第二章 钢中的相组成

第二章 合金钢中的相组成
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渗碳体：是铁和碳形成的一 种具有复杂晶格的金属化合 物，用化学分子式“Fe3C” 表示。它的碳质量分数 Wc=6.69％，熔点为1227℃， 渗碳体其力学性能特点是硬 度高，脆性大，塑性几乎为 零。 渗碳体是钢中的强化 相，根据生成条件不同渗碳 体有条状、网状、片状、粒 状等形态，它们的大小、数 量、分布对铁碳合金性能有 很大影响。
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二、间隙固溶体的形成规律
溶质原子的溶解度
解决两 个问题：
溶质原子的
位置
四面体间隙还是八 面体间隙
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1、溶质原子的溶解度规律
a、间隙固溶体都是有限固溶体，它保持着 溶剂金属的晶体点阵。 b、间隙固溶体中溶质的溶解度取决于溶剂 金属的晶体结构和间隙原子的尺寸大小 c、钢常见的间隙原子有B、C、N、O和H。
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§2.1 铁基固溶体
问题：钢中的固溶体有哪些？
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按 溶 质 原 子 所 处 的 位 置
按 基 体 的 不 同
γ 基（奥氏体 基体）-FCC
置换式固溶体 （原子处于Fe的阵点 位置） 间隙式固溶体
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2、钢中碳化物和氮化物的结构性规律
①，所有情况下氮化物和碳化物的晶体点阵，均不同于 相应的过渡族金属晶体点阵； ②，沿周期自左向右（即随族数的增大），发生从体心 立方到面心立方或密排六方点阵的过渡； ③，第ⅣB和第ⅤB的MC型(如VC,TiC)等具有NaCI型面心 立方点阵； ④，第VI的M2C型，如W2C，Mo2C具有复杂六方点阵；
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c，Cr23C6型的M23C6：出现在含大于Cr 为5～ 8%的高合金钢，晶体结构为复杂立方，单胞原子 数为116个。稳定性较Cr7C3高。Cr 原子可以部 分被Fe 、W、Mo 取代。但是W、Mo 在其中的 最大含量只能是取代92个金属原子中的8个。常 用M23C6或(Fe,Cr )23C6表示
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奥氏体：是碳溶于γ-Fe中 的间隙固溶体，用符号 “A”（或γ）表示，呈面 心立方晶格。碳在γ-Fe中 的溶解度要比在α-Fe中 大，在727℃时为0.77%， 在1148℃时溶解度最大， 可达2.11%。 奥氏体是 一种高温组织，稳定存在 的温度范围为 727~1394℃，显微组织 为多边形晶粒，晶粒内常 可见到孪晶（晶粒中平行 的直线条）。
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钢中常见的碳化物(K)(数字表示稳定性,越小越高)
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第二章 合金钢中相组成
问题：钢中可能存在的相有哪些？
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铁基固溶体 §2.1
钢 中 可 能 存 在 的 相
铁素体 奥氏体
马氏体
Fe3C
TiC、W2C、Cr7C3
TiN、CrN
碳化物和氮化物 §2.2
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二、各类碳化物 1、简单点阵类型（ ⅣB和第ⅤB
的MC型）碳化物和氮化物 a，结构特征：金属原子以面心立方结构的方 式排列，较小的C或N原子占据所有可以利用 的八面体间隙，形成NaCl型的晶体结构。
b，特殊性：不是所有的八面体间隙都被间隙原子 占据，其中存在间隙空位。故其化学式的一般形式 是MCx（x≤1，对碳化物，例如V4C3，就是x＝ 3/4=0.75；而对氮化物，由于N原子半径小，故可 以进入四面体间隙，MNx中的x可能会大于或等于1）
说明：
①，当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自 己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称为 合金渗碳体。其中Mn可以在渗碳体中无限溶解，得 到(FeMn)3C；Cr 的溶解度为20%，Mo 在其中的溶 解度较低；V、Nb、Zr 、Ti 几乎不溶其中。 ②，碳化物形成元素的合金元素溶入渗碳体，提高渗 碳体的稳定性，一般而言，越能形成稳定碳化物的元 素溶入渗碳体，越提高渗碳体的稳定性（对其它合金 碳化物亦适应），但是，Mo除外（Mo 溶入渗碳体降 低其稳定性）
d，Fe2Mo4C，Fe4Mo2C等的M6C型： W、Mo 在Cr23C6单胞中数量大于8后， M23C6向M6C转 化，具有复杂立方点阵，单胞原子数112个，是 复合碳化物。因W，Mo 含量高，其稳定性高于 Cr23C6.
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e，渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，(FeCr)3C， (FeMn)3C等，单胞原子数16，
Co Ni
Ga Ge In Ti Sn Pd
Ru Rh Pd Os Ir Pt
①、Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固 溶体。其 中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固 溶体，Cr和V形 成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②、Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如 α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③、Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固 溶体； Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
片状珠光体 球状珠光体
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莱氏体：是由奥氏体和渗碳 体组成的机械混合物。莱氏 体是碳的质量分数Wc=4.3% 的铁碳合金冷却到1148℃时 共晶转变的产物，存在于 1148℃~727℃之间的莱氏体 称为高温莱氏体，用符号 “Ld”表示，存在于727℃以 下的莱氏体称为变态莱氏体 莱氏体的组织特征是， 或称低温莱氏体，用符号 在白亮色铁素体基体上 “Ldˊ”表示。莱氏体的力 均匀分布着许多黑点 学性能与渗碳体相似，硬度 （块）状或条状珠光体 很高，塑性极差，几乎为零。
原子半径减小 在钢中的溶解度增加
d、同一间隙原子(如C）在γ－Fe 中比在α-Fe中具有更大 溶解度
（为什么？）
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2、溶质原子的位置
在面心立方(a,b)和在体心立方(c,d)点阵中的四面体间隙(a,c)与八面体间隙(b,d)
对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 对α-Fe，间隙原子优先占据的位置也是八面体间隙。
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珠光体：是由铁素体和渗 碳体组成的机械混合物， 用符号“P”表示，珠光体 是奥氏体冷却时，在727℃ 发生共析转变的产物，碳 质量分数平均Wc=0.77%。 显微组织为由铁素体片与 渗碳体片交替排列的片状 组织，高碳钢经球化退火 后也可获得球状珠光体。 珠光体力学性能介于铁素 体与渗碳体之间，强度较 高，硬度适中，塑性和韧 性较好。
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马氏体的晶体结构为体心四方 结构（BCT）。马氏体的密度 低于奥氏体，所以转变后体积 会膨胀。板条状马氏体是低碳 钢,其单元立体形状为板条状。 它的亚结构主要是由高密度的 位错组成，所以又称位错马氏 体。片状马氏体则常见于高， 中碳钢，每个马氏体晶体的厚 度与径向尺寸相比很小其断面 形状呈针片状，故称片状马氏 体或针状马氏体.其亚结构主要 为细小孪晶,所以又称为孪晶马 氏体.
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2、复杂点阵类型（ Ⅵ～ⅧB族）碳化物和氮化
物
a，W、Mo 的M2C型和MC型： M2C型的W2C 和Mo2C具有复杂六方点阵，而WC和MoC具有 简单六方点阵 b，Cr7C3等：具有复杂六方点阵，单胞80个原 子，一般出现在含Cr 为3～4%的结构钢，Cr可 以被Fe原子取代，得到Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3 ， 常用(Cr,Fe )7C3或M7C3表示；
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对碳化物和氮化物的补充说明：
①，形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。 稳定性排序：（弱－强） M3C，M7C3，M6C，M2C，MC ②，碳化物稳定性越高，熔点高，溶入A中的温度越高，自 马氏体中析出的温度越高，聚集长大的倾向越小。提高钢的 回火稳定性和回火抗力 ③，碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或服役时不会 发生明显的基体中固溶的合金元素向碳化物中扩散和再分配. 有利于组织稳定，提高高温力学性能，高温用钢的合金化元素 ④，钢中的碳化物和氮化物是这门课程的重点，贯穿整个 课程，必须掌握和很好理解与运用
α 基（铁素 体基体）BCC
（原子处于Fe的点阵 间隙位置）
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一、铁基置换固溶体的形成规律
点阵类型：点阵相同，溶解度大 元素在 置换式 固溶体 中的溶 解条件：
尺寸因素：原子半径越接近，溶解度大
rMe-rFe / rFe <8%
>15%
无限固溶
稳定，而且元素越往左，得到的碳化物的稳定性 越高；元素越往下，得到的碳化物的稳定性亦越 高。对氮化物亦然。——钢中碳化物和氮化物稳 定性一般规律
在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe
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η 、σ 、μ 氧化物、硫化物、 硒化物等
中间相
§2.3
非金属夹杂 §2.4
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铁素体：是碳溶于α-Fe中 的间隙固溶体，用符号 “F”（或α）表示，呈体 心立方晶格，碳在α-Fe中 溶解度极小，室温时仅为 0.0008%，在727℃时达 到最大溶解度0.0218%。 铁素体的显微组织为多边 形晶粒。 铁素体的力学性能特点是 塑性、韧性好，而强度、 硬度低。
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铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素， 形成最稳定的MC型碳化物； 钨、钼、铬是中强碳化物形成元素； 锰、铁是弱碳化物形成元素 合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关： 强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其 溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速 度也较低； 弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较 差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
②、越往下的元素（周期数的增加），金属性（还原性） 越强，约容易失去电子成为阳离子
第二章 合金钢中的相组成 钢中的主体元素是： Fe 、C 钢中的主要相组成是：
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Fe基固溶体和Fe3C
若钢中含有在Fe 左下边的元素会怎么样？
这些元素会取代Fe3C中Fe 元素，形成相应的碳化 物，并且得到的相应碳化物的稳定性比Fe3C的更
Ca Se Sr Y
Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Tc Re Ru Rh Pd Ag Cd Os Ir Pt Au Hg In Ti Sn Sb Pd Bi
Nb Mo Ta W
Cs Ba La
元素周期表关于元素活性的一般规律： ①、越往左的元素（族数的降低），金属性（还原性） 越强，约容易失去电子成为阳离子
ห้องสมุดไป่ตู้
8~10% 有限溶解 很难溶解
电子结构：即在元素周期表中的 位置与铁相差多远
与其 在周 期表 中的 位置 有关
第二章 合金钢中的相组成
Ⅲ B Se Y La ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W Mn Tc Re Fe ⅧB
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ⅠB Cu Ag Au Ⅱ B Zn Cd Hg Al Si P As Sb Bi S Se Te Po
第二章 合金钢中的相组成
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§2.2 碳化物与氮化物
这一节要解决的问题有两个： 1、碳化物与氮化物的一般规律：稳定性规 律和结构规律 2、钢中常见的碳化物和氮化物
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一、碳化物与氮化物的一般规律
1、稳定性规律
Na Mg K Pb Ⅲ B Ⅳ B Ti Zr Hf Ⅴ B V Ⅵ B Cr Ⅶ B ⅧB Ⅰ B Ⅱ B Al Si P S Se Te Po