原子半径有关
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复杂点阵结构K：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度较低，熔点较低，稳定性较差。
M6C 型属于多元复合碳化物，复杂点阵结构， 性能特点：接近简单点阵结构K。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
钢中各种K的相对稳定性，对于K的形成和转变、溶解、 析出和聚集、长大有着极大的影响。
K在钢中的相对稳定性取决于M与C的亲和力的大小， 即取决于M的d层电子数。
（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子
结
结构相似——无限固溶；
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 形成无限固溶体；≤±15%，形成有限固溶体； >±15%，溶解度极小。
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery （休姆－罗瑟里）规律
因此过渡族金属的原子半径(γ M)和碳原子半径(γ C)的比值 (γ C/γ M)决定了K是形成简单密排结构还是复杂结构。
γ C/γ M值
1、当γ C/γ M <0.59时，形成简单点阵K（MC、M2C）
(1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物 如VC、NbC、TiC、ZrC等，这种MC相不具备严格的化学
1.2.1 铁基固溶体 （1）置换固溶体
合金元素在铁中的溶解度
Me Ti V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 α-Fe 解
~7
(1340℃ )
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度
γ-Fe
0.68
~1.4 12.8
无 限
无 限
无 限
8.5 2.06 2.8
注：有些元素的固溶度与C量有关（如Cr） 不同合金元素的固溶情况是不同的，为什么？
K具有正的电阻温度系数、导电特性—表明具有金属键特点
碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。
1.2.2 钢中的碳化物 （2）碳化物的结构
过渡族金属K中，M原子和C原子可形成简单点阵或复杂点阵 结构，M处于点阵结点上，而较小的C处于点阵的间隙位置
若间隙足于容纳C原子 时,K可形成简单点阵结构
若间隙不足于容纳C原子 时,K就形成复杂点阵结构
M的d层电子数↓，与C的亲和力↑，析出的K越稳定。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
部分合金元素的d层电子数
从第四周期看： 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。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
在钢中碳化物的相对稳定性顺序如下： Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni 铪、锆、钛、钽、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1章 钢的合金化概论
本章主要内容
◆ 合金元素与铁的相互作用 ◆ 合金钢中的相组成 ◆ 合金元素在钢中的分布及偏聚 ◆ 合金钢中的相变 ◆ 合金元素对钢强韧化的影响 ◆ 合金元素对钢工艺性能的影响 ◆ 微量元素在钢中的作用 ◆ 合金钢的分类与编号
2
1.2 合金钢中的相组成
3
1.2 合金钢中的相组成
0.145 0.136 0.128 0.131 0.127 0.126 0.124 0.128
/nm
△R，℅ 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 3、△R是合金元素与Fe的原子半径相对差值
（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；
③间隙位置
优先占据有利间隙位置——畸变为最小。 对α -Fe为八面体间隙，对γ -Fe为八面体或四面体间隙 间隙位置总是没有被填满——最小自由能原理 。
1.2 合金钢中的相组成
1.2.2 钢中的碳化物 （用K表示） （1）一般特点 K的类型、大小、形状和分布对钢的性能有重要影响 K具有高硬度、高熔点、脆性大 — 表明具有共价键特点
计算成分和化学式，一般形式是MC，其中0.5≤C≤1。
K中C浓度↓，使K硬度↓
(2)形成六方点阵的碳化物 如Mo2C、W2C、MoC、WC。
γ C/γ M值
2、当γ C/γ M >0.59, 形成复杂点阵碳化物 (1)复杂立方点阵（M23C6、M6C）
如Cr23C6, Mn23C6, Fe3W3C, Fe3Mo3C，Fe4W2C (2)复杂六方点阵（M7C3）
决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是： 点阵结构、原子半径、电子结构 无限固溶必须使这些因素相似
1.2.1 铁基固溶体 （2） 间隙固溶体 ① 有限固溶 C、N、B、O等
②溶解度
溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属点阵结 构不同，溶解度不同，如 γ-Fe与α-Fe
溶质原子大小：Leabharlann Baidu↓，溶解↑。N的溶解度比 C大 ：RN=0.071nm， RC=0.077nm
简单地说：与其点阵类型、电子结构、原子半径有关，即在元素 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
点阵结构 bcc bcc bcc
bcc/fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
电子结构 2 3 5 5 6 7 8 10 原子半径
如： Fe3W3C, Fe3Mo3C，Fe4W2C K也有空位存在；可形成复合K，如 (Cr,Fe,Mo，……）7C3
(Cr,Fe)7C3
(Cr,Fe)7C3
HT250等离子熔覆Fe基合金
HT250等离子喷焊Fe基合金
简单点阵结构K： MC 、 M2C。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。
如Cr7C3，Mn7C3； (3)正交晶系点阵（M3C）
如Fe3C，Mn3C。
M量少时，可形成复合K，如(Cr,M）23C6型
钢中常见的六种碳化物类型：
MC：VC、TiC、NbC，一般为简单面心立方点阵
M2C：例Mo2C、W2C，密排六方点阵； M3C：渗碳体、Fe3C，复杂正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方点阵 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方点阵； M6C：不是一种金属K，复杂立方点阵。
M6C 型属于多元复合碳化物，复杂点阵结构， 性能特点：接近简单点阵结构K。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
钢中各种K的相对稳定性，对于K的形成和转变、溶解、 析出和聚集、长大有着极大的影响。
K在钢中的相对稳定性取决于M与C的亲和力的大小， 即取决于M的d层电子数。
（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子
结
结构相似——无限固溶；
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 形成无限固溶体；≤±15%，形成有限固溶体； >±15%，溶解度极小。
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery （休姆－罗瑟里）规律
因此过渡族金属的原子半径(γ M)和碳原子半径(γ C)的比值 (γ C/γ M)决定了K是形成简单密排结构还是复杂结构。
γ C/γ M值
1、当γ C/γ M <0.59时，形成简单点阵K（MC、M2C）
(1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物 如VC、NbC、TiC、ZrC等，这种MC相不具备严格的化学
1.2.1 铁基固溶体 （1）置换固溶体
合金元素在铁中的溶解度
Me Ti V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 α-Fe 解
~7
(1340℃ )
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度
γ-Fe
0.68
~1.4 12.8
无 限
无 限
无 限
8.5 2.06 2.8
注：有些元素的固溶度与C量有关（如Cr） 不同合金元素的固溶情况是不同的，为什么？
K具有正的电阻温度系数、导电特性—表明具有金属键特点
碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。
1.2.2 钢中的碳化物 （2）碳化物的结构
过渡族金属K中，M原子和C原子可形成简单点阵或复杂点阵 结构，M处于点阵结点上，而较小的C处于点阵的间隙位置
若间隙足于容纳C原子 时,K可形成简单点阵结构
若间隙不足于容纳C原子 时,K就形成复杂点阵结构
M的d层电子数↓，与C的亲和力↑，析出的K越稳定。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
部分合金元素的d层电子数
从第四周期看： 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。
1.2.2 钢中的碳化物 （3）碳化物的稳定性
在钢中碳化物的相对稳定性顺序如下： Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni 铪、锆、钛、钽、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1章 钢的合金化概论
本章主要内容
◆ 合金元素与铁的相互作用 ◆ 合金钢中的相组成 ◆ 合金元素在钢中的分布及偏聚 ◆ 合金钢中的相变 ◆ 合金元素对钢强韧化的影响 ◆ 合金元素对钢工艺性能的影响 ◆ 微量元素在钢中的作用 ◆ 合金钢的分类与编号
2
1.2 合金钢中的相组成
3
1.2 合金钢中的相组成
0.145 0.136 0.128 0.131 0.127 0.126 0.124 0.128
/nm
△R，℅ 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 3、△R是合金元素与Fe的原子半径相对差值
（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；
③间隙位置
优先占据有利间隙位置——畸变为最小。 对α -Fe为八面体间隙，对γ -Fe为八面体或四面体间隙 间隙位置总是没有被填满——最小自由能原理 。
1.2 合金钢中的相组成
1.2.2 钢中的碳化物 （用K表示） （1）一般特点 K的类型、大小、形状和分布对钢的性能有重要影响 K具有高硬度、高熔点、脆性大 — 表明具有共价键特点
计算成分和化学式，一般形式是MC，其中0.5≤C≤1。
K中C浓度↓，使K硬度↓
(2)形成六方点阵的碳化物 如Mo2C、W2C、MoC、WC。
γ C/γ M值
2、当γ C/γ M >0.59, 形成复杂点阵碳化物 (1)复杂立方点阵（M23C6、M6C）
如Cr23C6, Mn23C6, Fe3W3C, Fe3Mo3C，Fe4W2C (2)复杂六方点阵（M7C3）
决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是： 点阵结构、原子半径、电子结构 无限固溶必须使这些因素相似
1.2.1 铁基固溶体 （2） 间隙固溶体 ① 有限固溶 C、N、B、O等
②溶解度
溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属点阵结 构不同，溶解度不同，如 γ-Fe与α-Fe
溶质原子大小：Leabharlann Baidu↓，溶解↑。N的溶解度比 C大 ：RN=0.071nm， RC=0.077nm
简单地说：与其点阵类型、电子结构、原子半径有关，即在元素 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
点阵结构 bcc bcc bcc
bcc/fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
电子结构 2 3 5 5 6 7 8 10 原子半径
如： Fe3W3C, Fe3Mo3C，Fe4W2C K也有空位存在；可形成复合K，如 (Cr,Fe,Mo，……）7C3
(Cr,Fe)7C3
(Cr,Fe)7C3
HT250等离子熔覆Fe基合金
HT250等离子喷焊Fe基合金
简单点阵结构K： MC 、 M2C。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。
如Cr7C3，Mn7C3； (3)正交晶系点阵（M3C）
如Fe3C，Mn3C。
M量少时，可形成复合K，如(Cr,M）23C6型
钢中常见的六种碳化物类型：
MC：VC、TiC、NbC，一般为简单面心立方点阵
M2C：例Mo2C、W2C，密排六方点阵； M3C：渗碳体、Fe3C，复杂正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方点阵 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方点阵； M6C：不是一种金属K，复杂立方点阵。