第1章 钢的合金化概论

第一章钢的合金化概论1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？P1P2①S和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性②P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在在冷加工过程中产生冷脆性③杂质元素S、P容易偏聚于晶界，降低晶界结合强度，导致合金钢的回火脆性2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？P12简单点阵结构：硬度较高、熔点较高、稳定性较好。

复杂点阵结构：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。

3.简述合金钢中碳化物形成规律。

P13①强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物②碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难③NM/NC比值决定了碳化物类型④当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构⑤相似者相溶：形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸和电子因素都相似,则两者的K可以完全互溶，否则有限溶解4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？P9①扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动②封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动③S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碳含量减小5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。

①退火态：非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。

优先形成碳化物，余量溶入基体。

②淬火态：Me的分布与淬火工艺有关。

溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。

③回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。

非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ P18Ti、Nb、V等强K形成元素好处：细化晶粒，使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？P30结构钢中，提高马氏体淬透性作用的元素从大到小排列：（B）Mn、Mo、Cr、Si、Ni等作用：①使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求②淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？P28P32提高回火稳定性的合金元素：V、Mo、W、Cr、Mn、Si①使合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度②或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？P24P34第一类回火脆性原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；杂质元素S、P、Bi等偏聚于晶界，降低了晶界的结合强度。

第二类回火脆性原因：钢在450-650℃回火时，杂质元素S、As、Sb等偏聚于晶界；或N、P、O 等杂质元素偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。

①避免在形成低温回火脆性温度范围内回火，或采用等温淬火、快速回火等减弱起脆性倾向②尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内回火，如不可避免，应减少回火脆性温度下停留的时间，回火后快速冷却③加入适量的Mo、W元素④选用细晶粒钢或冶金质量好的高纯净钢10.就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：V、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni。

P12 P18P28 P25 P22 P24小结：V、Mo、W、Cr、Mn是K形成元素，细化晶粒，提高钢的回火稳定性。

Si、Ni是非K形成元素，增大钢中的碳活度，钢的脱C、石墨化倾向较大。

V、Mo、W、Cr阻止A晶粒长大，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性Mn在低碳钢中细化P，所以起细化晶粒的作用，在中高碳钢中促进A晶粒长大。

非K形成元素Si、Al量少时，如果以化合物形式存在，则阻止A晶粒长大，含量较大时，存在于α固溶体，可能使钢在高温时也为α相，促进高温α晶粒长大非K形成元素Ni、Co、Cu对A晶粒长大的影响不大V、Mo、W、Cr、Si是F形成元素，固溶强化效果显著（强度增加，韧性减小）Ni、Mn是A形成元素，降低A3温度使A在更高的温度下发生转变，从而细化F 晶粒和P组织，↑钢的强度和韧度。

V、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。

淬火时，可用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。

B、Mn、Mo、Cr、Si、NiV、Mo、W、Cr、Mn提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢； Si提高低温回火稳定性 Ni的影响不大V、Mo、W、Ti、Al改善回火脆性（Mo、W能有效地抑制有害元素的偏聚，改善回火脆性）Si推迟低温回火脆性温度区Cr、Mn、Ni促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向总结：11.根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr 、40CrNi 、40CrMn 、40CrNiMo答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：（B)、Mn 、Mo 、Cr 、Si 、Ni ，而合金元素的复合作用更大。

①淬透性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr P30②回火稳定性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr P22③奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn>40Cr >40CrNi >40CrNiMo P18④韧性：40CrNiMo>40CrNi>40CrMn>40Cr （Ni 能够改善基体的韧度）P27 P28 ⑤回火脆性：40CrNi>40CrMn>40Cr>40CrNiMo （Mo 降低回火脆性）P24V Mo W Cr Mn Si Ni K 形成倾向 强K 中强K 中强K 中强K 弱K 非K 非KA 晶粒长大倾向大大 阻碍中等 阻碍中等 阻碍中等 阻碍低C 钢细P 高C 钢促进 少量，以化 合物存在，阻碍影响小F 的力学 性能 ↑强度↓韧性 同上 同上 同上 ↑强度 ↑韧度 ↑强度↓韧性 ↑强度↑韧度 淬透性 增加 增加 增加 增加 增加 增加 增加回稳性提高提高提高提高 提高 ↑ 低温 回稳影响不大回脆性改善↓↓促进促进推迟低温回脆，促进高温回脆促进12.为什么W、Mo、V等元素对珠光体转变阻止作用大，而对贝氏体转变影响不大？P20①对于P转变，不仅需要C的扩散和重新分布，而且还需要W、Mo、V等K形成元素在A中的扩散，而间隙原子碳在A中的扩散激活能远小于W、Mo、V等置换原子的扩散激活能，所以W、Mo、V等K形成元素扩散是P转变时K形核的控制因素。

V主要是通过推迟P变时K的形核与长大来提高过冷奥氏体的稳定性W、Mo除了推迟P变时碳化物形核与长大外，还增大固溶体原子间的结合力、铁的自扩散激活能，从而减慢γ→α转变。

②贝氏体转变是一种半扩散型相变，除了间隙原子碳能作长距离扩散外，W、Mo、V等置换原子都不能显著地扩散。

W、Mo、V改变贝氏体动力学转变过程，增长转变孕育期，减慢长大速度，但作用比Cr、Mn、Ni小。

13.为什么钢的合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明合金元素复合作用的机理。

P43答：①Me有共性的问题，但也有不同的个性。

②不同元素的复合，其作用是不同的，一般都不是简单的线性关系③元素之间的交互作用很复杂，有时某些元素的存在还影响了其他元素的存在形式。

④Me能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，因此材料的合金化设计都存在不可避免的矛盾。

所以通过合金元素的复合能够趋利避害，使钢获得优秀的综合性能。

例子：①Nb-V复合合金化：由于Nb的化合物稳定性好，其完全溶解的温度可达1325-1360℃。

所以在轧制或锻造温度下仍有未溶的Nb，能有效地阻止高温加热时A晶粒的长大，而V的作用主要是沉淀析出强化。

②Mn-V复合：Mn有过热倾向，而V是减弱了Mn的作用；Mn能降低碳活度，使稳定性很好的VC溶点降低，从而在淬火温度下VC也能溶解许多，使钢获得较好的淬透性和回火稳定性。

14.合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？答：当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在时，降低淬透性。

16.合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？P28答：①强K形成元素Ti、Ni、V、W、Mo等及元素Al细化A晶粒②强K形成元素提高钢的回火稳定性③元素Ni改善基体韧度④适量的Cr、V，细化碳化物适量的Cr、V⑤W、Mo降低或消除钢的回火脆性⑥在保证强度水平下，适当降低含碳量，提高冶金质量⑦通过合金化形成一定量的残余奥氏体17.40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透直径Dc分别为25-30mm、40-60mm、60-100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。

P30答：①在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：(B)、Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。

②Cr、Ni、Mo都能提高淬透性，40Cr、40CrNi、40CrNiMo单一加入到复合加入，淬透性从小到大。

③较多的Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，而Mo提高淬透性的作用非常显著。

18.钢的强化机制有哪些？为什么一般钢的强化工艺都采用淬火-回火？P25答：固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相强化。

因为淬火+回火工艺充分利用了四种强化机制，使钢的机械性能的潜力得到了充分的发挥，所以获得马氏体并进行相应的回火是钢的最经济有效的综合强化手段(1)淬火后获得的M是C在α-Fe 中的过饱和间隙固溶体,碳原子起到了间隙固溶强化效应。

(2)M形成后，A被分割成许多较小的取向不同的区域，产生了细晶强化作用。

(3)淬火形成M时，M中的位错密度增高，从而产生位错强化效应。

(4)淬火后回火时析出的碳化物造成强烈的第二相强化，同时也使钢的韧性得到了改善。

综上所述：从而使钢的机械性能的潜力得到了充分的发挥。

所以获得马氏体并进行相应的回火是钢的最经济最有效的综合强化手段。

19.试解释40Cr13已属于过共析钢，而Cr12钢中已经出现共晶组织，属于莱氏体钢。

P9答：①因为Cr属于封闭γ相区的元素，使S点左移，意味着共析碳量减小，所以钢中含有Cr12%时，共析碳量小于0.4%，所以含0.4%C、13%Cr的40Cr13不锈钢就属于过共析钢。