合金化原理
合金化原理
合金化原理合金化是指将两种或两种以上的金属或非金属熔炼在一起，形成新的金属材料。
合金化的原理是通过改变金属的晶体结构，使其性能得到改善。
合金化可以提高金属的硬度、强度、耐热性、耐腐蚀性等性能，从而扩大金属的应用范围。
下面将从合金化的原理、方法和应用三个方面来详细介绍合金化的相关知识。
合金化的原理。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式。
固溶强化是指将一种金属溶解在另一种金属的晶格中，形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
析出强化是指在合金中形成一种或多种溶解度有限的化合物，这些化合物的形成可以提高合金的硬度和强度。
相变强化是指在材料中发生相变时，晶粒的形态和尺寸发生变化，从而提高材料的性能。
合金化的方法。
合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
熔炼法是将两种或两种以上的金属熔炼在一起，然后冷却凝固成合金。
粉末冶金法是将金属粉末混合后通过压制、烧结等工艺形成合金。
表面合金化法是将一种金属的表面覆盖上另一种金属，以改善金属的表面性能。
合金化的应用。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在航空航天领域，合金化可以提高材料的耐高温、耐腐蚀性能，从而保证飞机在极端环境下的安全飞行。
在汽车制造领域，合金化可以提高汽车零部件的强度和硬度，延长零部件的使用寿命。
在电子设备领域，合金化可以提高电子元器件的导电性能和耐磨性能，从而提高设备的性能和可靠性。
总结。
合金化是一种重要的金属材料改性方法，通过改变金属的组织结构和成分，可以显著提高金属材料的性能。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式，合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，为各行业的发展提供了重要的支撑。
通过对合金化的原理、方法和应用的介绍，相信读者对合金化有了更深入的了解，也希望本文能够对相关领域的科研工作者和工程技术人员有所帮助。
金属耐腐蚀合金化原理
第五章耐腐蚀金属材料§5-1金属耐腐蚀合金化原理工业上所用的金属材料中，纯金属并不多，应用较多的因此是铁、铜、镍、钛、铝、镁等各种金属的合金。
本节讨论如何通过合金化和热处理等途径，从成分和组织上使合金具有高的耐蚀性，并表明其作用原理。
一、提高金属的热力学稳定性以热力学稳定性高的元素进行合金化，向不耐蚀的合金中进进热力学稳定性高的合金元素进行合金化，可在合金表层形成由贵金属组元组成的连续保卫层，提高其耐蚀性。
例如，铜中加金，镍中加铜，铬中加镍等。
然而其应用是有限的。
因为，一方面要虚耗大量的贵金属，经济上珍贵；另一方面，由于合金组元在固态中的溶解度是有限的，许多合金要获得具有多组元的单一固溶体是对照困难的。
二、落低阴极活性在阴极操纵的金属腐蚀中，可用进一步加强阴极极化的方式来落低腐蚀速度。
如金属在酸中的活性溶解就能够用落低阴极活性的方法减少腐蚀。
具体方法是：1．减小金属或合金中的活性阴极面积金属或合金在酸中腐蚀时，阴极析氢过程优先在氢超电压低的阴极相或夹杂物上进行。
假如减少合金中的阴极相或夹杂物，减小了活性阴极面积，增加了阴极极化电流密度，增加阴极极化程度，阻碍阴极过程的进行，提高耐蚀性。
例如，当铝中铁含量减少时，其在盐酸中的耐蚀性提高，如P128图1。
这是由于铁能形成阴极相。
关于阴极操纵的腐蚀过程，采纳固溶处理获得单相固溶体组织，可提高耐蚀性。
反之，退火或时效处理落低其耐蚀性。
2．进进氢超电压高的元素进进氢超电压高的元素，可提高阴极析氢超电压，显著落低合金在酸中的腐蚀速度。
但它只适用于不产生钝化的析氢腐蚀。
如金属在非氧化性或氧化性低的酸中的活性溶解过程。
例如，在锌中含有铁、铜等电位较高的金属杂质时，进进氢超电压高的镉、汞，可使锌在酸中腐蚀速度显著落低。
又如，在含有较多杂质铁的工业纯镁中，添加0.5-1%锰可大大落低其在氯化物水溶液中的腐蚀速度，这是由于锰比铁高得多的析氢超电压之故。
三、落低合金的阳极活性用合金化的方法落低合金的阳极活性，尤其是用提高合金钝性的方法阻碍阳极过程的进行，可提高合金的耐蚀性，它是一种最有效、应用最广泛的措施。
第一章 钢的合金化原理
四、按照对奥氏体层错能的影响分类
1、合金元素分类
奥氏体的层错能对钢的组织和性能都有很大影响。 按照对奥氏体层错能的影响，合金元素可分为两大类： (1) 提高奥氏体层错能的元素 如：镍（Ni），铜（Cu），碳（C），它们使奥 氏体层错能提高； (2) 降低奥氏体层错能的元素
如：锰（Mn），铬（Cr），钌（Ru），铱 （Ir），它们使奥氏体层错能降低。
二、合金钢定义与分类
1、定义： 合金钢：在化学成分上特别添加合金元素 用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组 织与性能的铁基合金。
2、分类：
低碳钢(C≤0.25%) 碳素钢 中碳钢(0.25%＜ C≤0.60%) (非合金钢) 高碳钢(C＞0.60%) 低合金钢(Me ≤5%) 合金钢 中合金钢(5%＜Me≤10%) 高合金钢(Me ＞10%) 普通钢(S ≤0.050%，P ≤0.045%) 优质钢(S ≤0.035%，P ≤0.035%) 高级优质钢(S ≤0.025%，P ≤0.025%) 特级优质钢(S ≤0.015%，P ≤0.025%)
按化学成分
按冶金质量
工程构件用钢(桥梁、船舶、建筑等)
合金结构钢 机器零件用钢 调质钢 弹簧钢 渗碳钢 滚动轴承钢
按用途
合金工具钢
刃具钢 模具钢 量具钢
不锈钢
特殊性能钢 耐热钢 耐磨钢
在给钢产品命名时，往往把成分、质量和用 途分类方法结合起来。 如：优质碳素结构钢，合金工具钢等。
三、合金钢的编号原则
使“Fe-Me‖二元相图出现扩大γ相区和缩小γ 相区两个大类型。 每个大类再分为两小类，合金元素也可依此类 型分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类。
1、奥氏体形成元素(扩大γ相区元素或γ稳定化元素)
钢的合金化原理
M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成旳K：Cr23C6
M7C3型 复杂六方，Cr, Mn形成旳K：Cr7C3, Mn7C3
M3C型 正交晶系，Fe形成旳K：Fe3C
3）Fe-M-C形成旳三元K
M6C型
复杂立方，W、Mo旳K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。
二. 碳化物（K）
1. 构造
1）rc/rM<0.59 简朴密排构造 V, Nb, Ta, Zr, Hf, Mo, W
MC型 面心立方，V, Nb, Ta，Zr, Hf， 如 VC，ZrC 等。 六方点阵，Mo, W， 如 MoC, WC。
M2C型 六方点阵，Mo,W，如：Mo2C, W2C
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵构造，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式旳K；
rc/rMe < 0.59 —简朴构造相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。
Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。
2）相同者相溶
一. 铁基固溶体
1. 置换（代位）固溶体 Ni, Co, Mn与γ-Fe形成无限固溶体。 Cr, V 与α-Fe形成无限固溶体。 其他置换原子与γ- Fe或α- Fe形成有限固溶体。
2. 间隙固溶体 间隙原子：B，C，N，O，H 间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵旳八面体或四面体间
隙; 均为有限固溶体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体旳元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
合金化原理的应用
合金化原理的应用1. 简介合金化是指通过将两种或多种金属进行熔炼、混合或固相反应，使其形成一个新的金属系统的技术过程。
它利用不同金属之间的原子间相互作用，通过特定的工艺条件，使合金具有优异的性能。
合金化技术在材料科学、工程技术和制造业等领域有广泛的应用。
2. 合金化的种类合金化可以分为两类，包括固溶体合金化和化合物合金化。
2.1 固溶体合金化固溶体合金化是指通过将两种或多种金属溶解在一起，形成具有均匀分布的晶格结构的合金。
它可以通过固溶体混合、固溶体反应等方式进行。
固溶体合金化常用来改善材料的机械强度、耐蚀性、耐热性等性能。
固溶体合金化的常见应用包括： - 不锈钢的制备：将铁、铬、镍等元素进行固溶体合金化，可生成不锈钢，具有优异的耐腐蚀性能； - 铝合金的制备：将铝与其他金属（如铜、镁、锌等）进行固溶体合金化，可获得强度高、耐腐蚀性好的铝合金材料。
2.2 化合物合金化化合物合金化是指两种或多种金属元素之间形成化学化合物的过程。
在化合物合金中，金属元素的原子结合形式是固定的，有着严格的比例。
化合物合金常用来改善材料的导电性、磁性、光学性能等。
化合物合金化的常见应用包括： - 磁性材料的制备：将铁、镍、钴等金属与其他元素形成化合物合金，可获得具有特定磁性的材料，如永磁材料； - 半导体材料的制备：将硅、锗等半导体元素与其他金属形成化合物合金，可获得具有特定电学性能的材料，如硅锗合金。
3. 合金化的应用案例3.1 钢材中的合金化钢是一种由铁和碳组成的合金材料，通过在钢中添加其他金属或非金属元素，可以改变钢材的性能。
常见的钢材合金化应用包括： - 不锈钢：通过在钢中添加铬、镍等元素进行固溶体合金化，使钢具有耐腐蚀性能； - 高速钢：通过在钢中添加钨、钼等元素进行固溶体合金化，使钢具有高温硬度和耐热性能； - 合金结构钢：通过在钢中添加硅、锰等元素进行化合物合金化，使钢具有特定的力学性能。
3.2 铝合金中的合金化铝合金是由铝为基体，通过与其他金属形成固溶体合金或化合物合金进行合金化改性的材料。
合金化原理
1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？答：（1）加热方法（加热介质）的不同。
由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。
（2）工件在炉内排布方式的影响。
工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。
（3）工件本身的影响。
工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。
同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。
气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。
3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。
在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。
工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。
当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。
往里，工件将在该温度下发生脱碳。
由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。
由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。
4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。
工程结构钢的合金化原理
一、工程结构钢的合金化原理1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。
2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。
3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。
4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。
二、调质钢合金化特点1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。
碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。
2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。
3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。
三、轴承钢的合金化特点1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。
2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。
铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。
3、加入硅、锰、钒等提高淬透性四、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。
（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。
Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。
（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。
五、氮化钢的合金化特点1、低碳2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。
3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。
为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。
六、弹簧钢的合金化特点1、中、高碳。
一般为0.50％～0.70％。
碳质量分数过低，强度不足。
金属材料学
第一章合金化原理碳钢中的常存杂质1.锰（Mn ）和硅（Si ）炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
Mn：可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。
MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。
Si：可固溶，也可形成SiO2夹杂物。
Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。
2．硫（S）和磷（P）S：S和Fe能形成FeS，并易发生热脆(裂)。
P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。
磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。
S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。
3．氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在α-铁中可溶解。
N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。
H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。
O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。
N、H、O是有害杂质。
碳钢的分类1．按钢中的碳含量1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢0.0218%≤w c≤0.77% 共析钢w c=0.77% 过共析钢：0.77%＜w c≤2.11%2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：w c ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜w c≤0.6% 高碳钢：w c＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢（4）特级优质碳素钢3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢F （2）镇静钢Z （3）半镇静钢b （4）特殊镇静钢TZ碳钢的用途1-普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。
合金化作用
合金化作用合金化作用是指将两种或两种以上的金属或者金属与非金属元素混合在一起，通过特定的加热和冷却过程，使其形成一种新的材料。
合金化作用不仅可以改变材料的物理和化学性质，还可以提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性和耐磨性等特性。
本文将探讨合金化作用的原理、应用和影响。
合金化作用是基于金属原子之间的固溶原理。
当两种或两种以上的金属原子混合在一起时，它们之间形成了一个晶格结构。
这个晶格结构能够有效地阻止原子的移动，并提供了额外的电子层，从而增加了材料的硬度和强度。
此外，合金化作用还能够改变晶格的尺寸和形状，从而影响材料的导电性、热传导性和磁性等特性。
合金化作用在工业和科学研究领域有着广泛的应用。
首先，合金化作用可以用来改善金属材料的性能。
例如，钢是一种由铁、碳和其他元素组成的合金，通过调整合金中碳的含量，可以获得不同强度和硬度的钢材。
此外，合金化作用还可以用来改善材料的耐腐蚀性能。
例如，不锈钢是一种由铁、铬和其他元素组成的合金，具有出色的耐腐蚀性能，可广泛应用于制造厨具和化工设备等领域。
合金化作用还可以用来改变材料的热处理性能。
热处理是指通过加热和冷却等过程，改变材料的晶格结构和性能。
合金化作用可以通过调整合金中的元素含量和加热温度，来控制材料的晶格结构和相变行为。
例如，铝合金是一种常见的合金材料，通过合金化作用可以获得良好的热处理性能，用于制造飞机和汽车等领域。
合金化作用还可以用来改变材料的电学和磁学性能。
通过合金化作用，可以调整材料中的电子结构和磁性原子的分布，从而影响材料的导电性、磁性和电磁性能。
例如，铁镍合金是一种具有良好磁性和磁记忆效应的合金材料，广泛应用于制造磁头和磁记录介质等领域。
合金化作用对材料性能的影响主要取决于合金中各元素的含量和相互作用。
通过调整合金中元素的含量和比例，可以获得不同性能的合金材料。
此外，合金化作用还受到加热和冷却过程的影响。
不同的加热温度和冷却速率会导致不同的晶格结构和相变行为，从而影响材料的性能。
机械合金化的过程机理
机械合金化的过程机理
机械合金化的过程机理
机械合金化是一种新型的合金化技术，是指通过机械外力的作用，在金属或其他材料的原子层面上引起变形，使不同材料的原子网被强行融合在一起。
它是最近几十年发展起来的一种新型的合金化工艺，其主要原理是利用机械力量将两种不同的金属材料结合在一起，从而形成一种新的合金材料。
机械合金化的过程主要有以下两个步骤：
1）金属表面处理：首先对金属进行表面处理，使金属表面的氧
化物层被破坏，从而为后面的机械合金化操作提供了一个可行的环境。
2）机械合金化：然后采用机械力量将两种金属材料结合在一起，并通过控制机械外力的强度和时间，使得这两种金属材料的原子网能够在微观尺度上完成融合。
机械合金化过程中会发生一些不可逆的微观变化，使得机械合金化的结果比传统合金化方法得到的结果要稳定得多，也更具有耐久性。
在高温下，机械合金化技术可以有效地抑制金属材料的表面氧化及使之产生更快的表面结合力，这些特性使得机械合金化技术的应用变得非常普遍。
- 1 -。
材料科学中的合金化原理
材料科学中的合金化原理合金是材料科学中一个很重要的概念，它是由两种或两种以上的金属或非金属元素通过熔炼、混合、固化等工艺加工而制成的一种金属材料。
合金化是指在原材料中加入其他元素或化合物，以改变其晶体结构和化学成分，从而达到改善其某些物理和化学性质的目的。
合金化在材料工程中扮演了至关重要的角色。
为什么要合金化？材料的性质是由其晶体结构和原子排列方式决定的。
材料在合金化后，新的元素会加入到原材料中，新的化学键将被形成。
新形成的界面区域将产生不同的化学和物理性质，从而改变材料的性质。
这些性质包括机械、热、电、化学等方面的性质。
例如，化合物Ni3Al具有高熔点、耐腐蚀、耐热性等优良性能，因此已成为高强、高温合金的重要材料。
而钢铁中添加一定量的锰元素可以提高钢的硬度和抗磨性。
合金化的原理合金化的原理即为在材料中添加元素以形成固溶体、间隙化合物、化合物和二元、三元等复合材料。
因此，合金化的主要原理是：1. 固溶体形成原理：将一种金属中加入其他金属或非金属元素，这些元素与金属元素原子混杂在一起，形成固溶体。
固溶体中的原子分散均匀，成为一种性能不同于纯金属的材料。
2. 间隙化合物原理：某些元素在金属晶格中并不能与金属原子形成固溶体，而只能填充到空隙中，形成间隙化合物。
其性质因而与晶格结构、元素组成、空隙大小有关。
3. 化合物原理：两种及两种以上元素共晶或反应，形成新的化合物。
化合物的晶体结构和性能与其元素原子数、原子大小、化学键性质等密切相关。
4. 复合材料原理：在材料中添加多种元素，让其中的元素进行复杂的交互作用形成各种不同的化合物或相，生成具有新性能的复合材料。
如何选择合金化元素？合金化元素的选择取决于所需性能和其它要求。
通常根据所选用的金属元素在晶格中的分布情况，将元素分类为替代元素、插入元素和交换元素。
替代元素是指替换主体元素所占的位置；插入元素则是插在主体元素的空位中；交换元素则是占据晶体相邻原子的位置。
合金化原理
2、相似者相溶
完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
(如B、Nb、Zr等)。
(a)Fe-Cr相图
(b)Fe-Nb相图
(a) Ni，Mn，Co
(b) C，N，Cu
(c) Cr，V
(d) Nb,B等
图1 合金元素和Fe的作用状态
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
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
α Fe
~7
(1340℃)
（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子 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
电子结构相似——无限固溶；
结
论
（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，
但电子结构差别大——有限固溶；
（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%， 可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限 固溶； >±15%，溶解度极小。
碳化物类型 M3C M23C6 M7C3 M2C M6C MC
钢中常见碳化物的类型及基本特性
常见碳化物
硬度/HV
熔点/摄氏度
在钢中溶解的温 度范围/摄氏度
含有此类碳化物的 钢种
Fe3C (Fe, Me)3C*
合金化反应
合金化反应合金是由两种或多种金属或非金属元素混合而成的材料。
合金具有比单一元素更优良的性能，如硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、导电性等。
而合金化反应则是指在一定条件下，两种或多种元素之间发生的化学反应，使它们混合并形成合金的过程。
合金化反应的主要目的是改善材料性能，使其更符合实际应用的要求。
合金化反应的原理是通过改变原材料的组成和结构，来改变其物理和化学性质。
例如，将一些金属元素混合在一起，可以改变它们的硬度、强度、韧性和耐腐蚀性等性能，从而使它们更适合于不同的应用领域。
合金化反应的方法有很多种，其中最常见的是熔融法、固相反应法和液相反应法。
熔融法是指将两种或多种原材料混合后，在高温下加热，使其熔化并混合。
这种方法适用于一些高熔点的金属，如钨、钴等。
固相反应法是指将两种或多种原材料混合后，加热至一定温度下反应，形成合金。
这种方法适用于一些低熔点的金属，如铝、镁等。
液相反应法是将两种或多种原材料混合后，通过液相反应形成合金。
这种方法适用于一些易于溶解的金属，如铜、锌等。
在合金化反应中，常常需要添加一些助剂来促进反应的进行。
这些助剂可以是一些金属元素，也可以是一些非金属元素，如碳、氮等。
这些助剂可以改变反应的温度、速率和产物的组成，从而实现优化反应条件的目的。
合金化反应的应用非常广泛，涉及到航空航天、汽车、电子、化工等多个领域。
例如，在航空航天领域，合金化反应可以改善材料的强度和耐腐蚀性，提高飞行器的性能和安全性。
在汽车领域，合金化反应可以改善发动机的性能和寿命，降低能耗和排放。
在电子领域，合金化反应可以提高电子器件的性能和可靠性，促进电子技术的发展。
在化工领域，合金化反应可以改善催化剂的性能和效率，提高化学反应的产率和选择性。
总之，合金化反应是一种非常重要的材料制备方法，可以改善材料的性能，提高其实际应用的价值。
随着科技的不断发展，合金化反应的应用将会越来越广泛，为人类的生产和生活带来更多的便利和创新。
合金化原理-2
当钢中碳量在中等以上时，Cr对奥氏体晶粒有细化作用而Mn却较 明显的促使晶粒长大。 但在低碳钢中，Mn对晶粒度有细化作用，因此在研究普低钢时， 往往以锰来合金化。 我们知道，粗大的晶粒具有较低的自由能，因此晶粒粗化过程 是一个自发过程。那么为什么有的钢晶粒容易变粗而有的钢就不容易？ 最先出现的说法为机械阻碍法：奥氏体晶粒之所以不容易长大， 是由于在晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械的阻 碍了奥氏体晶粒的长大。这种高度弥散的化合物，可以使一些稳定的 碳化物、氮化物，甚至是其它非金属夹杂物。 另一种理论认为合金元素对奥氏体晶粒粗化的作用，是由于合 金元素溶入奥氏体之后，改变了晶界能，因而改变了奥氏体的长大倾 向。还有一种理论则认为合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，在很大 程度上取决于他们改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁 的自扩散系数的变化。
碳化物在奥氏体中的溶解规律
最稳定的化合物的溶解度最低
Cr、Mo、V的碳化物具有最大的溶解 度，是潜在的最有用的合金碳化物， 这是因为当γ→α时，他们最终可 以形成较大的体积份额 Ti、Nb、V的碳化物在奥氏体中的 溶解度随温度的降低而下降。
如果有足够数量的合金元素存在的话，那么合金碳化物将在随 后的冷却过程发生沉淀。
族 周期 2 3 4 5 6 C③④ Sc② Y② La~Lu① ③ Ti① Zr① Hf② V① Nb① Ta② Sn⑤ P④⑤ ⅡA ⅢB ⅣB ⅤB ⅢA B①③ ⅣA ⅤA N① P⑤ As⑤ Sb⑤ Bi④ ⑤ S④ Se④ Te④ ⅥA
7
Ac~Lr① ③
微量痕迹元素对钢性能的有害影响
与痕迹元素相联系的有害效应包括热塑性的降低、 不同形式的脆性以及在淬透性、可焊性和耐蚀性 上有害效应。目前许多研究涉及高质量的不锈钢 或镍基合金，例如选择钢中的合金元素以得到不 同性能，从而使痕迹元素的有害影响变为关键问 题。 当前对痕迹元素有害影响的研究主要集中在晶界 的行为和成分上。其动态再结晶能力是至关重要 的。如果有害痕迹元素存在水平高于ppm范围，那 么即使在低变形下，晶界也会断裂。这些效应可 以通过完全去除有害痕迹元素或者添加一定的有 益痕迹元素来抵消。
铝合金化原理
铝合金化原理
铝合金化原理指的是通过添加其他元素或合金元素来改善纯铝的性能，从而得到具有更好特性的铝合金材料。
这一过程通常通过熔炼和固溶处理来实现。
铝合金化的主要目标是提高铝合金的强度、硬度和耐腐蚀性能，以及调整其热处理响应和其他特性。
添加其他元素或合金元素可以在晶粒界面或晶格中形成固溶体、间质化合物或亚稳相，从而产生不同的效果。
例如，常见的铝合金中加入铜 (Cu) 和锌 (Zn) 可以形成铝铜
(Al-Cu) 和铝锌 (Al-Zn) 固溶体。
这些固溶体能够增加材料的
强度和硬度，并改善其耐腐蚀性能。
另外，添加其他元素如镁(Mg) 或硅 (Si) 可以形成过饱和固溶体，进一步提高铝合金的
强度。
铝合金化的过程会受到一系列因素的影响，例如合金元素的含量、熔炼温度和时间，以及固溶体的形态和分布等。
因此，在设计合金化的过程中，需要仔细考虑这些因素，并进行合适的熔炼、固溶和热处理操作，以得到所需的铝合金材料特性。
总结起来，铝合金化原理是通过添加其他元素或合金元素来形成固溶体、间质化合物或亚稳相，从而改善纯铝的性能。
这一过程可以提高铝合金的强度、硬度、耐腐蚀性能和热处理响应。
在实践中，需要考虑合金元素的选择、含量、熔炼和热处理条件等因素，以获得所需的铝合金材料特性。
合金化反应
合金化反应合金化反应是一种重要的化学反应，其主要作用是将两种或多种不同的金属元素混合在一起，形成新的合金材料。
这种反应可以通过多种方式进行，包括加热、电化学反应、机械混合、气相反应等。
在工业生产和科学研究中，合金化反应被广泛应用于制备各种合金材料。
合金化反应的基本原理是通过原子间的相互作用，将两种或多种不同的金属元素混合在一起，形成新的合金材料。
这种反应通常需要一定的能量输入，以便使金属元素达到足够的活性和反应性。
在加热反应中，高温可以提高金属元素的反应速率和反应程度，促进合金化反应的进行。
在电化学反应中，电流的作用可以提供足够的能量，使金属元素在电极上发生化学反应，形成新的合金材料。
在机械混合中，机械能的作用可以使金属元素在机械强制下发生化学反应，形成新的合金材料。
在气相反应中，气体在高温下反应，形成新的合金材料。
合金化反应的应用非常广泛。
例如，在工业生产中，合金化反应被用于制备各种合金材料，例如不锈钢、铝合金等。
这些合金材料具有优异的物理和化学性质，可以用于制造汽车、飞机、船舶等各种机械设备。
在科学研究中，合金化反应被用于研究金属材料的物理和化学性质，例如研究合金的力学性能、热性能、电性能等。
此外，合金化反应还被广泛应用于制备新型的材料，例如纳米材料、超材料等。
合金化反应的机理非常复杂，涉及到多种化学反应和物理过程。
在加热反应中，金属元素通常会发生氧化还原反应、置换反应、扩散反应等。
在电化学反应中，金属元素通常会发生电化学氧化还原反应、电沉积反应等。
在机械混合中，金属元素通常会发生机械变形、冷焊接、扩散等反应。
在气相反应中，金属元素通常会发生氧化还原反应、蒸发凝结反应等。
在实际应用中，合金化反应还存在一些问题和挑战。
例如，合金化反应的反应速率和反应程度受到多种因素的影响，例如温度、压力、反应时间、反应物浓度等。
此外，合金化反应还存在一些副反应和杂质的产生，影响合金材料的性能和质量。
因此，需要采取一系列的措施，以提高合金化反应的效率和质量。
金属材料合金化原理
0.2%C
0.45%C
1..2%C
1.2 钢旳合金化原理
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
5．合金元素对淬火钢旳回火转变过程旳影响 主要体现在提升钢旳回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程旳抵抗能力，使回火 过程各个阶段旳转变速度大大减慢，将其推向更高旳温度。详细为 （1）AE对马氏体分解旳影响 （2）AE对残余奥氏体转变旳影响 （3）AE对碳化物旳形成、汇集和长大旳影响 （4）AE对铁素体回复再结晶旳影响 （5）AE对回火脆性旳影响
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
（4）AE对铁素体回复再结晶旳影响 ➢ 大多数AE延缓α相回复与再结晶过程，其中 Co、Mo、W、Cr、V明显提升α相旳再结晶温
度； Si、Mn旳影响次之； Ni旳影响较小。 ➢ 在碳钢中，α相高于400℃开始回复，500℃开始
再结晶。当往钢中加入Co（wCo=2%）时，可将 α相旳再结晶温度升高到630℃。
对高温转变（珠光体转变）旳影响； 对中温转变（贝氏体转变）旳影响； 对低温转变（马氏体转变）旳影响。
9
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
2. AE对高温转变（珠光体转变）旳影响
（1）合金元素对珠光体转变旳综合作用
强碳化物Ti、Nb、V 推迟碳化物旳形核和长大。 中强碳化物形成元素W、Mo、Cr推迟碳化物形核 和长大，还经过增长固溶体原子间结合力、降低铁原 子旳自扩散而减慢γ→α转变。 弱碳化物形成元素Mn推迟珠光体转变时合金渗碳 体旳形核和长大，同步Mn又是扩大γ相区旳元素，起 稳定奥氏体并强烈推迟γ→α转变旳作用。 非碳化物形成元素Ni、Co Ni是开启γ相区并稳定 奥氏体旳元素，增长α相旳形核功，降低转变温度。 Co因为增进铁旳扩散，因而增长α相长大速度。
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钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）
常存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
隐存杂质
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
常存杂质
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
常存杂质对钢性能的影响
锰 锰在钢中作为杂质存在时，一般均小于0.8％ 。它来自作为炼钢原料的生铁及脱氧剂锰铁。锰有很好的脱氧
磷 磷由生铁带入钢中，在一般情况下，钢中的磷能全部溶于铁素体中。 磷有强烈的固溶强化作用，使钢的强
度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。一般希望冷脆转变 温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易产生晶内偏析，使局部地区含磷量偏 高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其它低温条件下工作的结构件具有严重的危 害性，此外，磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。因此，通常情况下，磷也是有害的杂质。在钢中也要 严格控制磷的含量。但含磷量较多时，由于脆性较大，在制造炮弹钢以及改善钢的切削加工性方面则是有利的。
定的强化作用。但硅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响也不显著。
硫 硫是由生铁及燃料带入钢中的杂质。 在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。
由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe可形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在 奥氏体的晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢 材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。为了消除硫的有害作用，必须增加钢中含锰量。锰与硫优 先形成高熔点（1620℃）的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑造性，从而避免了热脆性。 硫化物是非金属夹杂物，会降低钢的机械性能，并在轧制过程中形成热加工纤维组织。因此，通常情况下，硫 是有害的杂质。在钢中要严格限制硫的含量。但含硫量较多的钢，可形成较多的MnS，在切削加工中，MnS能 起断屑作用，可改善钢的切削加工性，这是硫有利的一面。
Ac1至950~1000 Ac1至1050~1200
950~1100
碳钢
低合金钢
高合金工具钢及不 锈钢、耐热钢
Cr7C3
W2C Mo2C Fe3W3C Fe3Mo3C
VC NbC TiC
1600~1800 1200~1300 1800~3200
1665
2830 3500 3200
大于950, 直到熔点
溶质原子大小：r↓，溶解度↑。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。
③间隙位置 优先占据有利间隙位置—— 畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满 —— 最小自由能原理。
Me对Fe-C相图的影响
一、对S、E点的影响
A形成元素均使S、E点向左下方移动， F形成元素使S、E点向左上方移动。 S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C量降低 。
氢氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。又称
白点。
2、合金元素（alloying-element） 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。 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
在钢中加入合金元素后，钢的基本组元 铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。 钢的合金化目的是利用合金元素与铁、碳的 相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影 响来改善钢的组织和性能。
（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子 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
电子结构相似——无限固溶；
结
论
（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，
但电子结构差别大——有限固溶；
（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%， 可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限 固溶； >±15%，溶解度极小。
K类型与Me的原子半径有关。 各元素的rc/rMe的值如下：
Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；
点阵 结构
bcc bcc bcc
bcc或fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
电子 结构
原子半径 /nm
2
0.145
3
0.136
5
0.128
5
0.131
6
0.127
7
0.126
8
0.124
10
0.128
ΔR，% 14.2 7.1 0.8 3.1 — 0.8 2.4 0.8
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
rc/rMe < 0.59 —简单点阵结构，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。
2、相似者相溶
完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
(如B、Nb、Zr等)。
(a)Fe-Cr相图
(b)Fe-Nb相图
(a) Ni，Mn，Co
(b) C，N，Cu
(c) Cr，V
(d) Nb,B等
图1 合金元素和Fe的作用状态
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
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
回火时析出, 大于 650~700时转变为
M6C
少数高合金工具钢
高合金工具钢, 如高速钢, Cr12MoV, 3Cr2W8V等
1150~1300
同上
大于1100~1150 几乎不溶解
含钒大于0.3%的 含钒合金钢
几乎所有含铌、钛 钢种
碳（氮）化物
一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很
合金元素与铁、碳的作用
合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：
与铁形成固溶体； 与碳(氮)形成碳(氮)化物； 在高合金钢中还可能形成金属间化合物。
溶于铁中
几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶 入铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体, 按其 对α-Fe或γ-Fe的作用, 可将合金元素分为扩大 奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。
铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
形成碳化物
合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可分为碳化物形成元 素和非碳化物形成元素两大类。
常见非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B 等。它们基本上都溶于铁素体和奥氏体中。
常见碳化物形成元素 有：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、 Mn 、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排 列)，它们在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗 碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。
4、强者稳，溶解难， 析出难，聚集长大也是难
具有简单晶体结构的碳化物间隙相加热时不 易溶解进入奥氏体中，因而可阻止加热过程中奥 氏体晶粒的长大，细化晶粒。另外，在回火过程 中析出可起二次硬化的作用，并可用于提高耐热 钢的热强性。
MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时， 在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二 次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强 化方法。
合金元素对共析温度的影响
合金元素对共析碳量的影响
二、对临界点的影响
A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。
三、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-相区扩大→钢在室 温下也为A体 — 奥氏体钢；
F形成元素Cr、Si等使γ-相区缩小→钢在高温 下仍为F体 — 铁素体钢。
溶入强者,使K稳定性↑ ;溶入弱者,使K稳定性↓
3、强者先，依次成
K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑， 依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C↑，依 次形成W6C，Cr23C6 ，Cr7C3 , Fe3C。
如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固 溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都 在基体固溶体中。
碳化物类型 M3C M23C6 M7C3 M2C M6C MC
钢中常见碳化物的类型及基本特性
常见碳化物
硬度/HV
熔点/摄氏度
在钢中溶解的温 度范围/摄氏度
含有此类碳化物的 钢种
Fe3C (Fe, Me)3C*
Cr23C6
900~1050 稍大于900~1050
1000~1100
~1650 1550
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度 γFe
0.68
无无无
~1.4 12.8
*
限
限
限
8.5 2.06 2.8
注：有些元素的固溶度与C量有关
不同元素的固溶情况是不同的。为什么? 简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。
常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径
第四 周期
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu