第1章钢的合金化概论 PPT
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第1章钢合金化概论.ppt
rc/rMe < 0.59 —简单结构相，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、相似者相溶
完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相 变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程 度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。
“C”曲线五种形状
常用合金元素对奥氏体等 温转变曲线的影响 (上左) 强K形成元素 (上右) 中、弱K形成元素 (下 左) 非K形成元素
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变过程包括孕育期、碳化物形核 长大和相形核长大几个步骤，在孕育期进 行合金元素和碳的重新分配，在此基础上 发生碳化物和α相的形核长大过程。
第四 周期
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu
点阵 结构
bcc bcc bcc
bcc或fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
电子 结构
原子半径 /nm
2
0.145
3
0.136
5
0.128
5
0.131
6
0.127
7
0.126
8
0.124
10
0.128
ΔR，% 14.2 7.1 0.8 3.1 — 0.8 2.4 0.8
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律
Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。
2、相似者相溶
完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相 变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程 度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。
“C”曲线五种形状
常用合金元素对奥氏体等 温转变曲线的影响 (上左) 强K形成元素 (上右) 中、弱K形成元素 (下 左) 非K形成元素
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变过程包括孕育期、碳化物形核 长大和相形核长大几个步骤，在孕育期进 行合金元素和碳的重新分配，在此基础上 发生碳化物和α相的形核长大过程。
第四 周期
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu
点阵 结构
bcc bcc bcc
bcc或fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
电子 结构
原子半径 /nm
2
0.145
3
0.136
5
0.128
5
0.131
6
0.127
7
0.126
8
0.124
10
0.128
ΔR，% 14.2 7.1 0.8 3.1 — 0.8 2.4 0.8
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律
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
钢合金化概论综述课件
采用环保型的表面处理技 术，减少对环境的污染和 危害。
THANK YOU
感谢聆听
钢合金化的历史和发展
早期的钢合金化主要是为了提 高钢的硬度和强度，以满足制 造刀具、工具和武器等的需求 。
随着工业和技术的发展，钢合 金化的应用范围不断扩大，涉 及到建筑、桥梁、船舶、汽车 、航空航天等领域。
现代钢合金化技术不断发展， 新型的合金元素和复合合金化 方法不断涌现，进一步提高钢 的性能和应用领域。
02
钢合金化的原理
钢合金化的理论基础
合金元素与铁的相互作用
了解不同合金元素与铁的相互作用，以及它们如何 影响钢的性能。
合金元素在钢中的分布
研究合金元素在钢中的分布规律，以及如何通过合 金化实现均匀分布。
合金元素对钢相变的影响
探讨合金元素如何影响钢的相变过程，以及如何通 过合金化调控相变行为。
钢合金化的化学反应
高耐腐蚀钢
在海洋工程、石油化工等 领域，耐腐蚀钢的应用越 来越广泛，以提高设备和 设施的使用寿命。
高耐磨钢
在矿山、建筑等重型机械 行业，耐磨钢的应用可以 显著提高设备的耐用性和 安全性。
低成本钢合金的发展趋势
优化生产工艺
01
通过改进生产工艺和降低生产成本，提高钢合金的性价比和市
场竞争力。
再生利用
02
熔炼技术发展
随着科技的不断进步，新型的 熔炼技术如电渣重熔、等离子 熔炼等不断涌现，提高了钢液 的质量和纯净度。
钢合金化的铸造技术
铸造设备
钢锭铸造机、连续铸造机等，用 于将钢液铸造成钢锭或连续铸坯
。
铸造工艺
包括浇注、冷却、矫直等步骤，以 获得合格的钢锭或铸坯。
铸造技术发展
THANK YOU
感谢聆听
钢合金化的历史和发展
早期的钢合金化主要是为了提 高钢的硬度和强度，以满足制 造刀具、工具和武器等的需求 。
随着工业和技术的发展，钢合 金化的应用范围不断扩大，涉 及到建筑、桥梁、船舶、汽车 、航空航天等领域。
现代钢合金化技术不断发展， 新型的合金元素和复合合金化 方法不断涌现，进一步提高钢 的性能和应用领域。
02
钢合金化的原理
钢合金化的理论基础
合金元素与铁的相互作用
了解不同合金元素与铁的相互作用，以及它们如何 影响钢的性能。
合金元素在钢中的分布
研究合金元素在钢中的分布规律，以及如何通过合 金化实现均匀分布。
合金元素对钢相变的影响
探讨合金元素如何影响钢的相变过程，以及如何通 过合金化调控相变行为。
钢合金化的化学反应
高耐腐蚀钢
在海洋工程、石油化工等 领域，耐腐蚀钢的应用越 来越广泛，以提高设备和 设施的使用寿命。
高耐磨钢
在矿山、建筑等重型机械 行业，耐磨钢的应用可以 显著提高设备的耐用性和 安全性。
低成本钢合金的发展趋势
优化生产工艺
01
通过改进生产工艺和降低生产成本，提高钢合金的性价比和市
场竞争力。
再生利用
02
熔炼技术发展
随着科技的不断进步，新型的 熔炼技术如电渣重熔、等离子 熔炼等不断涌现，提高了钢液 的质量和纯净度。
钢合金化的铸造技术
铸造设备
钢锭铸造机、连续铸造机等，用 于将钢液铸造成钢锭或连续铸坯
。
铸造工艺
包括浇注、冷却、矫直等步骤，以 获得合格的钢锭或铸坯。
铸造技术发展
金属材料学--钢铁材料的合金化原参考课件
具有在一定程度内变化的化学成分、具有不同 的晶体结构因而不同性能和性质、用相界面与 其他相分隔的部分物质被称为相
成分分析，元素与含量 相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍
射强度）和尺寸 组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌
不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
5
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
20
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
α-Fe与δ-Fe相区合并
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
13
扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γ
A1 α
Fe
14
扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
12
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
成分分析，元素与含量 相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍
射强度）和尺寸 组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌
不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
5
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
20
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
α-Fe与δ-Fe相区合并
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
13
扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γ
A1 α
Fe
14
扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
12
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
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 和Fe的结合力 >Fe和C的结合力 ,↑ac
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
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
第1章 钢合金化概论
第1章1.1钢铁中的合金元素热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。
2、合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。
钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
Me和Fe基二元相图一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。
Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
隐存杂质常存杂质二、Me在钢中的存在形式1、Me在不同状态下的分布1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。
优先形成K，余量溶 入基体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。
溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
2、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； 3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。
非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.1偏聚 机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。
工程材料学第1章 钢的合金化基础PPT课件
等, 它们使A3点(γ向α相的转变点)下降, A4点(δ向γ相的转
变点)上升, 从而扩大γ相存在范围。 其中Ni、Mn等加入到一定量后, 可使γ相区扩大到室温以下
, 使α相区消失, 称为完全扩大γ相区元素。 Fe—Mn相图 所示
15
2）缩小γ相区元素 亦称铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al
“00”或“0”为首 6 铸钢牌号为“ZG”+最低屈服点值+最低抗拉强度值。 7 高锰耐磨钢为“ZG”+ 锰的符号+锰含量+序号。
9
40Cr 平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质 量分数在1.5%以下的合金结构钢。
5CrMnMo 平均碳质量分数为0.5%, 主要合金元素Cr 、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下合金工具钢。
来源：脱氧剂SiFe，炼钢材料； 形式：α-Fe中固溶强化； 含量：镇静钢（用SiFe，MnFe，Al完全脱氧的钢）
Wsi=0.1%-0.4% 沸腾钢（MnFe脱氧，不完全脱氧钢） Wsi=0.03%-0.07% 影响不大 。
11
3. S ： 有害元素； 来源：炼钢用的矿石和燃料； 形式：FeS形式存在于钢中，S不溶于Fe， FeS+Fe形成
、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升, N点下降(铬除外, 铬质量分数小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅速上
升), 从而缩小γ相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。 如Fe-Cr相图所示
16
2.合金元素与C的相互作用
合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可分为 碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N 、B等。都溶于铁素体和奥氏体中。 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。
变点)上升, 从而扩大γ相存在范围。 其中Ni、Mn等加入到一定量后, 可使γ相区扩大到室温以下
, 使α相区消失, 称为完全扩大γ相区元素。 Fe—Mn相图 所示
15
2）缩小γ相区元素 亦称铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al
“00”或“0”为首 6 铸钢牌号为“ZG”+最低屈服点值+最低抗拉强度值。 7 高锰耐磨钢为“ZG”+ 锰的符号+锰含量+序号。
9
40Cr 平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质 量分数在1.5%以下的合金结构钢。
5CrMnMo 平均碳质量分数为0.5%, 主要合金元素Cr 、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下合金工具钢。
来源：脱氧剂SiFe，炼钢材料； 形式：α-Fe中固溶强化； 含量：镇静钢（用SiFe，MnFe，Al完全脱氧的钢）
Wsi=0.1%-0.4% 沸腾钢（MnFe脱氧，不完全脱氧钢） Wsi=0.03%-0.07% 影响不大 。
11
3. S ： 有害元素； 来源：炼钢用的矿石和燃料； 形式：FeS形式存在于钢中，S不溶于Fe， FeS+Fe形成
、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升, N点下降(铬除外, 铬质量分数小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅速上
升), 从而缩小γ相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。 如Fe-Cr相图所示
16
2.合金元素与C的相互作用
合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可分为 碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N 、B等。都溶于铁素体和奥氏体中。 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。
第一章-合金化基础PPT课件
常存杂质：Mn Si Al S P
1．分类
隐存杂质： O H N
偶存杂质：Cu Sn Pb Cr
2．对钢性能的影响
热脆: S 冷脆: P
氢脆: H
2021/7/24
9
二．合金元素（alloying-
element） 第三周期：Al、Si
第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、
1．定义
Ni、Cu 第五周期：Nb、Mo、Zr
M23C6：例Cr23C6，复杂立方 ； M2C：例Mo2C、W2C。密排六方 ；
MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 ；
M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵 。
2021/7/24K也有空位存在 ；可形成复合K , 如(Cr,Fe,Mo，…)7C3
19
2．K形成规律
（1）rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如 Cr、Mn、Fe ，形成Cr7C3、Cr23C6、 Fe3C、Mn3C等形式的K。 特点：①硬度低；②熔点低；③稳定性 较差，加热时易溶入γ中。 作用：提高γ稳定性，增加钢的淬透性及 回火稳定性。
钢的合金化基础理论（第1章） 合金钢（第2-6章） 铸铁（第7章） 有色金属材料（第8章） 非金属材料（第9-12章）
2021/7/24
3
第1 章为钢的合金化基础理论部分，我们将着 重讨论钢和合金元素、合金钢中的相组成与相 变、合金元素对钢的强韧性和工艺性的影响及 微量元素在钢中的作用。
2021/7/24
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（2） rc/rMe < 0.59 —简单结构相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 ，又称间隙相。
特点：①硬度高；②熔点高（可高达3000℃）；③稳定 性好（分解温度在1200℃以上）；④虽含有5060%的非金属原子，但仍有明显的金属特性；⑤成分 偏离分子式，VC0.96-0.75。
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School of Materials Science ＆ Engineering
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用
合金钢中的相组成及相变 ★★
合金元素在钢中的作用
★★
合金钢中的相变
合金元素对钢强韧化的影响 ★★
合金元素对钢工艺性的影响
微量元素在钢中的作用
★★
金属材料的环境协调性设计
注意:
同一元素既可能作为合金元素又可能是杂质， 若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者 ，则影响钢的质量。
如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元 素，但当其作为合金元素时：H—储氢合金； S— 易切削钢；P—耐磨钢。
§1.1 钢中的合金元素
3. 合金钢 在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定
§1.2 合金钢中的相组成
扩大γ相区示意图
Fe-C 相图
2. Fe基二元相图
缩小γ相区：也分为两类:
1）封闭γ相区 使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈, 其结 果使δ相区与α相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。
(c) Cr，V
封闭γ相区示意图
2. Fe基二元相图
常存杂质 隐存杂质 偶存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
钢铁生产流程
§1.1 钢中的合金元素
热脆性 —— S —— FeS （低熔点989℃）； 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； 氢 脆 —— H —— 白点。
2）缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。
(d) Nb,B等
3. 生产中的意义
可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单 相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热 钢中应用广泛。
合金元素对相图的影响，可以预测合金钢 的组织与性能。
三、 M对Fe - C相图的影响
？铁碳相图
三、 M对Fe 形成元素均使S、E点向左下方移动； F形成元素使S、E点向左上方移动； S点左移—意味着共析C量减小 ； E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低 。
铬对奥氏体相区的影响
锰对奥氏体相区的影响
2. 对临界点的影响
合金元素对共析碳量的影响
合金元素对共析温度的影响
• 几乎所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳
钢的分类和编号
重点及基本要求
掌握合金元素对铁碳相图、铁碳合金相 变的影响规律、碳氮化物的形成规律。
重点是合金元素在钢中的作用。 难点是金属材料的强化机理。 了解合金元素对金属材料加工性能和热
处理工艺性能的影响规律。
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用 合金钢中的相组成及相变 合金元素在钢中的作用 合金钢中的相变 合金元素对钢强韧化的影响 合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用 金属材料的环境协调性设计 钢的分类和编号
的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁 基合金。
M<5％时，称为低合金钢； M 5~10％，称为中合金钢； M>10％, 称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定。
§1.1 钢中的合金元素
4. 微合金元素与微合金化钢
微合金元素
有些合金元素如V，Nb，Ti,和B等，当其含量只 在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会 显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称 为微合金元素。
微合金钢
二. M分类及Fe-M的类型
1. 合金元素的分类
铁族金属——Co, Ni, Mn。 难熔金属——W, Mo, Nb, V, Cr. 轻金属——Ti, Al , Mg, Li 稀土金属——La，Ce和Nd等 贵金属元素——Au, Ag
按M与C的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti, Zr, Nb, V, Mo, W, Cr, Mn , Fe 非碳化物形成元素：Cu, Ni, Co, Si, Al
§1.1 钢中的合金元素
一. 几个概念
1. 合金元素
特别 (有目的、有意)添加到钢中为了保证获得 所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或 机械性能的化学元素。（常用M来表示）
Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、 Al、Cu、B和RE等。
§1.1 钢中的合金元素
2. 杂质元素
由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所 带入钢中的化学元素。
量下降，使碳含量低于0.77%的合金钢出现过共析组织
（如4Cr13）或碳含量低于2.11% 的合金钢出现共晶组织，
称为莱式体钢，如W18Cr4V。
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用 合金钢中的相组成及相变 合金元素在钢中的作用 合金钢中的相变 合金元素对钢强韧化的影响 合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用 金属材料的环境协调性设计 钢的分类和编号
2. Fe基二元相图
纯铁的异构转变
A
N
1538℃ 1394℃ 912℃ L → δ-Fe → γ-Fe → α-Fe
bcc
fcc
bcc
G
纯铁的冷却曲线
2. Fe基二元相图
同素异型转变
A3（912℃） A4（1394℃） α-Fe ← ---- → γ –Fe ← ---- → δ -Fe
奥氏体形成元素： 在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如 Mn,
2. Fe基二元相图 扩大γ相区 分为两类：
1）开启γ相区 Mn, Ni, Co 与 γ-Fe无限互溶
(a) Ni，Mn，Co
开启γ相区 示意图
Fe-Ni合金
2. Fe基二元相图 2）扩大γ相区
有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ 相区，构成了钢的热处理的基础。
(b) C，N，Cu
Ni, Co, C, N, Cu等。 铁素体形成元素：
在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如： Cr、Mo、V，Nb, Ti 等。
2. Fe基二元相图
按照M对Fe-M影响:
扩大γ相区 使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。
缩小γ相区： 使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用
合金钢中的相组成及相变 ★★
合金元素在钢中的作用
★★
合金钢中的相变
合金元素对钢强韧化的影响 ★★
合金元素对钢工艺性的影响
微量元素在钢中的作用
★★
金属材料的环境协调性设计
注意:
同一元素既可能作为合金元素又可能是杂质， 若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者 ，则影响钢的质量。
如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元 素，但当其作为合金元素时：H—储氢合金； S— 易切削钢；P—耐磨钢。
§1.1 钢中的合金元素
3. 合金钢 在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定
§1.2 合金钢中的相组成
扩大γ相区示意图
Fe-C 相图
2. Fe基二元相图
缩小γ相区：也分为两类:
1）封闭γ相区 使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈, 其结 果使δ相区与α相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。
(c) Cr，V
封闭γ相区示意图
2. Fe基二元相图
常存杂质 隐存杂质 偶存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
钢铁生产流程
§1.1 钢中的合金元素
热脆性 —— S —— FeS （低熔点989℃）； 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； 氢 脆 —— H —— 白点。
2）缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等。
(d) Nb,B等
3. 生产中的意义
可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单 相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热 钢中应用广泛。
合金元素对相图的影响，可以预测合金钢 的组织与性能。
三、 M对Fe - C相图的影响
？铁碳相图
三、 M对Fe 形成元素均使S、E点向左下方移动； F形成元素使S、E点向左上方移动； S点左移—意味着共析C量减小 ； E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低 。
铬对奥氏体相区的影响
锰对奥氏体相区的影响
2. 对临界点的影响
合金元素对共析碳量的影响
合金元素对共析温度的影响
• 几乎所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳
钢的分类和编号
重点及基本要求
掌握合金元素对铁碳相图、铁碳合金相 变的影响规律、碳氮化物的形成规律。
重点是合金元素在钢中的作用。 难点是金属材料的强化机理。 了解合金元素对金属材料加工性能和热
处理工艺性能的影响规律。
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用 合金钢中的相组成及相变 合金元素在钢中的作用 合金钢中的相变 合金元素对钢强韧化的影响 合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用 金属材料的环境协调性设计 钢的分类和编号
的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁 基合金。
M<5％时，称为低合金钢； M 5~10％，称为中合金钢； M>10％, 称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定。
§1.1 钢中的合金元素
4. 微合金元素与微合金化钢
微合金元素
有些合金元素如V，Nb，Ti,和B等，当其含量只 在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会 显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称 为微合金元素。
微合金钢
二. M分类及Fe-M的类型
1. 合金元素的分类
铁族金属——Co, Ni, Mn。 难熔金属——W, Mo, Nb, V, Cr. 轻金属——Ti, Al , Mg, Li 稀土金属——La，Ce和Nd等 贵金属元素——Au, Ag
按M与C的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti, Zr, Nb, V, Mo, W, Cr, Mn , Fe 非碳化物形成元素：Cu, Ni, Co, Si, Al
§1.1 钢中的合金元素
一. 几个概念
1. 合金元素
特别 (有目的、有意)添加到钢中为了保证获得 所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或 机械性能的化学元素。（常用M来表示）
Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、 Al、Cu、B和RE等。
§1.1 钢中的合金元素
2. 杂质元素
由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所 带入钢中的化学元素。
量下降，使碳含量低于0.77%的合金钢出现过共析组织
（如4Cr13）或碳含量低于2.11% 的合金钢出现共晶组织，
称为莱式体钢，如W18Cr4V。
主要内容
钢中的合金元素及和铁的作用 合金钢中的相组成及相变 合金元素在钢中的作用 合金钢中的相变 合金元素对钢强韧化的影响 合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用 金属材料的环境协调性设计 钢的分类和编号
2. Fe基二元相图
纯铁的异构转变
A
N
1538℃ 1394℃ 912℃ L → δ-Fe → γ-Fe → α-Fe
bcc
fcc
bcc
G
纯铁的冷却曲线
2. Fe基二元相图
同素异型转变
A3（912℃） A4（1394℃） α-Fe ← ---- → γ –Fe ← ---- → δ -Fe
奥氏体形成元素： 在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如 Mn,
2. Fe基二元相图 扩大γ相区 分为两类：
1）开启γ相区 Mn, Ni, Co 与 γ-Fe无限互溶
(a) Ni，Mn，Co
开启γ相区 示意图
Fe-Ni合金
2. Fe基二元相图 2）扩大γ相区
有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ 相区，构成了钢的热处理的基础。
(b) C，N，Cu
Ni, Co, C, N, Cu等。 铁素体形成元素：
在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如： Cr、Mo、V，Nb, Ti 等。
2. Fe基二元相图
按照M对Fe-M影响:
扩大γ相区 使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。
缩小γ相区： 使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。