钢的合金化基础

钢的合金化基础1第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二钢中常用的合金元素ⅠA

0H

ⅡA

ⅢA

ⅣA

ⅤA

ⅥA

ⅦA

He

LiBeBC

NOFNeNaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTi

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

ZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn5.1合金元素与铁和碳的相互作用5.1.1合金元素及其在钢中的分布2第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二合金元素在钢中的存在形式取决于：1、合金元素本身的性质；2、合金元素的含量以及碳的含量；3、热处理条件（加热温度、冷却条件）。合金元素在钢中的存在形式：1、合金固溶体，如-Fe(Me)2、合金渗碳体，(Fe,Me)3C3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC4、非金属夹杂，MnS，MnO，SiO2，Al2O35、以游离状态存在，如Cu，Pb3第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.1.2合金元素与铁的相互作用

合金元素可以改变铁的同素异晶转变温度A3和A4，从而改变Fe－Me二元相图的类型。合金元素对铁的二元相图的影响，主要可以区分为扩大和缩小γ相区两类，这两类又可以进一步划分为两个次类。

1.γ相稳定化元素

使A3降低，A4升高，在较宽的温度范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据程度的不同，可以分为：4第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

（1）开启γ相区

α相及δ相分别处于被封闭的区域内。当合金元素超过某一限量后，可以在室温得到稳定的γ相。Ni和Mn可使铁的转变抑制到较低的温度，故由γ区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织。Ni和Mn是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图5第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（2）扩展γ相区虽然γ相区随着合金元素的加入而被扩大了，但是由于受到合金元素固溶度的影响而不能完全开启。C和N是这种类型的最重要的元素；Cu、Zn和Au具有相同的影响。扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图6第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二2．α相稳定化元素使A4温度下降，A3温度升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小γ相区。根据程度的不同，可以分为：

（1）封闭γ相区许多元素限制γ－Fe的形成，使相图中γ区缩小到一个很小的面积，形成γ相圈，如右图所示。从图中可以看出α相和δ相连成一片。Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W、Cr均属于这类元素。封闭γ相区并与-Fe无限互溶的Fe-Me相图7第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

（2）缩小γ相区。由于受到固溶度的限制，这类合金元素不能使γ区完全封闭，故称为缩小γ相区元素。B是这一类中的典型元素。8第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二小结：合金元素是否为扩大γ相区元素的条件：1.本身为面心立方点阵；2.与Fe的电负性相近；3.与Fe的原子尺寸相近。以第四周期为例：TiVCrMnFeCoNiCu3d24S23d34S23d54S13d54S23d64S23d74S23d84S23d104S1BccBccBcc多型多型多型FccFcc9第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二以Cr为界：3d层电子数≤5时，合金元素为缩小γ相区元素；3d层电子数≥

5时，合金元素为扩大γ相区元素。至于Cr是否为扩大γ相区元素，视其含量而定，Cr的质量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。10第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.1.3合金元素与碳的相互作用

按照合金元素与碳的亲和力的大小分为：碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。（1）形成碳化物的规律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，所形成的碳化物就越稳定。在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：

Hf>Ti>Zr>Ta>Nb>V>Mo>W>Cr>Mn>Fe11第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（2）碳化物的类型

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点阵结构。

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点阵结构。

因此碳原子半径(

C)和过渡族金属的原子半径(

Me)的比值(C/

Me)决定了可以形成简单还是复杂结构的碳化物。

12第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

金属元素的

C/

Me值如下：金属FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、当C/rM0.59时，形成MC型和M2C型简单点阵的碳化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。

2、当C/

M>0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型复杂点阵的碳化物，一般合金钢中常出现的复杂点阵的碳化物为Cr，Mn，Fe的碳化物或它们的合金碳化物。13第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二VC晶体结构图Fe3C晶体结构图14第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（3）碳化物的特性

相对于纯金属而言，碳化物具有高的熔点、分解温度和硬度，其对钢材的强化能力是很大的；与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔点、硬度和耐磨性也越高；碳化物的稳定性越高，热处理加热时，碳化物的溶解及奥氏体的均匀化越困难。同样在冷却及回火过程中碳化物的析出及其聚集长大也越困难。碳化物稳定性由弱到强的顺序是：Fe3CM3CM23C6M7C3M6CM2CMC15第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.1.4合金元素对Fe－Fe3C相图的影响Ni、Co、Mn以及其它扩大相区的元素，均使共析点左移而GS线下沉，如图所示。1．合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响16第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小相区的元素，均使三元系中的相区逐渐呈劈形，如图所示。

由图可知，大多数元素均使ES线左移，E点（C％＝2.11%的点）左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱氏体。

17第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

Ni、Mn等扩大γ相区的元素，使共析点（S点）左移，GS下沉，使得A1和A3温度同时降低；

Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小γ相区的元素，使γ相区呈劈形，且共析点（S点）左移，使得A1和A3温度同时升高；因此，合金元素对共析温度的影响基本与对铁的同素异晶转变温度的影响相一致，如图所示：2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S和共晶点E的影响18第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

所有合金元素均使共析点左移，说明在钢中C％不到0.77%时，钢就会变为过共析而析出二次渗碳体，从而降低了共析体中的含碳量。这样，合金钢加热至略高于A1时，所得到的奥氏体的含碳量总比碳钢低。由此可见，判断一个合金钢是亚共析还是过共析应根据Fe－C－X三元相图来进行分析。19第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.2合金元素对钢热处理的影响5.2.1合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响

（1）合金元素对奥氏体形成速度的影响☆Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等强碳化物形成元素与C的亲和力强，形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著阻碍C的扩散，大大减慢奥氏体形成速度。为了加速碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化，必须提高加热温度并保温更长时间。☆Co、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的扩散速度，使奥氏体形成速度加快。☆Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。20第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二⑵合金元素对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素，特别是强碳化物形成元素由于形成合金渗碳体和特殊碳化物，更难溶入奥氏体中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr强烈阻碍A体晶粒长大。W、Cr、Mo中等阻碍A体晶粒长大。Mn、P、B促进A体晶粒长大。21第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.2.2合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响⑴合金元素对C曲线的影响除Co外，几乎所有合金元素溶入奥氏体后都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al对淬透性作用依次由强到弱。对C曲线形状的影响注意：加入合金元素，只有完全溶入奥氏体才能提高淬透性。两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响，比单一元素的影响强得多。22第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二合金元素对VK影响的示意图23第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二合金元素对C曲线影响示意图24第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二Si基本不影响Ms、Mf点，除Co、Al外，多数合金元素使Ms、Mf点下降，导致残余奥氏体增加。（2）合金元素对马氏体转变的影响合金元素对Ms点的影响合金元素对残余奥氏体量的影响（含1.0％的钢在1150℃淬火）25第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.2.3合金元素对淬火钢回火的影响（1）提高回火稳定性

回火稳定性——淬火钢在回火时硬度下降快慢的性质。原因：

（1）推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变）；（2）提高铁素体的再结晶温度。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。26第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（2）产生二次硬化和二次淬火二次硬化——淬火钢在回火时随着回火温度的升高，硬度不下降反而升高的现象。产生二次硬化的原因：

1.高温回火时从马氏体中析出高度分散的合金碳化物颗粒，起到了沉淀强化的作用；

2.回火过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火。27第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（3）增大回火脆性倾向

回火脆性——在某些温度区间回火时，表现出明显的脆化现象。第一类回火脆性，对应回火温度范围：250-400℃。第二类回火脆性，对应回火温度范围：450-600℃。消除第二类回火脆性的方法：

1.快冷；

2.加入Mo或W降低回火敏感性；

3.降低有害元素的含量。28第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.3合金元素与钢的强韧化结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是主要的使用性能，增加强度往往要牺牲韧性，或者反过来也是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强化，而是追求强韧化。5.3.1合金元素对钢的强度的影响金属的强度——金属材料对塑性变形的抗力。（1）固溶强化定义：通过加入合金元素组成固溶体使金属材料得到强化。29第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二

在许多钢中，铁素体是基本组成相之一，在结构钢中其所占比例要≥90%。试验指出：定量评定合金铁素体的强化程度可以通过每个合金元素对α-Fe固溶体性能影响的叠加效果。式中：

KiF是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强度增量的强化系数；

CiF为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度。30第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期二不同合金元素溶于铁素体中的强化系数KiF值如下表所示：元素C+NPSiTiAlCuMnCrNiMoVKiF/100MPa467069085806040353030103

注意：按上式评定铁素体的强化应该考虑合金元素溶于铁素体的浓度，而不是这些元素在钢中的含量。31第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（2）细晶强化铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-Petch公式而增加，即σs=σ0+kd-0.5

其中：d为晶粒直径；

σ0为位错移动的摩擦阻力；

k为常数。实际晶粒越细，屈服强度越高，所以在加工钢铁材料时非常重视最终的铁素体晶粒尺寸。32第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期二0.11%C的软钢的屈服强度与晶粒度不同温度下的关系如图所示：

当软钢的晶粒d=0.25mm(粗晶粒)时，屈服强度约为100Mpa；当软钢的晶粒d=0.0025mm(细晶粒)时，屈服强度高达500MPa以上。33第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（3）第二相强化定义：在金属基体中存在另外的一个或几个相，这些相的存在使金属的强度得到提高。例如：钢材在经淬火处理后，在回火过程中，以特殊碳化物的质点弥散析出，这些碳化物能有效地阻碍位错的运动，提高了钢的屈服强度。（4）位错强化位错造成的强化量与位错密度之间的关系为：=kd1/2

例如：钢铁在冷加工（轧制、拉拔）过程中，受力变形，使基体内的位错密度大大提高；钢铁在淬火后，基体内的位错密度以及缺陷密度也大幅度的增加，这都增加了钢材的强度。34第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.3.2提高钢韧性的途径

按上述强化方式进行强化，除细晶强化以外，一般均会发生脆化，导致韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。因此，寻求高强度而同时有高韧性的材料，是重要的研究任务。1、细化晶粒细化晶粒作为钢的主要强化机制是十分重要的，它是既强化又韧化钢材的唯一办法。2、提高钢的回火稳定性

可以在相同强度水平下，提高回火温度，提高韧性。3、改善基体韧性合金元素是通过影响基体的塑性特性，即影响位错摩擦力、交叉滑移的难易程度而起作用。35第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期二4、细化碳化物5、降低和消除钢的回火脆性（Mo、W）6、降低含碳量7、提高冶金质量，降低杂质元素的含量8、通过合金化形成一定量的残余奥氏体。36第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.4钢的分类及编号按照钢中是否加入合金元素可将钢分为碳钢和合金钢。5.4.1碳钢的分类（1）按碳质量分数分类低碳钢C%0.25%

中碳钢0.25%C%0.6%

高碳钢C%0.6%（2）按钢的质量分类

a、普通碳素钢S≤0.05%P≤0.045%

b、优质碳素钢S≤0.035%P≤0.035%

c、高级优质碳素钢S≤0.02%P≤0.03%

d、特级优质碳素钢S≤0.015%P≤0.025%37第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（3）按钢的用途分类

a、碳素结构钢这类钢主要用于制备建筑、车辆、造船、桥梁、石油、化工、电站、国防等部门的工程构件。

b、机器零件用钢这类钢主要用于制造机器零件，如轴、轴承、齿轮、弹簧等。

c、碳素工具钢

这类钢主要用于制作刃具、量具、模具。38第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期二（4）按钢冶炼时的脱氧程度分类

a、沸腾钢（F）脱氧不彻底的钢

b、镇静钢（Z）脱氧彻底的钢

c、半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间

d、特殊镇静钢（TZ）特殊脱氧的钢39第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期二5.4.2碳钢的编号（1）碳素结构钢表示方法：Q+屈服强度+质量等级（A、B、C、D）+脱氧方法（b、Z、TZ）（2）优质碳素结构钢

a、优质碳素结构钢的平均含碳量用万分之几表示：例如：平均含碳量为0.1%的钢表示为10。

b、含锰量较高的优质碳素钢，应将锰元素标出。例如：平均含碳量为0.5%，锰含量0.7-1.0%表示为50锰或50Mn。

c、专门用途的优质碳素钢，在钢号之尾附加用途符号。例如：含碳为0.2%的锅炉钢表示为