钢的合金化基础
工程材料学课后习题答案
第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。
2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。
3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、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) ，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。
2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。
ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。
★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室 温下也为A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
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。
钢的合金化原理
钢的合金化原理1.1 碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。
一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。
碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。
它们对碳钢的性能有一定的影响。
1．锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
锰在碳钢中的含量一般小于0.8%，主要固溶于铁中。
此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的MnS 夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。
因为FeS 熔点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。
适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600℃），MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。
必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。
当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。
硅在钢中的含量通常小于0.5%。
由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。
此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。
必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。
2．硫和磷的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。
硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。
硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。
当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。
铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。
此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2 气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。
钢的合金化概论
合金粉末粒度分布
根据需求调整合金粉末粒度分布。
表面处理
喷射后进行表面处理，提高合金层的 附着力和耐腐蚀性。
烧结法
烧结温度控制
烧结气氛选择
控制烧结温度和时间，促进合金元素的固 溶和扩散。
选择合适的烧结气氛，以防止氧化和减少 合金元素的挥发。
烧结助剂添加
晶粒细化
添加烧结助剂促进合金元素的扩散和固溶 。
机械用钢要求具有较高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能 ，以满足各种机械设备的工作需求。
常见机械用钢的种类
包括碳素机械钢、合金机械钢、不锈钢等。
机械用钢的应用范围
广泛应用于各种机械设备的主要零部件制造，如机床、汽车、航 空航天等领域。
工具用钢
工具用钢的特点
工具用钢要求具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，以确保工具 的寿命和准确性。
过量的磷会导致钢的脆性增加。
硫（S）
硫在钢中的作用与磷相似，可 以提高强度和硬度，但会降低
韧性。
硫还可以提高钢的抗腐蚀性 能和耐磨性。
过量的硫会导致钢的脆性增加 。
铬（Cr）
01
02
03
铬可以提高钢的强度和 硬度，同时保持较高的
韧性。
铬还可以提高钢的抗腐 蚀性能和耐磨性。
过量的铬会导致钢的脆 性增加。
钛（Ti）
01
钛可以提高钢的强度和硬度，同时保持较高的韧性。
02
钛还可以提高钢的抗腐蚀性能和耐磨性。
03
过量的钛会导致钢的脆性增加。
铌（Nb）
铌可以提高钢的强度和硬度，同时保持较高的韧性。 铌还可以提高钢的抗腐蚀性能和耐磨性。 过量的铌会导致钢的脆性增加。
03
钢的合金化工艺
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
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。
炼钢过程的物理化学基础
炼钢过程的物理化学基础
炼钢是将生铁或生铁合金通过冶炼、熔炼和精炼等过程，去除杂质和调整合金元素含量，制得具有一定化学成分和性能的钢材。
这个过程涉及多种物理和化学原理，其中一些重要的物理化学基础包括：
1.熔炼原理：
熔融与溶解：高温条件下金属原料被熔化，形成熔体。
在熔体中，不同金属元素能够相互溶解，形成合金体系。
相平衡与相图：钢铁冶炼中考虑不同金属之间的相平衡关系，例如铁碳相图，用于预测在不同温度下金属间的相变情况，指导生产实践。
2.去除杂质与精炼原理：
氧化还原反应：在炼钢过程中，通过氧化还原反应去除杂质。
例如，将氧气通过熔融金属，氧气与不纯净金属反应生成氧化物，再被去除，使金属中杂质减少。
渗碳原理：通过加入碳源（如石墨、焦炭等）来调整钢铁的碳含量，使其满足特定的技术要求。
3.结晶与晶体生长：
凝固过程：当熔体冷却至凝固温度以下时，金属开始凝固成晶体结构。
晶体的形成和排列方式直接影响钢材的力学性能。
晶粒粗化与细化：控制熔体冷却速率，可以影响晶粒的尺寸和形态，从而调节钢材的组织结构和性能。
4.热力学与动力学：
热力学平衡：针对炼钢过程中的温度、压力和化学反应等参数，
进行热力学平衡分析，确保炉内反应能够朝着预期的方向进行。
动力学控制：炼钢过程中，不仅需要考虑热力学平衡，还需考虑动力学控制，即控制熔体的流动和传热，以便有效地去除杂质、调整合金成分。
炼钢过程是一个复杂的物理化学过程，其中涉及多种物质相互作用和反应过程。
理解这些物理化学基础是确保钢铁冶炼过程高效、稳定和品质可控的关键。
钢的合金化原理介绍
扩大γ相区并与γ-Fe 有限互溶的Fe-Me 相图(a)及Fe-C 相图(b)
（2）α相稳定化元素 合金元素使A4降低，A3升高， 在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小 了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为： ①封闭γ相区(无限扩大α相区) 当合金元素达到某 一含量时， A3 与 A4 重合，其结果使 δ 相与 α 相区 连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不 再有 α-γ 相变，与 α-Fe 形成无限固溶体（这类合 金不能用正常的热处理制度）。
3．形成金属间化合物
（ 1 ）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、 电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通 常仅指电子化合物。 （ 2 ）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温 合金中较为重要的金属间化合物是： σ(Cr46Fe54) 、 η(TiFe2) 、 χ(Cr21Mo17Fe62) 、 μ(Co7Mo6) 、 P(Cr18Ni40Mo42) 、 R(Cr18Co51Mo31) 、 Ni3(Al,Ti) 、 Ni3(Al,Nb) 、 δ(TiAl3) 、 γ(TiAl) 、 NiAl 、 NiTi 、 FeAl 、 α2(Ti3Al)等。
Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵 结构，如TiC、VC、TiN、TaC等； Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的点 阵 结 构 ， 如 Cr7C3 、 Cr23C6 、 W2C 、 Mo2C 、 (W 、 Mo、Fe)6C等。
（ 3 ）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比， 是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若 干合金元素的原子所取代。如 (Fe,Mn)3C 、 (Fe,Cr)23C等。
②马氏体形成时产生高密度位错，位错强 化效应很大；
③奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细 小的、取向不同的马氏体束，产生细晶 强化效应。 ④淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒 子，间隙固溶强化效应大大减小，但产 生强烈的析出强化效应。 由此可知，马氏体强化充分而合理地利 用了全部四种强化机制，是钢的最经济和 最有效的强化方法。
钢的合金化原理
1 合金化原理 (1)主要内容： (1)1.1 碳钢概论 (1)一、碳钢中的常存杂质 (1)二、碳钢的分类 (2)三、碳钢的用途 (2)1.2 钢的合金化原理 (3)一、合金元素的存在形式※ (3)二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 (4)三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (5)四、合金元素对钢的热处理的影响 (6)五、合金元素对钢性能的影响 (7)1.3 合金钢的分类 (7)1 合金化原理主要内容：概念：⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。
⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。
⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。
⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。
①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。
②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。
③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。
④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。
1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质1.锰〔Mn 〕和硅〔Si 〕⑴Mn：W％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物〔塑性夹杂物〕，减Mn少钢的热脆〔高温晶界熔化，脆性↑〕％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物，⑵Si：WSi⑶Mn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〕⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。
发生热脆 (裂)。
⑵P：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。
⑶S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〕⑴N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物—机械时效或应变时效〔经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变〕。
金属材料与热处理课后习题
第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。
4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。
（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。
（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。
（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。
5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。
奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。
3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。
并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。
（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。
7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。
第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。
2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。
6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。
7、简述化学热处理的几个基本过程。
渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。
金属材料科学(第一章 钢的合金化)3
γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换 铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
γ’相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。
1. 4 钢的强韧化机制
合金化目的：提高性能
结构钢：力学性能
强度与韧性、塑性的矛盾
综合性能：强度与韧性的匹配
高强钢：韧性 疲劳：表面硬度 耐磨：硬度与韧性
Mn↑，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。
点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈
1.6 钢中微量合金元素的作用
一、钢中常见的微量元素
1 微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土
2 净化、变质、控制夹杂物形态：
B、Ca、Ti、Zr、稀土
3 改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
二、Me的偏聚（segregation）
偏聚 现象
Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.
Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；
20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能
1. 4 钢的强韧化机制
2、提高钢韧性的合金化途径
1）细化晶粒、组织—— 如Ti、V、Mo；
2）提高冶金质量，降低有害元素含量
3）细化K —— 适量Cr、V，使K小而匀 ； 4）细化亚结构—消除粗大组织 5）利用残余奥氏体韧化 6）利用相变诱发韧性
↑回火稳定性 — 如强K形成元素 ；↓回脆 —— W、Mo ； 在保证强度水平下，适当↓含C量
第一章合金基础知识
第一章 合金钢基础知识本章重点难点：合金元素对Fe —Fe 3C 状态图及其对钢的热处理的影响§1.1 钢的合金化碳钢：优点：价格低廉，便于获得，容易加工通过C ％的变化 改善性能缺点：淬透性低，回火抗力差，基本相软弱不能满足一些特殊性能要求 耐热、低温、腐蚀常存元素：对钢的性能影响不大或略有改善的元素合金元素：为了获得一定的组织、性能而使其使用性能和工艺性能得以提高而向钢中加入的化学元素杂质：对钢的性能起恶化作用的元素一、合金元素与铁的作用Fe 同素异构转变：α-Fe −−→−︒C 910γ-Fe −−→−︒C 1405 δ-Fe −−→−︒C 1535L bcc fcc bcc合金元素影响同素异构相在平衡状态下的稳定性，主要是通过合金元素在α-Fe 和γ-Fe 中的固溶度以及对γ-Fe 存在温度区间的影响表现出来的1、扩大A 区1）无限扩大A 区元素（Ni 、Co 、Mn ）：与γ-Fe 形成无限固溶体，与α-Fe 形成有限固溶体2）有限扩大A 区元素 （C 、N 、Cu 、Zn 、Au ）：与γ-Fe 、α-Fe 均形成有限固溶体2、缩小A 区1）封闭A区，无限扩大F区元素（Si、W、Mo、P、Cr、V、Ti、Al、Be）2）缩小A区，不封闭A区元素（B、Nb、Ta、Zr）3、影响因素：合金的点阵类型fcc→fcc bcc→bcc尺寸因素r Me-r Fe/r Fe<8% 无限（必要）8-15% 有限>20％不相溶电化学因素（电子层结构及其相互作用）对γ相区的作用同一周期 Z↑缩小→扩大3d层电子数≤5 缩小A区≥5 扩大A区通常将扩大A区元素称为A形成元素；而将缩小A区元素称为F形成元素二、合金元素与碳的作用按合金元素与C的相互作用分为两大类：1、非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu以溶入α-Fe或γ-Fe中形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al2、碳化物形成元素周期表中，铁左边的过渡族金属，离铁越远→d层电子越不满→与C作用力越强→易形成K，且稳定1)K形成元素：Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn等，既可溶于A和F中，也可与C形成K（比例取决于它们形成K的倾向的强弱程度及含量）合金元素形成K的稳定性的强弱（由强到弱）Ti V Nb W Mo Cr Mn FeTi、V、Nb 强K形成元素，只要有足够的C，在适当条件下，可形成自己特殊的K，仅在缺C的情况下，它们才会以原子状态溶入固溶体中W、Mo、Cr 中强K形成元素，在量少时，多半溶于渗碳体中形成合金渗碳体；而当量多时，可形成新的特殊KMn 弱K形成元素，少量形成合金渗碳体，大部分都溶于F或A中2)K的分类a)r C/r Me>0.59 形成间隙化合物Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C(Fe3 Mo3 C、Fe3W3 C)b)r C/r Me <0.59 形成间隙相（特殊K）：WC、VC、TiC、W2C、Mo2C简单立方结构VC、TiC 点阵中的正八面体间隙并不都有C原子，分子式一定范围内可变简单和密排六方结构W2C、Mo2C、WC、MoC密排六方简单六方热处理时不易溶解于A中，较高硬度，熔点，对二次硬化有重要影响三、合金元素对Fe－Fe3C相图的影响1、E点扩大A区元素随着％增加，E向左下移动缩小A区元素随着％增加，E向左上移动典型例子：18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体（E点的左移）。
钢的合金化基础
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
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。
特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化 物；
型 2. rc/rMe >0.59 引起点阵畸变，形成复杂点阵类
（3）渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等
特点：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。
硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。
铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。
合金元素改变奥氏体区的位置
随Cr含量增加，SE 向左上移，SG向左 上移，使γ区逐渐缩 小。
• 缩小A相区的元素 （Cr，W，Mo，V， Ti，Si等）使S点左 移，A3线上升；
铬对奥氏体相区的影响
合金元素对特征点S、E的影响
奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得奥氏 体温度下降；铁素体 形成元素使A1、A3点 上移，热处理时加热 温度应该提高。
1.1.2 按与C相互作用（亲和力大小）分类
• 非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等
• 碳化物形成元素
Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe
最强
中强
弱
1.1.3 按对奥氏体层错能的影响分类
2．硫（S）和磷（P） S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔
西南交大工程材料学知识点
第一章 钢的合金化基础一、合金元素（Me ）的定义合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。
合金元素: 为合金化所加入的元素。
（主动加入）锰（Mn ） 铬（Cr ） 钼（Mo ） 钨（W ） 钒（V ） 铌（Nb ） 钛（Ti ） 镍（Ni ） 铜（Cu ） 钴（Co ） 硅（Si ） 硼（B ） 氮（N ） 铝（AL ） 稀土（RE ）碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S 、P 、Si 、Mn 、O 、H 、N ……）合金钢（合金化的钢）： Fe+C+合金元素（Me ）+杂质元素杂质元素：混入钢中的元素硫（S ） 磷（P ） 硅（Si ） 锰（Mn ） 氧（O ） 氢（H ） 氮（N ）二、合金元素的分类及性质1、分类a 、按是否形成碳化物（c’）分为：（1）碳化物（c’）形成元素：弱碳化物形成元素，Mn ——Mn 3C （固溶态）；强碳化物形成元素（Me 强）Cr 、Mo 、W 、V 、Nb 、Ti ，其中：Cr 、Mo 、W （部分固溶态，部分化合态），V 、Nb 、Ti （化合态）。
（2）非碳化物形成元素：Ni 、Si 、Al 、B 、Cu 、Co 、RE （固溶态）b 、按对Fe-Fe 3C 相图各区的影响不同分为：（1）扩大F 区元素（固溶态）：Cr 、Mo 、W 、V 、Nb 、Ti 、Al 、Si （提高A 1、A 3，使S 、E 点左上移）。
（2）扩大A 区元素：Ni 、Cu 、Mn 、C 、N （使使S 、E 点左下移）。
2、碳化物（c’）形成元素的性质a 、愈强的碳化物形成元素，形成的碳化物愈稳定。
b 、愈强的碳化物形成元素，总是优先与C 形成C’。
c 、C’中可溶其他合金元素（Me ），当溶入的Me 与C 的结合力大于原C’中的元素与C 的结合力时，溶入后所形成的新C’的稳定性增加，反之亦然。
d 、过剩型C’的强化效果低于沉淀型的C’的强化效果。
三、钢的几种强化机理（1）提高强度阻止位错运动氏气团小尺寸溶质钉扎位错柯滑移面歪扭溶质产生晶格畸变固溶强化→→⎭⎬⎫⎩⎨⎧→:（2）第二相强化：弥散均匀在基体中分布的第二相颗位阻止位错运动，提高强度。
合金钢是在碳钢的基础上
二、合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中可以两种形式存在：一是 溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳 钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中， 按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化 物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用 的合金元素有以下几种：
非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、 Al、N、B；
如在高速钢中虽然含碳量只有0708但是由于e点的左移在铸态下会得到莱氏体组织成为莱图71锰对奥氏体区的影响图72铬对奥氏体区的影响2缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素有铬钼硅钨等使a1和a3温度升高使s点e点向左上方移动从而使奥氏体区域缩小
第七章 工业用钢 通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称，指 所有的铁碳合金。 在工业用钢中除铁、碳之外，还含有其它元 素。分常存元素；偶存元素；隐存元素和合金元 素。常存元素有锰、硅、硫、磷。偶存元素是由 于矿石产地不同（有与铁共存的共生矿混入）及 以废钢为原料，在冶炼及工艺操作时带入钢中， 如铜、钛、钒、稀土元素等。隐存元素是指原子 半径较小的非金属元素，如氧、氢等。合金元素 是指为改变成分特别添加的元素，如铬、镍、钨、 钼、钒等。
当钢中合金元素含量超过一定限度
时，可以生成一些碳钢中没有的新相。 其中最重要的是由强碳化物形成元素生 成的各种合金碳化物（如W2C、VC、 TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热 时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械 性能及工艺性能有很大影响。
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2
5.1.2 合金元素与铁的相互作用
合金元素可以改变铁的同素异晶转变温度 A3 和A4，从而 改变 Fe －Me 二元相图的类型。合金元素对铁的二元相图的影 响，主要可以区分为扩大和缩小 γ相区两类，这两类又可以进 一步划分为两个次类。 1.γ相稳定化元素 使A3 降低，A4 升高，在较宽的温度范围内，促使奥氏体 形成，即扩大了γ相区。根据程度的不同，可以分为：
4
（2）扩展γ相区 虽然γ相区随着合金
元素的加入而被扩大了， 但是由于受到合金元素固 溶度的影响而不能完全开 启。C和N是这种类型的 最重要的元素；Cu、Zn 和Au具有相同的影响。
扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相 图
5
2．α相稳定化元素
使 A4 温度下降， A3 温度升高，在较宽的成分范围内，促 使铁素体形成，即缩小γ相区。根据程度的不同，可以分为： （1）封闭γ相区 许 多 元 素 限 制 γ － Fe 的形成，使相图中 γ 区缩 小到一个很小的面积，形 成 γ 相圈， 如右图所示。当合金元素超 过某一限量后，可以在室温 得到稳定的 γ 相。 Ni 和 Mn 可 使铁的转变抑制到较低的温 度，故由γ区淬火到室温较易 获得亚稳的奥氏体组织。 Ni 和Mn是不锈钢中常用作获得 奥氏体的元素。
扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的 Fe-Me相图
按照合金元素与碳的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。 非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。 （1）形成碳化物的规律性 碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和 力的大小，即取决于合金元素d层电子数。 金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所 形成的碳化物就越稳定。 在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： Hf > Ti > Zr > Ta > Nb > V > Mo > W > Cr > Mn > Fe
5.1 合金元素与铁和碳的相互作用 5.1.1 合金元素及其在钢中的分布
Ⅰ A H Li Na K Pb Cs 0
Ⅱ A Be
Mg Ca Sr Ba Ⅲ B Se Y La Ⅳ B Ti Zr Hf Ⅴ B V Nb Ta Ⅵ B Cr Mo W Ⅶ B Mn Tc Re ⅧB Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Ⅰ B Cu Ag Au Ⅱ B Zn Cd Hg
12
VC晶体结构图
Fe3C晶体结构图
13
（3）碳化物的特性
相对于纯金属而言，碳化物具有高的熔点、分解温度和
硬度，其对钢材的强化能力是很大的； 与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔 点、硬度和耐磨性也越高； 碳化物的稳定性越高，热处理加热时，碳化物的溶解及 奥氏体的均匀化越困难。同样在冷却及回火过程中碳化物的 析出及其聚集长大也越困难。 碳化物稳定性由弱到强的顺序是： Fe3C M3C M23C6 M7C3 M6C M2C MC
Ⅲ A B Al Ga In Ti
Ⅳ A C Si Ge Sn Pd
Ⅴ A N P As Sb Bi
ⅥA O S Se Te Po
Ⅶ A F Cl Br I At
He Ne Ar Kr Xe Rn
钢中常用的合金元素
1
合金元素在钢中的存在形式：
1、合金固溶体，如-Fe (Me) 2、合金渗碳体，(Fe, Me)3C 3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC 4、非金属夹杂，MnS，MnO，SiO2，Al2O3 5、以游离状态存在，如Cu，Pb
14
5.1.4 合金元素对Fe－Fe3C相图的影响
从图中可以看出 α 相和 δ 相 连成一片。 Si 、 Al 和强碳 化物形成元素 Ti 、 V 、 Mo 、 W、Cr均属于这类元素。
封闭γ相区并与-Fe无限互溶的
Fe-Me相图
6
（2）缩小γ相区。 由于受到固溶度的 限制，这类合金元素不 能使γ区完全封闭，故 称为缩小γ相区元素。B 是这一类中的典型元素。
11
金属元素的 C/ Me值如下：
金属 γ c/γ M Fe 0.61 Mn 0.60 C r 0.61 V 0.57 Mo 0.56 W 0.55 Ti 0.53 Nb 0.52 Zr 0.48
1、当 C/rM0.59时，形成 MC 型和M2C型简单点阵的碳 化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。 2、当C/ M >0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型复杂点 阵的碳化物，一般合金钢中常出现的复杂点阵的碳化物为 Cr，Mn，Fe的碳化物或它们的合金碳化物。
7
小结：
合金元素是否为扩大γ相区元素的条件： 1.本身为面心立方点阵； 2.与Fe的电负性相近； 3.与Fe的原子尺寸相近。
以第四周期为例：
Ti 3d24S2 V 3d34S2 Cr 3d54S1 Mn 3d54S2 Fe 3d64S2 Co 3d74S2 Ni 3d84S2 Cu 3d104S1
Bcc
Bcc
Bcc
多型
多型
多型
Fcc
Fcc
8
以Cr为界： 3d层电子数≤ 5时，合金元素为缩小γ相区元素； 3d层电子数≥ 5时，合金元素为扩大γ相区元素。
至于Cr是否为扩大γ相区元素，视其含量而定，Cr的质 量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。
9
5.1.3 合金元素与碳的相互作用
10
（2）碳化物的类型 碳化物中金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点
阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子 在点阵的间隙位置。 如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时， 碳化物就可以形成简单点阵结构。 若这种间隙还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构 稍有变形的复杂点阵结构。 因此碳原子半径( C)和过渡族金属的原子半径( Me)的 比值(C/ Me)决定了可以形成简单还是复杂结构的碳化物。