合金化原理

结 论
点阵结构、 （3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近， ） 和 点阵结构 原子半径相近， 但电子结构差别大——有限固溶； 有限固溶； 但电子结构差别大 有限固溶 （4）原子半径对溶解度影响：∆R≤±8%， ）原子半径对溶解度影响： ± ， 可以形成无限固溶； ± 可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限 ， 固溶； ± 固溶； >±15%，溶解度极小。 ，溶解度极小。
0.68
~1.4 12.8
*
γFe
无 限
无 限
2.06
注：有些元素的固溶度与C量有关
简单地说： 简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关 ————点阵结构、电子结构和原子半径 点阵结构、 点阵结构
常用合金元素点阵结构、 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径
第四 周期 点阵 结构 电子 结构 原子半 径/nm ΔR，%
(a) Ni，Mn，Co ， ，
(b) C，N，Cu ， ，
图1 合金元素和Fe的作用状态
2、α稳定化元素 、 稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小 ， ， 区缩小
a) 完全封闭 区 — Cr、V、 W、Mo、Ti 完全封闭γ区 、 、 、 、 Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相; 完全互溶， 、 与 完全互溶 量大时→ 相 W、Mo、Ti 等部分溶解 、 、 b) 缩小 区 —— Nb、Zr、B等。 缩小γ区 、 、 等 稳定γ相 奥氏体形成元素，稳定α相 铁素体形成元素。 稳定 相—— 奥氏体形成元素，稳定 相 —— 铁素体形成元素。
② 溶解度
（1）对α-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置是八面体间隙。
（2）对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四 ） ， 面体间隙。 面体间隙。 （3）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加， ）间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加， 即按B、 、 、 、 的顺序而增加 的顺序而增加。 即按 、C、N、O、H的顺序而增加。
重点与难点： 重点与难点：
钢中的碳化物及其形成规律； 钢中的碳化物及其形成规律； 合金元素对过冷奥氏体转变的影响； 合金元素对过冷奥氏体转变的影响； 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
了解： 了解：
合金钢的分类、 合金钢的分类、牌号
第1章 钢的合金化原理
“合金元素的作用，主要在于对合金材料 合金元素的作用， 相变过程的影响， 相变过程的影响，而良好的作用只有在合适 的热处理条件下才能得到体现。 的热处理条件下才能得到体现。”
rc/rMe < 0.59 —简单结构相，间隙相，如Mo、W、 简单结构相， 简单结构相 间隙相， 、 、 V、Ti、Nb等，形成 等MC型，W2C等M2C型 。 、 、 等 形成VC等 型 等 型 Me量少时，溶解于其它碳化物，形成复合碳化物 量少时，溶解于其它碳化物， 量少时 即多元合金碳化物， 即多元合金碳化物，如（Cr, M）23C6型 。 ）
铬对钢γ 铬对钢γ区的影响
锰对钢γ 锰对钢γ区的影响
1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
合金元素在铁点阵中的固溶情况
Me
αFe
Ti
V
Cr
Mn
Co
Ni 10 无 限
Cu 0.2 8.5
C
0.02
N 0.1 2.8
溶 解 度
不同元素的固溶情况 无 无 ~7 ~3 是不同的，为什么? 是不同的，为什么 76 限 限 (1340℃)
碳化物稳定性高， 碳化物稳定性高，在温度和应力长期作用下不易聚集 长大，则可大大提高材料的性能和使用寿命。 长大，则可大大提高材料的性能和使用寿命。 稳定性的另一个含义是指碳化物和固溶体（基体） 稳定性的另一个含义是指碳化物和固溶体（基体）之 间不易在高温下因原子扩散作用而发生合金元素的再 分配
二、碳化物形成的一般规律（重点） 碳化物形成的一般规律（重点）
(c) Cr，V ，
(d) Nb,B等 等
图1 合金元素和Fe的作用状态
1.2
Me对FeMe对Fe-C相图的影响
L+G
L+Fe3 C
Me对Fe- 相图的影响——点、线、面 1.2 Me对Fe-C相图的影响 点 一、对S、E点的影响 、 点的影响
A形成元素均使 、E点向左下方移动， 形成元素均使S、 点向左下方移动 点向左下方移动， 形成元素均使 F形成元素使 、E点向左上方移动。 形成元素使S、 点向左上方移动 点向左上方移动。 形成元素使 S点左移 意味着共析 量减小 ； 点左移—意味着共析 点左移 意味着共析C量减小 E点左移 意味着出现莱氏体的 量降低 。 点左移—意味着出现莱氏体的 点左移 意味着出现莱氏体的C量降低
Ti bcc 2
0.145
V bcc 3
0.136
Cr bcc 5
0.128
Mn
Fe
Co fcc/ hcp 7
0.126
Ni fcc 8
0.124
Cu fcc 10
0.128
bcc或fcc 5
0.131
6
0.127
14.2
7.1
0.8
3.1
—
0.8
2.4
0.8
电子结构是3 层电子数； 原子半径是配位数12 12的数值 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
隐存杂质
偶存杂质
低熔点989℃)； 热脆性 —— S —— FeS(低熔点 低熔点 ℃； 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； （硬脆）； 白点。 氢 脆 —— H —— 白点。 2、合金元素（alloying-element） 、合金元素（ ） 为合金化目的加入， 为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。 的元素称为合金元素。 5%<低合金钢、 >10%高合金钢 低合金钢、 低合金钢 钢中常用合金元素： 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。 、 、 、 、 、 、 、 等
钢中常见的碳化物类型有： 钢中常见的碳化物类型有：
M3C：渗碳体Fe3C、Mn3C，正交点阵； ：渗碳体 、 ，正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方 ； M2C：例Mo2C、W2C。密排六方 ； ： 、 。 MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 ； ： 、 ， M6C：例（W,Mo,Fe）6C。复杂六方点阵 。 ： ） 。 碳化物也有空位存在 ；可形成复合碳化物 , 如 (Cr,Fe,Mo，…)7C3 ，
1.4 碳（氮）化物
一、钢中常见的碳化物
碳化物是钢中主要的强化相——硬、脆 硬 碳化物是钢中主要的强化相 碳化物类型、大小、 碳化物类型、大小、形状和分布对钢的性能有 很重要的作用。 很重要的作用。 非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Cu等 非碳化物形成元素： 、 、 、 等 碳化物形成元素： 碳化物形成元素： Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe 、 、 、 ； 、 、 ； 、 由强到弱排列） （由强到弱排列） 碳化物形成元素均位于Fe的左侧。 碳化物形成元素均位于Fe的左侧。 Fe的左侧
“合金元素的作用，主要在于对合金材料 合金元素的作用， 相变过程的影响， 相变过程的影响，而良好的作用只有在合适 的热处理条件下才能得到体现。 的热处理条件下才能得到体现。”
三、对γ-Fe区的影响 区的影响
A形成元素 、Mn等使 形成元素Ni、 等使γ-Fe区扩大 钢在室 区扩大→钢在室 形成元素 等使 区扩大 温下也为A体 奥氏体钢； 温下也为 体 — 奥氏体钢； F形成元素 、Si等使 形成元素Cr、 等使 等使γ-Fe区缩小 钢在高温 区缩小→钢在高温 形成元素 区缩小 下仍为F体 铁素体钢。 下仍为 体 — 铁素体钢。
1、碳化物类型
碳化物类型与 的原子半径有关 碳化物类型与Me的原子半径有关。 类型与 的原子半径有关。 各元素的rc/rMe的值如下： 各元素的r
Me Fe Mn 0.60 Cr 0.61 V 0.57 Mo 0.56 W 0.55 Ti 0.53 Nb 0.53 rc/rMe 0.61
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 复杂点阵结构， 复杂点阵结构 、 、 形成Cr 等形式的碳化物； 形成 7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的碳化物； 、 等形式的碳化物
合金元素的固溶规律， 合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律 规律
决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素， 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似. 相同或相似.
的点阵结构、 （1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子 ） 、 、 与 的点阵结构 半径和电子结构相似——无限固溶； 无限固溶； 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 ） 、 与 的点阵结构、 的点阵结构 电子结构相似——无限固溶； 无限固溶； 电子结构相似 无限固溶
合金元素对共析碳量的影响
二、对临界转变温度的影响
A形成元素 、Mn等使 （A3）线向下移动； 形成元素Ni、 等使A1（ ）线向下移动； 形成元素 等使 F形成元素 、Si等使 （A3）线向上移动。 形成元素Cr、 等使 等使A1（ ）线向上移动。 形成元素
合金元素共析温度的影响
临界点温度和碳含量的改变， 临界点温度和碳含量的改变，使合金钢的热处理 制度不同于碳钢。 制度不同于碳钢。
复杂点阵结构： 复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 。 特点： 熔点较低，稳定性较差 较差； 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。 简单点阵结构： 、 。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。