高温合金钢与常温用钢的合金化原理
钢的热处理
• 表面淬火目的： • ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极 限; • ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下， 具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。 • 适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零 件。
火焰加热
感 应 加 热
（二）化学热处理是将工件放在一定的介质 中加热和保温，使介质中的某些元素渗入工 件表层，从而改变表层的化学成分、组织和 性能的热处理工艺。
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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)
钢铁氧化 处理 工艺技术及原理概述
钢铁氧化处理工艺技术及原理概述钢铁氧化处理工艺技术及原理概述2010-07-2600:47钢铁氧化处理工艺技术及原理概述钢铁的氧化处理俗称发蓝(发黑)，因为氧化处理后的零件表面生成的氧化膜呈黑色而得名。
现代工业上钢铁发蓝采用高温型和常温型两种工艺。
无论高温氧化还是常温发黑，膜层厚度均只有0.6μm~1.5μm，故不影响零件的精度。
钢铁经发蓝处理后虽可提高耐蚀性，但效果均不及金属镀层，也不如磷化层。
氧化后的工件经适当的后处理，可明显提高其耐蚀性和润滑性。
钢铁氧化成本较低、工效高、保持精度，又无氢脆危险，常用作机械、精密仪器、兵器和日常用品的一般防护、装饰。
一些对氢脆很敏感的弹簧钢、细铁丝和薄钢片也常用发蓝膜作防护层。
第一节钢铁高温氧化法一、基本原理高温发蓝是将钢铁浸入浓氢氧化钠溶液中，在大于l00℃的高温下氧化处理，氧化膜的主要成分是磁性氧化铁(Fe3O4)。
其实膜层颜色并非都是蓝黑色，它取决于钢铁材料的成分、表面状态和氧化工艺规范。
一般钢铁呈黑色和蓝黑色;铸铁和含硅较高的钢呈黑褐色。
高温发蓝的机理相当复杂，目前尚无定论，有化学反应和电化学反应两种假说。
(I)化学成膜假说。
钢铁表面在热碱溶液和氧化剂作用下生成亚铁酸钠:亚铁酸钠进一步与溶液中的氧化剂反应生成铁酸钠:Na2Fe02和Na2Fe2O4在浓碱中有较大的溶解度，但当两者混合在一起时会互相作用生成四氧化三铁:四氧化三铁在溶液中溶解度小，当浓度达到饱和时结晶出来，先形成晶核，再长大成晶体，最终连成一片完整的膜。
当钢铁表面被氧化膜完全覆盖后，溶液与基体被隔开，铁的溶解和氧化膜的形成都随之降低。
在形成四氧化三铁的同时，铁酸钠容易发生水解变成氢氧化铁，称为红色挂灰，部分存在于溶液中，部分粘附于零件上不易洗脱，影响外观质量。
(2)电化学学说。
钢铁氧化是一个电化学过程，即在微阳极区发生铁的溶解反应Fe-2e→Fe2+，在有氧化剂存在下的强碱溶液中生成铁酸: 而另一方面，在微阴极上FeOOH被还原:FeOOH和HFe02发生中和及脱水反应生成Fe3O4:但并不排除部分Fe(OH)2在微阴极上氧化的可能性:钢铁的氧化速度与化学成分和金相组织有关，通常含碳量高的氧化速度快，氧化温度可低一点，时间可缩短，低碳钢则相反。
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
合金化原理的应用
合金化原理的应用1. 简介合金化是指通过将两种或多种金属进行熔炼、混合或固相反应，使其形成一个新的金属系统的技术过程。
它利用不同金属之间的原子间相互作用，通过特定的工艺条件，使合金具有优异的性能。
合金化技术在材料科学、工程技术和制造业等领域有广泛的应用。
2. 合金化的种类合金化可以分为两类，包括固溶体合金化和化合物合金化。
2.1 固溶体合金化固溶体合金化是指通过将两种或多种金属溶解在一起，形成具有均匀分布的晶格结构的合金。
它可以通过固溶体混合、固溶体反应等方式进行。
固溶体合金化常用来改善材料的机械强度、耐蚀性、耐热性等性能。
固溶体合金化的常见应用包括： - 不锈钢的制备：将铁、铬、镍等元素进行固溶体合金化，可生成不锈钢，具有优异的耐腐蚀性能； - 铝合金的制备：将铝与其他金属（如铜、镁、锌等）进行固溶体合金化，可获得强度高、耐腐蚀性好的铝合金材料。
2.2 化合物合金化化合物合金化是指两种或多种金属元素之间形成化学化合物的过程。
在化合物合金中，金属元素的原子结合形式是固定的，有着严格的比例。
化合物合金常用来改善材料的导电性、磁性、光学性能等。
化合物合金化的常见应用包括： - 磁性材料的制备：将铁、镍、钴等金属与其他元素形成化合物合金，可获得具有特定磁性的材料，如永磁材料； - 半导体材料的制备：将硅、锗等半导体元素与其他金属形成化合物合金，可获得具有特定电学性能的材料，如硅锗合金。
3. 合金化的应用案例3.1 钢材中的合金化钢是一种由铁和碳组成的合金材料，通过在钢中添加其他金属或非金属元素，可以改变钢材的性能。
常见的钢材合金化应用包括： - 不锈钢：通过在钢中添加铬、镍等元素进行固溶体合金化，使钢具有耐腐蚀性能； - 高速钢：通过在钢中添加钨、钼等元素进行固溶体合金化，使钢具有高温硬度和耐热性能； - 合金结构钢：通过在钢中添加硅、锰等元素进行化合物合金化，使钢具有特定的力学性能。
3.2 铝合金中的合金化铝合金是由铝为基体，通过与其他金属形成固溶体合金或化合物合金进行合金化改性的材料。
合金化的一般原理
பைடு நூலகம்
各种合金元素应根据它们与氧亲和力大小、熔点高低以及热物理特征，决定其合理 的加入时间、地点。对于不氧化元素，如镍、镧、铜等，他们与氧的亲和力都比较小， 在吹炼过程中不会发生氧化，而熔化时吸热又比较多，可在加料时或吹炼前期做冷却剂 加入。铜虽不会发生氧化，但易蒸发，最好在初期渣形成后再加。 对于弱氧化元素，如钨、铬等总是以铁合金加入。 对于易氧化的合金元素，如铝、钛、硼、硅、钒、锰、稀土金属等，它们既易被钢 中溶解的氧氧化，也易被渣中∑（FeO）氧化，所以大都加入缶内。 (本节完)
合金化的一般原理
加入某一种或几种合金元素，使其在钢中的含量达到成品规格的操作过程，通称合 金化。冶炼一般合金钢和低合金钢时，合金加入量的计算方法与脱氧剂基本相同，只是 由于加入的合金种类往往较多，因此必须考虑各种合计所带入的合金元素的量或（ 2— 65）变为：
合金加入量
[% M ]规格中限 [% M ]残余 [% M ]其它合金带入 ) （ 出钢量（ kg ) ㎏/炉 [% M ]合金 M
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〕。
合金化原理
2、相似者相溶
完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
(如B、Nb、Zr等)。
(a)Fe-Cr相图
(b)Fe-Nb相图
(a) Ni，Mn，Co
(b) C，N，Cu
(c) Cr，V
(d) Nb,B等
图1 合金元素和Fe的作用状态
铁基固溶体
一、置换固溶体
合金元素在铁点阵中的固溶情况
Me
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
α Fe
~7
(1340℃)
（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；
（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和
电子结构相似——无限固溶；
结
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%， 可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限 固溶； >±15%，溶解度极小。
碳化物类型 M3C M23C6 M7C3 M2C M6C MC
钢中常见碳化物的类型及基本特性
常见碳化物
硬度/HV
熔点/摄氏度
在钢中溶解的温 度范围/摄氏度
含有此类碳化物的 钢种
Fe3C (Fe, Me)3C*
合金化原理-2
当钢中碳量在中等以上时，Cr对奥氏体晶粒有细化作用而Mn却较 明显的促使晶粒长大。 但在低碳钢中，Mn对晶粒度有细化作用，因此在研究普低钢时， 往往以锰来合金化。 我们知道，粗大的晶粒具有较低的自由能，因此晶粒粗化过程 是一个自发过程。那么为什么有的钢晶粒容易变粗而有的钢就不容易？ 最先出现的说法为机械阻碍法：奥氏体晶粒之所以不容易长大， 是由于在晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械的阻 碍了奥氏体晶粒的长大。这种高度弥散的化合物，可以使一些稳定的 碳化物、氮化物，甚至是其它非金属夹杂物。 另一种理论认为合金元素对奥氏体晶粒粗化的作用，是由于合 金元素溶入奥氏体之后，改变了晶界能，因而改变了奥氏体的长大倾 向。还有一种理论则认为合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，在很大 程度上取决于他们改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁 的自扩散系数的变化。
碳化物在奥氏体中的溶解规律
最稳定的化合物的溶解度最低
Cr、Mo、V的碳化物具有最大的溶解 度，是潜在的最有用的合金碳化物， 这是因为当γ→α时，他们最终可 以形成较大的体积份额 Ti、Nb、V的碳化物在奥氏体中的 溶解度随温度的降低而下降。
如果有足够数量的合金元素存在的话，那么合金碳化物将在随 后的冷却过程发生沉淀。
族 周期 2 3 4 5 6 C③④ Sc② Y② La~Lu① ③ Ti① Zr① Hf② V① Nb① Ta② Sn⑤ P④⑤ ⅡA ⅢB ⅣB ⅤB ⅢA B①③ ⅣA ⅤA N① P⑤ As⑤ Sb⑤ Bi④ ⑤ S④ Se④ Te④ ⅥA
7
Ac~Lr① ③
微量痕迹元素对钢性能的有害影响
与痕迹元素相联系的有害效应包括热塑性的降低、 不同形式的脆性以及在淬透性、可焊性和耐蚀性 上有害效应。目前许多研究涉及高质量的不锈钢 或镍基合金，例如选择钢中的合金元素以得到不 同性能，从而使痕迹元素的有害影响变为关键问 题。 当前对痕迹元素有害影响的研究主要集中在晶界 的行为和成分上。其动态再结晶能力是至关重要 的。如果有害痕迹元素存在水平高于ppm范围，那 么即使在低变形下，晶界也会断裂。这些效应可 以通过完全去除有害痕迹元素或者添加一定的有 益痕迹元素来抵消。
钢的热处理
• 加热目的：奥氏体化（动画3-2-1[1]）
1.奥氏体的形成（以共析钢为例）
• 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以共析钢为例
说明 ① 第一步 奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形核。 ② 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和
Fe3C方向长大。
③ 第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏 体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直 至消失。
织时的最小冷却速度。 • 转变在一温度区间进行并随冷
却速度变化 • 转变不均匀，可获得混合组织。
动画lxzhb
② 等温TTT在连续转变中的 应用
• CCT曲线位于TTT曲线右下 方 。 CCT 曲 线 获 得 困 难 ， TTT曲线容易测得。
• 可用TTT曲线定性说明连 续冷却时的组织转变情况。 方法是将连续冷却曲线绘 在C 曲线上，依其与C 曲 线交点的位置来说明最终
电镜下
➢ 贝氏体的性能 ➢ 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 ➢ 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具
有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌 下贝氏体
③ 亚共析碳钢与过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变 • 相同点：都具有转变开始与终了线。 • 不同点：先析出线 • C曲线位置随含碳量变化，共析钢过冷奥氏体最稳定
（1）奥氏体的晶粒度 • 晶粒大小的两种表达方法： ➢ 晶粒尺寸 ➢ 晶粒号N：将放大100倍的金相组织与标准晶粒号图片进行
比较。大小分为8级，1级最粗，8级最细。通常1～4级为
粗晶粒度，5～8级为细晶粒度。
• 本质晶粒度：钢加热到930℃±10℃、保温8小时、冷却后
高温条件对钢材性能的影响
在室温条件下，钢材的金相组织一般都相当稳定。
但是，在高温条件下，金属原子的扩散活动能力增大，钢材的组织结构将不断发生变化。
因而导致钢材的性能发生变化。
温度愈高，原子的扩散能力愈强，在高温下使用的时间愈长，原子扩散得愈多，钢材的组织结构变化也就愈大。
长期在高温条件下工作的钢材，产生危害性的组织变化主要有：珠光体球化、石墨化及固溶体中合金元素的贫化。
常用的各种碳钢及低合金钢大都是珠光体钢。
这种钢的正常组织由珠光体与铁素体组成。
其中，珠光体又是由铁素体和渗碳体呈薄片状相互间夹而成，即片状珠光体。
片状珠光体是一种不稳定的组织，当温度较高时，原子的活动能力增强，扩散速度增加，珠光体中的片状渗碳体逐渐转变成球状，再逐渐聚集成大球团，这种现象称为珠光体球化。
珠光体球化会降低材料的室温强度，在中度球化的情况下，将使低碳钢和低碳钼钢的强度降低10-15，当严重球化时，强度降低约20-30。
另外，珠光体球化还会使材料的蠕变极限和持久强度明显降低，加速高温承压部件在使用过程中的蠕变速度，减少工作寿命，导致钢材在高温和应力作用下的加速破坏。
石墨化主要发生在低碳钢和含钼量0.5的低碳合金钢上。
在高温和应力的长期作用下，这种钢的组织中的渗碳体，自行分解为铁和石墨，这个过程称为石墨化。
开始时，石墨以微细的点状出现在金属内部，以后，逐渐聚集为愈来愈粗的颗粒。
石墨的强度极低，石墨化使金属材料的常温及高温强度下降，冲击韧性下降更大。
如果石墨成链状出现，则非常危险。
长期在高温和应力条件下工作的钢材，由于高温使合金元素原子的扩散能力增加，会导致合金元素在固溶体和碳化物相之间发生转移过程。
那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，会不断地脱溶，而碳化物相中的合金元素会逐渐增多，即合金元素由固溶体向碳化物转移，出现固溶体中合金元素的贫化现象。
合金元素转移的结果，使材料的高温强度（蠕变极限和持久强度）下降。
锅炉技术问答分上中下三贴.如下:锅炉技术问答（上）第二章流体力学基础知识1、什么是流体？什么是可压缩流体与不可压缩流体？一切物质都是由分子组成的。
金属材料学专题二-高温合金和常温合金的合金化原理
高温和常温用钢的合金化原理
华中科技大学
高温和常温用钢的性能要求
共同点 好的强度,韧性,耐蚀性.对承受运动载荷要良好的 抗疲劳性能,承受冲击载荷要有好的冲击韧性. 不同点 • 对于常温用钢,要防止低温脆性,考虑冷脆转变温度 • 对于高温用钢,要求能耐受高温氧化和气体腐蚀, 要有良好的抗蠕变性能,足够的化学稳定性. 对材料来说,高温是恶劣环境,因此对材料的性能 提出更高的要求,选材更为苛刻.
牌号比较
马氏体结构钢(常温)和马氏体耐热钢比较
马氏体结构钢 低碳低合金 低碳中合金 低合金中碳 马氏体时效钢 15MnVB 20SiMn2MoVA 40Cr,40CrNiMo 18Ni,20Ni 马氏体耐热钢 1Cr13
25Si29W2MoVNbNB
高温合金化原理
高温合金钢的合金作用主要有: 合金强化 ① 固溶强化(W,Mo,Cr) ② 沉淀强化(Ti,V,Nb) 提高化学稳定性和耐蚀性 ① 改变氧化膜结构成分(Cr,Al,Si) ② 降低境界腐蚀(RE) 其它 N, B, Co
常温结构钢合金化原理
强化机理 ① 固溶强化(Mn,Si,Cu,) ② 沉淀强化(强碳化合物形成元素Ti,Nb,V) ③ 细晶强化(Ti,Nb,Al,V Cr,Mn,Si) 提高耐蚀性 常温工程结构钢中只要加入少量Cu,P,Ni,Cr以提 高耐大气腐蚀性能
合金元素的作用对比
合金元素 在马氏体结构钢中的作用 在马氏体耐热钢中的作用
Cr
提高淬透性同时提高耐蚀性,在低碳中合 金马氏体结构钢中含量低(不到1%)
形成致密的Cr2O3氧化膜, 提高Fe2O2的形成温度,增 强高温稳定性.Cr含量 9~12wt%
Mo
降低回火脆性,增加淬透性,同时固溶强 化 一般不加
山东科技大学考试复习资料——腐蚀与防护(考试大纲+知识点)
第0章1.腐蚀：指材料在环境作用下引起的破坏或变质。
材料包括金属材料和非金属材料。
环境作用包括化学、电化学、化学—机械、电化学—机械、生物、物理作用。
2.金属腐蚀：指金属表面与周围介质发生化学或电化学作用而遭受破坏的现象。
3.金属腐蚀的类型a)按腐蚀机理金属腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解三大类。
b)按破坏的特征金属腐蚀可分为全面腐蚀、局部腐蚀。
c)按腐蚀环境金属腐蚀可分为大气腐蚀、土壤腐蚀、电解质腐蚀、熔融盐中腐蚀以及高温气体腐蚀等。
4.腐蚀的特点：自发性、普遍性、隐蔽性第一章1.双电层3.电极电位：电极和溶液界面上进行电化学反应并建立起双电层电势跃称电极电势。
4.平衡电极电势电极反应正逆过程的电荷和物质都达到平衡时的电极电势。
5.非平衡电位：当金属浸入不含同种金属离子的溶液中，电极反应不处于平衡状态，电极系统的电位，称为非平衡电位。
6.标准电极电位：溶液中该物质的离子活度为1、温度为298K、气体压力为101325Pa时，电极的平衡电极电位为电极的标准电极电位，用E o表示。
7.8.电位-pH图9.电势—pH图的应用（1）判定电极反应进行的方向。
(2)判断可能的腐蚀行为，估计金属是否稳定，是否发生腐蚀或钝化。
(3)估计腐蚀产物的组分。
(4)预防控制腐蚀的措施。
10.腐蚀电池a)宏观腐蚀电池：阴、阳极可用肉眼或不大于10倍放大镜分辨出来。
b)微观腐蚀电池：金属或合金表面因电化学不均性（化学成分不均一；物质状态不均一；表面膜不均一不完整）而存在大量微小的阴极和阳极构成短路微电池。
11.反应自发进行的条件12.上图中E K为阴极电位，E A为阳极电位，E e,M为金属平衡电极电位，E e，K为阴极平衡电极电位13.腐蚀倾向的判断a)腐蚀反应自由能变化( △G)T.P腐蚀倾向性：(△G)T.P < 0 腐蚀可发生, G值越负反应可能性越大；( △G)T.P > 0 腐蚀不可能发生。
合金化
合金化：为获得所要求的组织结构、力学性能、化学性能或工艺性能而特别在钢中加入某些元素，称为合金化。
合金钢：为金化目的加入其含量有一定范围的元素称为合金元素。
相应的钢称为合金钢钢中的元素：（1）杂质元素1、长存杂质由冶炼工艺所残余的杂质，如Mn,Si,Al是由脱氧剂带入的。
由铝脱氧产生镇静钢，用Mn,Si脱氧的为沸腾钢，还有S,P难以除去。
2、隐存杂质钢中的极其微量的O,H,N,在钢中一定的溶解度，难以测量3、偶存杂质这与炼钢过程中所使用的矿石有关，如Cu、Sn,Pn,Ni,Cr等（2）合金元素:在许多情况下，碳素钢的性能不能满足要求γ相区的影响元素：1、扩大γ相区，合金元素使A3温度下降，A4温度升高，γ相区稳定存在扩大包括两种情况（1）与γ-Fe无限互溶这类元素有Ni,Mn,Co,其作用是开启γ相区，当合金元素量足够大时，刚在室温时为奥氏体组织。
(2)与γ-Fe有限互溶，这类元素是C,N,Cu其作用是扩展γ相区，它们虽然是γ相区扩大，但与γ-Fe有限互溶，C,N与Fe形间隙固溶体溶体，Cu与Fe形成置换固溶体2、封闭γ相区合金元素使A3问温度升高，A4温度下降，γ相区稳定存在缩小，及α相区稳定存在扩大，分两种情况（1）与γ-Fe无限互溶，合金元素加入使A3问温度升高，A4温度下降，并在一定浓度处汇合，γ相区被完全封闭，这类元素有Cr,V当合金元素量足够大时，钢在高温时还为铁素体组织（2）与γ-Fe有限互溶，属于这类元素的有Mo,W,Ti等，γ相区被封闭，在相区上形成γ团3、缩小γ相区这类元素与封闭γ相区相似，但由于出现了金属间化合物，破坏了γ圈，属于这类元素的有B,Nb,Zr等碳化物形成的一般规律：（1）碳化物类型的形成，5，合金钢中碳化物形成元素（V、Cr、Mo、Mn 等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1：rc/rM<0.59 简单密排结构V, Nb, Ta, Zr, Hf, Mo, WMC 型面心立方。
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固溶强化型奥氏体耐热钢 （1Cr14Ni19W2NbB） W，Mo进行固溶强化 B进行晶界强化 碳化物沉淀强化耐热钢 （4Cr13Mn8Ni8MoVNb（GH36）） 沉淀强化相（V，Nb）C为主 或复合的 M23C6 金属间化合物沉淀强化耐热钢（GH132） ω（Cr）=15%左右， 提高钢的化学稳定性 ω （Ni）=25%，和Ti，Al形成 γ`-Ni3（Ti，Al） 产生沉淀强化作用。
高温合金钢中:在 高温时保持足够 的强度和抗蠕变 能力。还可以抑 制合金钢由于火 而引起的脆性。
常温用钢中:钒是 钢的优良脱氧剂。 钢中加0.5%的钒 可细化组织晶粒， 提高强度和韧性。
高温合金钢中:钒 与碳形成的碳化 物，在高温高压 下可提高抗氢腐 蚀能力。
常温用钢中:铌能 细化晶粒和降低 钢的过热敏感性 及回火脆性，提 高强度，但塑性 和韧性有所下降。
常温用钢中:铝是 钢中常用的脱氧 剂。钢中加入少 量的铝，可细化 晶粒，提高冲击 韧性。
高温合金钢中:形 成致密的Al2O3氧 化膜,具有抗氧化 性和抗腐蚀性能， 铝与铬、硅合用， 可显著提高钢的 高温不起皮性能 和耐高温腐蚀的 能力。
常温用钢中:镍能 提高钢的强度， 而又保持良好的 塑性和韧性。
高温合金钢中:镍 对酸碱有较高的 耐腐蚀能力，在 高温下有防锈和 耐热能力。
常温用钢中:在炼 钢过程中加硅作 为还原剂和脱氧 剂,硅能显著提高 钢的弹性极限， 屈服点和抗拉强 度，故广泛用于 作弹簧钢。
高温合金钢中:硅 和钼、钨、铬等 结合，有提高抗 腐蚀性和抗氧化 的作用。
常温用钢中:钼能 使钢的晶主要强化方式: 铁素体型耐热钢（12Cr1MoV） 固溶强化：W Mo Cr 碳化物沉淀强化：V，Ti，Nb→MC W， Mo→M2C & M6C 低Cr →渗碳体（Fe，Cr）3C 高Cr →（Cr，Fe）7C3
马氏体耐热钢(2Cr12MoV，2CrWMoV) 固溶强化：W，Mo 沉淀强化：V，Nb，N 晶界硬化：B 加入W，Mo消除了Cr7C3，形成单一（Cr，Mo， W，Fe）23C6加强了沉淀强化作用 W，Mo，V 提高了回火稳定性 Cr提高了抗氧化性能
高温合金钢中:可 提高抗大气腐蚀 及高温下抗氢、 氮、氨腐蚀能力。 在奥氏体不锈钢 中加铌，可防止 晶间腐蚀现象。
常温用钢中:碳含量 增加,强度升高,塑性 下降
高温合金钢中:热 强性能岁碳含量 的增加而降低
常温用钢中:在结构 钢和工具钢中，铬能 显著提高强度、硬度 和耐磨性，但同时降 低塑性和韧性。
高温合金钢中:形 成致密的Cr2O3氧 化膜,铬又能提高 钢的抗氧化性和 耐腐蚀性,增强高 温时的化学稳定 性。