机械 工程材料 第五章

合金元素对珠光体转变的影响
除了Co、Al外均推迟奥氏体向珠光体的转变。
合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，提高淬透性。多种元素的共同 作用比单一元素的作用大的多。 合金元素对贝氏体转变的影响
合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对
γ→α转变速度和碳扩散速度的影响。
Cr、Mn、Ni降低γ→α转变温度，减少奥氏
马氏体中形成固溶体
2、形成强化相--合金渗碳体或合金碳化物 3、形成非金属夹杂物 ,与O、N、S等作用形成 氧化物、氮化物和硫化物
4、以游离状态存在 ，例如：Pb、Cu、石墨等。
A Ⅰ
0
A Ⅱ A Ⅲ A Ⅳ A Ⅴ A Ⅵ A Ⅶ
H e
H Li Na K Pb Cs
Be B C B B Ⅰ Ⅱ Mg ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB ⅧB Al Si Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pd
• 提高钢的回火稳定性作用较强的合金元素有：V，Si， Mo，W，Cr，Ni，Mn,Co
1. 对马氏体分解的影响 合金元素对马氏体分解的第一阶段 （两相式分解）没影响；碳化物形成元 素V、Nb、Cr、Mo、W等使马氏体分解的 第二阶段减慢，原因:需碳原子长距离 的扩散…..。碳从马氏体中析出温度升 高。非碳化物形成元素影渗碳体,大部分仍溶于奥氏体 和铁素体中。（弱）
合金元素溶入渗碳体中
• 置换Fe3C中的Fe原子 溶于奥氏体
单独形成特殊碳化物
合金渗碳体；(Cr、W、
Mo、V、Nb);硬度增，提高耐磨性，加热时难
合金元素与碳化合
特殊碳化物，结构简单、
熔点高、硬度高、稳定性高，当以细小的质点 分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作 用。 NbC、TiC、VC
Ni、Cr特殊，
含量少时，铁素体韧性升高； 含量多时，铁素体韧性下降
5.2.2合金元素与碳的作用
• 两大类：
1.非碳化物形成元素 Ni、Si、Co、Al、Cu等，以溶于γ-Fe 和α-Fe 中存在，形成非金属夹杂物和金属间化合物， 如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。Si含量 大时使渗碳体分解析出石墨。 2. 碳化物形成元素（次d电子层不满） Ti、 Zr、 Nb、 V、 W、 Mo、Cr、Mn、Fe等， 一部分溶入奥氏体和铁素体中，另一部分与碳 形成碳化物。
N P As Sb Bi
O S Se Te Po
F Cl Br I At
Ne Ar Kr Xe Rn
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； 字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物合 金元素。
5.2 合金元素与铁和碳的相互作用
5.2.1合金元素与铁的作用（合金元素与铁构成的相图 类型） 一．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。 1.无限扩大奥氏体区 合金元素与γ-Fe形成无限固溶体,与α-Fe形成有 限固溶体。使A3点降低，A4点升高。Mn、 Ni、 Co。 2.有限扩大奥氏体区 合金元素与γ-Fe 和α-Fe均形成有限固溶体。 使A3点降低，A4点升高。C、N、Cu、Zn等。
• •
Si的作用比较独特。 回火温度低时，Si不扩散，马氏 体和ε-碳化物中含Si量相等。由于 Fe3C中不溶Si，所以ε-碳化物转化为 Fe3C时必须把Si扩散出来，但Si的扩 散比碳慢，因此可以显著地减慢马氏 体的分解，使得马氏体的分解温度升 高。
2. 对残余奥氏体转变的影响 残余奥氏体C-曲线的孕育期较过冷奥氏体 的显著缩短。合金元素使过冷奥氏体和残余奥 氏体的C-曲线上出现一个中温稳定区。 Cr、Mn等可使奥氏体的分解温度显著升高。 在含有W、Mo、V等元素的高合金钢，由于 500~600℃回火中碳化物的析出，使残余A中 Me% ↓ ，Ms点高于室温，随后冷却时转变为残 余A →M→马氏体，硬度升高——二次淬火或二 次硬化。
碳化物形成元素在周期表中都是 位于铁元素的左边的过渡族金属元素, 它们都有一个未填满的d电子亚层,当 形成碳化物时,碳原子首先将其价电子 填入金属原子未填满的d电子亚层,使 形成的碳化物具有金属键结合的性质, 金属原子的d电子亚层愈不满(周期表 中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲 和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈 稳定,而且不易分解。
当钢中含Cr、W、Mo、V、Ti等超过一定量时，回火后 的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某 一温度范围回火后硬度反而增加，并在一定温度 （500~600℃）达到峰值。 • 二次硬化：在一定回火温度下硬度出现峰值的现象。
• 回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如 Mo2C，使硬度反而提高。（韧性也大大↑ ） • 二次淬火 • 500~600℃回火时析出合金碳化物→残余A中Me% ↓ → Ms、Mf ↑，随后冷却时残余A →M→硬度升高 二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变 为马氏体，而导致硬度升高的现象。
2. 缩小γ区，但不使γ区封闭型 合金元素使A3上升，A4下降。B、Nb、Ti、 Zr、Ta等。 合金元素分为两类： 扩大奥氏体区的元素成为奥氏体形成元素， Mn、 Ni、Co、C、N、Cu、Zn等； 缩小奥氏体区的元素称为铁素体形成元素， Cr、 Mo、 Ti 、 Si、Al等。
图3-3
铁-铬相图（封闭γ相区）
5.4.2合金元素对过冷奥氏体转变过程的影响： • 除Co以外，大多数合金元素的加入（溶入奥氏 体中）均使C曲线右移，提高过冷奥氏体的稳 定性， Vk↓从而提高了钢的淬透性； • 一些碳化物形成元素还使C曲线的形状发生改 变； • 除Co，Al外，所有的合金元素都使 Ms、Mf 点 下降，淬火后残余A量↑, 硬度↓ • 提高钢的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si， Ni，B
溶于碳钢中原有的相中；形成新类型的特殊碳化物 1.溶于基体中形成合金 F 或合金 渗碳体 。 2.与碳作用形成合金碳化物。 3.单独形成特殊碳化物 。
(1) Ti、Zr、 Nb 、 V缺碳时，才以原子态溶入固溶体。 （强）特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等， (2) W、Mo、Cr含量少时，形成合金渗碳体。如: (Fe、 Cr)3C、(Fe、Mo)3C、 (Fe、W)3C 含量多时，反 之形成特殊碳化物。（中强）Cr7C3、MoC、WC、
5.3 合金元素对Fe-C相图的影响
1.对奥氏体相区的影响 Mn、Ni、Co均使S点左移、A3线下降； Cr、W、Mo、V、Ti、Si使A3线上升； 大多数元素均使ES线左移，E点左移， 意味着钢中含碳量小于2.11%时就出现共晶 莱氏体，—高速钢、奥氏体钢、莱氏体钢。
例如：W18Cr4V的铸态组织中已出现了莱氏体；
5.4 合金元素对钢相变的影响
合金元素对奥氏体的形成、过冷奥氏体的分解、淬火马氏体 回火转变三个基本相变过程都有影响。
5.4.1合金元素对加热时奥氏体形成过程的影响：
（1 ）改变奥氏体形成的速度 加速奥氏体形成速度：非碳化物形成元素Co、Ni等 减慢奥氏体形成速度：强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等，
图3-1
铁-镍相图（开启γ相区 ） 图3-2
铁-碳相图（扩展γ相区 ）
二．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。
1. 封闭γ区、无限扩大α区 合金元素使A3点上升，A4点下降， 某一点时重合，γ区封闭，超过此含 量，则合金不再有γ α相变，与 α-Fe 形成无限固溶体。Cr、 W、 Mo、 V、Ti、 Si、 P、 Al、Be等。
合金元素对马氏体转变的影响 除Co、Al以外，溶入奥氏体中的合 金元素均使Ms点下降，碳的作用最大， 其次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。多种元 素共存时，作用更大。
5.4.3合金元素对回火转变的影响：
1. 提高钢的回火稳定性： 回火稳定性：表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能 力； M 分解、碳化物长大、残余A转变、F再结晶被推迟到 较高的温度才发生。 回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其强 度更高。 合金钢在相同的回火温度下比含碳量相同的碳钢具有更 高硬度， 回火稳定性越高的钢，在较高温度下的强度或硬度也 越高； 在达到相同强度条件下，回火稳定性高的钢，可在更 高温度下回火。---合金钢综合力学性能比碳钢好。
体与铁素体的自由能差，减少了相变驱动力，
且Cr与Mn还阻碍碳的扩散，因此推迟贝氏体
的转变。
Si强烈地阻止贝氏体转变（原因：强烈
地阻止过饱和铁素体的脱溶）。
W、Mo、V、Ti不同于Mn、Ni，使 γ→α转变温度升高，增大转变驱动 力，但降低碳的扩散速度，因此推迟 贝氏体转变，但作用较小。 含有W、Mo、V、Ti的钢贝氏体转变 的孕育期短，铁素体-珠光体转变的孕 育期长，空冷时容易得到贝氏体组织， 如12Cr1MoV钢。
2. 对共析温度和共析点位置的影响 扩大γ区的元素降低A3和A1，使S 点左移，缩小γ区元素升高A3和A1， 使S点左移。即含碳量小于0.77%时， 就析出二次渗碳体。如4Cr13钢(马氏 体不锈钢，就是过共析钢）。
图 合金元素对 S 点成分的影响
总结：
• 当含Mn、Ni较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将A3降至室温 以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢； 例如：Mn13(耐磨钢)、1Cr18Ni9（不锈钢）；如P122图7-1； • 当含Cr较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素 体存在而成为铁素体钢； 例如：Cr17（铁素体型不锈钢）；如P122图7-2； • 由于所有的合金元素均使S点左移，这就意味着钢中的含碳量 不足0.77%时，钢就变为过共析钢而析出Fe3CⅡ； • 例如：4Cr13（马氏体型不锈钢）就是过共析钢；