第10章合金元素在钢中的
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(2)形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素)，根 据其与碳结合力的强弱，可把碳化物形成元素分 成三类
1）弱碳化物形成元素：锰
锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中， 一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳 化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。
2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨
3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛
第10章 合金元素在钢中的作用
随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中， 对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他 各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全 满足这些要求了。 原因 ： （1） 由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬 透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加 入合金元素可增大淬透性。 （2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的 要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金。 （3） 碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、 耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特 种的合金钢才能具有这些性能。
的影响。
1） 含有碳化物形成元素的合金钢，其组织 中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗 碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加 热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度 和较长的时间。一般来说，合金元素形成 碳化物的倾向愈强，其碳化物也愈难溶解。
（2） 合金元素在奥氏体中的均匀化，也需 要较长时间，因为合金元素的扩散速度， 均远低于碳的扩散速度。
另外，合金元素对马氏体开始转变温度(Ms 点)也有明显的影响。多数合金元素均使马 氏体开始转变温度(Ms点)降低，其中锰、铬、 镍的作用最为强烈，只有铝、钴是提高Ms 点。
3.3 合金元素对回火转变的影响 合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方
面。源自文库
（1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体
1 ) 扩大γ区 合金元素 与γ-Feα-Fe形成固溶体，常温下为
奥氏体组织。Ni，Mn 2 ) 减小γ区
抑制F向A转变，Cr
总结各种合金元素对铁-渗碳体状态图的影 响，可以大致可得出如下的规律：
①凡是扩大奥氏体相区的合金元素，均使 铁-渗碳体状态图中的S点和E点向下、向左 移，A3线也向下移；
有极高的稳定性，例如TiC在淬火加热时要到 l 000C以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有 极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成 V4C，使之有更高的耐磨性。
1.2 合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以 固溶体形式存在于钢中
1.3 合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以 氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹 杂物的形式存在于钢中
2）钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也 显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。
3）一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的 粗化，但作用不明显。
4）锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。
3.2 合金元素对奥氏体分解转变的影响
多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减 慢，即C曲线向右移，也就是提高了钢的淬 透性。说明如下。
4.合金元素只有溶解于奥氏体中，才能使C 曲线右移；如果形成不溶于奥氏体的化合 物（稳定的碳化物、氮化物、氧化物等）， 则成为奥氏体分解时新相的核心，使分解 速度加快。
5.使C曲线右移作用最强的元素是：钼、锰、 铬，其次是镍。提高淬透性的主要元素。
合金元素对马氏体转变的影响
增加冷却时间，降低冷却速度。
（3）某些合金元素强烈地阻碍着奥氏 体晶粒的粗化过程，这主要与合金碳
化物很难溶解有关，未溶解的碳化物
阻碍了奥氏体晶界的迁移，因此，含 有较强的碳化物形成元素(如钼、钨， 钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热 时，易于获得细晶粒的组织。
各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程 的影响，一般可归纳如下：
1）强烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、 铝等，其中以钛的作用最强。
1 合金元素在钢中的存在方式
1.1 合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物 存在于钢中
按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可 以分为两大类：
(1)不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)， 包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳 的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合， 它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。
的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶 温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度， 从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火 稳定性。
（2）产生二次硬化 一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是
随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度 后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高， 硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回 火过程的二次硬化。图10-7 p249
1.4 游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物： 铅，铜
2 合金元素对钢的平衡组织的影响
表现在改变铁碳合金状态图 1 合金元素对钢临界温度的影响 锰、镍、铜使A3线降低，钼、钨、硅、钒使
A3线升高。同样影响A1，影响程度更大， 2 合金元素对钢共析点（S点）位置的影响,
大多数合金使共析点左移，钼钨在质量分 数大时使共析点右移。 3 合金元素对奥氏体相区大小的影响
1.非碳化物形成元素硅镍铜铝以及弱碳化 物形成元素锰等，只使C曲线右移而不改 变曲线的形状，只有钴例外，它使C曲线 向左移。
2.碳化物形成元素铬、钼、钨、钒等，而 且使其形状变为具有上、下两个C形的曲 线，上部的C曲线反映了奥氏体向珠光体 的转变，下部的C曲线反映了奥氏体向贝 氏体的转变。
3.提高临界点的元素如硅、铝、铬、钼、钒 等，使C曲线的“鼻子”向上移动，即移向 较高的温度。降低临界点的元素锰、镍、 铜等，则使C曲线的“鼻子”向下移动。
②凡是缩小奥氏体相区的合金元素，都使S 点和E点上升并向左移。
3 合金元素对热处理的影响
3.1 合金元素对奥氏体化的影响 奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核
并长大； 剩余碳化物的溶解； 奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏
体晶粒的长大粗化等过程。 在钢中加入合金元素对后三个过程有较大
1）弱碳化物形成元素：锰
锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中， 一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳 化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。
2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨
3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛
第10章 合金元素在钢中的作用
随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中， 对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他 各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全 满足这些要求了。 原因 ： （1） 由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬 透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加 入合金元素可增大淬透性。 （2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的 要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金。 （3） 碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、 耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特 种的合金钢才能具有这些性能。
的影响。
1） 含有碳化物形成元素的合金钢，其组织 中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗 碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加 热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度 和较长的时间。一般来说，合金元素形成 碳化物的倾向愈强，其碳化物也愈难溶解。
（2） 合金元素在奥氏体中的均匀化，也需 要较长时间，因为合金元素的扩散速度， 均远低于碳的扩散速度。
另外，合金元素对马氏体开始转变温度(Ms 点)也有明显的影响。多数合金元素均使马 氏体开始转变温度(Ms点)降低，其中锰、铬、 镍的作用最为强烈，只有铝、钴是提高Ms 点。
3.3 合金元素对回火转变的影响 合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方
面。源自文库
（1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体
1 ) 扩大γ区 合金元素 与γ-Feα-Fe形成固溶体，常温下为
奥氏体组织。Ni，Mn 2 ) 减小γ区
抑制F向A转变，Cr
总结各种合金元素对铁-渗碳体状态图的影 响，可以大致可得出如下的规律：
①凡是扩大奥氏体相区的合金元素，均使 铁-渗碳体状态图中的S点和E点向下、向左 移，A3线也向下移；
有极高的稳定性，例如TiC在淬火加热时要到 l 000C以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有 极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成 V4C，使之有更高的耐磨性。
1.2 合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以 固溶体形式存在于钢中
1.3 合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以 氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹 杂物的形式存在于钢中
2）钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也 显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。
3）一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的 粗化，但作用不明显。
4）锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。
3.2 合金元素对奥氏体分解转变的影响
多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减 慢，即C曲线向右移，也就是提高了钢的淬 透性。说明如下。
4.合金元素只有溶解于奥氏体中，才能使C 曲线右移；如果形成不溶于奥氏体的化合 物（稳定的碳化物、氮化物、氧化物等）， 则成为奥氏体分解时新相的核心，使分解 速度加快。
5.使C曲线右移作用最强的元素是：钼、锰、 铬，其次是镍。提高淬透性的主要元素。
合金元素对马氏体转变的影响
增加冷却时间，降低冷却速度。
（3）某些合金元素强烈地阻碍着奥氏 体晶粒的粗化过程，这主要与合金碳
化物很难溶解有关，未溶解的碳化物
阻碍了奥氏体晶界的迁移，因此，含 有较强的碳化物形成元素(如钼、钨， 钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热 时，易于获得细晶粒的组织。
各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程 的影响，一般可归纳如下：
1）强烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、 铝等，其中以钛的作用最强。
1 合金元素在钢中的存在方式
1.1 合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物 存在于钢中
按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可 以分为两大类：
(1)不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)， 包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳 的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合， 它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。
的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶 温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度， 从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火 稳定性。
（2）产生二次硬化 一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是
随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度 后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高， 硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回 火过程的二次硬化。图10-7 p249
1.4 游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物： 铅，铜
2 合金元素对钢的平衡组织的影响
表现在改变铁碳合金状态图 1 合金元素对钢临界温度的影响 锰、镍、铜使A3线降低，钼、钨、硅、钒使
A3线升高。同样影响A1，影响程度更大， 2 合金元素对钢共析点（S点）位置的影响,
大多数合金使共析点左移，钼钨在质量分 数大时使共析点右移。 3 合金元素对奥氏体相区大小的影响
1.非碳化物形成元素硅镍铜铝以及弱碳化 物形成元素锰等，只使C曲线右移而不改 变曲线的形状，只有钴例外，它使C曲线 向左移。
2.碳化物形成元素铬、钼、钨、钒等，而 且使其形状变为具有上、下两个C形的曲 线，上部的C曲线反映了奥氏体向珠光体 的转变，下部的C曲线反映了奥氏体向贝 氏体的转变。
3.提高临界点的元素如硅、铝、铬、钼、钒 等，使C曲线的“鼻子”向上移动，即移向 较高的温度。降低临界点的元素锰、镍、 铜等，则使C曲线的“鼻子”向下移动。
②凡是缩小奥氏体相区的合金元素，都使S 点和E点上升并向左移。
3 合金元素对热处理的影响
3.1 合金元素对奥氏体化的影响 奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核
并长大； 剩余碳化物的溶解； 奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏
体晶粒的长大粗化等过程。 在钢中加入合金元素对后三个过程有较大