钢的合金化基础

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（1）开启γ相区 α 相及 δ 相分别处于被封 闭的区域内。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
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5.1.4 合金元素对Fe－Fe3C相图的影响
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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。
Bcc
Bcc
Bcc
多型
多型
多型
Fcc
Fcc
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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。
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5.1.3 合金元素与碳的相互作用
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VC晶体结构图
Fe3C晶体结构图
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（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
合金元素在钢中的存在形式取决于： 1、合金元素本身的性质； 2、合金元素的含量以及碳的含量； 3、热处理条件（加热温度、冷却条件）。
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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：
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
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（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。
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
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（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。
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
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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
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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
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
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（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
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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。