合金化原理
合金化原理
合金化原理合金化是指将两种或两种以上的金属或非金属熔炼在一起，形成新的金属材料。
合金化的原理是通过改变金属的晶体结构，使其性能得到改善。
合金化可以提高金属的硬度、强度、耐热性、耐腐蚀性等性能，从而扩大金属的应用范围。
下面将从合金化的原理、方法和应用三个方面来详细介绍合金化的相关知识。
合金化的原理。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式。
固溶强化是指将一种金属溶解在另一种金属的晶格中，形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
析出强化是指在合金中形成一种或多种溶解度有限的化合物，这些化合物的形成可以提高合金的硬度和强度。
相变强化是指在材料中发生相变时，晶粒的形态和尺寸发生变化，从而提高材料的性能。
合金化的方法。
合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
熔炼法是将两种或两种以上的金属熔炼在一起，然后冷却凝固成合金。
粉末冶金法是将金属粉末混合后通过压制、烧结等工艺形成合金。
表面合金化法是将一种金属的表面覆盖上另一种金属，以改善金属的表面性能。
合金化的应用。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在航空航天领域，合金化可以提高材料的耐高温、耐腐蚀性能，从而保证飞机在极端环境下的安全飞行。
在汽车制造领域，合金化可以提高汽车零部件的强度和硬度，延长零部件的使用寿命。
在电子设备领域，合金化可以提高电子元器件的导电性能和耐磨性能，从而提高设备的性能和可靠性。
总结。
合金化是一种重要的金属材料改性方法，通过改变金属的组织结构和成分，可以显著提高金属材料的性能。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式，合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，为各行业的发展提供了重要的支撑。
通过对合金化的原理、方法和应用的介绍，相信读者对合金化有了更深入的了解，也希望本文能够对相关领域的科研工作者和工程技术人员有所帮助。
金属耐腐蚀合金化原理
第五章耐腐蚀金属材料§5-1金属耐腐蚀合金化原理工业上所用的金属材料中，纯金属并不多，应用较多的因此是铁、铜、镍、钛、铝、镁等各种金属的合金。
本节讨论如何通过合金化和热处理等途径，从成分和组织上使合金具有高的耐蚀性，并表明其作用原理。
一、提高金属的热力学稳定性以热力学稳定性高的元素进行合金化，向不耐蚀的合金中进进热力学稳定性高的合金元素进行合金化，可在合金表层形成由贵金属组元组成的连续保卫层，提高其耐蚀性。
例如，铜中加金，镍中加铜，铬中加镍等。
然而其应用是有限的。
因为，一方面要虚耗大量的贵金属，经济上珍贵；另一方面，由于合金组元在固态中的溶解度是有限的，许多合金要获得具有多组元的单一固溶体是对照困难的。
二、落低阴极活性在阴极操纵的金属腐蚀中，可用进一步加强阴极极化的方式来落低腐蚀速度。
如金属在酸中的活性溶解就能够用落低阴极活性的方法减少腐蚀。
具体方法是：1．减小金属或合金中的活性阴极面积金属或合金在酸中腐蚀时，阴极析氢过程优先在氢超电压低的阴极相或夹杂物上进行。
假如减少合金中的阴极相或夹杂物，减小了活性阴极面积，增加了阴极极化电流密度，增加阴极极化程度，阻碍阴极过程的进行，提高耐蚀性。
例如，当铝中铁含量减少时，其在盐酸中的耐蚀性提高，如P128图1。
这是由于铁能形成阴极相。
关于阴极操纵的腐蚀过程，采纳固溶处理获得单相固溶体组织，可提高耐蚀性。
反之，退火或时效处理落低其耐蚀性。
2．进进氢超电压高的元素进进氢超电压高的元素，可提高阴极析氢超电压，显著落低合金在酸中的腐蚀速度。
但它只适用于不产生钝化的析氢腐蚀。
如金属在非氧化性或氧化性低的酸中的活性溶解过程。
例如，在锌中含有铁、铜等电位较高的金属杂质时，进进氢超电压高的镉、汞，可使锌在酸中腐蚀速度显著落低。
又如，在含有较多杂质铁的工业纯镁中，添加0.5-1%锰可大大落低其在氯化物水溶液中的腐蚀速度，这是由于锰比铁高得多的析氢超电压之故。
三、落低合金的阳极活性用合金化的方法落低合金的阳极活性，尤其是用提高合金钝性的方法阻碍阳极过程的进行，可提高合金的耐蚀性，它是一种最有效、应用最广泛的措施。
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。
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。
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。
金属材料学
第一章合金化原理碳钢中的常存杂质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：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。
Si：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：S和Fe能形成FeS，并易发生热脆(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。
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。
碳钢的分类1．按钢中的碳含量1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢0.0218%≤w c≤0.77% 共析钢w c=0.77% 过共析钢：0.77%＜w c≤2.11%2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：w c ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜w c≤0.6% 高碳钢：w c＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢（4）特级优质碳素钢3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢F （2）镇静钢Z （3）半镇静钢b （4）特殊镇静钢TZ碳钢的用途1-普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。
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
合金化作用
合金化作用合金化作用是指将两种或两种以上的金属或者金属与非金属元素混合在一起，通过特定的加热和冷却过程，使其形成一种新的材料。
合金化作用不仅可以改变材料的物理和化学性质，还可以提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性和耐磨性等特性。
本文将探讨合金化作用的原理、应用和影响。
合金化作用是基于金属原子之间的固溶原理。
当两种或两种以上的金属原子混合在一起时，它们之间形成了一个晶格结构。
这个晶格结构能够有效地阻止原子的移动，并提供了额外的电子层，从而增加了材料的硬度和强度。
此外，合金化作用还能够改变晶格的尺寸和形状，从而影响材料的导电性、热传导性和磁性等特性。
合金化作用在工业和科学研究领域有着广泛的应用。
首先，合金化作用可以用来改善金属材料的性能。
例如，钢是一种由铁、碳和其他元素组成的合金，通过调整合金中碳的含量，可以获得不同强度和硬度的钢材。
此外，合金化作用还可以用来改善材料的耐腐蚀性能。
例如，不锈钢是一种由铁、铬和其他元素组成的合金，具有出色的耐腐蚀性能，可广泛应用于制造厨具和化工设备等领域。
合金化作用还可以用来改变材料的热处理性能。
热处理是指通过加热和冷却等过程，改变材料的晶格结构和性能。
合金化作用可以通过调整合金中的元素含量和加热温度，来控制材料的晶格结构和相变行为。
例如，铝合金是一种常见的合金材料，通过合金化作用可以获得良好的热处理性能，用于制造飞机和汽车等领域。
合金化作用还可以用来改变材料的电学和磁学性能。
通过合金化作用，可以调整材料中的电子结构和磁性原子的分布，从而影响材料的导电性、磁性和电磁性能。
例如，铁镍合金是一种具有良好磁性和磁记忆效应的合金材料，广泛应用于制造磁头和磁记录介质等领域。
合金化作用对材料性能的影响主要取决于合金中各元素的含量和相互作用。
通过调整合金中元素的含量和比例，可以获得不同性能的合金材料。
此外，合金化作用还受到加热和冷却过程的影响。
不同的加热温度和冷却速率会导致不同的晶格结构和相变行为，从而影响材料的性能。
材料科学中的合金化原理
材料科学中的合金化原理合金是材料科学中一个很重要的概念，它是由两种或两种以上的金属或非金属元素通过熔炼、混合、固化等工艺加工而制成的一种金属材料。
合金化是指在原材料中加入其他元素或化合物，以改变其晶体结构和化学成分，从而达到改善其某些物理和化学性质的目的。
合金化在材料工程中扮演了至关重要的角色。
为什么要合金化？材料的性质是由其晶体结构和原子排列方式决定的。
材料在合金化后，新的元素会加入到原材料中，新的化学键将被形成。
新形成的界面区域将产生不同的化学和物理性质，从而改变材料的性质。
这些性质包括机械、热、电、化学等方面的性质。
例如，化合物Ni3Al具有高熔点、耐腐蚀、耐热性等优良性能，因此已成为高强、高温合金的重要材料。
而钢铁中添加一定量的锰元素可以提高钢的硬度和抗磨性。
合金化的原理合金化的原理即为在材料中添加元素以形成固溶体、间隙化合物、化合物和二元、三元等复合材料。
因此，合金化的主要原理是：1. 固溶体形成原理：将一种金属中加入其他金属或非金属元素，这些元素与金属元素原子混杂在一起，形成固溶体。
固溶体中的原子分散均匀，成为一种性能不同于纯金属的材料。
2. 间隙化合物原理：某些元素在金属晶格中并不能与金属原子形成固溶体，而只能填充到空隙中，形成间隙化合物。
其性质因而与晶格结构、元素组成、空隙大小有关。
3. 化合物原理：两种及两种以上元素共晶或反应，形成新的化合物。
化合物的晶体结构和性能与其元素原子数、原子大小、化学键性质等密切相关。
4. 复合材料原理：在材料中添加多种元素，让其中的元素进行复杂的交互作用形成各种不同的化合物或相，生成具有新性能的复合材料。
如何选择合金化元素？合金化元素的选择取决于所需性能和其它要求。
通常根据所选用的金属元素在晶格中的分布情况，将元素分类为替代元素、插入元素和交换元素。
替代元素是指替换主体元素所占的位置；插入元素则是插在主体元素的空位中；交换元素则是占据晶体相邻原子的位置。
合金化反应
合金化反应合金是由两种或多种金属或非金属元素混合而成的材料。
合金具有比单一元素更优良的性能，如硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、导电性等。
而合金化反应则是指在一定条件下，两种或多种元素之间发生的化学反应，使它们混合并形成合金的过程。
合金化反应的主要目的是改善材料性能，使其更符合实际应用的要求。
合金化反应的原理是通过改变原材料的组成和结构，来改变其物理和化学性质。
例如，将一些金属元素混合在一起，可以改变它们的硬度、强度、韧性和耐腐蚀性等性能，从而使它们更适合于不同的应用领域。
合金化反应的方法有很多种，其中最常见的是熔融法、固相反应法和液相反应法。
熔融法是指将两种或多种原材料混合后，在高温下加热，使其熔化并混合。
这种方法适用于一些高熔点的金属，如钨、钴等。
固相反应法是指将两种或多种原材料混合后，加热至一定温度下反应，形成合金。
这种方法适用于一些低熔点的金属，如铝、镁等。
液相反应法是将两种或多种原材料混合后，通过液相反应形成合金。
这种方法适用于一些易于溶解的金属，如铜、锌等。
在合金化反应中，常常需要添加一些助剂来促进反应的进行。
这些助剂可以是一些金属元素，也可以是一些非金属元素，如碳、氮等。
这些助剂可以改变反应的温度、速率和产物的组成，从而实现优化反应条件的目的。
合金化反应的应用非常广泛，涉及到航空航天、汽车、电子、化工等多个领域。
例如，在航空航天领域，合金化反应可以改善材料的强度和耐腐蚀性，提高飞行器的性能和安全性。
在汽车领域，合金化反应可以改善发动机的性能和寿命，降低能耗和排放。
在电子领域，合金化反应可以提高电子器件的性能和可靠性，促进电子技术的发展。
在化工领域，合金化反应可以改善催化剂的性能和效率，提高化学反应的产率和选择性。
总之，合金化反应是一种非常重要的材料制备方法，可以改善材料的性能，提高其实际应用的价值。
随着科技的不断发展，合金化反应的应用将会越来越广泛，为人类的生产和生活带来更多的便利和创新。
钛合金的合金化原理
四、钛合金的合金化原理1．钛合金的合金化特点钛合金的性能由Ti 同合金元素间的物理化学反应特点来决定，即由形成的固溶体和化合物的特性以及对α⇔β转变的影响等来决定。
而这些影响又与合金元素的原子尺寸、电化学性质（在周期表中的相对位置）、晶格类型和电子浓度等有关。
但作为Ti 合金与其它有色金属如Al、Cu、Ni 等比较，还有其独有的特点，如：（1）利用Ti 的α⇔β转变，通过合金化和热处理可以随意得到α、α + β和β相组织；（2）Ti 是过渡族元素，有未填满的d 电子层，能同原子直径差位于±20％以内的置换式元素形成高浓度的固溶体；（3）Ti 及其合金在远远低于熔点的温度中能同O、N、H、C 等间隙式杂质发生反应，使性能发生强烈的改变；（4）Ti 同其它元素能形成金属键、共价键和离子键固溶体和化合物。
Ti 合金合金化的主要目的是利用合金元素对α或β相的稳定作用，来控制α和β相的组成和性能。
各种合金元素的稳定作用又与元素的电子浓度（价电子数与原子的比值）有密切关系，一般来说，电子浓度小于4 的元素能稳定α相，电子浓度大于4的元素能稳定β相，电子浓度等于4 的元素，既能稳定α相，也能稳定β相。
工业用Ti 合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu 和Si等，按其对转变温度的影响和在α或β相中的固溶度可以分为三大类。
能提高相变点，在α相中大量溶解和扩大α相区的元素叫α稳定元素；能降低相变温度，在β相中大量溶解和扩大β相区的元素叫β稳定元素；对转变温度影响小，在α和β相中均能大量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。
按合金元素与Ti 的反应特点或二元状态图的类型，可以分成四大类（图1-44）：（1）α稳定型状态图（图1-44(a)）Al、Ga、Sn 和间隙式元素C、N、O 等与Ti 形成这种状态图。
这些元素分别属于ⅢB~ⅥB 族，外层电子（S、P）数＜4，如Al 为3S2P1，故为α稳定元素；Sn 的外层电子为5S2P2=4，对相变温度影响小，故又属于中性元素。
制成合金防止铁生锈的原理
制成合金防止铁生锈的原理
制成合金可以防止铁生锈,其基本原理是:
1. 引入钛、铬等金属元素,形成合金,改变铁的化学性质。
这些金属可以与铁表面形成稳定的化合物,阻止氧化反应的发生。
2. 形成致密的合金表面。
合金中的其他金属原子进入铁的晶体结构,使得表面更加平整紧密,减少缺陷,阻止氧和水分子侵入铁中的机会。
3. 通过合金化提高耐蚀性。
如在铁中加入12%-20%的铬,可以形成更稳定的氧化膜,提高抗腐蚀能力。
4. 改变电化学动力学过程。
加入镍、钼等金属,可以减缓铁在电解质溶液中的电化学腐蚀反应过程。
5. 金属间化学作用。
一些金属的电化学活动性比铁强,可以替铁作用,使铁表面不容易被氧化。
6. 形成保护性氧化膜。
如硅可以促进铁表面形成稳定、致密的二氧化硅膜,阻止氧化过程的继续发展。
综上,利用合金化原理,可以从多方面提高铁的抗腐蚀性,防止或减缓铁的锈蚀反
应。
铝合金化原理
铝合金化原理
铝合金化原理指的是通过添加其他元素或合金元素来改善纯铝的性能，从而得到具有更好特性的铝合金材料。
这一过程通常通过熔炼和固溶处理来实现。
铝合金化的主要目标是提高铝合金的强度、硬度和耐腐蚀性能，以及调整其热处理响应和其他特性。
添加其他元素或合金元素可以在晶粒界面或晶格中形成固溶体、间质化合物或亚稳相，从而产生不同的效果。
例如，常见的铝合金中加入铜 (Cu) 和锌 (Zn) 可以形成铝铜
(Al-Cu) 和铝锌 (Al-Zn) 固溶体。
这些固溶体能够增加材料的
强度和硬度，并改善其耐腐蚀性能。
另外，添加其他元素如镁(Mg) 或硅 (Si) 可以形成过饱和固溶体，进一步提高铝合金的
强度。
铝合金化的过程会受到一系列因素的影响，例如合金元素的含量、熔炼温度和时间，以及固溶体的形态和分布等。
因此，在设计合金化的过程中，需要仔细考虑这些因素，并进行合适的熔炼、固溶和热处理操作，以得到所需的铝合金材料特性。
总结起来，铝合金化原理是通过添加其他元素或合金元素来形成固溶体、间质化合物或亚稳相，从而改善纯铝的性能。
这一过程可以提高铝合金的强度、硬度、耐腐蚀性能和热处理响应。
在实践中，需要考虑合金元素的选择、含量、熔炼和热处理条件等因素，以获得所需的铝合金材料特性。
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
合金化反应
合金化反应合金化反应是一种重要的化学反应，其主要作用是将两种或多种不同的金属元素混合在一起，形成新的合金材料。
这种反应可以通过多种方式进行，包括加热、电化学反应、机械混合、气相反应等。
在工业生产和科学研究中，合金化反应被广泛应用于制备各种合金材料。
合金化反应的基本原理是通过原子间的相互作用，将两种或多种不同的金属元素混合在一起，形成新的合金材料。
这种反应通常需要一定的能量输入，以便使金属元素达到足够的活性和反应性。
在加热反应中，高温可以提高金属元素的反应速率和反应程度，促进合金化反应的进行。
在电化学反应中，电流的作用可以提供足够的能量，使金属元素在电极上发生化学反应，形成新的合金材料。
在机械混合中，机械能的作用可以使金属元素在机械强制下发生化学反应，形成新的合金材料。
在气相反应中，气体在高温下反应，形成新的合金材料。
合金化反应的应用非常广泛。
例如，在工业生产中，合金化反应被用于制备各种合金材料，例如不锈钢、铝合金等。
这些合金材料具有优异的物理和化学性质，可以用于制造汽车、飞机、船舶等各种机械设备。
在科学研究中，合金化反应被用于研究金属材料的物理和化学性质，例如研究合金的力学性能、热性能、电性能等。
此外，合金化反应还被广泛应用于制备新型的材料，例如纳米材料、超材料等。
合金化反应的机理非常复杂，涉及到多种化学反应和物理过程。
在加热反应中，金属元素通常会发生氧化还原反应、置换反应、扩散反应等。
在电化学反应中，金属元素通常会发生电化学氧化还原反应、电沉积反应等。
在机械混合中，金属元素通常会发生机械变形、冷焊接、扩散等反应。
在气相反应中，金属元素通常会发生氧化还原反应、蒸发凝结反应等。
在实际应用中，合金化反应还存在一些问题和挑战。
例如，合金化反应的反应速率和反应程度受到多种因素的影响，例如温度、压力、反应时间、反应物浓度等。
此外，合金化反应还存在一些副反应和杂质的产生，影响合金材料的性能和质量。
因此，需要采取一系列的措施，以提高合金化反应的效率和质量。
金属材料合金化原理
0.2%C
0.45%C
1..2%C
1.2 钢旳合金化原理
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
5．合金元素对淬火钢旳回火转变过程旳影响 主要体现在提升钢旳回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程旳抵抗能力，使回火 过程各个阶段旳转变速度大大减慢，将其推向更高旳温度。详细为 （1）AE对马氏体分解旳影响 （2）AE对残余奥氏体转变旳影响 （3）AE对碳化物旳形成、汇集和长大旳影响 （4）AE对铁素体回复再结晶旳影响 （5）AE对回火脆性旳影响
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
（4）AE对铁素体回复再结晶旳影响 ➢ 大多数AE延缓α相回复与再结晶过程，其中 Co、Mo、W、Cr、V明显提升α相旳再结晶温
度； Si、Mn旳影响次之； Ni旳影响较小。 ➢ 在碳钢中，α相高于400℃开始回复，500℃开始
再结晶。当往钢中加入Co（wCo=2%）时，可将 α相旳再结晶温度升高到630℃。
对高温转变（珠光体转变）旳影响； 对中温转变（贝氏体转变）旳影响； 对低温转变（马氏体转变）旳影响。
9
Chapter 1 金属材料旳合金化原理
2. AE对高温转变（珠光体转变）旳影响
（1）合金元素对珠光体转变旳综合作用
强碳化物Ti、Nb、V 推迟碳化物旳形核和长大。 中强碳化物形成元素W、Mo、Cr推迟碳化物形核 和长大，还经过增长固溶体原子间结合力、降低铁原 子旳自扩散而减慢γ→α转变。 弱碳化物形成元素Mn推迟珠光体转变时合金渗碳 体旳形核和长大，同步Mn又是扩大γ相区旳元素，起 稳定奥氏体并强烈推迟γ→α转变旳作用。 非碳化物形成元素Ni、Co Ni是开启γ相区并稳定 奥氏体旳元素，增长α相旳形核功，降低转变温度。 Co因为增进铁旳扩散，因而增长α相长大速度。
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1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？答：（1）加热方法（加热介质）的不同。
由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。
（2）工件在炉内排布方式的影响。
工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。
（3）工件本身的影响。
工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。
同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。
气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。
3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。
在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。
工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。
当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。
往里，工件将在该温度下发生脱碳。
由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。
由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。
4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。
就机械性能而言，45最好为调质，如果形状确实太复杂，淬火时容易变形、开裂、可用正火代替。
5、20GrMnTi钢拖拉机传动齿轮，锻后要进行车内孔，拉花键及滚齿等机械加工，然后进行渗碳淬火，回火。
问锻后和机械加工前是否需要热处理？若需要，应进行何种热处理？主要工艺参数如何选择？答：锻后和机械加工前需要正火处理，这样可使同批毛坯具有相同的硬度（便于切削加工），可以细化精粒,均匀组织,为后续的渗碳与淬火提供良好的组织状态;二则应该是把硬度调整到利于切削加工的硬度正火工艺：正火加热温度为Ac3以上120~150（即在960℃左右），其原则是在不引起晶粒粗话的前提下尽量采用高的加热温度，以加速合金碳化物的溶解和奥氏体的均匀化,然后风冷5分钟左右,接着在640℃等温适当时间后空冷，硬度在HB180左右，利于切削加工。
6、45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造---热处理---机械加工----高频淬火—回火。
试问锻后应进行何种热处理，为什么？答：常用淬火介质及冷却特性；进行正火处理，45钢市中碳钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。
对45钢，虽然碳含量较高，硬度稍高，但由于正火生产率高，成本低，随意采用正火处理。
7、65Mn钢制弹簧，已知该种钢直径30mm的轴在循环水中淬时可以完全淬透，现有弹簧系由直径为15mm的圆钢盘制，试问，用循环油淬火时能否淬透？答：可以淬透。
水的淬火烈度为1.2，油的为0.4，在理想临界直径、实际临界直径与淬火烈度的关系图中，可以得到该钢的理想临界直径为44mm，再从此处向上引垂线，与H=0.4相交，再从交点引水平线与纵坐标交于16mm处，即该种钢在油淬中的临界直径为16mm，故15mm的圆钢盘油中能淬透。
8、设有一种490柴油机连杆螺栓，直径12mm,长77mm，材料为40Cr钢，调质处理。
要求淬火后心部硬度大于HRC45，调质处理后心部为HRC22~33，试制定调质处理工艺。
答：淬火后心部硬度大于45，即完全淬透，可采有在825~860摄氏度油冷（H=0.4）,淬火后低温回火，可得板条状M，可满足调质后心部硬度要求。
9、有直径25mm，长125mm光轴一种，离轴端1/3处有5x5x25键槽一个，45钢制，自820度水淬，入水方向为轴线垂直水面，试分析淬火后可能引起的变形。
答：（1）淬火前后组织变化而引起的体积变形45号钢为亚共析钢，淬火前的组织为先共析铁素体和珠光体，即铁素体和渗碳体的混合组织，而淬火后大部分为为马氏体组织。
由于这些组织的幽邃不同，淬火前后将引起体积变化，体面产生变形。
（2）入水方向为轴线垂直水面，结构上含键槽，高温时冷却不均匀，将会发生扭曲变形。
（3）直径25MM，大于45号钢的临界淬透直径，故不能完全淬透，所产生的应力我与热应力类似，尺寸较大的一方缩小，而尺寸较小的一方刚胀大，对于上述构件，长度方向缩短，直径方向胀大。
键槽处壁向内凸出。
10、写出20Cr2Ni4A钢重载渗碳齿轮的冷，热加工工序安排，并说明热处理工序所起的作用。
答：（1）渗碳件的加工路线一般为：下料一锻造一正火一机械粗加工、半精加工一局部渗碳时，不渗碳部位镀铜(或留防渗余量)一渗碳一淬火、低温回火一磨削（2）热处理作用：对20Cr2Ni4A等高合金渗碳钢制零件，在渗碳后保留有大量残余奥氏体，为了渗碳层表面硬度，在一次淬火加热钱应进行高温回火。
回火温度的选择应最有利于残余奥氏体的转变为原则，对20Cr2Ni4A钢采用640～680℃、6～8小时的回火，使残余奥氏体发生分解，碳化物充分析出和聚集。
高温回火后，在稍高于Ac1的温度（780～800℃）加热淬火。
由于淬火加热温度低，碳化物不能全部溶于奥氏体中，因此残余奥氏体量较少，提高了渗层强度和韧性。
11、何谓碳势？何谓氮势？其本质有何异同点？怎样调整碳势和氮势？答：（1）碳势：纯铁在一定温度小于加热炉气中加热时既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面的含碳量。
氮势：温度一定时，与炉气平衡的钢中氮的活度成正比，故可作为这种气氛渗氮能力的度量，并把它定义为氮势，用r表示，即（2）调整碳势：①炉气碳势随着CO2含量的增加而减小②在相同温度和CO2含量条件下，不同钢材的碳势不同③不同渗碳温度，通一CO2含量所得碳势不同，炉温较高时，碳势较低调整氮势：①可以直接通过控制气氛中的NH3和H2的分压来调整氮势的大小②亦可以通过调整N2含量从而影响气氛中氨和氢的分压和碳势氮势的本质异同没找到12、何谓透入式加热和传导式加热？试比较它们的优缺点。
如何选择这两种假如方式？答：透入式加热也称作热容量加热，即当零件加热时，电流热透入深度大于淬硬层深度。
可用下式表示：d热>X淬。
透入式加热时淬硬层的热能由涡流产生，整个层中的温度基本上是均匀的。
传导式加热也称作表层加热，即当零件加热时，电流热透入深度小于淬硬层深度。
可用下式表示d热＜X淬。
传导式加热时，热能只产生在d热这一层，超过d热后的金属，其温度的提高完全依靠热传导。
透入式加热较传导式加热有如下特点：（a）表面的温度超过A2 点以后，最大密度的涡流流向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热。
（b）加热迅速，热损失小，热效率高（c）热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高。
如何选择：（1）在大量生产条件下应选择透入式加热（2）透人式加热电能消耗少，淬火成本低。
（3）传导式加热时，随着淬硬层深度的增加，热的有效利用率更加降低，淬火成本更趋增高。
13、试比较高频感应加热，火焰加热之异同点，以及它们在表面淬火时的特点。
答：原理：感应加热表面淬火即以电磁感应原理在工件表面门生电流密度很高朋满座涡流来加热工件表面的淬火方法。
火焰淬火即用温度极高的可燃气体火焰直接加热工件表面的表面淬火方法。
感应加热所需热能除涡流产生的热效应处，还有“磁滞现象”所引起的热效应。
由于集肤效应，交变频率越高，电流密度分布不均的现象越严重，工件表面能迅速被加热，其心部刚几乎未被加热。
加热方式分为透入式加热和传导式加热。
感应加热温度与加热速度和淬火前原始组织有关，一般高频加热淬火温度可比普通加热淬火温度高30~200度。
常用感应加热有两种方式，同时加热法和连续加热法。
通常借控制加热时间来控制加热温度最常用的盗劫方式是喷射冷却法和浸液冷却法。
常用的淬火介质有水，聚已烯醇水溶液，聚丙烯水溶液，乳化液和油。
感应加热淬火后一般只进行低温回火，其目的是为了降低瑹应力和脆性，而又不度，一回火方式有炉中回火，自回火和感应加热回火。
火焰加油表面淬火的优点是：设备简单，使用方便，成本低；不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用；淬火后表面清洁，无氧化，脱碳现象，变形也小。
其缺点是：表面容易过热；较难得到小于2MM的淬硬层尝试，只适用于火焰喷射方便的表层上下一心所采用的混合气体有爆炸危险。
14、简述退火、正火后钢的组织和性能的区别？答：退火和正火所得到的均是珠光体型组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。
但是正火与退火比较时，正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，因而对亚共析钢来说，析出的先共析铁素体较少，珠光体数量较多(伪共析)，珠光体片间距较小．此外，由于转变温度较低，珠光体成核串较大，因而珠光体团的尺寸较小．对过共析钢来说，若与完全退火相比较，正火的不仅珠光体的片间距及团直径较小，而且可以抑制先共析网状渗碳体的析出，而完全退火的则有网状渗碳体存在。
对亚共析钢，若以40Cr钢为例，正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑性相仿。
对过共析钢，完全退火的因有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正火的。
只有球化退火的，因其所得组织为球状珠兜体，故其综合性能忧于正火的。