第1章钢的合金化概论 PPT
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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
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
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
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
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
1. 对S、E点的影响
A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
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）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 - C相图的影响
§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。
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
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。
§1.2 合金钢中的相组成
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
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
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
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
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
1. 对S、E点的影响
A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
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）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 - C相图的影响
§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。
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
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。
§1.2 合金钢中的相组成