第一章金属材料的合金化原理
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金属材料学
主编 伍玉娇
绪 论
一、材料的分类
绪 论
二、金属材料的优势
1、成熟的加工工艺；
2、优越的综合性能
具有导电性和磁性，并且其韧性高于陶瓷的，弹性模量 高于高分子材料。 3、在相当长的时期内金属资源不会枯竭 多数金属矿物能满足几百年的使用，随着科学技术的发 展，可开发一些低品位矿石，并且海洋、地壳深处都有大量 的金属矿物。 4、具有优异的性价比优势。 5、更重要的是金属材料本身也在不断发展。
航天、航空技术的发展对材料提出越来越高的要求，如
耐高温或要求高比强度和比刚度，以最大限度地减轻飞行
器的重量。金属基复合材料的比刚度比树脂复合材料的高
很多。 3、在特殊条件下使用的金属材料 腐蚀介质、磨损、辐射、高（低）温等环境条件。
绪 论
4、新工艺和新技术是开发新型金属材料的动力。 5、金属功能材料的发展 （1）金属磁性材料 （2）形状记忆合金和超弹性合金 （3）储氢合金 （4）生物医学材料
力学等性能而添加在钢中的元素。 钢中常用的合金元素有： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、 Cu、B、Re等。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
热脆性：S——FeS（低熔点989℃）； 冷脆性：P——Fe3P（硬脆）； 氢脆、白点：H。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
微量元素 <0.1%; Nb、Ti、V、Zr、B等。
② 溶解度
溶质原子大小：r↓，溶解度↑。 N溶解度比C大：RN=0.071nm， RC=0.077nm。 ③间隙位置 优先占据有利间隙位置——畸变最小。 间隙位置总是没有被填满。
1.2 钢的合金化
3、形成 碳化物
1）钢中常见的碳化物
碳化物类型、大小、形状和分部对钢的性能有很重要的
作用。
从元素周期表上可以看到，碳化物形成元素均位于铁元
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
2、α 相稳定化元素 使A3↑，A4↓， γ相 区缩小。
铁 素 体 形 成 元 素
a) 封闭γ相区元素：Cr、V、W、Mo、Ti等； Cr、V与α -Fe完全互溶，量大时获得α 相。 b) 缩小γ相区元素： W、Mo、Ti 等； W、Mo、Ti等部分溶解。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响 三、对S、E点成分的影响
1.2 钢的合金化
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。
1.2 钢的合金化
1.2 钢的合金化
结 论Biblioteka Baidu
1.2 钢的合金化
2）间隙固溶体
① 有限固溶 C、N、B、O等 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。
第1章 金属材料的合金化原理
合金元素对铁碳相图的影响 钢的合金化 合金元素在钢中的存在形式 合金元素对钢相变的影响 合金元素对钢力学性能的影响
合金元素对钢工艺性能的影响
合金钢的编号方法
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
一、基本概念
合金元素
为了使钢获得所需要的组织结构、物理、化学和
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——意味着共析碳量减小； E点左移——意味着出现莱氏体的碳量降低。
当强和中强碳化物形成元素含量较高时，继续提高合金元素含 量，会使S点含碳量有所回升。 原因：形成了一部分不溶于奥氏体中的特殊碳化物，固定了钢 中一部分碳，使奥氏体碳含量下降，必须再增加一部分碳才能发 生共析转变。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
a) Cr对相区的影响
b) Mn对相区的影响
1.2 钢的合金化
一、合金元素在钢中的存在形式
1．形成铁基固溶体 2．形成合金渗碳体（碳化物）与氮化物 3．形成金属间化合物 4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 5. 自由态
1.2 钢的合金化
1、形成铁基固溶体 1）置换固溶体
绪 论
（2）微晶态材料 是液态金属在快冷条件下的产物，其特点有： ① 微晶的强度遵循Hall-Petch公式，具有比一般金属更 高的强度；
② 微晶材料的偏析很小，主要表现在合金在凝固过程中
形成的枝晶间距很小； ③由于在快冷过程中溶质原子的析出受到限制，因此， 通过快冷可大大提高固溶度。
绪 论
2、高比强度、高比刚度金属基复合材料
碳化物形 成元素
强碳化物形成元素：Hf、Zr、Ti、 Nb、V等； 中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr 等； 弱碳化物形成元素：Mn。
非碳化物 形成元素
Si、Al、Cu、Ni、Co等。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
二、合金元素对铁碳相图的影响
Fe在加热和冷却过程中产生如下的多晶型性转变：
Fe Fe Fe
绪 论
三、金属材料的新进展
1、非平衡态（亚稳态）合金 主要包括非晶、微晶和纳米晶，准晶也属于该范畴。
（1）非晶态材料
具有短程有序、长程无序的特征。硬度和强度高、磁导 率高，矫顽力低。 非晶态磁性合金Fe78B13.5Si9作为变压器材料，其铁损为取 向硅钢片的1/3左右，而价格仅高50%。 Fe80B20非晶态合金的断裂强度高达3700MPa，比一般超 高强度钢高出50%，为一般结构钢的7倍，是很好的低膨胀 系数和恒弹性材料。
A3 A4
910 C
1400 C
碳在Fe中形成的固溶体称为铁素体或奥氏体。 铁基固溶体：合金元素溶在α-Fe、γ-Fe和δ-Fe中形成的固溶 体称为铁基固溶体。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
1、γ相稳定化元素 使A3↓，A4↑， γ 相区扩大。
奥 氏 体 形 成 元 素
a) 开启γ相区元素：Ni、Mn、Co 量大时，室温可获得γ相。 b) 扩大γ相区元素：C、N、Cu等； 扩大γ相区。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
四、对A1、A3温度的影响
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。
五、对γ-Fe相区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也 为奥氏体——奥氏体钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在室温下也 为铁素体——铁素体钢。
主编 伍玉娇
绪 论
一、材料的分类
绪 论
二、金属材料的优势
1、成熟的加工工艺；
2、优越的综合性能
具有导电性和磁性，并且其韧性高于陶瓷的，弹性模量 高于高分子材料。 3、在相当长的时期内金属资源不会枯竭 多数金属矿物能满足几百年的使用，随着科学技术的发 展，可开发一些低品位矿石，并且海洋、地壳深处都有大量 的金属矿物。 4、具有优异的性价比优势。 5、更重要的是金属材料本身也在不断发展。
航天、航空技术的发展对材料提出越来越高的要求，如
耐高温或要求高比强度和比刚度，以最大限度地减轻飞行
器的重量。金属基复合材料的比刚度比树脂复合材料的高
很多。 3、在特殊条件下使用的金属材料 腐蚀介质、磨损、辐射、高（低）温等环境条件。
绪 论
4、新工艺和新技术是开发新型金属材料的动力。 5、金属功能材料的发展 （1）金属磁性材料 （2）形状记忆合金和超弹性合金 （3）储氢合金 （4）生物医学材料
力学等性能而添加在钢中的元素。 钢中常用的合金元素有： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、 Cu、B、Re等。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
热脆性：S——FeS（低熔点989℃）； 冷脆性：P——Fe3P（硬脆）； 氢脆、白点：H。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
微量元素 <0.1%; Nb、Ti、V、Zr、B等。
② 溶解度
溶质原子大小：r↓，溶解度↑。 N溶解度比C大：RN=0.071nm， RC=0.077nm。 ③间隙位置 优先占据有利间隙位置——畸变最小。 间隙位置总是没有被填满。
1.2 钢的合金化
3、形成 碳化物
1）钢中常见的碳化物
碳化物类型、大小、形状和分部对钢的性能有很重要的
作用。
从元素周期表上可以看到，碳化物形成元素均位于铁元
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
2、α 相稳定化元素 使A3↑，A4↓， γ相 区缩小。
铁 素 体 形 成 元 素
a) 封闭γ相区元素：Cr、V、W、Mo、Ti等； Cr、V与α -Fe完全互溶，量大时获得α 相。 b) 缩小γ相区元素： W、Mo、Ti 等； W、Mo、Ti等部分溶解。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响 三、对S、E点成分的影响
1.2 钢的合金化
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。
1.2 钢的合金化
1.2 钢的合金化
结 论Biblioteka Baidu
1.2 钢的合金化
2）间隙固溶体
① 有限固溶 C、N、B、O等 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。
第1章 金属材料的合金化原理
合金元素对铁碳相图的影响 钢的合金化 合金元素在钢中的存在形式 合金元素对钢相变的影响 合金元素对钢力学性能的影响
合金元素对钢工艺性能的影响
合金钢的编号方法
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
一、基本概念
合金元素
为了使钢获得所需要的组织结构、物理、化学和
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——意味着共析碳量减小； E点左移——意味着出现莱氏体的碳量降低。
当强和中强碳化物形成元素含量较高时，继续提高合金元素含 量，会使S点含碳量有所回升。 原因：形成了一部分不溶于奥氏体中的特殊碳化物，固定了钢 中一部分碳，使奥氏体碳含量下降，必须再增加一部分碳才能发 生共析转变。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
a) Cr对相区的影响
b) Mn对相区的影响
1.2 钢的合金化
一、合金元素在钢中的存在形式
1．形成铁基固溶体 2．形成合金渗碳体（碳化物）与氮化物 3．形成金属间化合物 4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 5. 自由态
1.2 钢的合金化
1、形成铁基固溶体 1）置换固溶体
绪 论
（2）微晶态材料 是液态金属在快冷条件下的产物，其特点有： ① 微晶的强度遵循Hall-Petch公式，具有比一般金属更 高的强度；
② 微晶材料的偏析很小，主要表现在合金在凝固过程中
形成的枝晶间距很小； ③由于在快冷过程中溶质原子的析出受到限制，因此， 通过快冷可大大提高固溶度。
绪 论
2、高比强度、高比刚度金属基复合材料
碳化物形 成元素
强碳化物形成元素：Hf、Zr、Ti、 Nb、V等； 中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr 等； 弱碳化物形成元素：Mn。
非碳化物 形成元素
Si、Al、Cu、Ni、Co等。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
二、合金元素对铁碳相图的影响
Fe在加热和冷却过程中产生如下的多晶型性转变：
Fe Fe Fe
绪 论
三、金属材料的新进展
1、非平衡态（亚稳态）合金 主要包括非晶、微晶和纳米晶，准晶也属于该范畴。
（1）非晶态材料
具有短程有序、长程无序的特征。硬度和强度高、磁导 率高，矫顽力低。 非晶态磁性合金Fe78B13.5Si9作为变压器材料，其铁损为取 向硅钢片的1/3左右，而价格仅高50%。 Fe80B20非晶态合金的断裂强度高达3700MPa，比一般超 高强度钢高出50%，为一般结构钢的7倍，是很好的低膨胀 系数和恒弹性材料。
A3 A4
910 C
1400 C
碳在Fe中形成的固溶体称为铁素体或奥氏体。 铁基固溶体：合金元素溶在α-Fe、γ-Fe和δ-Fe中形成的固溶 体称为铁基固溶体。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
1、γ相稳定化元素 使A3↓，A4↑， γ 相区扩大。
奥 氏 体 形 成 元 素
a) 开启γ相区元素：Ni、Mn、Co 量大时，室温可获得γ相。 b) 扩大γ相区元素：C、N、Cu等； 扩大γ相区。
1.1 合金元素对铁碳相图的影响
四、对A1、A3温度的影响
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。
五、对γ-Fe相区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也 为奥氏体——奥氏体钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在室温下也 为铁素体——铁素体钢。