工程结构钢的合金化原理
结构材料复习资料
第一章钢的合金化原理一、填空题1、合金元素在钢中的存在形式有以固溶体形式存在、形成强化相、形成非金属夹杂物、以游离态存在。
2、合金钢按用途可分成结构钢、工具钢和特殊性能刚三类。
3、按照与铁的相互作用的特点，合金元素分为 A 形成元素和 F 形成元素。
4、奥氏体形成元素降低A3点，提高A4点。
5、按照与碳相互作用的特点，合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素。
6、所有的合金元素均使S点左移，这意味着合金钢共析点的碳浓度将移向--- 低碳方向，使共析体中的含碳量降低。
7、几乎所有的合金元素（除Co外）均使C曲线向右移动，其结果是降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。
8、几乎所有的合金元素（除Co、Al外）都使Ms、Mf点降低，因此淬火后相同碳含量的合金钢比碳钢的残余 A 增多，使钢的硬度降低，疲劳抗力下降。
二、名词解释合金元素：为保证获得所要求的组织结构，物理、化学性能而特别添加到钢中的化学元素。
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。
奥氏体形成元素：使A3点↓，A4点↑，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。
铁素体形成元素：使A3点↑，A4点↓，在较宽的成分范围内，促进铁素体形成，依缩小γ相区的程度又分为两小类。
二次淬火：已淬火的高合金钢中的残余奥氏体在回火冷却中转变为马氏体的现象。
二次硬化：钢在回火时出现的硬度回升现象。
三、问答题1、合金元素在钢中有哪几种存在形式？这些存在形式对钢的性能有什么影响？（1）以溶质形式溶入固溶体，如：溶入铁素体，奥氏体和马氏体中。
（有利）（2）形成强化相，形成碳化物或金属间化合物。
（有利）（3）形成非金属夹杂物，如氧化物（Al2O3、SiO2等），氮化物和硫化物（MnS、FeS等）（有害、尽量减少）（4）以游离态存在，如C以石墨状态存在（一般也有害）元素以哪种形式存在，取决于元素的种类、含量、冶炼方法及热处理工艺等。
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。
合金钢的球化和石墨化
合金钢的球化和石墨化合金钢是一种由铁和其他元素（如钼、铬、镍等）合金化而成的钢材。
球化和石墨化是两种常见的热处理方法，用于改善合金钢的力学性能和微观结构。
在下文中，我将详细介绍合金钢的球化和石墨化的原理和应用。
合金钢的球化是通过将钢材加热到一定温度，然后快速冷却，使其微观结构中的碳元素形成球状的碳化物。
球化处理能够提高合金钢的韧性和延展性，减少脆性。
这是因为球状的碳化物会改变钢材的晶界结构，减少晶界的应力集中，从而提高钢材的抗拉强度和塑性。
球化处理常用于高碳合金钢和合金元素含量较高的钢材。
石墨化是通过将合金钢加热到一定温度，然后冷却到室温，在适当的条件下，使钢材中的碳元素析出为石墨形态。
石墨化处理能够提高合金钢的切削性能和耐磨性。
石墨是一种具有良好自润滑性的材料，能够减少切削过程中的摩擦和磨损，提高切削效率和切削质量。
石墨化处理常用于切削工具和轴承等需要高耐磨性的应用领域。
球化和石墨化处理的具体方法和条件会根据不同的合金钢材料和应用要求而有所差异。
一般来说，球化处理的温度通常在900℃到950℃之间，冷却方式可以选择空冷、水淬或油淬。
而石墨化处理的温度通常在700℃到800℃之间，冷却方式可以选择空冷或水淬。
此外，球化和石墨化处理一般需要多次进行，以确保处理效果的稳定和一致性。
合金钢的球化和石墨化处理在工业制造中具有广泛的应用。
在航空航天、汽车制造和机械加工等领域，球化和石墨化处理能够显著提高合金钢的性能，延长材料的使用寿命。
例如，在航空航天领域，合金钢的球化处理可以提高材料的韧性和抗疲劳性能，增强零件的承载能力和抗冲击性能。
在汽车制造领域，合金钢的石墨化处理可以提高材料的耐磨性和降低切削力，从而提高发动机的工作效率和使用寿命。
在机械加工领域，合金钢的球化处理和石墨化处理可以提高切削刀具的切削性能和耐磨性，提高加工效率和质量。
总结起来，合金钢的球化和石墨化处理是一种重要的热处理方法，能够显著改善钢材的力学性能和微观结构。
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。
合金化原理
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。
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。
第1章_钢合金化概论
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律
决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似.
2020/9/18
二、间隙固溶体
① 有限固溶 C、N、B、O等
② 溶解度
溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的—— 如γ-Fe与α-Fe 。
2020/9/18
二、Me和Fe的作用
纯Fe → Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：
1、γ稳定化元素
使A3↓，A4↑，γ区扩大
a) 与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co 开启γ区—— 量大时， 室温为γ相；
2020/9/18
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
2、α稳定化元素
2020/9/18
铬对钢γ区的影响
2020/9/18
锰对钢γ区的影响
1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
合金元素在铁点阵中的固溶情况
Me
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度 γFe
0.68
无无无
~1.4 12.8
合金元素对共析碳量的影响
二、对临界点的影响
A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动
三、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 — 奥氏体钢；
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。
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
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〕。
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。
合金化原理-2
当钢中碳量在中等以上时，Cr对奥氏体晶粒有细化作用而Mn却较 明显的促使晶粒长大。 但在低碳钢中，Mn对晶粒度有细化作用，因此在研究普低钢时， 往往以锰来合金化。 我们知道，粗大的晶粒具有较低的自由能，因此晶粒粗化过程 是一个自发过程。那么为什么有的钢晶粒容易变粗而有的钢就不容易？ 最先出现的说法为机械阻碍法：奥氏体晶粒之所以不容易长大， 是由于在晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机械的阻 碍了奥氏体晶粒的长大。这种高度弥散的化合物，可以使一些稳定的 碳化物、氮化物，甚至是其它非金属夹杂物。 另一种理论认为合金元素对奥氏体晶粒粗化的作用，是由于合 金元素溶入奥氏体之后，改变了晶界能，因而改变了奥氏体的长大倾 向。还有一种理论则认为合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，在很大 程度上取决于他们改变了原子间的结合强度，从而引起了激活能和铁 的自扩散系数的变化。
碳化物在奥氏体中的溶解规律
最稳定的化合物的溶解度最低
Cr、Mo、V的碳化物具有最大的溶解 度，是潜在的最有用的合金碳化物， 这是因为当γ→α时，他们最终可 以形成较大的体积份额 Ti、Nb、V的碳化物在奥氏体中的 溶解度随温度的降低而下降。
如果有足够数量的合金元素存在的话，那么合金碳化物将在随 后的冷却过程发生沉淀。
族 周期 2 3 4 5 6 C③④ Sc② Y② La~Lu① ③ Ti① Zr① Hf② V① Nb① Ta② Sn⑤ P④⑤ ⅡA ⅢB ⅣB ⅤB ⅢA B①③ ⅣA ⅤA N① P⑤ As⑤ Sb⑤ Bi④ ⑤ S④ Se④ Te④ ⅥA
7
Ac~Lr① ③
微量痕迹元素对钢性能的有害影响
与痕迹元素相联系的有害效应包括热塑性的降低、 不同形式的脆性以及在淬透性、可焊性和耐蚀性 上有害效应。目前许多研究涉及高质量的不锈钢 或镍基合金，例如选择钢中的合金元素以得到不 同性能，从而使痕迹元素的有害影响变为关键问 题。 当前对痕迹元素有害影响的研究主要集中在晶界 的行为和成分上。其动态再结晶能力是至关重要 的。如果有害痕迹元素存在水平高于ppm范围，那 么即使在低变形下，晶界也会断裂。这些效应可 以通过完全去除有害痕迹元素或者添加一定的有 益痕迹元素来抵消。
钢的合金化基础ppt正式完整版
和扩大F区，优先分布于F中。 但合金元素的实际分布还与加入量和热处理条件有关。 (二)按照与碳相互作用的特点分类 1) 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、铝、磷等。易溶入F或A中 2) 碳化物形成元素： 如铬、钼、钨、钒、钛、锆、铌等。
(2) 稳定性：熔点、分解温度、溶入固溶体难易
稳定性高→难以集聚长大、强化效果好→提高回火温度、高温使用性能 提高回火温度：使基体组织恢复充分，残余A少，碳化物弥散，钢塑性、
韧性、强度好。 高温使用：在温度及应力长期作用下不易集聚长大→提高材料使用寿命。
第一节 钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用
一、钢中合金元素的分类 钢中常加入的合金元素有： 第二周期：硼、碳、氮； 第三周期：铝、硅； 第四周期：钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜； 第五周期：锆、铌、钼； 第六周期：钨； 第七周期：稀土元素。 硫、磷等元素通常作为有害元素看待，但有时也可当作合金元素(如在易切 削钢中硫被用来改善切削性能)。
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
(1)硬度：
碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。 如TiC，硬度最高。
、S、Si等结合形成化合物，残留在
钢中。使塑韧性和疲劳强度降低，还降低耐磨性、耐蚀性，并影响淬
合 透性。其危害与夹杂物成分(性能）、形状、大小、数量和分布有关。
金 元
但AlN可弥散于钢中，提高性能。
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
(建筑工程考试)川大工程材料基础考试资料精编
（建筑工程考试）川大工程材料基础考试资料第壹章，钢的合金化原理小结壹，合金元素及其分类1，合金元素：为了使钢获得预期的性能而又意识地加入碳钢中的元素。
按和碳的亲和力大小，合金元素可分为：非碳化物形成元素：Ni，Co，Cu，Si，Al，N，B等碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V，W，Mo，Cr等此外，仍有稀土元素：Re2，合金元素对钢中基本相得影响（1）合金元素可溶入碳钢三个基本相中：铁素体、渗碳体、和奥氏体中。
分别形成合金铁素体、合金渗碳体和合金奥氏体。
合金元素于铁基体和奥氏体中起固溶强化作用。
固溶强化：是利用点缺陷对金属基体进行强化的壹种合金化方法。
基体的方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。
（2）当钢种碳化物形成元素含量较高时可形成壹系列合金碳化物，如：MC,M2C,M23C6、M-C3和M3C等。
合金元素之间也能够形成化合物即金属间化合物，壹般来说，合金碳化物以及金属间化合物的熔点高、硬度高，加热时难以溶入奥氏体，故对钢的性能有很大的影响。
3，元素对钢中相平衡的影响按照合金元素对Fe—C相图上的相区的影响，可将合金元素分为俩大类：a扩大γ区的元素：即奥氏体形成元素。
指于γ-Fe中有较大的溶解度，且能扩大γ相存于的温度范围，使A3下降、A4上升。
如Mn，Ni，Co，C，N，Cu等。
b扩大α区的元素：即铁素体形成元素：指于α—Fe中有较大溶解度，且使γ-Fe不稳定的元素。
它们能缩小γ相区，而扩大α相存于的温度范围，使A3上升、A4下降。
如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。
扩大奥氏体区的直接结果是使共析温度下降；而缩小奥氏体区则使共析温度升高。
因此，具有共析组织的合金钢碳含量小于0.77％，同样，出现共晶组织的最低含碳量也小于2.11％。
4，合金元素对钢中相变过程的影响（1）对加热时奥氏体形成元素过程的影响a对奥氏体形核的影响：Cr、Mo、W、V等元素强烈推迟奥氏体形核；Co、Ni等元素有利于奥氏体形核。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
碳质量分数过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。
2、加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素。
七、耐磨钢的合金化特点
1、高碳：保证钢的耐磨性和强度。
其碳质量分数不超过1.4％。
2、高锰：提高钢的加工硬化率及良好的韧性。
3、一定量的硅：硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。
八、高速钢的合金化主要特点
1、工作温度可达500~600℃，有很高的热硬性（593℃HRC＞55）。
3、高碳（0.70~1.10％C），保证硬度和耐磨性。
4、加入较多的钨、钼、钒、铬等元素。
钨、钼、可产生“二次硬化”以保证热硬性，同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性。
九、热作模具钢的合金化特点
1、中碳（0.30~0.50％C）范围
2、加入铬、硅、锰等提高淬透性，铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。
3、镍可提高钢的韧性，并与铬、钼一起提高耐热疲劳性能。
4、钨、钼、钒可产生二次硬化效果，钼还能防止第二类回火脆性、提高高温硬度和回火稳定性。
十、马氏体时效钢的合金化原理
1、保证钢实现由单相奥氏体转变为马氏体，如加入镍；
2、为了使马氏体基体具有充分的沉淀强化能力、加入钼、钛、钴、铝、铌等。
十一、低合金工具钢的合金化特点
（1）工作温度低于300℃。
（2）高碳（0.90~1.10％C）：保证高硬度与高耐磨性；
（3）加入铬、硅、锰、钒等元素提高淬透性和回火稳定性。
一、为什么渗碳和氮化处理后能提高零件疲劳强度和耐磨性的原因
答：因为钢在渗碳后表面的碳含量增加，在淬火时部分析出碳化物，形成高硬度质点，这样表面机体硬，表面又有搞硬度质点，所以疲劳强度和耐磨性都有所提高。
（1）在表面形成高硬度的γ′-（Fe4N）和ε-（Fe3-2N）层；
（2）渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物，提高表面氮化层的强度和硬度。
（3）表面渗入氮原子后体积膨胀，因而在表面产生了残留压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。
二、提高耐热钢抗氧化性和热强性的方法
1、加入合金元素降低氧化膜中的扩散。
如Ni
2、加入合金元素形成致密稳定的合金氧化膜层，提高氧化膜的稳定性。
3、提高合金基体的原子间结合力，固溶强化基体（W、Mo、Cr）。
4、强化晶界
5、沉淀强化
6、获得奥氏体基体(不发生相变) 。
如Ni、Mn 的作用
三、铝合金中的沉淀强化相应满足以下的基本条件：
（1）沉淀强化相是硬度高的质点；
（2）沉淀相在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度，随温度降低，其溶解度急剧减小，能析出较大体积分数的沉淀相；
（3）在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且是弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区。