钢的合金化原理介绍

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1、第一章第一章钢的合金化原理钢的合金化原理一、钢中的合金元素一、钢中的合金元素l 合金钢是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性合金钢是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程中加入某些元素而得到的多元合金。中加入某些元素而得到的多元合金。l 合金钢合金钢-为了保证一定的生产和加工工艺以及所要为了保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素的铁基合金。的铁基合金。l 常用的合金元素有常用的合金元素有 锰（锰（Mn）、硅（）、硅（Si）、铬（

2、）、铬（Cr）、镍（）、镍（Ni）、）、钼（钼（Mo）、钨（）、钨（W）、钒（）、钒（V）、钛（）、钛（Ti）、锆）、锆（Zr）、钴（）、钴（Co）、铝（）、铝（Al）、硼（）、硼（B）及稀土）及稀土（RE）元素等。）元素等。l 常见的杂质元素：常见的杂质元素：Si,Mn,S,Pl 但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元素也为合金元素。素也为合金元素。二、合金元素在钢中的存在形式二、合金元素在钢中的存在形式1形成铁基固溶体形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体（）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）定律）Ni、Co、Mn、Cr、V

3、等元素可与等元素可与Fe形成无限固溶形成无限固溶体。其中体。其中Ni、Co和和Mn形成以形成以-Fe为基的无限固溶为基的无限固溶体，体，Cr和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。Mo和和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。（2）形成铁基间隙固溶体（）形成铁基间隙固溶体（Hgg定则）定则）对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。，间隙原子优先占据的位

4、置是八面体间隙。对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按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。的顺序而增加。2形成合金渗碳体（与氮化物）形成合金渗碳体（与氮化物）（1）合金渗碳体（碳化物）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙化、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。合物相，是钢中的基本强化相。（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：度

5、（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe（3）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。等。l、族金属的碳化物与氮化物具有族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵简单的点阵结构结构，如，如TiC、VC、TiN、TaC等；等；l、金属的碳化物与氮化物具有金属的碳化物与氮化物具有复杂的点复杂的点阵结构阵结构，如，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2

6、C、(W、Mo、Fe)6C等。等。3形成金属间化合物形成金属间化合物（1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。常仅指电子化合物。（2）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是：合金中较为重要的金属间化合物是：(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、(C o 7 M o 6)、P(C r 1 8 N i 4 0 M o 4 2)、R(Cr18Co51Mo31)

7、、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。等。4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相（1）钢中的非金属相有：）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。等。非金属夹杂物一般都是有害的非金属夹杂物一般都是有害的。（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。其它有色金属合金。（3）在特殊条件下（如

8、快速冷却凝固），可使某些）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。和理论依据。1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用（1）相稳定化元素相稳定化元素 相稳定化元素使相稳定化元素使A3降低，降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了即扩大了相区。相区。根据根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为：开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)这类合金元素主要有这类合金元素主要

9、有Mn、Ni、Co等。如果等。如果加入足够量的加入足够量的Ni或或Mn，可完全使体心立方的，可完全使体心立方的相相从相图上消失，从相图上消失，相保持到室温（即相保持到室温（即A1点降低），点降低），故而由故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。三、合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元素与铁和碳的相互作用扩大扩大相区并与相区并与-Fe 无限互溶的无限互溶的Fe-Me 相图相图(a)及及Fe-Ni 相图相图(b)镀镍硬币镀镍硬币开模开模低碳钢芯低碳钢芯上摸上摸下模下模电镀电镀（

10、滚镀）（滚镀）均匀化退火均匀化退火抛光钝化抛光钝化压花压花金属镍层和内部金属镍层和内部的铁芯之间形成的铁芯之间形成一个镍铁固溶一个镍铁固溶带（或 称 扩 散带（或 称 扩 散层）。层）。扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)虽然虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与由于合金元素与-Fe和和-Fe均形成有限固溶体，均形成有限固溶体，并且也使并且也使A3（GS线）降低，线）降低，A4（JN线）升高，线）升高，但最终不能使但最终不能使相区完全开启。相区完全开启。l 这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。l 相区借助相区借

11、助C及及N而扩展，当而扩展，当C含量在含量在02.11%（重（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。体），这构成了钢的整个热处理的基础。扩大扩大相区并与相区并与-Fe 有限互溶的有限互溶的Fe-Me 相图相图(a)及及Fe-C 相图相图(b)（2）相稳定化元素相稳定化元素 合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升高，升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了了相区。根据相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为：封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩

12、大相区相区)当合金元素达到某当合金元素达到某一含量时，一含量时，A3与与A4重合，其结果使重合，其结果使相与相与相区相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有再有-相变，与相变，与-Fe形成无限固溶体（这类合形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。金不能用正常的热处理制度）。封闭封闭相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Cr相图相图(b)这类合金元素有：这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元和强碳化物形成元素素Cr、W、Mo、V、Ti及及P、Be等。但应该指等。但应该指出，含出，含Cr量小于

13、量小于7%时，时，A3下降；含下降；含Cr量大于量大于7%时，时，A3才上升。才上升。缩小缩小相区相区(但不能使但不能使相区封闭相区封闭)（图（图1-4）合金元素使合金元素使A3升高，升高，A4下降，使下降，使相区缩小相区缩小但不能使其完全封闭。但不能使其完全封闭。这类合金元素有：这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。等。缩小缩小相区的相区的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Nb相图相图(b)综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有重要的指导意义。重要的指导意义。l通过控制钢中合金

14、元素的种类和含量，使通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。钢在室温下获得单相组织。l发展奥氏体钢时，需要往钢中加入发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；等奥氏体形成元素；l发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。等铁素体形成元素。2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用（1）形成碳化物形成碳化物规律性规律性（按强弱分类）（按强弱分类）:l碳化物形成元素碳化物形成元素包括包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。等。碳化物是钢中

15、主要的强化相。碳化物形成元素均位于碳化物形成元素均位于Fe的左侧。的左侧。l非碳化物形成元素非碳化物形成元素包括包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。的右侧。Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe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合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响影响扩大扩大

16、相区的合金元素相区的合金元素(如如Ni、Co、Mn等等)均均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。l其中完全扩大其中完全扩大相区的合金元素相区的合金元素Ni或或Mn的含的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和高镍奥氏体不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。高锰耐磨钢等。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）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

17、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包括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如组织，例如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。区的影响。合金元素合金元素Cr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）2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图共析点相图共析点S的影响的影响Me对共析转变温度的影响对共析转变温度的影响l扩大扩大相区的元素相区的元素使使铁碳合

18、金相图的共析铁碳合金相图的共析转变温度下降；转变温度下降；l缩小缩小相区的元素相区的元素使使铁碳合金相图的共析铁碳合金相图的共析转变温度上升。转变温度上升。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 Me对共析点（对共析点（S）和共晶点（）和共晶点（E）成分的影响）成分的影响l几乎所有合金元几乎所有合金元素都是共析点碳素都是共析点碳含量降低；共晶含量降低；共晶点也有类似的规点也有类似的规律，尤其以强碳律，尤其以强碳化物形成元素的化物形成元素的作用最为强烈。作用最为强烈。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 l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点左移

19、，点左移，意味着钢中含碳量不到意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶就会出现共晶莱氏体；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，就会出现二次渗碳体。l由此可见，要判断一个合金钢是亚共析钢还由此可见，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三元相图和多元铁三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。基合金系相图来进行分析。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1Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响对钢加热时奥氏

20、体形成过程的影响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点点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体的位置和碳在奥氏体中的溶解度，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；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元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，而且还将影响铁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。和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。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，越不易溶入奥合金元素形成的碳化物在高

21、温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：长大作用的影响，合金元素可分为：l Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢在钢中易形成中易形成高熔点高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒细质点，也能强烈阻止晶粒长大；长大；l W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；l Ni、Si、Cu、Co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；l Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。则有助于

22、奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强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。烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。2Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响对钢的过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。具体可以分为以曲线）发生显著变化。具体可以分为以下几个方面：下几个方面：（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。五、合金元素对钢的

23、性能的影响五、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1Me对钢的强度的影响对钢的强度的影响钢中钢中Me的强化作用主要有以下四种方式：的强化作用主要有以下四种方式：（1）固溶强化固溶强化（2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）（3）第二相强化第二相强化（4）位错强化位错强化通过对这四种方式单独或

24、综合加以运用，通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。便可以有效地提高钢的强度。细化晶粒细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。为此，为此，宜向钢中加入细化晶粒的合金元素宜向钢中加入细化晶粒的合金元素。形成第二相粒子形成第二相粒子。当位错遇到第二相粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多。为此，圈，使位错数量迅速增多。为此，宜向钢宜向钢中加入强碳化物形成元素中加入强碳化物形成元素。合金元素强化金

25、属材料的主要途径合金元素强化金属材料的主要途径促进淬火效应促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构。为此，体，造成位错型亚结构。为此，宜向钢中宜向钢中加入提高淬透性的合金元素加入提高淬透性的合金元素。通过降低层错能，使位错易。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，于扩展和形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，防止交叉滑移。为此，宜向钢中加入降低宜向钢中加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子层错能的合金元素形成第二相粒子。钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的和的碳和

26、合金元素，产生很强的固溶强化固溶强化效应效应；马氏体形成时产生高密度位错，马氏体形成时产生高密度位错，位错强位错强化效应很大化效应很大；提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生小的、取向不同的马氏体束，产生细晶细晶强化效应强化效应。淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的生强烈的析出强化效应析出强化效应。|由此可知，马氏体强化充分而合理地利由此可知，马氏体

27、强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。和最有效的强化方法。l提高淬透性提高淬透性。l提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度位错保持到较高的温度。细晶粒及高密度位错保持到较高的温度。l使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。|由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，要是通过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用也只有经过适当的热处合金元素的良好作用也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来理才能充分发挥出来。合金元素加入钢中的热处理工艺目的合金元素加入钢中的热处理工艺目的