金属材料学-钢铁篇

金属材料学

一、金属材料的历史地位二、金属材料的分类三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史五、金属材料的发展热点六、关于本课程绪论主要内容:一、金属材料的历史地位1.材料是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。石器时代→青铜器时代→铁器时代2.目前，人类还处在金属器时期。二、金属材料的分类黑色金属有色金属金属材料铸铁

钢

工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银,铜)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)结构金属材料功能金属材料三、金属结构材料的应用情况1.总产量：钢铁材料占世界金属总产量的95％，用量最大，且价格低廉。2.世界金属矿产储量：铁占5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。3.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。4.非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备的特殊性能，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。

公元前4300年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺公元前2800年：铁的熔炼四、金属材料发展的历史公元前3800年：人工冶炼的铜器；公元前3000年：我国出现锡青铜——甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含6％~10％Sn）。公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）东汉时：反复锻打钢→最原始形变热处理工艺。淬火技术:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”

→现代的水淬、油淬。我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。

现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪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。20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，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实现。非铁金属冶金方面:19世纪80年代发电机的发明，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；用熔盐电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属；同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。上图：吴王夫差矛和越王勾践剑右上：青铜鼎右下：商代青铜纵目人面像

上图沧州铁狮子铸于953年，重40余吨。右图当阳铁塔铸于1061年，八棱13层，塔体分段铸造

擂鼓礅二号墓编钟复制件

1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。

水陆两用汽车轻型吊轨磁悬浮列车

MX-400空中汽车

美国莫勒潜心研究.被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用2年多来，它最高飞行时速超过了600多公里，比直升机快2倍，可载4人，飞行最大高度9000米，航程1500公里。

材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变

自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后，各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。

世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的.

在“9.11”事件中，该双子大楼遭到袭击，毁于一旦。但它作为一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将永远载入史册。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。4．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。本课程的目的、性质、内容及学习要求1.本课程的目的：讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生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响的基本规律；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。

主要内容是金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。2.本课程的性质：3.本课程的内容金属材料的合金化基础理论，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响。常用钢铁材料、有色金属及合金材料和新金属结构材料（包括工程构件用钢、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）。4.学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，具有合理选用材料，正确确定热处理技术条件的知识。能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。5.

参考书目录

戴起勋编著。《金属材料学》，化学工业出版社，2005。王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，1987。王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，1999。Chapter1金属材料的合金化原理1.1碳钢概论1.2钢的合金化原理1.3合金钢的分类、牌号主要内容碳钢中的常存杂质碳钢的分类碳钢的用途Me在钢中的存在形式Me与铁和碳的相互作用Me对Fe-Fe3C相图的影响Me对钢的热处理的影响Me对钢性能的影响重点及基本要求:1.了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类与应用;2.第二节是本章重点。要求全面掌握Me对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握Me的加入对钢的基本强化机制的影响。难点是Me对钢中基本合金相结构的影响;3.掌握合金钢的分类、牌号.1.1碳钢概论一、碳钢中的常存杂质-Mn和Si（1）Mn和Si是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。(1)Mn<0.8%。主要固溶于铁中。产生固溶强化作用，↑钢的强度和硬度。(2)适量的Mn和S可形成高熔点(1600℃)MnS夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中MnS呈条状沿轧向分布。(4)夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑性、韧性↓。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。(3)Si<0.5%。碳钢中的Si一般均可溶入铁中。产生固溶强化作用，↑钢的强度和硬度;也可形成SiO2夹杂物。(2)S和Fe能形成FeS，并易于与γ-Fe形成低熔点(989℃)共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂(热脆)。(1)S是炼钢时不能除尽的有害杂质,在固态铁中的溶解度极小。一、碳钢中的常存杂质-S和P（2）(3)若钢液脱氧不良，含有较多的FeO，还会形成熔点更低（940℃）的（Fe+FeO+FeS）三相共晶体，危害更大。(4)铸钢件含S量高时会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。(5)S容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。(6)P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。P可固溶于α-Fe。但↓↓钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，P-Fe合金的结晶范围很宽，因此P具有严重的偏析倾向。P可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。(7)S和P还可以改善钢的切削加工性能。应变时效——含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物，使低碳钢的强硬度↑，塑韧性↓的现象。一、碳钢中的常存杂质—N、H、O（3）N是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。含过饱和N的钢在室温长时间放置或稍微加热时,N逐渐以氮化铁的形式从F中弥散析出.使低碳钢的强度、硬度↑，塑韧性↓（时效硬化）（有害）。N还会使低碳钢产生应变时效(不利)；N可以与V、Ti、Nb等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化，N也可↑钢的耐热性能。(有利)。N是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指钢在加热到150~300℃时产生的硬度↑，塑韧性↓的现象，因为钢在空气中加热到150~300℃时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。（有害），但截断钢材时可加以利用。H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。在钢中产生裂纹，↓钢的塑韧性；容易在焊缝处产生裂纹。O在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3等非金属夹杂物，对钢的质量有重要影响。H是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入钢中的。二、碳钢的分类1．按钢中碳含量分为:低碳钢，WC≤0.25%;中碳钢，0.25%＜WC≤0.6%;高碳钢，WC＞0.6%。2．按钢的质量（品质）分为:普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%。优质碳素钢：wS≤0.035%，wP≤0.035%。高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03%。特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。3．按钢的用途分类:碳素结构钢：优质碳素结构钢：碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。4．按钢冶炼时的脱氧程度分类:沸腾钢：脱氧不彻底的钢，代号为F。镇静钢：脱氧彻底的钢，代号为Z。半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。特殊镇静钢：进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。三、碳钢的用途（2）供货状态：热轧后空冷。一般不需再进行热处理而直接使用。1-普通碳素结构钢（1）C%在0.06~0.38%范围内，主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、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70%以上）。标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q；屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。等级符号：指这类钢所独用的质量等级符号，也按S、P杂质多少来分，以A、B、C、D四个符号代表四个等级，其中：A级wS≤0.05%,wP≤0.045%，B级wS≤0.045%,wP≤0.045%，C级wS≤0.04%,wP≤0.04%，D级wS≤0.035%,wP≤0.035%。其中质量等级最高的是D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。Q195、Q275不分质量等级，Q215、Q235、Q255，当质量等级为“A”、“B”时，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。脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。

（4）典型牌号、性能与用途Q195、Q215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、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，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。Q235C、Q235D：质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255、Q275钢：牌号中的A级钢，一般用于不经锻压加工和热处理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。B级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。（1）这类钢中硫、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。用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。（2）供货状态：热轧后空冷，退火、正火等状态，一般随用户需要而定。（3）牌号：一般用两位数字表示。表示钢中平均碳的质量分数的万倍,如45钢。2-优质碳素结构钢专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”等。优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量(Mn%=0.25~0.8%)和较高含锰量(Mn%=0.7~1.2%)两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn”，如15Mn、45Mn等。注意：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。10~25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表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。（4）优质碳素结构钢共有31个钢号。08F钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。45等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、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的σe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、钢丝绳等。3-碳素工具钢（1）平均含C量在0.65~1.35%范围;主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其wS≤0.03%，wP≤0.035%）和高级优质碳素工具钢（wS≤0.02%，wP≤0.03%）两类。（2）牌号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）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级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如T8A，T12A等。T7、T8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、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为48~54HRC（工作部分）；（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。（4）典型的碳素工具钢T9、T10、T11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、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为60~62HRC，T10A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；T12、T13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、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为62~65HRC。T12A也可用于制造量具。T7~T12、T7A~T12A还可用于形状简单的塑料模具。（1）主要用于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。其碳含量一般小于0.65%。（2）牌号用标志性符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。4-一般工程用铸造碳素钢（3）典型的碳素铸钢ZG200-400：有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱壳等；ZG230-450：有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体、犁柱等ZG270-500：有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等（4）其他类型的铸钢件还有：焊接结构用碳素铸钢件（GB/T7659-1987），如ZG230-450H；低合金铸钢件（GB/T14408-1993），如ZGD535-720；耐热铸钢件（GB/T8492-1987），如ZG40Cr30Ni20；不锈耐酸钢铸件（GB2100-1980），如ZG1Cr18Ni9Ti；中、高强度不锈钢铸件（GB6967-1986），如ZG10Cr13Ni1Mo等。

1.2钢的合金化原理合金元素：为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素。钢中常用Me：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。决定组元在置换固溶体中的溶解度因素是点阵结构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似.（1）置换固溶体(Hume-Rothery规律)1．形成铁基固溶体一、合金元素的存在形式

表1-1常用Me点阵结构、电子结构和原子半径第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值

（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%，可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度极小。（2）间隙固溶体1、间隙固溶体的形成条件：间隙固溶体总是有限固溶体，并且间隙原子仅占据溶剂金属的部分间隙位置，即总有部分间隙没有被填满。2、间隙固溶体的溶解度取决于溶剂金属点阵结构和间隙原子的原子尺寸。（1）同一溶剂金属的不同点阵结构，溶解度是不同的——

如γ-Fe与α-Fe。（2）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。3、间隙原子总是优先占据有利的间隙位置，畸变为最小。对α-Fe，是八面体间隙；对γ-Fe，是八面体或四面体间隙。2、形成碳化物与氮化物（1）钢中常见的碳化物K的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。非K形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu等，与碳不能形成K，但可固溶于Fe中形成固溶体，或者形成其它化合物，如氮化物等。非K形成元素均处于周期表Fe的右侧。K形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它们都是过渡族元素；K形成元素均位于Fe的左侧。M6C：(W，Mo，Fe)6C，不是一种金属K。复杂立方点阵。常在含W、Mo的合金钢中出现。

钢中常见K的类型有：M3C：渗碳体，正交点阵；M7C3：例Cr7C3，复杂六方；可形成复合K,

如(Cr,Fe,Mo，…)7C3M23C6：例Cr23C6，复杂立方；多为复合KM2C：例Mo2C、W2C。密排六方；MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；复杂点阵结构：M23C6

、M7C3

、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M6C型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。

在钢中，铁的K与合金K相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干Me的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等。（2）碳化物形成的一般规律各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe

0.610.600.61

0.570.560.550.530.53

1、碳化物类型的形成碳化物类型与Me的原子半径有关。rc/rMe>0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe<0.59—简单结构相，如Mo、W、V、Ti等，形成VC等MC型，W2C等M2C型。Me量少时，形成复合碳化物，如(Cr,M)23C6型。2、相似者相溶完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电子因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C。M23C6可溶解25%的Fe，还可溶解Mo、W、V等。溶入强者,使K稳定性↑;溶入弱者,使K稳定性↓有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K，但都有一定的溶解度。如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo；W2C中Cr可置换75%的W原子；3、强者先，依次成K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C↑，依次形成M6C，Cr23C6

，Cr7C3,Fe3C。如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固溶体。如：在含Cr、V的低碳钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。（4）、NM/NC比值决定了K类型形成什么K主要决定于当时的NM/NC比值。退火态:在Cr钢中，随NM/NC↑，先后形成顺序为：M3C→M7C3→M23C6

。回火态:基体中的NM/NC↑，则析出的K中NM/NC也↑。如W钢回火时，析出顺序为：

Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC

是不断↑。注:NM/NC为固容体中Me和C的原子数.（5）、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也难MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时，在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。（3）氮化物及其形成规律基本性能特点：高硬度、脆性、高熔点。氮化物一般形成间隙相。强氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中强氮化物形成元素：Mo、W；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe氮原子比碳原子小，氮原子半径rN和金属原子半径rM之比rN/rM均小于0.59，所以氮化物都呈简单密排结构。例如：(1)

NaCl型简单立方点阵：TiN，VN，CrN，Fe4N（γ'）等(2)

简单密排立方点阵：WN，MoN，Cr2N，Fe2-3N（ε）等氮化物的稳定性和氮化物之间的溶解与碳化物相类似。3、金属间化合物金属间化合物有：σ相、AB2相（拉氏相）、

AB3相（有序相）等。σ相：在高Cr不锈钢、铬镍及铬锰奥氏体不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，会出现σ相。AB2相：如Fe2Mo、Fe2W、Fe2Nb等，是尺寸因素起主导作用的化合物，两组元原子直径之比为dA:dB=1.2:1.在含W、Mo、Nb和Ti等Me的耐热钢中存在。AB3相：Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al、Ni3Fe，是一种有序固溶体相，是介于无序固溶体与化合物之间的过渡状态。二、合金元素与Fe和C的相互作用1．合金元素与Fe的相互作用（1）γ相稳定化元素——使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。α-Feδ-Feγ-Fe铁的同素异构转变：图1-1扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)①开启γ相区(无限扩大γ相区)Me与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。它们均使A3降低，A4升高。如：Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使bcc的α相从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低），故而由γ相区淬火到室温较易获得亚稳的A组织，它们是不锈钢中常用作获得A的元素。图1-2扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)②扩展γ相区(有限扩大γ相区)Me也使A3降低，A4升高；γ相区也随Me的加入而扩大，但Me与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，最终不能使γ相区完全开启。这类Me主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0~2.11%范围内，均可以获得均匀化的固溶体（A），这构成了钢的整个热处理的基础。（2）α相稳定化元素

Me使A4↓，A3↑，在较宽的成分范围内，促使F形成，即↓了γ相区。图1-3封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及

Fe-Cr相图(b)①封闭γ相区(无限扩大α相区)Me使A3↑，A4↓，达到某一含量时，A3与A4重合，γ相区被封闭，或者说Me↑了F的形成，使δ相与α相区连成一片。当Me超过一定含量时，合金不再有α-γ相变，与α-Fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。这类Me有：Si、Al和强K形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。含Cr量<7%时，A3↓；含Cr量>7%时，A3才↑。Cr、V与α-Fe完全互溶，W、Mo、Ti等部分溶解.Me使A3↑，A4↓，使γ相区↓但不能使其完全封闭。这类Me有：B、Nb、Zr等。图1-4缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)可将Me分为A形成元素和F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Me的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如发展A钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等A形成元素；欲发展F钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等F形成元素。同时向钢中加入两类Me时，其作用往往相互有所抵消。例外：Cr是F形成元素，在Cr18%与Ni同时加入时却促进了A的形成。Me扩大或缩小γ相区的作用与该元素在周期表中的位置有关，与它们的点阵结构、电子因素和原子大小有关。有利于扩大γ相区的Me，其本身具有fcc点阵或在其多型性转变中有一种fcc点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。2．合金元素与碳的相互作用（1）形成K非K形成元素，相反将“推开”C原子，￪其活动性，即￪ac，同时将出现C从固溶体中析出的倾向。（2）Me对固溶体中C活度（ac）及扩散系数的影响Me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Me，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。K形成元素￪固溶体中C与Me之间的结合力，￬ac。在研究K、氮化物和碳、氮化合物在A中的溶解和冷却时它们从固溶体中的析出，以及热处理过程中元素在各相间的再分配这些问题时，Me对碳在A中的活度具有很重大的意义。

图1-5Me的摩尔原子浓度对1000℃时碳在A中的相对活度系数的影响

主要表现在C在A和F中扩散，Me本身在A和F中的扩散、Me对C在A和F中扩散以及Me对Fe的自扩散的影响等。K形成元素如Cr、Mo和W等￬ac，即￪了C在A中的结合力，因而使扩散激活能￪，扩散系数￬。非K形成元素如Ni、Co等￪ac，即￬了C在A中的结合力，因而使扩散激活能￬，扩散系数￪。(3)Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响例外：Si能￪扩散激活能，￬扩散系数，由于Si虽￪ac，但同时￬了Fe原子的活动性，即￪了Fe在固溶体中的结合能，因而得到与Ni、Co相反的结果。Me与碳的相互作用具有重大的实际意义:它关系到所形成的K的种类、性质和在钢中的分布。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，如A化温度和时间，A晶粒的长大等。由于Me与C有着不同的亲和力，对相变过程中C的扩散速度亦有较大影响；强K形成元素￬C的扩散，￬C原子的扩散速度；弱K形成元素Mn以及大多数非K形成元素则无此作用，甚至某些元素如Co还有￪C原子扩散的作用。因而Me与C的作用对钢的相变有重要影响。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1、Fe-Fe3C相图(1)铁碳合金中的基本相——C原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，fcc。C在γ-Fe中的溶解度较大，最大可达2.11%(1148℃)。随着温度↓，C在γ-Fe中的固溶度↓，在727℃时是0.77%。硬度较低，约为HB170-220，塑性好。奥氏体（γ或A）——铁和碳的化合物，其碳含量为6.67%。复杂八面体结构。——碳在α-Fe中的固溶体，bcc。碳在α-Fe中溶解度极小，最多只有0.028%(727℃)，在室温时固溶度几乎降为零。其性能和纯铁基本相同，强度极限只有250MPa，硬度只有80HBS，但塑性(延伸率δ=50%)和冲击韧性好。铁素体（α或F）渗碳体（Fe3C）渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30MPa左右。可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。——F和Fe3C的机械混合物，其含碳量为0.77%，性能介于F和Fe3C之间，缓冷时硬度约为180～200HBS。珠光体（P）——含碳量为4.3%的液态合金冷却到1148℃时，同时结晶出A和Fe3C的共晶体，该共晶体称为高温莱氏体，用“Ld”表示。而在727℃以下由P和Fe3C所组成的莱氏体称为低温莱氏体，用“Ld′”表示。莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。莱氏体N（0，1394）d-Feg－FeG（0，912）g－Fea-Fe(2)Fe-Fe3C相图分析1、相图中的点（14个）（1）组元的熔点：A(0,1538)：铁的熔点D(6.69,1227)：Fe3C的熔点（2）同素异构转变点：（3）C在铁中最大溶解度点P(0.218，727)：C在a-Fe中的最大溶解度Q(0.0008，RT)：室温下C在a-Fe中的溶解度E(2.11，1148)：C在

g-Fe中的最大溶解度H(0.09，1495)：C在

d-Fe中的最大溶解度J(包晶点)：(d＋g＋L)三相共存点S(共析点)：(g＋a＋Fe3C)C(共晶点)：(g＋L＋Fe3C)F(6.69,1148)：渗碳体K(6.69,727)：渗碳体（5）其它点B(0.53，1495)：发生包晶反应时液相的成分固相线(ＡＨＪＥＣＦ)：结晶时固相的成分，其下为固相。HJB——包晶转变ECF——共晶转变PSK(A1线)——共析转变2、相图中的线液相线(ＡＢＣＤ):结晶时液相的成分，在其上体系为液相表示恒温转变的线：PQ——C在F中的最大溶解度随温度的变化线固溶度线：ES(Acm线)——C在A中的最大溶解度随温度的变化线；同素异构转变线：GS(A3线)——表示含C<0.77%的钢加热时，F转变为A的终了温度。L+d,L+Fe3C，L+g,

+g,g+ag+Fe3C,a+Fe3C

3、相图中的相区单相区（4个＋1个）L、a、g、d（＋Fe3C）两相区（7个）4、Fe-Fe3C相图中的转变由液相直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变。（1）匀晶转变：Lg

:由液相中直接结晶出g相。含碳量：0.53~4.3%LFe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相。含碳量：4.3~6.69%Ld:由液相中直接结晶出d相。含碳量：0～0.53%）（2）同素异构转变d(b.c.c)g(f.c.c)NH（开始线）NJ（结束线）g(f.c.c)a(b.c.c)GS（开始线）GP（结束线）从一个固相中析出另一个固相的转变。温度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含C量就超过溶解度，多余的C就以Fe3C析出。（3）析出转变：gFe3CII析出aFe3CIII析出1）包晶转变→HJB线

（4）恒温转变dH0.09LB0.53gJ0.17+1495ºC含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相的反应2）共晶转变gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148ºC含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。3）共析转变aP0.0218gs0.77Fe3C6.69+727ºC含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。产物：P。(3)典型铁碳合金结晶过程分析方法和步骤在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。共析钢室温平衡组织为P。