【最新】一章节钢铁中合金元素
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第一章钢铁中的合金元素1
Co虽不阻碍扩散，但↑固溶体的原子结合力， 也使析出相不易长大。
合金元素对淬火钢回火转变的影响
扩大γ相区元素降低了 A3温度，也降低了A1温度； 缩小γ相区元素升高了A3 温度，也升高了A1温度
合金元素对铁碳相图的影响
3、改变了共析体的含碳量
所有的合金元素都降低共析点碳含量，使共析点左移
合金元素对铁碳相图的影响
总结：合金元素对临界点Fe-C相图的影响可由 下表表示
合金元素添加量使C≤0.8%的钢中出现共析组织; 合金元素添加使C≤2.11%的钢中出现合金莱氏体
合金元素对淬火钢回火转变的影响
对残余奥氏体分解的影响
↑残余γ分解温度，合金钢中γ′甚至加热至500—700℃也 不分解成珠光体等产物，但析出C化物使γ′在回火随后的冷 却时转变为M，这种现象称为二次淬火。 含V、Mo等元素的合金钢回火的二次硬化效应：随回火温度 的升高，硬度不是持续下降，而是在600℃左右有硬度最高点。
铁素体不锈钢： 加入大量的Cr、Si等铁素体形成元素， 如 Cr25Ti
与Fe形成代位固溶体的合金元素，扩大或缩 γ 相区的能力与它们在α-Fe和γ－ Fe中的溶解 度有关, 主要有3个影响因素: （自学） 1.合金元素与铁元素电子结构的差异; 2.合金元素与铁元素点阵类型的差异; 3.合金元素与铁元素原子尺寸因素的差异
热力学解释合金元素 对相区的作用
H－－－元素在相中的摩尔焓； H －－－ 元素在相中的摩尔焓； H ＝ H － H H < 0， 元素扩大相区
H > 0, 元素扩大相区
第二节 合金元素与钢中晶体 缺陷的相互作用
合金中的晶体缺陷：晶界、相界、亚晶界、位错等
溶质原子与晶界结合 溶质原子与位错结合 晶界偏聚 柯垂尔气团，C、N
第一章 钢铁中的合金元素.
因此，过渡族金属元素可依其与碳的结 合强度的大小分类： 1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素； 2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元 素； 3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。
强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定， 其溶解温度也较高，而溶解速度较慢，析 出后聚集长大速度也较低。 MC型碳化物：由强碳化物形成元素Ti、 V、Nb、Zr形成，在900℃以上才开始溶 解于γ-Fe中，1100℃以上才大量溶解， 在500～700℃范围析出时，具有较低的 聚集长大速度，因而可以成为钢中的强化 相。
第三节 钢中的碳化物和氮化物
1、碳化物的类型 当rc／rM＜0.59时．形成简单密排
结构的间隙化合物； 当rc／rM＞0.59时，形成复杂结构 的间隙化合物。
简单点阵碳化物结构示意图
复杂点阵碳化物结构示意图
简单点阵的碳化物，也叫间隙相，主要 有MC和M 2C类型。 复杂点阵的碳化物 主要有 M 23C6 、 M 7C3和 M 3C类型。 钢中由于 Fe－Me－C三种元素存在，还 会形成三元碳化物 ，包括 MC、M 2C、 M 23C6 、 M 7C3、 M 3C 和 M 6C六种 类型。
M2C型碳化物：主要是中强碳化物
形成元素W和Mo形成的，在钢中的 稳定性较差，但仍可做500~650℃ 范围的强化相。
M23C6型碳化物：Cr23C6的稳定性
更差，只有在少数耐热钢中，经过 综合合金化后，才有较高的稳定性， 例如（Cr，Fe，V，Mo，W）23C6 可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化 相。 M7C3及M3C型碳化物：很容易溶解 和析出，并有较大的聚集长大速度， 因此不能作为高温强化相。
2、扩大α区的元素（铁素体形成元素）
钢铁中的合金元素
钢铁中的合⾦元素1 钢铁中的合⾦元素1.1 概述碳素钢的⽣产应⽤有着漫长的历史，其⼒学性能和⼯艺性能可以满⾜制造⼤多数机械零件和⼯程结构件的要求，⽽且⽣产成本低廉，因此被⼤量使⽤。
但是，碳素钢存在⼀些不⾜之处。
低碳钢有良好的塑性、韧性，但强度、硬度低。
通过提⾼碳含量，可以提⾼碳素钢的强度和硬度，但同时导致其塑性、韧性明显下降，因此，碳素钢的综合⼒学性能差。
随着温度的上升，钢的强度、硬度呈下降趋势。
在200 ?C以上，碳素⼯具钢的强度、硬度与室温相⽐将显著下降，不能满⾜切削的要求。
如果碳素钢制作的零部件⽤于在更⾼温度（＞450 ?C）下长时间⼯作的设备（如⽕⼒发电站的锅炉、管道、汽轮机，内燃机、喷⽓发动机的零件，加热炉的构件等）中，将发⽣蠕变⽽不能继续服役，或因断裂⽽导致事故。
在250 ?C以上，与空⽓接触的碳素钢会快速氧化。
在腐蚀性介质中碳素钢是不耐蚀的，⾮常容易⽣锈。
降低温度时，碳素钢的屈服强度迅速升⾼，⽽断裂强度下降，⼗分容易脆断。
碳素钢的淬透性差，淬⽕时必须采⽤冷却能⼒⼤的淬⽕剂，这将使⼯件中的热应⼒过⼤，可能导致零件发⽣形变，甚⾄开裂，故不可⽤作形状复杂的零件。
⽤碳素钢制作的⼤型零部件则可能⽆法淬透。
碳素钢淬⽕后回⽕时，强度、硬度下降很快，即不具有回⽕稳定性，不能获得优良的综合⼒学性能。
碳素钢为铁磁性的，但某些特定的条件下要求材料为顺磁性的。
另外，碳素钢不能抵抗辐照损伤。
总之，碳素钢的综合⼒学性能差、耐热性差、耐腐蚀性差、低温性能差、淬透性低、回⽕稳定性差以及不能满⾜某些特殊要求等。
随着科学技术的发展，⼈们对钢铁材料提出了更⾼的性能要求。
为了改善钢铁材料性能，使其应⽤于更⼴泛、更重要的领域，⼈们开发了合⾦钢。
合⾦钢是在碳素钢的基础上有意加⼊⼀种或⼏种元素⽽形成的铁基合⾦。
通常，我们把这些元素称为合⾦元素。
同样，在普通铸铁的基础上加⼊合⾦元素以形成合⾦铸铁或特殊铸铁，可以改善其性能⽽⽤于某些耐磨、耐热、耐腐蚀的特殊领域。
《钢铁中的合金元素》课件
自动化生产线
研发自动化生产线技术，减少人工干预，降低劳 动强度，提高生产安全性和稳定性。
3
智能检测与质量控制系统
应用智能检测技术和质量控制系统，实时监测生 产过程中的各项参数，确保产品质量和稳定性。
THANK YOU
感谢观看
钢铁产业的发展对于一个国家的经济 发展至关重要，它为其他产业提供了 必要的原材料。
钢铁的强度和耐久性
钢铁具有高强度、高韧性和耐腐蚀等 特性，使其成为许多工程项目的理想 选择。
合金元素在钢铁中的作用
合金元素对钢铁性能的影响
01
通过添加合金元素，可以改善钢铁的性能，如提高强度、硬度
、耐腐蚀性等。
合金元素对钢铁加工性能的影响
钢材的分类与用途
01
02
03
钢材分类
根据合金元素含量和用途 ，可将钢材分为低合金钢 、中合金钢、高合金钢等 。
钢材用途
建筑、机械、汽车、船舶 、航空航天等领域的结构 和零部件制造。
典型钢材
如桥梁用钢、汽车用钢板 、高速铁路用钢轨等。
钢材的质量控制与检测
质量控制
在生产过程中，对原材料、熔炼 、浇注、轧制等环节进行严格的 质量控制，确保钢材的质量稳定
高温、低温环境适应性
研发能够在极端温度环境下稳定工作的钢铁材料，扩大钢铁材料的 应用范围。
抗腐蚀、抗氧化性能
提高钢铁材料的耐腐蚀和抗氧化性能，延长使用寿命，降低维护成 本。
环保型合金元素的开发与应用
低毒、低污染
开发新型的环保型合金元 素，降低生产过程中有害 物质的排放，减少对环境 的污染。
资源高效利用
磷（P）
总结词
影响钢材的塑性和韧性
详细描述
磷在钢铁中主要作为杂质存在，对钢材的塑性和韧性有一定影响。磷含量过高会导致钢材脆性增加， 降低其延展性和冲击韧性。因此，磷含量需要控制在一定范围内。
研发自动化生产线技术，减少人工干预，降低劳 动强度，提高生产安全性和稳定性。
3
智能检测与质量控制系统
应用智能检测技术和质量控制系统，实时监测生 产过程中的各项参数，确保产品质量和稳定性。
THANK YOU
感谢观看
钢铁产业的发展对于一个国家的经济 发展至关重要，它为其他产业提供了 必要的原材料。
钢铁的强度和耐久性
钢铁具有高强度、高韧性和耐腐蚀等 特性，使其成为许多工程项目的理想 选择。
合金元素在钢铁中的作用
合金元素对钢铁性能的影响
01
通过添加合金元素，可以改善钢铁的性能，如提高强度、硬度
、耐腐蚀性等。
合金元素对钢铁加工性能的影响
钢材的分类与用途
01
02
03
钢材分类
根据合金元素含量和用途 ，可将钢材分为低合金钢 、中合金钢、高合金钢等 。
钢材用途
建筑、机械、汽车、船舶 、航空航天等领域的结构 和零部件制造。
典型钢材
如桥梁用钢、汽车用钢板 、高速铁路用钢轨等。
钢材的质量控制与检测
质量控制
在生产过程中，对原材料、熔炼 、浇注、轧制等环节进行严格的 质量控制，确保钢材的质量稳定
高温、低温环境适应性
研发能够在极端温度环境下稳定工作的钢铁材料，扩大钢铁材料的 应用范围。
抗腐蚀、抗氧化性能
提高钢铁材料的耐腐蚀和抗氧化性能，延长使用寿命，降低维护成 本。
环保型合金元素的开发与应用
低毒、低污染
开发新型的环保型合金元 素，降低生产过程中有害 物质的排放，减少对环境 的污染。
资源高效利用
磷（P）
总结词
影响钢材的塑性和韧性
详细描述
磷在钢铁中主要作为杂质存在，对钢材的塑性和韧性有一定影响。磷含量过高会导致钢材脆性增加， 降低其延展性和冲击韧性。因此，磷含量需要控制在一定范围内。
《钢铁中合金元素》课件
合金元素的重要性
1
提高耐腐蚀性
2
某些合金元素具有良好的耐腐蚀性能，
可以延长钢铁的使用寿命。
3
提高强度和硬度
合金元素的添加可以增强钢铁的强度和 硬度，使其能够承受更大的力和压力。
改善热处理特性
合金元素的引入可以改善钢铁的热处理 特性，使其更容易加工和塑性变形。
常见的合金元素
铬（Cr）
铬可以增加钢铁的硬度和耐腐蚀性，常用于不 锈钢的生产。
《钢铁中合金元素》PPT 课件
欢迎大家参加今天的钢铁学术分享！本课件将深入探讨钢铁中的合金元素， 以及它们在钢铁生产中的作用和影响。让我们一起来探索这个令人着迷的话 题吧！
什么是合金元素？
合金元素是指通过将其他金属或非金属元素与铁相互溶解，形成钢铁中的微观组织结构的元素。合金元素的加 入能够显著改变钢铁的性能和特性。
建筑行业
合金元素在建筑行业中被广泛应 用，以提高钢铁的强度、耐候性 和抗震性。
石油钻井
合金元素在石油钻井中的应用， 可以提高钢铁的耐腐蚀性和高温 性能，延长钻井设备的寿命。
合金元素对钢铁性能的影响
1 强度
2 耐腐蚀性
合金元素的添加可以显著 提高钢铁的强度，使其具 有更好的抗压和抗拉性能。
某些合金元素的引入可以 增强钢铁的耐腐蚀性，延 长其在恶劣环境中的使用铁的硬度和韧性，常用于制造结 构钢和耐火钢。
钼（Mo）
钼可以提高钢铁的强度和耐蚀性，常用于高强 度钢和耐腐蚀钢的制造。
钛（Ti）
钛可以提高钢铁的耐腐蚀性和高温性能，常用 于航空航天等领域。
合金元素在不同钢铁产品中的应用
汽车制造
合金元素在汽车制造中起到提高 强度和耐腐蚀性的作用，保证汽 车的安全性和可靠性。
第一章-钢铁中的合金元素
在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结 果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线。
2）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析 曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线；右边
一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条 水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线 和转变结束温度Mf线。
过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C曲线， 反应了“温度－时间－转变量”的关系，所以C曲线又称 为 TTT 图 （ Temperature-Time － Transformation Diagram）。
第一章 钢铁中的合金元素
第一节 合金元素对合金相图的影响 第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作用 第三节 合金中的化合物 第四节 合金元素对钢在加热时转变的影响 第五节 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 第六节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
第一节 合金元素对合金相图的影响
钢铁合金化的必要性
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
0.77％
第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作 用
相互作用的方式
从系统的能量考虑,基于原子的尺寸因素和电子因素 等因素,合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用.以下是 两种主要的作用方式:
晶界偏聚: 溶质原子与界面结合;
柯氏气团: 溶质原子与位错作用.
相互作用机理
产生晶界偏聚和柯氏气团的主要原因是溶质原子与基 体原子的弹性作用.概括起来有以下几点: 1) 溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高(主要是与
1.1钢中的合金元素
2.扩展γ相区的元素
A4
铜、碳和氮虽然使γ相区扩大，
但在γ铁中有限溶解，如图。
A3
除此之外，其他元素都是缩小γ相区，属于 铁素体形成元素，
11
➢铁素体形成元素
使A3温度上升，A4温度下降.
1.封闭γ相区的元素
铬和钒与α铁无限互
溶，如图.
A4
A3
2.缩小γ相区元素
其他元素与α铁都是有限溶解。
如图。
A4
制备工艺
合金钢
性能
5
第一节 铁基固溶体—合金相图
所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶 剂类型的合金相。
6
铁基固溶体有哪些？
铁的同素异晶转变:
910℃
1390℃
α-Fe←——→γ-Fe ←———→δ-Fe
A3线
A4线
各种合金元素在α(δ)铁和γ铁中具有不同的溶解度，因而 影响到δ—γ或γ一α转变的温度和α(δ)铁和γ铁基固溶体 的稳定温度和浓度范围。
4
中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内 的钢。 高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 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。 杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而 带入的化学元素。
组织
合金元素 （化学成分）
晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
β Cg exp( E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
第一章钢中的合金元素
B
Al
C
Si
N
P As Sb Bi
O
S Se Te Po
F
Cl Br I At
Ne
Ar Kr Xe Rn
Na Mg K Pb Cs Ca Sr Ba
Ga Ge In Ti Sn Pd
Ru Rh Pd Os Ir Pt
说明：表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常 见合金元素； 说明：S, P, As, Sb, Pb, Sn, Bi通 常为有害元素，但S，P， Pb在易切削钢中用来改进 切削加工性能 。
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
合金钢的分类
按合金元素的总含量的多少分为：
高合金钢（合金元素含量>10%），
中合金钢（合金元素含量在5~10%）；
低合金钢（合金元素含量<5%）
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
§1.2 合金元素的分类及对铁基二元相图 的影响（作用）
一、合金元素的分类： 铁族金属：Co、Ni、Mn 难熔金属：熔点比Fe高的金属（或大于 1800℃）W、Mo、Nb、V、Cr 轻金属：密度小于4.5g/cm3,Al Ti Li Mg 稀土金属：镧系和锕系
按 成 分 分
碳钢
不锈钢：
特殊性能钢：耐热钢、抗氧 化钢、易切削钢、抗磁钢等
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
按平衡或退火组织：共析钢、亚共析钢、过 共析钢、莱氏体钢
按 金 相 组 织 分
按正火组织：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体 钢、奥氏体体钢
按加热冷却过程有无相变和室温金相组织组 织：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢、双相 钢（F+A）
绪论与第一章
钢铁中的合金元素
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
二、碳钢的分类（1）
1．按钢中的碳含量
1600 C 1400 C
d L
1200 C
g
（1）按Fe-Fe3C相图分类 亚共析钢： 0.0218%≤wc≤0.77% 共 析 钢： wc =0.77% 过共析钢： 0.77%＜wc≤2.11% （2）按钢中碳含量的多少 分类 低碳钢： wc ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
三、碳钢的用途（13）
4-一般工程用铸造碳素钢 （1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复 杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含 量一般小于0.65%。 （2）牌号用符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语 拼音字头）加上最低屈服点值-最低抗拉强度 值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于 340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。 （3）典型的碳素铸钢（表1-4）
三、碳钢的用途（8）
（4）优质碳素结构钢共有31个钢号（表1-2）。
08F钢：碳的质量分数低、塑性好，强度较低。 可用于各种冷变形加工成型件。
10~25等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制 造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制 造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐 磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、 摩擦片、水泥钉等。
炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形 成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 MnS在高温下具有 一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条 状沿轧向分布。 Si：在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成 SiO2夹杂物。 Mn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。
钢铁中的合金元素
β
Cg C0
E exp( ) RT
引起晶界偏聚的因素: 1、溶质与基体原子尺寸差异大，即 E↑→β ↑； 2、溶质在基体中的固溶度，即 Co↓→β ↑；
3、温度低，即 T↓→β ↑。
备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。
晶界偏聚的其它问题 溶质原子的偏聚温度表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
（c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样，
置于水中快冷； （d）磨制金相试 样，并观察显微 组织。
在不同温度重复上述等温转变试验，可根据试验结 果绘制出奥氏体钢的等温冷却曲线。
2）过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析 曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线；右边
一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条 水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线 和转变结束温度Mf线。 过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C曲线， 反应了“温度－时间－转变量”的关系，所以C曲线又称 为 TTT 图 （ Temperature-Time － Transformation Diagram）。 在 C 曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变 的时间不同，这段时间称为“孕育期”。其中，以 C 曲
间距：0.03～0.08μm，2000 × 羽毛状：在平行密排的过饱和F 板条间，不均匀分布短杆（片状） Fe3C ,脆性大，工业上不应用
B上 550～350
F饱和+ Fe3C F饱和+ Fe2.4C
半扩散型 （只有C 扩散）
B下 350～240
板状：低碳钢中， F和 Fe2.4C 的复相组织。 片状：高碳钢中，复相组织。
3) 合金碳化物：VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6
1.钢铁中的合金元素
Chapter 1 钢铁中的合金元素几个基本概念合金元素：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。
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。
碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。
合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。
低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。
中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。
高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。
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）1.锰（Mn ）和硅（Si ）：炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。
可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。
MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。
Si：在钢中的含量通常小于0.5%。
可固溶，也可形成SiO2夹杂物。
Mn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）S：在固态铁中的溶解度极小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。
发生热脆(裂)。
P：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。
S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）N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。
N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。
H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。
O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。
N、H、O是有害杂质。
二、碳钢的分类（1）1．按钢中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77% 共析钢：wc =0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% （2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：wc ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢：wc＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%（2）优质碳素钢：wS≤0.035%，wP≤0.035% （3）高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03% （4）特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。
钢铁中的合金元素-版演示课件-精选.ppt
一、碳钢中的常存杂质（1）
1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）
炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形
成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 MnS在高温下具有 一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条 状沿轧向分布。 Si：在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成 SiO2夹杂物。 Mn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。
静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代
号为TZ。
..,
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
三、碳钢的用途（1）
1-普通碳素结构钢
（1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通 常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒 钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋 等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。 应用量很大（钢总产量的70%以上）。
几个基本概念（1）
• 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。
• 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。
• 碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳 合金。
• 合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素 的钢 。
..,
Chapter 1 钢铁中的合金元素
..,
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
一、碳钢中的常存杂质（2）
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，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。 P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特
1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）
炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形
成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 MnS在高温下具有 一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条 状沿轧向分布。 Si：在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成 SiO2夹杂物。 Mn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。
静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代
号为TZ。
..,
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
三、碳钢的用途（1）
1-普通碳素结构钢
（1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通 常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒 钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋 等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。 应用量很大（钢总产量的70%以上）。
几个基本概念（1）
• 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。
• 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。
• 碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳 合金。
• 合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素 的钢 。
..,
Chapter 1 钢铁中的合金元素
..,
1.1 碳钢概论
Chapter 1 钢铁中的合金元素
一、碳钢中的常存杂质（2）
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，并易于形成低熔点共晶。发生热脆 (裂)。 P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特
第一部分钢铁中的合金元素
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。
合金元素对奥氏体晶粒长大的影响
由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所 以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。
➢ 奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差。要阻止晶粒
长大，就必须阻碍晶界的移动。
➢ 碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制 一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶
第一部分钢铁中的合金元素
第一节 合金元素对合金相图的影响
钢铁合金化的必要性
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
理”.
注：w（c）≥1.0％时形成片状马氏体，HRC：③64马～氏66体；性w能（与c）含≤碳0量.2有％关时
形成板状马氏体， HRC：30～50 。
3、非共析成分碳钢的等温转变 非共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。区别在
于：亚共析钢曲线左移，在其上方多了一条过冷奥氏体 转变为铁素体 的转变开始线；
可用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计。
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。
合金元素对奥氏体晶粒长大的影响
由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所 以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。
➢ 奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能差。要阻止晶粒
长大，就必须阻碍晶界的移动。
➢ 碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制 一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶
第一部分钢铁中的合金元素
第一节 合金元素对合金相图的影响
钢铁合金化的必要性
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
理”.
注：w（c）≥1.0％时形成片状马氏体，HRC：③64马～氏66体；性w能（与c）含≤碳0量.2有％关时
形成板状马氏体， HRC：30～50 。
3、非共析成分碳钢的等温转变 非共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。区别在
于：亚共析钢曲线左移，在其上方多了一条过冷奥氏体 转变为铁素体 的转变开始线；
可用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计。
一章节钢铁中合金元素
合金元素对奥氏体形成的影响
➢ 奥氏体的形成机制 高速加热——α→γ无扩散机制，γ形成后出现碳化 物的溶解。 低速加热——α→γ扩散机制，同时出现碳化物溶解。
➢ 奥氏体形成的影响因素
1、碳化物的稳定性 稳定性排序： 最好：V、Ti、Nb等； 中等：W、Mo、Cr等； 一般：Mn、Fe等。
2、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高C在奥氏体中的扩散
第三节 合金中的化合物
概述
1、化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、 数量、尺寸大小、形状及分布状态等。
2、合金中的化合物主要有两大类：一是C或N与合金元素 反应形成的碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元 素与铁之间形成的σ相、AB2相及AB3相。
碳化物和氮化物
➢ 碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与C、N亲和力的大小，主要取决于过
基体原子之间存在尺寸差异等); 2) 晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量; 3) 溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变(以较小
的点阵畸变形式存在),有利于系统能量的降低.
溶质原子的偏聚是一个自发过程,其一般规律是: 1) 较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵; 2) 较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵; 3) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置.
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
➢ 奥氏体的形成机制 高速加热——α→γ无扩散机制，γ形成后出现碳化 物的溶解。 低速加热——α→γ扩散机制，同时出现碳化物溶解。
➢ 奥氏体形成的影响因素
1、碳化物的稳定性 稳定性排序： 最好：V、Ti、Nb等； 中等：W、Mo、Cr等； 一般：Mn、Fe等。
2、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高C在奥氏体中的扩散
第三节 合金中的化合物
概述
1、化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、 数量、尺寸大小、形状及分布状态等。
2、合金中的化合物主要有两大类：一是C或N与合金元素 反应形成的碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元 素与铁之间形成的σ相、AB2相及AB3相。
碳化物和氮化物
➢ 碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与C、N亲和力的大小，主要取决于过
基体原子之间存在尺寸差异等); 2) 晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量; 3) 溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变(以较小
的点阵畸变形式存在),有利于系统能量的降低.
溶质原子的偏聚是一个自发过程,其一般规律是: 1) 较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵; 2) 较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵; 3) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置.
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
第一章钢铁中的合金元素-资料
钢中的合金元素
常用合金元素：Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、
Zr、Ni、RE(稀土) 等;
钢中合金元素的存在方式：
1) 固
溶：合金铁素体
2) 合金渗碳体：如(Fe、Mn)3C 、(Fe、W)3C 3) 合金碳化物：VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6
合金元素对相图固溶体区域的影响
β Cg exp(E )
C0
RT
引起晶界偏聚的因素: 1、溶质与基体原子尺寸差异大，即 E↑→β ↑； 2、溶质在基体中的固溶度，即 Co↓→β ↑； 3、温度低，即 T↓→β ↑。
备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。
晶界偏聚的其它问题
溶质原子的偏聚温度
表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
长大，就必须阻碍晶界的移动。
碳化物和氮化物对晶粒长大的抑制 一般地，碳化物熔点高且稳定，当其弥散分布在晶
界时，将钉扎奥氏体晶界阻碍其晶界移动。
工程上经常用 AlN来细化奥氏体晶 粒，是因为氮化物 比碳化物有更低的溶 解度和更高的稳定性。
注：1100℃时，AlN颗粒溶解，奥氏体晶粒剧烈长大。
第五节 合金元素对过冷γ 转变的影响
4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P A 1 C F A A 3 CA
过共析钢的加热过程：
P F 3 C Ⅱ e A 1 C A F 3 C Ⅱ e A c m CA
碳钢的过冷γ 转变
钢的热处理相变温度
钢在加热时，实际 转变温度往往要偏离平 衡的临界温度，冷却时 也是如此。随着加热和 冷却速度的增加，滞后 现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母 “C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字 母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。
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小 5) 的点阵畸变形式存在),有利于系统能量的降低.
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溶质原子的偏聚是一个自发过程,其一般规律是: 1) 较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵; 2) 较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵; 3) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置. 4) 溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛,从
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2、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高C在奥氏体中的扩散
激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。
合金元素对奥氏体晶粒长大的影响
由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所 以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。
➢ 奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的/2
14
第三节 合金中的化合物
概述
1、化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、 数量、尺寸大小、形状及分布状态等。
2、合金中的化合物主要有两大类：一是C或N与合金元素 反应形成的碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元 素与铁之间形成的σ相、AB2相及AB3相。
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2）第二常周期的Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合
2021/2/2
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3、形成条件 1）原子尺寸差别不大； 2）钢和合金的“平均族数”在5.7～7.6之间
4、合金设计中的电子缺位数计算 为避免不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金出现σ相，
可用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计。
Nv＝0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66(Cr+Mo+W) +5.66(V+Nb+Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al
线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。
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35
组织名称
珠 珠光体 光 索氏体 体 屈氏体 贝 氏 上贝氏 体体
下贝氏 体
符 转变温 相组成
号 度/℃
P A1～650 F+Fe3
S 650～600 C T 600～550
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11
βCg exp(E )
C0
RT
引起晶界偏聚的因素:
1、溶质与基体原子尺寸差异大，即 E↑→β↑；
2、溶质在基体中的固溶度，即 Co↓→β↑；
3、温度低，即 T↓→β↑。
备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。
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12
晶界偏聚的其它问题
➢ 溶质原子的偏聚温度
合金元素对奥氏体形成的影响
➢ 奥氏体的形成机制 高速加热——α→γ无扩散机制，γ形成后出现碳化 物的溶解。 低速加热——α→γ扩散机制，同时出现碳化物溶解。
2021/2/2
23
➢ 奥氏体形成的影响因素
1、碳化物的稳定性 稳定性排序： 最好：V、Ti、Nb等； 中等：W、Mo、Cr等； 一般：Mn、Fe等。
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30
4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P A 1 C F A A 3 C A
过共析钢的加热过程：
P F 3 C Ⅱ e A 1 C A F 3 C Ⅱ e A c m C A
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
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第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
H
C、N
P
0℃以下 室温附近 ＞350 ℃
Mo、Nb（铌） ＞500 ℃
➢ 溶质原子的偏聚区宽度 溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般
在nm级范围，如P：6nm；Sb（锑）：7nm。
2021/2/2
13
➢ 各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响 1、偏聚位置的竞争，E越大的元素有限偏聚； 如Ce（铈）＞ P 2、影响晶界偏聚的速度； 如Ce能减慢Sb在Fe晶界的偏聚速度 3、影响偏聚元素在晶内的溶解度； 如La（镧）的存在，降低了P和Sn在晶内的溶解度 4、出现共偏聚。
复杂密排结构
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17
➢ 碳化物和氮化物的类型
1、简单密排碳化物或氮化物： 以MeC、MeN和Me2C、Me2N为主（合金元素含量少时）
2、复杂密排碳化物： 以Me3C、Me7C3、Me23C6为主（合金元素含量多时）
3、复式碳化物： 金属原子部分替换，如Fe3W3C、 Fe21Mo2C6
而 5) 降低系统的内能.
不同溶质原子在位错周围的分布状态
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晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
βCg exp(E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
扩大奥氏体区： C、N、Co、 Ni、Mn、Cu
右图:奥氏体形成元 素Mn对相图的影响
(低温、低碳)
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4
缩小奥氏体区： Cr、Mo、W、 V、Ti、Si、Al
右图: 铁素体形成 元素Cr对铁碳合金 相图的影响 (高温、低碳)
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5
合金元素对共析温度的影响
缩小γ区
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➢ 碳化物和氮化物的点阵结构 氮化物均属简单密排结构，碳化物则有简单和复杂密
排结构两种形式。
简单
复杂
密 排 碳化物的点阵结构 密 排
ⅣⅤⅥⅦⅧ
Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Zr Nb Mo
Hf Ta W
点阵结构判据： rx/rM＜0.59 简单密排结构
rx/rM＞0.59
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
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2
钢中的合金元素
4、碳氮化物： C和N原子部分替换，如Ti(C,N)、(Cr,Fe)23(C,N)6等
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金属间化合物
➢ σ相 1、特点
属于正方晶系，硬度大，能显著降低合金的塑性和韧 性，应合理设计合金成分来避免σ相出现。 2、形成规律
1）第一常周期的Ⅶ族和Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合， 如Cr-Mn、Mo-Fe、W-Co、V-Ni等
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8
相互作用机理
产生晶界偏聚和柯氏气团的主要原因是溶质原子与基 体原子的弹性作用.概括起来有以下几点: 1) 溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高(主要是与 2) 基体原子之间存在尺寸差异等); 3) 2) 晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量; 4) 3) 溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变(以较
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第五节 合金元素对过冷γ转变的影响
碳钢的过冷γ转变
➢钢的热处理相变温度
钢在加热时，实际 转变温度往往要偏离平 衡的临界温度，冷却时 也是如此。随着加热和 冷却速度的增加，滞后
现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母
“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字
32
1）等温冷却试验： （a） 首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共 析温度的条件下进行奥氏体化；（b）将上述奥氏体化后 的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度； （c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样， 置于水中快冷； （d）磨制金相试 样，并观察显微 组织。
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727℃ 扩大γ区
6
合金元素对共析含碳量的影响
0.77％
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第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作 用
相互作用的方式
从系统的能量考虑,基于原子的尺寸因素和电子因素 等因素,合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用.以下是 两种主要的作用方式:
晶界偏聚: 溶质原子与界面结合;
柯氏气团: 溶质原子与位错作用.
15
碳化物和氮化物
➢ 碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与C、N亲和力的大小，主要取决于过
渡族金属原子的d电子数。 d层电子越少，碳化物和氮化物的稳定性越高 或生成热ΔH越大，碳化物和氮化物越稳定。 （见图1－7所示）
碳化物和氮化物的稳定性排序有： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
在周期表中，符合原子尺寸 dA : dB＝1.2 : 1的任 意两族元素，都能形成AB2相。
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➢ AB3相（有序相） AB3相不属于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之
间的过渡状态。 Ni3Al相是典型的AB3相，fcc结构。在复杂成分的耐
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
不出现σ相： Nv＜2.52
2021/2/2
20
➢ AB2相（拉维斯相） 1、特点
钢和合金中的主要AB2相是具有复杂六方的MgZn2型， 如MoFe2、TiFe2等，它是耐热钢和合金中的一种强化相。
2021/2/2
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溶质原子的偏聚是一个自发过程,其一般规律是: 1) 较基体原子大的代位原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵; 2) 较基体原子小的代位原子趋向于缺陷区受压缩的点阵; 3) 间隙原子趋向于缺陷区受膨胀的点阵间隙位置. 4) 溶质原子的以上行为都是为了使点阵得到松弛,从
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2、碳化物对碳扩散激活能的影响 一般地，碳化物形成元素可提高C在奥氏体中的扩散
激活能，对奥氏体形成有一定的阻碍作用。
合金元素对奥氏体晶粒长大的影响
由于淬火后组织的性能与奥氏体原始晶粒度有关，所 以抑制奥氏体晶粒长大对改善合金钢的强韧性至关重要。
➢ 奥氏体晶粒长大的驱动力 驱动力是晶界两侧晶粒的/2
14
第三节 合金中的化合物
概述
1、化合物对合金性能的影响方式有：晶体类型、成分、 数量、尺寸大小、形状及分布状态等。
2、合金中的化合物主要有两大类：一是C或N与合金元素 反应形成的碳化物和氮化物；二是合金元素之间和合金元 素与铁之间形成的σ相、AB2相及AB3相。
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2）第二常周期的Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合
2021/2/2
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3、形成条件 1）原子尺寸差别不大； 2）钢和合金的“平均族数”在5.7～7.6之间
4、合金设计中的电子缺位数计算 为避免不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金出现σ相，
可用元素的电子缺位数Nv来进行合金设计。
Nv＝0.66Ni+1.71Co+2.66Fe+3.66Mn+4.66(Cr+Mo+W) +5.66(V+Nb+Ta)+6.66(Ti+Si)+7.66Al
线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。
2021/2/2
35
组织名称
珠 珠光体 光 索氏体 体 屈氏体 贝 氏 上贝氏 体体
下贝氏 体
符 转变温 相组成
号 度/℃
P A1～650 F+Fe3
S 650～600 C T 600～550
2021/2/2
11
βCg exp(E )
C0
RT
引起晶界偏聚的因素:
1、溶质与基体原子尺寸差异大，即 E↑→β↑；
2、溶质在基体中的固溶度，即 Co↓→β↑；
3、温度低，即 T↓→β↑。
备注：固溶度是合金尺寸因素和电子因素的综合体现。
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晶界偏聚的其它问题
➢ 溶质原子的偏聚温度
合金元素对奥氏体形成的影响
➢ 奥氏体的形成机制 高速加热——α→γ无扩散机制，γ形成后出现碳化 物的溶解。 低速加热——α→γ扩散机制，同时出现碳化物溶解。
2021/2/2
23
➢ 奥氏体形成的影响因素
1、碳化物的稳定性 稳定性排序： 最好：V、Ti、Nb等； 中等：W、Mo、Cr等； 一般：Mn、Fe等。
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30
4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P A 1 C F A A 3 C A
过共析钢的加热过程：
P F 3 C Ⅱ e A 1 C A F 3 C Ⅱ e A c m C A
根据合金元素与Ni或Al在原子尺寸、电负性上的差异， 可置换Al或Ni，形成AB3相：如Ni3Fe、Ni3Cr、Ni3V、 Ni3Mn、(Ni,Cr)3Al、 (Ni,Mo,Cr)3Al等
2021/2/2
22
第四节 合金元素对钢加热时转变的影响
合金钢加热转变时主要经历四个阶段：①奥氏体的形 成；②残余碳化物的溶解；③奥氏体的均匀化；④奥氏体 的晶粒长大。
表：一些溶质原子出现晶界偏聚和柯氏气团的温度范围
H
C、N
P
0℃以下 室温附近 ＞350 ℃
Mo、Nb（铌） ＞500 ℃
➢ 溶质原子的偏聚区宽度 溶质原子的偏聚区宽度受晶界区宽度窄的影响，一般
在nm级范围，如P：6nm；Sb（锑）：7nm。
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13
➢ 各种溶质元素在晶界偏聚中的相互影响 1、偏聚位置的竞争，E越大的元素有限偏聚； 如Ce（铈）＞ P 2、影响晶界偏聚的速度； 如Ce能减慢Sb在Fe晶界的偏聚速度 3、影响偏聚元素在晶内的溶解度； 如La（镧）的存在，降低了P和Sn在晶内的溶解度 4、出现共偏聚。
复杂密排结构
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➢ 碳化物和氮化物的类型
1、简单密排碳化物或氮化物： 以MeC、MeN和Me2C、Me2N为主（合金元素含量少时）
2、复杂密排碳化物： 以Me3C、Me7C3、Me23C6为主（合金元素含量多时）
3、复式碳化物： 金属原子部分替换，如Fe3W3C、 Fe21Mo2C6
而 5) 降低系统的内能.
不同溶质原子在位错周围的分布状态
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晶界偏聚的影响因素
晶界区溶质偏聚的函数表达式：
βCg exp(E )
C0
RT
其中，Cg￣￣￣偏聚在晶界区的溶质浓度；
C0 ￣￣￣基体中的溶质浓度；
β￣￣￣晶界区的溶质原子富集系数，表征溶质的晶
偏聚倾向。
E￣￣￣溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能之差,即 晶界偏聚的驱动力.(主要由原子尺寸因素引起)
扩大奥氏体区： C、N、Co、 Ni、Mn、Cu
右图:奥氏体形成元 素Mn对相图的影响
(低温、低碳)
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缩小奥氏体区： Cr、Mo、W、 V、Ti、Si、Al
右图: 铁素体形成 元素Cr对铁碳合金 相图的影响 (高温、低碳)
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合金元素对共析温度的影响
缩小γ区
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➢ 碳化物和氮化物的点阵结构 氮化物均属简单密排结构，碳化物则有简单和复杂密
排结构两种形式。
简单
复杂
密 排 碳化物的点阵结构 密 排
ⅣⅤⅥⅦⅧ
Ti V Cr Mn Fe Co Ni
Zr Nb Mo
Hf Ta W
点阵结构判据： rx/rM＜0.59 简单密排结构
rx/rM＞0.59
碳钢: 性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、 使用量最大（90%）； 碳钢缺点: 淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的 力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等； 合金钢: 有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不 足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。
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钢中的合金元素
4、碳氮化物： C和N原子部分替换，如Ti(C,N)、(Cr,Fe)23(C,N)6等
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金属间化合物
➢ σ相 1、特点
属于正方晶系，硬度大，能显著降低合金的塑性和韧 性，应合理设计合金成分来避免σ相出现。 2、形成规律
1）第一常周期的Ⅶ族和Ⅷ族元素与Ⅴ和Ⅵ族元素结合， 如Cr-Mn、Mo-Fe、W-Co、V-Ni等
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相互作用机理
产生晶界偏聚和柯氏气团的主要原因是溶质原子与基 体原子的弹性作用.概括起来有以下几点: 1) 溶质原子在完整晶体中内引起的畸变能很高(主要是与 2) 基体原子之间存在尺寸差异等); 3) 2) 晶体缺陷处点阵畸变严重,具有较高能量; 4) 3) 溶质原子向晶体缺陷处迁移,可松弛点阵畸变(以较
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第五节 合金元素对过冷γ转变的影响
碳钢的过冷γ转变
➢钢的热处理相变温度
钢在加热时，实际 转变温度往往要偏离平 衡的临界温度，冷却时 也是如此。随着加热和 冷却速度的增加，滞后
现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母
“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字
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1）等温冷却试验： （a） 首先将若干薄圆片状试样放入锡熔炉中，在高于共 析温度的条件下进行奥氏体化；（b）将上述奥氏体化后 的试样迅速放入另一锡熔炉保温，炉温低于共析温度； （c）依据试样保温时间的差异，分别从炉中取出试样， 置于水中快冷； （d）磨制金相试 样，并观察显微 组织。
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727℃ 扩大γ区
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合金元素对共析含碳量的影响
0.77％
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第二节 合金元素与晶体缺陷的相互作 用
相互作用的方式
从系统的能量考虑,基于原子的尺寸因素和电子因素 等因素,合金元素将与这些晶体缺陷产生相互作用.以下是 两种主要的作用方式:
晶界偏聚: 溶质原子与界面结合;
柯氏气团: 溶质原子与位错作用.
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碳化物和氮化物
➢ 碳化物和氮化物的稳定性 取决于金属元素与C、N亲和力的大小，主要取决于过
渡族金属原子的d电子数。 d层电子越少，碳化物和氮化物的稳定性越高 或生成热ΔH越大，碳化物和氮化物越稳定。 （见图1－7所示）
碳化物和氮化物的稳定性排序有： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
在周期表中，符合原子尺寸 dA : dB＝1.2 : 1的任 意两族元素，都能形成AB2相。
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➢ AB3相（有序相） AB3相不属于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之
间的过渡状态。 Ni3Al相是典型的AB3相，fcc结构。在复杂成分的耐
热钢或耐热合金中，Ni3Al的过渡相－γ/相具有较好的强 化效果。
不出现σ相： Nv＜2.52
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➢ AB2相（拉维斯相） 1、特点
钢和合金中的主要AB2相是具有复杂六方的MgZn2型， 如MoFe2、TiFe2等，它是耐热钢和合金中的一种强化相。