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 ）％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减⑴Mn：WMn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）。

N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、MnO•Al2O3）。

⑷N、H、O是有害杂质。

二、碳钢的分类1．按钢中的碳含量⑴按Fe-Fe3C相图分类：亚共析钢，共析钢（Wc=0.77% ）；过共析钢⑵※按钢中碳含量的多少分类：低碳钢：w c ≤0.25% ；中碳钢：0.25%＜w c≤0.6% ；高碳钢：w c＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为①普通碳素钢②优质碳素钢③高级优质碳素钢④特级优质碳素钢3．按钢的用途分类，碳钢可分为※⑴碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。

也可用于不太重要的机件。

⑵优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。

⑶碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。

⑷一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。

4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为⑴沸腾钢（脱氧不彻底）代号为F。

⑵镇静钢（脱氧彻底）代号为Z。

⑶半镇静钢（脱氧程度介于F与Z之间），代号为b。

⑷特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。

三、碳钢的用途1-普通碳素结构钢（※不经热处理）⑴主要用于一般工程结构和普通零件⑵热轧后空冷是这类钢通常的供货状态⑶普通碳素结构钢的牌号表示方法：由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分组成例：※Q235A、Q235B、Q2552-优质碳素结构钢（亚共析钢或共析钢，一般经热处理）⑴用于较为重要的机械零件⑵供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，⑶牌号一般用两位数字表示：※20钢、45钢、08F、10F、15F、20q、16MnR、①优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。

半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。

②高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。

③专用优质碳素结构钢：※20g⑷按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。

※如15Mn 、45Mn等。

（Mn为加进去的合金元素，但含量处于杂质与低合金钢中的合金元素之间）注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。

3-碳素工具钢（经热处理）⑴主要用于制作各种小型工具。

可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。

⑵牌号一般用标志性符号“T”※例T12，T8含C量分别为1.2％与0.8％；读法：碳12，碳8；⑶含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。

⑷T7，T8，T9……T13（※随C↑，硬度↑耐磨性↑，韧性↓）：T7，T8承受一定冲击韧性，如木工用斧、钳工用凿子等；而T12，T13硬度及耐磨性最高，但韧性最差不承受冲击韧性，如锉刀、铲刮刀等，4-一般工程用铸造碳素钢⑴其碳含量一般小于0.65%。

⑵牌号用符号“ZG”如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。

1.2 钢的合金化原理一、合金元素的存在形式※1．形成铁基固溶体⑴形成铁基置换固溶体：①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。

其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。

②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。

如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。

③Nb、Ti只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；⑵形成铁基间隙固溶体间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加：对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。

2．形成合金渗碳体或碳化物⑴合金渗碳体（碳化物）：(Fe,Mn)3C 、 TiN、TiC、 Ti（C、N）等；⑵过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：①强（氮化物、碳化物）：具有简单的点阵结构NbC、NbN、Nb（C、N）②中（合金渗碳体、碳化物）：具有复杂的点阵结构Cr7C3、（Fe、Cr）3C③弱（合金渗碳体）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。

3．形成金属间化合物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。

例：σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相⑴钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MnS、FeS等。

非金属夹杂物一般都是有害的。

⑵※AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。

⑶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。

二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响1．合金元素与铁的相互作用⑴γ相稳定化元素（奥氏体形成元素）：使A3（912℃）降低，A4（1393℃）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。

②扩展γ相区(有限扩大γ相区)：由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，最终不能使γ相区完全开启。

这类合金元素主要有C、N、Cu、等。

⑵α相稳定化元素（铁素体形成元素）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相区(无限扩大α相区)；②缩小γ相区(不能使γ相区封闭)。

※例：加Cr得到铁素体不锈钢（不发生相变，α区变大）加Mn、Ni、Co得奥氏体不锈钢。

2．合金元素与碳的相互作用⑴形成碳化物①碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。

碳化物是钢中主要的强化相。

碳化物形成元素均位于Fe的左侧。

②非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。

非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。

③碳化物的特性：ⅰ硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达1200℃）；ⅱ具有明显的金属特性；ⅲ可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C 等。

⑵Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响①活度：ⅰ碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。

ⅱ非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度ⅲ应用：在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷却时它们从固溶体中的析出，以及热处理过程中元素在各相间的再分配这些问题时，具重要意义②扩散激活能和扩散系数：ⅰ碳化物形成元素：提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。

（如Cr、Mo和W等）ⅱ非碳化物形成元素：降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。

（如Ni、Co）ⅲ需要指出的是Si是个例外（Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性）ⅳ总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义: 它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。

同时对钢的热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。

3．合金元素对奥氏体层错能的影响⑴层错能：晶体中形成层错时增加的能量。

⑵层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。

⑶举例：高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。

①※高Ni钢易于变形加工，Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。

②※高Mn钢则难于变形加工，Mn、Cr则降低奥氏体的层错能。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1．合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响⑴扩大γ相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。

⑵缩小γ相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。

2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响⑴Me对共析转变温度的影响①扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；②缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。

⑵Me对共析点（S）成分的影响①几乎所有合金元素都使S点（图1-9）碳含量降低，尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。