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：W

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：W

Si

⑶Mn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、Q255

2-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：※20g

⑷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）3C

③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