钢的合金化原理图图1-13 合金元素对奥氏体恒温转变曲线的影响合金元素对奥氏体恒温转变曲线的影响 (a)强碳化物形成元素强碳化物形成元素 (b)中等及弱碳化物形成元素中等及弱碳化物形成

37、元素 (c)非碳化物形成元素非碳化物形成元素 1.2 钢的合金化原理（1 1）对高温转变（珠光体转变）的影响）对高温转变（珠光体转变）的影响 除除CoCo外，几乎所有的合金元素使外，几乎所有的合金元素使C C曲线右曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。型的转变）。C C曲线右移的结果，降低了钢的曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。临界冷却速度，提高了钢的淬透性。 合金元素对淬透性影响的大小取决于该元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。素的作用强度及其可能的溶解量。1.2 钢的合金化原

38、理 钢中最常用的提高淬透性的合金元素主要钢中最常用的提高淬透性的合金元素主要有：有：CrCr、MnMn、MoMo、SiSi、NiNi、B B。其中硼的加入。其中硼的加入量很小（一般只有量很小（一般只有0.0005% 0.003%0.0005% 0.003%），但作），但作用强度很大，又比较便宜；用强度很大，又比较便宜；MoMo的价格较贵，一的价格较贵，一般不单纯作为提高淬透性的元素使用。般不单纯作为提高淬透性的元素使用。 因此以提高淬透性为目的的常用元素只用因此以提高淬透性为目的的常用元素只用CrCr、MnMn、SiSi、NiNi、B B五种。五种。1.2 钢的合金化原理MeMe的加入对钢还有

39、固溶强化的作用的加入对钢还有固溶强化的作用; ; 合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，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。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，如果淬火加热温度不高，保温时间较短，CrCr、MoMo、W W、V V等强碳化物未溶解时，非但不能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。为珠光体转变的核心，使淬透性下降。1.2 钢的合金化原理 两种或多种合金元素的同时加入对淬透性两种或多种合金元素的同时加入对淬透性的影响要比两单

40、个元素影响的总和强得多，例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。合金钢采用如铬锰钢、铬镍钢等。合金钢采用多元少量合多元少量合金化原则金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。钢的淬透性的作用。 合金元素的加入推迟珠光体型的转变的同合金元素的加入推迟珠光体型的转变的同时还可在连续冷却过程中得到时还可在连续冷却过程中得到贝氏体型组织的贝氏体型组织的钢钢。 1.2 钢的合金化原理 作业作业1 1分析合金元素对分析合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图影响规律对热相图影响规律对热处理工艺实施有哪些指导意义处理工艺实施有哪些指

41、导意义? ? 2 2钢在加热转变时，为什么含有强碳化物形钢在加热转变时，为什么含有强碳化物形成元素的钢奥氏体晶粒不易长大？成元素的钢奥氏体晶粒不易长大？3 3简述合金元素对钢过冷奥氏体等温分解简述合金元素对钢过冷奥氏体等温分解C C曲曲线的影响规律？线的影响规律？ 1.2 钢的合金化原理（2）对中温转变（）对中温转变（贝氏体转变贝氏体转变）的影响）的影响 合金元素对贝氏体转变的作用是通过对合金元素对贝氏体转变的作用是通过对转变和碳原子的扩散的影响而起作用。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首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点点的影响的影响。C、Mn、Ni、Cr、

42、Mo、V、Ti等元等元素都降低素都降低BS点点，使得在贝氏体和珠光体转变温，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的个转变的C曲线。曲线。1.2 钢的合金化原理 合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，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。增长转变孕育期，减慢长大速度。 C、Si、Mn、Ni、Cr的作用较强的作用较强 W、Mo、V、Ti的作用较小的作用较小1.2 钢的合金化原理图图1-14 Mn和和Mo对贝氏体转变的影响对贝氏体转变的影响 （图中曲线旁的数字，分别表示（图中曲线旁的数字，分别表示M

43、n或或Mo的百分含量）的百分含量）1.2 钢的合金化原理（3）对低温转变（马氏体转变）的影响）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点合金元素的作用表现在对马氏体点MsMf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。氏体的精细结构。 除除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使以外，绝大多数合金元素都使Ms和和Mf下降（图下降（图1-15）。）。1.2 钢的合金化原理图图1-15 合金元素对合金元素对1.0%C碳钢的影响碳钢的影响 1.2 钢的合金化原理 Ms和和Mf点的下降，点的下降，使得室温下将保留更多使得室温下将保留更

44、多的残留奥氏体。的残留奥氏体。图图1-16 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 1.2 钢的合金化原理 合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产生很大影响产生很大影响残余奥氏体量过高（有时达残余奥氏体量过高（有时达30%-40%30%-40%）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。 对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温度下（温度下（ MsMs点远低于室温或零下）获得稳定的点远低于室温或零下）获得稳定的单相奥氏体组织，必须加入大量奥

45、氏体形成元单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等元素。 1.2 钢的合金化原理 对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要进行附加的处理：量，需要进行附加的处理： 冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70-70的的低温。低温。 多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，降低

46、了残余奥氏体中的合金成分，化物的析出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的使残余奥氏体的M Ms s、M Mf f点升高，而在回火后的点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。次淬火），从而使残余奥氏体量减少。 1.2 钢的合金化原理 在在Fe-C合金中，分界温度约为合金中，分界温度约为200。高。高于于200形成位错亚结构，低于形成位错亚结构，低于200形成孪晶形成孪晶亚结构。亚结构。 一般钢中碳或氮一般钢中碳或氮wC0.4的钢都是位错马的钢都是位错马氏体，氏体，wC0.6的钢为孪晶马氏体。合

47、金元素的钢为孪晶马氏体。合金元素如锰、铬、镍、钼或钴都使如锰、铬、镍、钼或钴都使Ms和和Mf下降，增加下降，增加形成孪晶马氏体倾向。形成孪晶马氏体倾向。1.2 钢的合金化原理 3合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具体为度。具体为（1）Me对马氏体分解的影响对马氏体分解的影响;（2）Me对残余奥氏体转变的影响对残余奥

48、氏体转变的影响; （3）Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响对碳化物的形成、聚集和长大的影响; （4）Me对铁素体回复再结晶的影响对铁素体回复再结晶的影响 （5）Me对回火脆性的影响。对回火脆性的影响。 1.2 钢的合金化原理 （1）Me对对马氏体分解马氏体分解的影响的影响 M在发生第二阶段分解时，碳化物形成在发生第二阶段分解时，碳化物形成元素元素V、Nb、Cr、Mo、W等对碳有较强的亲等对碳有较强的亲和力，和力，溶于溶于M中的碳化物形成元素阻碍碳从中的碳化物形成元素阻碍碳从M中析出中析出，因而使，因而使M分解的第二阶段减慢。分解的第二阶段减慢。 在碳钢中，实际上所有的碳从在碳钢中，实际上所有

49、的碳从M的析出的析出温度都在温度都在250350左右，而在含碳化物左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高推移到更高的温度的温度（400500），其中），其中V、Nb的作的作用比用比Cr、W、Mo更强烈。更强烈。 1.2 钢的合金化原理图图1-17质量分数分别为质量分数分别为0.3C、2.1V钒钢钒钢1250淬火淬火 不同温度回火不同温度回火2小时碳化物成分、结构和硬度的变化小时碳化物成分、结构和硬度的变化 低于低于500钒仍固溶于马氏体，强烈阻碍钒仍固溶于马氏体，强烈阻碍马氏体分解，只有马氏体分解，只有40的碳以的碳以Fe3C析出，大部析出，大部分

50、碳仍保留在马氏体基体中。分碳仍保留在马氏体基体中。 高于高于500，直接从马氏体基体相中析出，直接从马氏体基体相中析出VC，VC形核的有利位置是位错。形核的有利位置是位错。VC的形状呈的形状呈细片状，约细片状，约1nm厚，与基体保持共格。厚，与基体保持共格。VC不断不断析出，同时析出，同时Fe、C逐渐溶解。逐渐溶解。 直到直到700，VC已全部析出，已全部析出，Fe3C全部溶全部溶解。解。 1.2 钢的合金化原理 （2）Me对对A残残转变的影响转变的影响 Me大都使大都使A残残的分解温度向高温方向推移的分解温度向高温方向推移。其。其中尤以中尤以Cr、Mn、Si的作用最为显著。的作用最为显著。

51、在含有较多的在含有较多的W、Mo、V等合金元素的高合金钢中等合金元素的高合金钢中（如高速钢），由于（如高速钢），由于A残残在回火过程中析出碳化物，在回火过程中析出碳化物，造成造成A残残中的碳及合金元素贫化，使其中的碳及合金元素贫化，使其Ms点高于室温，点高于室温，因而在冷却过程中转变为因而在冷却过程中转变为M。 通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但没有降低，反而有所升高，这种现象称为低，反而有所升高，这种现象称为二次淬火二次淬火。 1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理 ( 3)Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响对碳化物的形成、聚集和长大的影响 Me对对-

52、碳化物的形成没有影响。随着回碳化物的形成没有影响。随着回火温度的升高，碳钢中火温度的升高，碳钢中-碳化物于碳化物于200转变转变为渗碳体，合金元素中为渗碳体，合金元素中Cr、Si和和Al推迟这一转推迟这一转变，使转变温度升高。变，使转变温度升高。 对于合金渗碳体的聚集长大，对于合金渗碳体的聚集长大，Ni没有影没有影响，而响，而Si和和V、W、Mo、Cr则对其聚集长大过则对其聚集长大过程起阻碍作用。程起阻碍作用。1.2 钢的合金化原理 在含在含W、Mo、V较多的钢中，回火后的硬度随较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调降低，而是在某一回火温度回火温度的升高不是单调降低，而是在某一回火温

53、度后，硬度反而增加，并在某一温度（一般为后，硬度反而增加，并在某一温度（一般为550左左右）达到峰值。这种在一定回火温度下硬度出现峰值右）达到峰值。这种在一定回火温度下硬度出现峰值的现象称为二次硬化。的现象称为二次硬化。 产生二次硬化的原因：产生二次硬化的原因： 一方面是由于高温回火时从一方面是由于高温回火时从M中析出的高度分散的合中析出的高度分散的合金碳化物粒子所造成的。这类碳化物粒子在高温下非金碳化物粒子所造成的。这类碳化物粒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高常稳定，很不容易聚集长大，从而使钢具有很好的高温强度；这是造成二次硬化的主要原因。温强度；这是造成二次硬化的

54、主要原因。 另一方面是二次淬火造成的。另一方面是二次淬火造成的。 1.2 钢的合金化原理 图图1-18 钒钢（钒钢（0.32C,1.36V）、）、 钼钢（钼钢（0.11C,2.14Mo）和）和 铬钢（铬钢（0.19C,2.91Cr）回火时的二次硬化）回火时的二次硬化 在高温下工在高温下工作的钢，特别是作的钢，特别是高速切削工具及高速切削工具及热变形模具用钢，热变形模具用钢，二次硬化现象对二次硬化现象对需要较高红硬性需要较高红硬性的工模具钢是极的工模具钢是极为重要的。为重要的。必须指必须指出的是，不同碳化出的是，不同碳化物所引起的二次硬物所引起的二次硬化效果也不同（图化效果也不同（图1-18）。

55、）。 （4）Me对铁素体回复再结晶的影响对铁素体回复再结晶的影响 大多数大多数Me均延缓均延缓相回复与再结晶过程，相回复与再结晶过程，其中其中 Co、Mo、W、Cr、V显著提高显著提高相的再相的再结晶温度；结晶温度； Si、Mn的影响次之；的影响次之； Ni的影响较小。的影响较小。 在碳钢中，在碳钢中，相高于相高于400开始回复，开始回复，500开始再结晶。当往钢中加入开始再结晶。当往钢中加入Co（wCo=2%）时，可将）时，可将相的再结晶温度升高相的再结晶温度升高到到630。 1.2 钢的合金化原理 提高提高相的再结晶温度的机理是这些合金相的再结晶温度的机理是这些合金元素增加固溶体中原子间的

56、结合力或这些合金元素增加固溶体中原子间的结合力或这些合金元素的碳化物钉扎位错。元素的碳化物钉扎位错。 几种合金元素的综合作用可以更显著地提几种合金元素的综合作用可以更显著地提高再结晶温度，大大减缓高温回火软化进程。高再结晶温度，大大减缓高温回火软化进程。 1.2 钢的合金化原理 （5）Me对对回火脆性回火脆性的影响的影响 淬火钢在一定温度范围内回火时，表现淬火钢在一定温度范围内回火时，表现出明显的脆化现象，这种现象就是回火脆性出明显的脆化现象，这种现象就是回火脆性。 第一类回火脆性第一类回火脆性（ 250400），这类），这类回火脆性是和低温回火时碳化物析出形态不回火脆性是和低温回火时碳化物析

57、出形态不良有关，是一种不可逆回火脆性，不可能用良有关，是一种不可逆回火脆性，不可能用热处理和合金化的方法消除，只能避开。热处理和合金化的方法消除，只能避开。 但但Mo、W、V、Al等元素可稍微减弱这等元素可稍微减弱这类回火脆性；而类回火脆性；而Mn、Cr则促进这类回火脆性则促进这类回火脆性的发展。加入的发展。加入Si、Cr等可使这类回火脆性的等可使这类回火脆性的温度向高温方向推移。温度向高温方向推移。1.2 钢的合金化原理 第二类回火脆性（第二类回火脆性（450600），主要与），主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，这类回火

58、脆性在各类合界上的严重偏聚有关，这类回火脆性在各类合金钢中均有发生，只是程度不同而已，这是一金钢中均有发生，只是程度不同而已，这是一种可逆回火脆性。种可逆回火脆性。 1.2 钢的合金化原理 据合金元素对第二类回火脆性的作用，据合金元素对第二类回火脆性的作用，可将合金元素分为：可将合金元素分为： 增加回火脆性敏感性的元素有：增加回火脆性敏感性的元素有：Mn、Cr、Ni（与其它元素一起加入时）、（与其它元素一起加入时）、P、V等；等； 无明显影响的元素有：无明显影响的元素有：Ti、Zr、Si、Ni（单一元素作用时）；（单一元素作用时）； 降低回火脆性敏感性的元素有：降低回火脆性敏感性的元素有：Mo

59、、W。 1.2 钢的合金化原理防止合金钢中第二类回火脆性的方法：防止合金钢中第二类回火脆性的方法： 回火后快冷，一般小件用油冷，较大回火后快冷，一般小件用油冷，较大件用水冷。但工件尺寸过大时，即使水冷也难件用水冷。但工件尺寸过大时，即使水冷也难防止脆性产生；防止脆性产生； 加入合金元素加入合金元素Mo、W以抑制第二类回以抑制第二类回火脆性；火脆性； 提高冶金质量，尽可能降低钢中有害提高冶金质量，尽可能降低钢中有害元素的含量。元素的含量。 1.2 钢的合金化原理 1为什么说得到马氏体随后回火处理是钢中为什么说得到马氏体随后回火处理是钢中最经济而又最有效的强韧化方法最经济而又最有效的强韧化方法?2

60、简述合金元素对钢过冷奥氏体等温分解简述合金元素对钢过冷奥氏体等温分解C曲线的影响规律？曲线的影响规律？ 3合金元素提高钢的回火稳定性的原因何在合金元素提高钢的回火稳定性的原因何在?4叙述低合金钢的第二类回火脆性。叙述低合金钢的第二类回火脆性。 作作 业业 五、合金元素对钢的性能的影响 加入加入Me的主要目的：的主要目的：使钢具有更优异的使钢具有更优异的力学性能力学性能使用性能使用性能耐腐蚀性、耐热性耐腐蚀性、耐热性强强度度塑塑性性韧韧性性耐耐腐腐蚀蚀性性热热强强性性抗抗氧氧化化性性耐热性耐热性 工艺性能工艺性能铸铸造造性性能能锻锻压压性性能能焊焊接接性性能能热热处处理理性性能能切切削削性性能能