钢合金化原理介绍
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钢合金化原理介绍
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)
钢合金化原理介绍
➢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。
合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强
度（或稳定性）按下列规律递减：
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
钢合金化原理介绍
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。
钢合金化原理介绍
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)
钢合金化原理介绍
（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）。
（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。
钢合金化原理介绍
4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相
（1）钢中的非金属相有： FeO 、 MnO 、 TiO2 、 SiO2 、 Al2O3 、 Cr2O3 、 MgO·Al2O3 、 MnO·Al2O3 、 MnS 、 FeS 、 2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。 非金属夹杂物一般都是有害的。
由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体， 并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高， 但最终不能使γ相区完全开启。
这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。 γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0~2.11%（重
量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏 体），这构成了钢的整个热处理的基础。
（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或 其它有色金属合金。
（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。
钢合金化原理介绍
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
钢合金化原理介绍
（2）形成铁基间隙固溶体（Hägg定则） ①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 ②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 ③间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、
C、N、O、H的顺序而增加。
2．形成合金渗碳体（与氮化物） （1）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和碳、氮化物间隙化
钢合金化原理介绍
扩大γ相区并与γ-Fe 无限互溶的Fe-Me 相图(a)及Fe-Ni 相图(b)
钢合金化原理介绍
开模
镀镍硬币
上摸
低碳钢芯 下模
金属镍层和内部 的铁芯之间形成 一个镍－铁固溶 带（或称扩散 层）。
Fra Baidu bibliotek
电镀 （滚镀）
均匀化退火
抛光钝化
钢合金化原理介绍
压花
②扩展γ相区(有限扩大γ相区) 虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但
二、合金元素在钢中的存在形式
1．形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律） ①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶
体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶 体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如αFe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶 体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
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。
（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。
钢合金化原理介绍
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。
第一章
钢的合金化原理
钢合金化原理介绍
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。 钢合金化原理介绍
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)
钢合金化原理介绍
➢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。
合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强
度（或稳定性）按下列规律递减：
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
钢合金化原理介绍
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。
钢合金化原理介绍
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)
钢合金化原理介绍
（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）。
（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。
钢合金化原理介绍
4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相
（1）钢中的非金属相有： FeO 、 MnO 、 TiO2 、 SiO2 、 Al2O3 、 Cr2O3 、 MgO·Al2O3 、 MnO·Al2O3 、 MnS 、 FeS 、 2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。 非金属夹杂物一般都是有害的。
由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体， 并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高， 但最终不能使γ相区完全开启。
这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。 γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0~2.11%（重
量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏 体），这构成了钢的整个热处理的基础。
（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或 其它有色金属合金。
（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。
钢合金化原理介绍
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
钢合金化原理介绍
（2）形成铁基间隙固溶体（Hägg定则） ①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 ②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 ③间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、
C、N、O、H的顺序而增加。
2．形成合金渗碳体（与氮化物） （1）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和碳、氮化物间隙化
钢合金化原理介绍
扩大γ相区并与γ-Fe 无限互溶的Fe-Me 相图(a)及Fe-Ni 相图(b)
钢合金化原理介绍
开模
镀镍硬币
上摸
低碳钢芯 下模
金属镍层和内部 的铁芯之间形成 一个镍－铁固溶 带（或称扩散 层）。
Fra Baidu bibliotek
电镀 （滚镀）
均匀化退火
抛光钝化
钢合金化原理介绍
压花
②扩展γ相区(有限扩大γ相区) 虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但
二、合金元素在钢中的存在形式
1．形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律） ①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶
体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶 体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如αFe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶 体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
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。
（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。
钢合金化原理介绍
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。
第一章
钢的合金化原理
钢合金化原理介绍
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。 钢合金化原理介绍