第一章钢铁中的合金元素

金属材料学

第一章钢铁中的合金元素第一章目录第一节铁基固溶体第二节合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用第三节钢铁中的碳化物和氮化物第四节钢中的金属间化合物第五节合金元素对铁碳相图的影响第六节合金元素对钢在加热时转变的影响第七节合金元素对过冷奥氏体分解的影响第八节合金元素对淬火钢回火转变的影响概述碳钢在性能方面的不足：合金化1、淬透性低。水淬的最大淬透直径只有15mm～20mm。2、强度和屈强比较低3、回火稳定性差4、不能满足特殊性能要求在碳钢中加入合金元素所获得的钢，称之为合金钢。它具有更优良的或特殊的性能。1、在使用性能方面，有高的强度与韧性的配合，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。2、在工艺性能方面，有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。钢中常用合金元素有：B（硼）、C（碳）、N（氮）、Al（铝）、Si（硅）、P（磷）、S（硫）、Ti（钛）、V（钒）、Cr（铬）、Mn（锰）、

Co（钴）、Ni（镍）、Cu（铜）、

Y（钇）、Zr（锆）、Nb（铌）、

Mo（钼）、La族（稀土）、Ta（钽）、W（钨）等。第一节铁基固溶体铁在加热和冷却过程中产生如下的多型性转变：

α-Fe→（910℃A3）γ-Fe→（1390℃A4）δ-Fe

合金元素对铁多型性转变的影响分为两大类：

奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大溶解度并能稳定γ-Fe的元素（Mn、Ni、Co、C，N，Cu等）；铁素体形成元素：在α-Fe中有较大溶解度并使γ-Fe不稳定的元素（Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等）。1、扩大γ区的元素（奥氏体形成元素）

它们能扩大γ相存在的温度范围，使A3下降，A4上升。可分为两种情况：（1）完全扩大γ区（开启相区）：如Mn，Ni，Co等，它们可与γ-Fe无限固溶，使α和δ相区缩小；（2）部分扩大γ区：如C，N，Cu等，它们只能与γ-Fe有限固溶。2、扩大α区的元素（铁素体形成元素）

它们能缩小γ相而扩大α相存在的温度范围，使A3上升、A4下降。可分为两种情况：（1）完全封闭γ区元素：如Cr，Mo，W，V，Ti，Al，Si等，γ相区被α相区封闭，在相图上形成γ圈；（2）部分缩小γ区元素：如B，Nb，Zr等，主要是出现了金属间化合物，破坏了γ圈。第二节合金元素与钢中

晶体缺陷的相互作用溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高，因此比基体原子大或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界和位错等缺陷区，以降低能量。1、溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚（内吸附）；2、溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气团。晶界偏聚及其偏聚浓度溶质元素在合金中含量虽少，但因与晶体缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨大的影响，如晶界强化、晶界脆性、晶间腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核等。可以用下式估算晶界区的溶质偏聚浓度cg：（c0为溶质在基体晶内的浓度，E值为畸变能）溶质原子与位错的交互作用(a)比基体原子大的溶质原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵；(b)比基体原子小的溶质原子趋向于缺陷区受压缩的点阵；(c)间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置。溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点阵畸变松弛，从而降低体系内能，所以这种偏聚过程是自发进行的。晶界偏聚是一个扩散过程，只有在溶质原子能扩散的温度范围才能发生，并需要一定时间才能达到该温度下溶质的晶界平衡偏聚能度。溶质元素之间发生强相互作用，叫做共偏聚。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共偏聚而促进回火脆性。第三节钢中的碳化物和氮化物1、碳化物的类型当rc／rM＜0.59时．形成简单密排结构的间隙化合物；当rc／rM＞0.59时，形成复杂结构的间隙化合物。简单点阵碳化物结构示意图复杂点阵碳化物结构示意图简单点阵的碳化物，也叫间隙相，主要有MC和M2C类型。复杂点阵的碳化物主要有M23C6、M7C3和M3C类型。钢中由于Fe－Me－C三种元素存在，还会形成三元碳化物，包括MC、M2C、M23C6、M7C3、

M3C和M6C六种类型。2、碳化物及其稳定性碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小，主要取决于其d层电子数。d层电子愈少，则金属元素与碳的结合强度愈大，在钢中的稳定性也愈大。也可以用生成热△H值来比较，生成热绝对值愈高，其稳定性也愈高。生成热△H绝对值由大到小顺序为：Ti、Zr、V、Nb、Ta、W、Mo、Cr、Mn、Fe因此，过渡族金属元素可依其与碳的结合强度的大小分类：1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素；2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元素；3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定，其溶解温度也较高，而溶解速度较慢，析出后聚集长大速度也较低。MC型碳化物：由强碳化物形成元素Ti、V、Nb、Zr形成，在900℃以上才开始溶解于γ-Fe中，1100℃以上才大量溶解，在500～700℃范围析出时，具有较低的聚集长大速度，因而可以成为钢中的强化相。M2C型碳化物：主要是中强碳化物形成元素W和Mo形成的，在钢中的稳定性较差，但仍可做500~650℃范围的强化相。M23C6型碳化物：Cr23C6的稳定性更差，只有在少数耐热钢中，经过综合合金化后，才有较高的稳定性，例如（Cr，Fe，V，Mo，W）23C6可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化相。M7C3及M3C型碳化物：很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度，因此不能作为高温强化相。3、氮化物及其稳定性根据过渡族金属与氮的结合强度分类：强氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V；中强氮化物形成元素：W、Mo；弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe。当钢中存在多种过渡族金属元素时，存在着复合碳化物和复合氮化物，例如（Cr，Fe）23C6。氮化物和碳化物之间也可互相溶解，形成碳氮化物。例如氮可置换部分碳原子，在含钒、钛、铌微合金钢中形成Ti（C，N）、V（C，N）和Nb（C，N）。此外，冶炼中钢液用铝脱氧，因而存在铝的氮化物AlN。AlN在钢中有很高的稳定性，只有在1100℃以上才大量溶于γ-Fe，在较低温度下又重新析出。在生产中可以利用氮化物的弥散强化作用来提高钢的疲劳强度，利用氮化物的高硬度来进一步提高表面硬度和耐磨性。第四节钢中的金属间化合物

金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的晶体结构和金属基本特性的化合物。一、σ相在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中，都会出现σ相。其化学式为AB或

AxBy，如FeCr、FeMo、FeV等。σ相对合金性能有害，在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆性，在耐热钢和高温合金中引起脆性。

在二元系中，形成σ相的条件是：1）原子尺寸差别不大。2）钢和合金的“平均族数”（或s＋d层电子浓度）在5.7~7.6范围。为避免在合金中出现σ相，可用元素的电子缺位数NV来进行合金设计。NV=0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66(Cr+Mo+W)+5.66(V+Nb+Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al当NV值＜2.52时，不出现σ相。二、AB2相（拉维斯相）含钨、钼、铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中，均存在AB2相。它是现代耐热钢和合金以及镁合金中的一种强化相。AB2相是尺寸因素起主导作用的化合物，但它具有哪一种点阵，则受电子浓度的影响。周期表中任何两族金属元素，只要符合原子尺寸bA/bB=1.2/l时，都能形成AB2相。三、AB3相（有序相，如γ′-Ni3Al）钢和合金中存在着多种有序结构的相，它们各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶体到化合物之间的过渡状态。

γ′-Ni3Al为L12型结构，属面心立方结构，在复杂成分耐热钢和耐热合金中，γ′—Ni3Al是重要的强化相。第五节合金元素对铁碳相图的影响

一、合金元素对钢临界点的影响合金元素对碳钢的重要影响是改变临界点的温度和含碳量，使合金钢和铸铁的热处理制度不同于碳钢。1、扩大γ相区的奥氏体形成元素使Fe－C相图中A3和A1温度下降（如Mn）,但钴例外。2、缩小γ相区的铁素体形成元素使A3和A1温度升高（如Mo）。3、几乎所有的合金元素都使共析点和共晶点碳质量分数降低，即S点和E点左移，使合金钢的平衡组织发生变化。第六节合金元素对钢在加热时转变的影响

1、对奥氏体形成速度的影响（1）Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大，形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著阻碍碳的扩散，大大减慢奥氏体形成速度。（2）Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。（3）Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。2、对奥氏体晶粒大小的影响

（1）强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr等。Al在钢中易形成高熔点的AlN、Al2O3细质点，也强烈阻止晶粒长大。（2）中等阻碍晶粒长大的元素：W、Mo、Cr。（3）对晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu。（4）促进晶粒长大的元素：Mn、P、B有此倾向。第七节合金元素对过冷奥氏体分解的影响

一、合金元素对C曲线的影响1、钛、铌、钒、钨、钼（Ti、Nb、V、W、Mo）等元素强烈推迟珠光体转变，对贝氏体转变推迟较少，同时升高珠光体最大转变速度的温度，降低贝氏体最大转变速度的温度。使C曲线分离开来，出现两个C曲线。2、铬和锰（Cr、Mn）都有强烈推迟珠光体和贝氏体转变的作用，而推迟贝氏体的作用更加显著。

3、非碳化物形成元素硅、铝（Si、Al）都增加过冷奥氏体的稳定性，但推迟贝氏体转变的作用更强烈，并且将珠光体转变区和贝氏体转变区分开。4、非碳化物形成元素镍Ni有强烈推迟珠光体转变的作用。当镍含量高时，珠光体转变完全被抑制，仅在500℃以下发生贝氏体转变。5、非碳化物形成元素钴Co和其他合金元素不同，它在各个温度都是降低奥氏体的稳定性，但它不改变奥氏体恒温转变C曲线的形状。6、钢中加入微量元素也有效地增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。如钢中加入0.0005～0.003％硼（B），硼是内吸附元素，主要存在于奥氏体晶界，它使过冷奥氏体转变的C曲线的位置向右移，但对曲线的形状影响不大。合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。二、合金元素对珠光体转变的影响

1、强碳化物钛、铌、钒主要是通过推迟珠光体转变时碳化物的形核和长大来增加过冷奥氏体的稳定性；2、中强碳化物形成元素钨、钼、铬除了推迟珠光体转变时碳化物形核和长大外，还通过增加固溶体原子间结合力，降低铁的自扩散激活能，从而减慢γ→α转变；3、弱碳化物锰推迟珠光体转变时，富锰的合金渗碳体（Fe，Mn）3C的形核和长大，同时锰又是扩大γ相区的元素，起稳定奥氏体并强烈推迟γ→α转变的作用；4、非碳化物形成元素镍、钴、硅和铝对珠光体转变中碳化物形核和长大的影响小，主要表现在推迟γ→α转变。三、合金元素对贝氏体转变的影响

1、碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点，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，形成两个转变的C曲线。2、合金元素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。碳、硅、锰、镍、铬的作用较强，钨、钼、钒、钛的作用较小。3、钴由于升高A3点，降低α相的化学自由能，使转变的驱动力增加，促进贝氏体转变。四、合金元素对马氏体转变的影响

1、绝大多数合金元素都降低MS点，只有钴和铝相反。2、随钢中合金元素增加，MS和Mf点继续下降（过冷奥氏体稳定性增加）室温下将保留更多的残留奥氏体量。3、当MS点温度高于200℃

时，形成位错结构的马氏体；在MS点低于200℃时，马氏体相变以孪生形成孪晶结构的马氏体。第八节合金元素对淬火钢

回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有以下三点：1、提高回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。2、产生二次硬化（包括两种情况）3、增大回火脆性（第二类回火脆性）回火稳定性回火稳定性就是钢对于回火时所发生的软化过程的抗力。许多合金元素可以使回火过程中各阶段的转变速度大大减慢，并推向更高的温度发生。主要表现为⑴马氏体和残余奥氏体分解速度减慢，并向高温推移；⑵提高铁素体的再结晶温度；⑶使碳化物难以聚集长大，仍保持比较分散而细小的状态。二次硬化（1）回火升温过程的二次硬化：一些Mo、W、