合金钢中的相变
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b，d）含碳化物形成元素的合金钢。 特点：分解曲线分成珠光体和贝氏体转变两部分。b图对应于
含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。 c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。
特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠 光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。 e）高Cr钢
2. Mo、W、V对贝氏体转变的滞缓作用较弱。（如下图b所 示）
原因：1.虽然这三种元素升高γ－α转变温度，而且还加大 γ和α间的自由差；
非 碳 化 物 形 成 元 素 属 于 这 种 类 型 ： Ni、Al、Si、Cu、 Co
2．合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且 使C曲线的形状改变。
碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。
过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：
a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。 特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。
特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。 f）高合金奥氏体钢
特点：不出现珠光体和贝氏体转变。
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可 以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同 时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。
为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需 要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏 体之间的界面上，合金元素产生再分配。
即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体 中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。
说明：
1．当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合 金碳化物所取代。
2．强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也 可能优先形成合金碳化物。
三、合金元素对贝氏体转变的影响
合金钢中贝氏体组织中的碳化物是合金碳化物，而且其合 金元素的平均含量接近于奥氏体中合金元素的含量，所以， 贝氏体转变时只有碳原子的扩散，而没有合金元素的扩散。
3．当加热温度高于Tp，发生再结晶，此时奥氏体晶 粒形态发生变化。
碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解规律
各种碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度与1/T的关系 如图所示：
最稳定的化合物的溶解度最低。由图可知：
1．强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NdC、 VC等只有在高温下才溶于奥氏体。
2．碳化物的溶解度随温度的降低而下降，因此，如果有 足够数量的合金元素存在的话，合金碳化物将在随后的冷却 过程中发生沉淀。
钢的合金化程 度越高，加热速度 越快，越容易在钢 中出现组织遗传性。
原始有序组织 在加热和冷却时， 钢的重结晶示意图 如图所示。
由图可见：
1．当足够快地加热淬火钢时，将按晶体学有序机制 形成奥氏体，得到粗晶组织。
2．在中等加热速度下，马氏体完分解发生在 α→γ过渡之前，不会出现组织遗传性。这时α→γ的过 渡与再结晶过程重合，晶粒得到细化。
主要内容
第一节 合金元素对钢加热时转变的影响 第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
第一节 合金元素对钢在加热时转变的影响 合金钢加热时奥氏体化过程包括： 1．α→γ转变； 2．碳化物、氮化物或金属间化合物在奥氏体中的溶解； 3．奥氏体晶粒的再结晶。 奥氏体的形成可以按两种相互竞争的相变机制进行： 1．晶体学无序机制：
γ相新晶粒的形成相对于原始α相来说，改变了大小和取向。 2．晶体学有序机制：
α相以切变的方式转变为γ相，所以两相的大小和取向有一 定的关系。
决定相变机制的主要因素是： 原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。
一、原始无序组织（铁素体＋碳化物）
原始无序的 组织发生无序的 重结晶机制。奥 氏体形成的无序 机制如图所示。
碳化物形成元素与碳结合成碳化物，使碳保持在固溶体之外，从 而削弱了C降低点阵结合力的影响，所以阻碍奥氏体晶粒的粗化。
第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响
一、合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响
合金元素对C曲线的影响分为以下两种：
1．合金元素加入后，C曲线仍然保持与碳钢相同的 形式，只是位置有所改变。
2．合金元素对奥氏体界面能的影响 合金元素溶入奥氏体之后，改变了奥氏体的界面能，因而
改变了奥氏体的长大倾向。
3．合金元素对原子间结合强度的影响
合金元素溶入奥氏体后改变了原子间的结合强度，从而引起了 激活能和铁的自扩散系数的变化。
综合上述三个理论，则能够较好地解释下列事实：
1．单相的α晶粒比γ晶粒易于长大。
α－Fe原子结合强度小于γ－Fe，因而α－Fe的自扩散系数大于 γ－Fe的自扩散系数，因此单相的α相晶粒比γ相晶粒易于长大。
2．C、B的溶入奥氏体，促进晶粒长大。
C、B的溶入显著地降低了γ－Fe点阵的结合力，增加了Fe原子的 自扩散系数，所以促进奥氏体晶粒的长大。
3．碳化物形成元素（Ti V Zr Nb W Mo）
二、原始有序组织（马氏体、贝氏体）——钢中的组织遗 传性
对原始有序组织加热高于Ac3，可能导致形成的奥氏 体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向，称为钢 的组织遗传性。
合金化和加热速度对出现组织遗传性的影响如下：
高合金钢 合金钢
低合金钢和碳钢
快速加热 √ √ －
中速加热 √ － －
缓慢加热 √ √ －
弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性，加速其 溶解，如锰加入含Nd、V、Ti的钢中，能促进强碳化物的溶 解。
奥氏体晶粒长大
合金元素对奥氏体晶粒的影响如下：
1．机械阻碍论 由于晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机
械地阻碍了奥氏体晶粒的长大。
这些高度弥散的化合物可以是一些稳定的碳化物、也可以 是一些氮化物、或者是非金属夹杂物。
合金元素对贝氏体转变的影响主要通过以下两个途径：
1．对碳原子扩散速度的影响。 2．对γ－α转变速度的影响。
根据不同合金元素的作用特点，可以分为以下几种情况：
1．Cr、Mn、Ni等合金元素对贝氏体转变有较大的滞缓 作用（孕育期延长）。（如下图a所示）
原因：1.这三种元素降低γ－α转变温度；
2.降低γ和α间的自由能差，从而减慢其转变速度。
含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。 c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。
特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠 光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。 e）高Cr钢
2. Mo、W、V对贝氏体转变的滞缓作用较弱。（如下图b所 示）
原因：1.虽然这三种元素升高γ－α转变温度，而且还加大 γ和α间的自由差；
非 碳 化 物 形 成 元 素 属 于 这 种 类 型 ： Ni、Al、Si、Cu、 Co
2．合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且 使C曲线的形状改变。
碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。
过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：
a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。 特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。
特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。 f）高合金奥氏体钢
特点：不出现珠光体和贝氏体转变。
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可 以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同 时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。
为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需 要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏 体之间的界面上，合金元素产生再分配。
即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体 中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。
说明：
1．当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合 金碳化物所取代。
2．强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也 可能优先形成合金碳化物。
三、合金元素对贝氏体转变的影响
合金钢中贝氏体组织中的碳化物是合金碳化物，而且其合 金元素的平均含量接近于奥氏体中合金元素的含量，所以， 贝氏体转变时只有碳原子的扩散，而没有合金元素的扩散。
3．当加热温度高于Tp，发生再结晶，此时奥氏体晶 粒形态发生变化。
碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解规律
各种碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度与1/T的关系 如图所示：
最稳定的化合物的溶解度最低。由图可知：
1．强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NdC、 VC等只有在高温下才溶于奥氏体。
2．碳化物的溶解度随温度的降低而下降，因此，如果有 足够数量的合金元素存在的话，合金碳化物将在随后的冷却 过程中发生沉淀。
钢的合金化程 度越高，加热速度 越快，越容易在钢 中出现组织遗传性。
原始有序组织 在加热和冷却时， 钢的重结晶示意图 如图所示。
由图可见：
1．当足够快地加热淬火钢时，将按晶体学有序机制 形成奥氏体，得到粗晶组织。
2．在中等加热速度下，马氏体完分解发生在 α→γ过渡之前，不会出现组织遗传性。这时α→γ的过 渡与再结晶过程重合，晶粒得到细化。
主要内容
第一节 合金元素对钢加热时转变的影响 第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
第一节 合金元素对钢在加热时转变的影响 合金钢加热时奥氏体化过程包括： 1．α→γ转变； 2．碳化物、氮化物或金属间化合物在奥氏体中的溶解； 3．奥氏体晶粒的再结晶。 奥氏体的形成可以按两种相互竞争的相变机制进行： 1．晶体学无序机制：
γ相新晶粒的形成相对于原始α相来说，改变了大小和取向。 2．晶体学有序机制：
α相以切变的方式转变为γ相，所以两相的大小和取向有一 定的关系。
决定相变机制的主要因素是： 原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。
一、原始无序组织（铁素体＋碳化物）
原始无序的 组织发生无序的 重结晶机制。奥 氏体形成的无序 机制如图所示。
碳化物形成元素与碳结合成碳化物，使碳保持在固溶体之外，从 而削弱了C降低点阵结合力的影响，所以阻碍奥氏体晶粒的粗化。
第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响
一、合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响
合金元素对C曲线的影响分为以下两种：
1．合金元素加入后，C曲线仍然保持与碳钢相同的 形式，只是位置有所改变。
2．合金元素对奥氏体界面能的影响 合金元素溶入奥氏体之后，改变了奥氏体的界面能，因而
改变了奥氏体的长大倾向。
3．合金元素对原子间结合强度的影响
合金元素溶入奥氏体后改变了原子间的结合强度，从而引起了 激活能和铁的自扩散系数的变化。
综合上述三个理论，则能够较好地解释下列事实：
1．单相的α晶粒比γ晶粒易于长大。
α－Fe原子结合强度小于γ－Fe，因而α－Fe的自扩散系数大于 γ－Fe的自扩散系数，因此单相的α相晶粒比γ相晶粒易于长大。
2．C、B的溶入奥氏体，促进晶粒长大。
C、B的溶入显著地降低了γ－Fe点阵的结合力，增加了Fe原子的 自扩散系数，所以促进奥氏体晶粒的长大。
3．碳化物形成元素（Ti V Zr Nb W Mo）
二、原始有序组织（马氏体、贝氏体）——钢中的组织遗 传性
对原始有序组织加热高于Ac3，可能导致形成的奥氏 体晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向，称为钢 的组织遗传性。
合金化和加热速度对出现组织遗传性的影响如下：
高合金钢 合金钢
低合金钢和碳钢
快速加热 √ √ －
中速加热 √ － －
缓慢加热 √ √ －
弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性，加速其 溶解，如锰加入含Nd、V、Ti的钢中，能促进强碳化物的溶 解。
奥氏体晶粒长大
合金元素对奥氏体晶粒的影响如下：
1．机械阻碍论 由于晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机
械地阻碍了奥氏体晶粒的长大。
这些高度弥散的化合物可以是一些稳定的碳化物、也可以 是一些氮化物、或者是非金属夹杂物。
合金元素对贝氏体转变的影响主要通过以下两个途径：
1．对碳原子扩散速度的影响。 2．对γ－α转变速度的影响。
根据不同合金元素的作用特点，可以分为以下几种情况：
1．Cr、Mn、Ni等合金元素对贝氏体转变有较大的滞缓 作用（孕育期延长）。（如下图a所示）
原因：1.这三种元素降低γ－α转变温度；
2.降低γ和α间的自由能差，从而减慢其转变速度。