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。
钢的合金化原理介绍
钢的合金化原理
一、钢中的合金元素
合金钢是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性 能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程 中加入某些元素而得到的多元合金。 合金钢----为了保证一定的生产和加工工艺以及所要 求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素 的铁基合金。 常用的合金元素有 锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、 钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、锆 （Zr）、钴（Co）、铝（Al）、硼（B）及稀土 （RE）元素等。 常见的杂质元素：Si, Mn, S, P 但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元 素也为合金元素。
封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Cr相图(b)
这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元 素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但应该指 出，含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于 7%时，A3才上升。 ②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭)（图1-4） 合金元素使A3升高，A4下降，使γ相区缩小 但不能使其完全封闭。 这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。
（3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些 金属或合金形成非晶体相结构。 钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验 和理论依据。
三、合金元素与铁和碳的相互作用
1．合金元素与铁的相互作用 （1）γ相稳定化元素 γ相稳定化元素使A3 降低， A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成， 即扩大了γ相区。 根据Fe-Me相图的不同，可分为： ①开启γ相区(无限扩大γ相区) 这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果 加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相 从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低）， 故而由γ相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组 织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。
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。