合金钢中的相组成

合金钢中的相组成第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第一节铁基固溶体第二节钢中的碳化物第三节钢中的氮化物第四节钢中的金属间化合物第五节非金属相主要内容第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第一节铁基固溶体一、置换固溶体的形成规律决定组元在置换固溶体中的溶解条件是：(1)溶剂与溶质的点阵相同；(2)原子尺寸因素(形成无限固溶体时，两者之差不大于±8%)；(3)组元的电子结构(组元在周期表中的相对位置)。Mn、Co、Ni与γ-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体，V、Cr与α-Fe符合上述条件，可形成无限置换固溶体。注意：对于形成无限固溶体来说，组元的点阵相同是必须的，但不是充分的，例如：Mo（2.01Å）、W（2.02Å）虽然与α-Fe（1.72Å）点阵相同，但原子尺寸相差较大，只能形成有限置换固溶体。第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五对于铁基固溶体来说，原子尺寸的最大偏差，可以引用下列资料：

α-Feγ-FeγMe/γFe无限固溶体0.111-0.131nm0.117-0.137nm0.92-1.08有限固溶体0.105-0.143nm0.108-0.146nm0.85-1.15例如：γNi/γFe=1.62/1.72=0.94，所以Ni在γ－Fe中能形成无限固溶体；γMo/αFe=2.01/1.72=1.17，所以Mo在α-Fe中只能形成有限固溶体。电子结构因素对于形成无限固溶体来说同样也是必要条件，所以与铁在同一周期并且排列在最接近V－Ⅷ族的元素能在铁中具有最大的溶解度。

第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五二、间隙固溶体形成规律

铁的间隙固溶体是Fe与较小原子尺寸的间隙元素所组成的。间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于：(1)溶剂金属的晶体结构；(2)间隙元素的原子尺寸。体心立方结构的间隙如下图所示：第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五面心立方结构的间隙（a）四面体间隙；（b）八面体间隙密排六方结构的间隙（a）四面体间隙；（b）八面体间隙

第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期五其中间隙类型，数量及值（rB为间隙半径，rA为原子半径）如下表所示：表－三种典型晶体结构中的间隙晶体结构间隙类型单胞中间隙数比原子数体心立方四面体间隙0.2916八面体间隙0.1543面心立方（密排六方）四面体间隙0.2252八面体间隙0.4141第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期五从图中还可以看出：密排六方的间隙类型与面心立方相同，同类间隙的形状完全相同，仅位置不同，在原子半径相同的条件下这两种结构同类间隙的大小完全相同。一般间隙原子的原子半径如表所示：间隙元素BCNOH原子半径(nm)0.0910.0770.0750.0650.046C、N在α-Fe中并不占据比较大的四面体间隙，而是位于八面体间隙中。（Why？）间隙原子的溶解度随其原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O和H的顺序增加。第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期五由于面心立方结构的间隙大于体心立方结构的间隙，所以，间隙原子在γ-Fe中的最大溶解度要高于其在α-Fe中的最大溶解度。例如：C原子在γ-Fe中的最大溶解度(2.11wt%C)显著地高于α-Fe中的最大溶解度(0.0218wt%C)。第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第二节

钢中的碳化物一、一般特点：碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔点。这表明它具有共价键特点；

碳化物具有正的电阻温度系数，具有导电特性。这表明它具有金属键特点；

碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。

第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期五二、碳化物的结构

过渡族金属的碳化物中，金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子在点阵的间隙位置。

如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时，碳化物就可以形成简单密排结构。

若这种间隙还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构稍有变形的复杂密排结构。

因此碳原子半径(γC)和过渡族金属的原子半径(γM)的比值(γC/γM)决定了可以形成简单密排还是复杂结构的碳化物。第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五金属元素的γC/γM值如下：

金属FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、当非金属（C）与金属（M）的原子半径比rC/rM<0.59时，形成简单点阵的碳化物。它们大多数具有面心立方和密排六方结构，也有少数具有体心立方或简单六方结构。(1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物：如VC、NbC、TiC、ZrC等。注意：这种MeC相不具备严格的化学计算成分和化学式，一般形式将是MeCx，其中0.5≤x≤1。VC的晶体结构如图2－4所示：

第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五图2－4VC晶体结构(2)形成六方点阵的碳化物如Mo2C、W2C、MoC、WC。第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五2、当γC/γM>0.59,形成复杂点阵的碳化物一般合金钢中常出现的复杂点阵的碳化物为Cr，Mn，Mo，Fe的碳化物或它们的合金碳化物，主要类型有M3C，M7C3，M23C6等。间隙化合物的晶体结构十分复杂，现以结构稍简单的渗碳体（Fe3C）为例说明之，其晶体结构如图所示：属正交晶系，晶胞中共有16个原子，其中铁原子12个，碳原子4个，符合Fe：C＝3：1关系。

第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五小结：

●Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物具有简单的点阵结构；

●

Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物具有复杂的点阵结构。第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五三、碳化物的稳定性

碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和力的大小，即取决于合金元素d层电子数。

金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所析出的碳化物在钢中就越稳定。

下面给出部分合金元素的d层电子数第四周期TiVCrMnFeCoNi3d电子数2355678第五周期ZrNbMo

4d电子数245

第六周期HfTaW

5d电子数234

第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期五从第四周期合金元素来看：

与碳的亲和力钛>钒>铬>锰,而钴和镍的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：

Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；

钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素；锰、铁是弱碳化物形成元素。第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期五合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关:

强碳化物形成元素所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低。弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。碳化物的稳定性可由下式来归纳表示：合金元素种类d层

电子数稳定性溶解

温度溶解速度聚集

长大速度强碳化物元素较少较好较高较慢较慢弱碳化物元素较多较差较低较快较快第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期五四、碳化物的相互溶解钢中往往同时存在着多种碳化物形成元素，在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金元素的复合碳化物。各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。影响不同类型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的点阵类型；(2)合金元素的尺寸因素；(3)合金元素的电化学因素。第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期五1.完全互溶各种碳化物具有相同的点阵类型，并且，碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差<8-10%，这些碳化物彼此能够完全互溶，（即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换）。例如：(1)Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3C(2)VC-NbC-TaC-(V,Nb,Ta)C(3)Mo2C-W2C(4)Fe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C第二十页，共二十九页，编辑于2023年，星期五2.有限溶解：

如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解<28%Cr,<14%Mo,<2%W,<3%V，形成合金渗碳体。各种碳化物的互溶影响了它们各自的稳定性：强碳化物形成元素溶解于弱碳化物中，可提高弱碳化物的稳定性；反之，则降低强碳化物的稳定性。第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第三节钢中的氮化物由于冶炼时，钢液吸收大气中的氮，会在钢中形成铁或其它合金元素的氮化物。氮化物一般都是间隙相，以金属键占优，它具有高硬度和脆性、高熔点，对钢的性能有明显的影响。氮原子比碳原子小，氮原子半径γN和金属原子半径γM之比γN/γM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。第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第四节钢中的金属间化合物合金钢中合金元素之间以及合金元素与铁之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。通常以Mn族元素为界，将长周期表内元素分为A及B元素，由于A与B之间的原子半径、负电性都有一定差异，可以形成各种拓扑密堆结构的金属间化合物。拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是四面体间隙的复杂结构。其空间利用率和配位数均很高（12，14，15，16），称为拓扑密堆相，简称TCP相。第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期五一、σ相在低碳的高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热钢中都出现σ相。例如：Cr46Fe54。σ相具有较高的硬度，在铬镍钢中伴随着σ相的出现，钢的塑性和韧性显著下降，脆性增加。二、AB2相(拉弗斯相)在含钨、钼、铌、钛复杂成分的耐热钢中均出现AB2相。例如：TiFe2(W,Mo,Nb)(Cr，Mn，Fe，Ni)2复杂相。AB2相是现代耐热钢中的一个强化相，由于具有较高的稳定性，可使强度长时间保持在较高的水平。第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期五三、AB3相(有序相)这类有序相是介于无序固溶体和化合物之间的过渡状态。例如：Ni3Fe，Fe3Al,Ni3Al等。AB3是耐热钢和耐热合金中重要的强化相。第二十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期五第五节非金属相铁及合金生成的氧