第1章 钢的合金化原理
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe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A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
第一章 钢的合金化原理
四、按照对奥氏体层错能的影响分类
1、合金元素分类
奥氏体的层错能对钢的组织和性能都有很大影响。 按照对奥氏体层错能的影响，合金元素可分为两大类： (1) 提高奥氏体层错能的元素 如：镍（Ni），铜（Cu），碳（C），它们使奥 氏体层错能提高； (2) 降低奥氏体层错能的元素
如：锰（Mn），铬（Cr），钌（Ru），铱 （Ir），它们使奥氏体层错能降低。
二、合金钢定义与分类
1、定义： 合金钢：在化学成分上特别添加合金元素 用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组 织与性能的铁基合金。
2、分类：
低碳钢(C≤0.25%) 碳素钢 中碳钢(0.25%＜ C≤0.60%) (非合金钢) 高碳钢(C＞0.60%) 低合金钢(Me ≤5%) 合金钢 中合金钢(5%＜Me≤10%) 高合金钢(Me ＞10%) 普通钢(S ≤0.050%，P ≤0.045%) 优质钢(S ≤0.035%，P ≤0.035%) 高级优质钢(S ≤0.025%，P ≤0.025%) 特级优质钢(S ≤0.015%，P ≤0.025%)
按化学成分
按冶金质量
工程构件用钢(桥梁、船舶、建筑等)
合金结构钢 机器零件用钢 调质钢 弹簧钢 渗碳钢 滚动轴承钢
按用途
合金工具钢
刃具钢 模具钢 量具钢
不锈钢
特殊性能钢 耐热钢 耐磨钢
在给钢产品命名时，往往把成分、质量和用 途分类方法结合起来。 如：优质碳素结构钢，合金工具钢等。
三、合金钢的编号原则
使“Fe-Me‖二元相图出现扩大γ相区和缩小γ 相区两个大类型。 每个大类再分为两小类，合金元素也可依此类 型分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类。
1、奥氏体形成元素(扩大γ相区元素或γ稳定化元素)
钢的合金化原理
M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成旳K：Cr23C6
M7C3型 复杂六方，Cr, Mn形成旳K：Cr7C3, Mn7C3
M3C型 正交晶系，Fe形成旳K：Fe3C
3）Fe-M-C形成旳三元K
M6C型
复杂立方，W、Mo旳K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。
二. 碳化物（K）
1. 构造
1）rc/rM<0.59 简朴密排构造 V, Nb, Ta, Zr, Hf, Mo, W
MC型 面心立方，V, Nb, Ta，Zr, Hf， 如 VC，ZrC 等。 六方点阵，Mo, W， 如 MoC, WC。
M2C型 六方点阵，Mo,W，如：Mo2C, W2C
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵构造，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式旳K；
rc/rMe < 0.59 —简朴构造相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。
Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。
2）相同者相溶
一. 铁基固溶体
1. 置换（代位）固溶体 Ni, Co, Mn与γ-Fe形成无限固溶体。 Cr, V 与α-Fe形成无限固溶体。 其他置换原子与γ- Fe或α- Fe形成有限固溶体。
2. 间隙固溶体 间隙原子：B，C，N，O，H 间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵旳八面体或四面体间
隙; 均为有限固溶体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体旳元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
工程结构钢的合金化原理
一、工程结构钢的合金化原理1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。
2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。
3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。
4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。
二、调质钢合金化特点1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。
碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。
2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。
3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。
三、轴承钢的合金化特点1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。
2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。
铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。
3、加入硅、锰、钒等提高淬透性四、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。
（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。
Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。
（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。
五、氮化钢的合金化特点1、低碳2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。
3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。
为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。
六、弹簧钢的合金化特点1、中、高碳。
一般为0.50％～0.70％。
碳质量分数过低，强度不足。
《金属材料学》各章小结
图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路2、结构钢复习小结表1 典型结构钢的特点、应用及演变横向图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系3、合金工具钢复习小结表2 典型工具钢的特点、应用及演变图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系图3 铝合金分类和性能特点总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。
寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。
（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。
例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。
（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。
例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。
根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。
强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。
通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。
考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。
弹簧钢就是中温回火?其实，60Si2Mn有时也可用作模具。
某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。
要学活，思路要宽。
提出独特见解，怎样才能做到?核心：核心是合金化基本原理。
这是材料强韧化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。
”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。
掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。
从钢厂出来，钢成分已定。
如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。
企业中的许多问题都是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。
总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。
金属材料学--钢铁材料的合金化原
7
合金元素在钢中的存在方式
• 固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
• 形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
• 仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
1500
1400
1300
温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
4Mo
1000
2Mo
900
800
0Mo
700
600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
19
铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200 度， ℃ 1100
-ΔH298, kJ/mol
HV T熔, ℃ E, GPa
184.1 100.8 140.6
3200 3017 451
2094 2830 430
2400 3480 338
196.6
2560 3532 348
143.1
1790 4000 310
40.0
2080 2785 696
46.0
1950 2430 533
• 大多数合金元素即可固溶也可形成第二相
8
钢中第二相种类
• 碳化物 • 氮化物 • 硼化物 • 金属间化合物 • 非金属化合物（夹杂物） • 单质如铜、石墨
9
固溶合金元素对相图的影响1
• 扩大γ相区的奥氏体形成元素 （使Α3温度降低，Α4温度升高 ）： －开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素 －扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等元素
第1章_钢合金化概论
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.
2020/9/18
二、间隙固溶体
① 有限固溶 C、N、B、O等
② 溶解度
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 。
2020/9/18
二、Me和Fe的作用
纯Fe → Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：
1、γ稳定化元素
使A3↓，A4↑，γ区扩大
a) 与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co 开启γ区—— 量大时， 室温为γ相；
2020/9/18
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
2、α稳定化元素
2020/9/18
铬对钢γ区的影响
2020/9/18
锰对钢γ区的影响
1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
合金元素在铁点阵中的固溶情况
Me
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
αFe
~7
(1340℃)
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度 γFe
0.68
无无无
~1.4 12.8
合金元素对共析碳量的影响
二、对临界点的影响
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
三、对γ-Fe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A体 — 奥氏体钢；
F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
金属材料学复习思考题2016.5
金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-3简述合金元素对Fe-Fe31-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。
1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。
（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。
金属材料学复习思考题及答案
安徽工业大学材料学院金属材料学复习题一、必考题1、金属材料学的研究思路是什么？试举例说明。
答：使用条件→性能要求→组织结构→化学成分↑生产工艺举例略二、名词解释1、合金元素：添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的含量在一定范围内的化学元素。
（常用M来表示）2、微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在%左右（如B %，V %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这些化学元素称为微合金元素。
3、奥氏体形成元素：使A3温度下降，A4温度上升，扩大γ相区的合金元素4、铁素体形成元素：使A3温度上升，A4温度下降，缩小γ相区的合金元素。
5、原位析出：回火时碳化物形成元素在渗碳体中富集，当浓度超过溶解度后，合金渗碳体在原位转变为特殊碳化物。
6、离位析出：回火时直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随有渗碳体的溶解。
7、二次硬化：在含有Mo、W、V等较强碳化物形成元素含量较高的高合金钢淬火后回火，硬度不是随回火温度的升高而单调降低，而是在500－600℃回火时的硬度反而高于在较低温度下回火硬度的现象。
8、二次淬火：在强碳化物形成元素含量较高的合金钢中淬火后残余奥氏体十分稳定，甚至加热到 500-600℃回火时仍不转变，而是在回火冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度提高的现象。
9、液析碳化物：钢液在凝固时产生严重枝晶偏析，使局部地区达到共晶成分。
当共晶液量很少时，产生离异共晶，粗大的共晶碳化物从共晶组织中离异出来，经轧制后被拉成条带状。
由于是由液态共晶反应形成的，故称液析碳化物。
10、网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）后缓慢冷却过程中，二次碳化物沿奥氏体晶界析出呈网状分布，称为网状碳化物。
11、水韧处理：将高锰钢加热到高温奥氏体区，使碳化物充分溶入奥氏体中，并在此温度迅速水冷，得到韧性好的单相奥氏体组织的工艺方式。
12、晶间腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。
金属材料学答案
(1)黄铜：铜锌合金称为黄铜，再加入其他元素后称为多元黄铜。
(2)锌当量系数：每1%合金元素在组织上替代锌的数量。
(3)青铜：是铜和Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr和Ti等合金的通称。
(4)白铜：是以镍为主要合金元素的铜合金。
1）碳当量：是将硅含量折合成相当的碳量与实际碳含量之和。
2）共晶度：是铸铁的碳含量与其共晶点碳含量的比值。
(1)蠕变极限：在规定温度和规定时间产生一定蠕变变形量的应力。
(2)持久强度：在规定温度和规定时间引起断裂的应力。
(3)持久寿命：在规定温度和规定应力作用下引起断裂的时间。
(1)液析碳化物：钢液在凝固时产生的严重枝晶偏析，局部地区碳和铬浓度达到共晶成分，产生离异共晶，粗大的共晶碳化物经轧制被拉成条带状。
(2)网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）后缓慢冷却过程中，二次碳化物沿奥氏体晶界析出呈网状分布。
(3)水韧处理：将高锰钢加热到高温奥氏体区，使碳化物充分溶入奥氏体中，并在此温度迅速水冷，得到韧性好的单相奥氏体组织。
(4)超高强度钢：室温强度为σb>1370MPa或σs>1245MPa的钢。
(1)晶间腐蚀：富铬的Cr23C6碳化物沿晶界呈网状连续析出，晶界附近形成10-5cm宽的贫铬区，当贫铬区Cr含量下降到12%以下时钝化能力急剧下降，贫Cr区作为阳极发生腐蚀，腐蚀集中在晶界附近。
(2)应力腐蚀：在拉应力作用下，不锈钢在某些介质中经过不长的时间就会发生破裂，而且拉应力越大，越易发生破裂。
(3)n/8规律：当Cr的摩尔分数每达到1/8，2/8，3/8……时，合金的腐蚀速度都相应有一个突然的降低。
第一章钢的合金化原理3．简述合金元素对扩大和缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？奥氏体形成元素：扩大奥氏体相区，含量高时可以使奥氏体稳定到室温，成为室温组织。
铁素体形成元素：缩小奥氏体相区，含量高时可以使奥氏体相区完全消失，使铁素体成为高温组织。
金属材料科学(第一章 钢的合金化)3
γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换 铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
γ’相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。
1. 4 钢的强韧化机制
合金化目的：提高性能
结构钢：力学性能
强度与韧性、塑性的矛盾
综合性能：强度与韧性的匹配
高强钢：韧性 疲劳：表面硬度 耐磨：硬度与韧性
Mn↑，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。
点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈
1.6 钢中微量合金元素的作用
一、钢中常见的微量元素
1 微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土
2 净化、变质、控制夹杂物形态：
B、Ca、Ti、Zr、稀土
3 改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
二、Me的偏聚（segregation）
偏聚 现象
Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.
Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；
20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能
1. 4 钢的强韧化机制
2、提高钢韧性的合金化途径
1）细化晶粒、组织—— 如Ti、V、Mo；
2）提高冶金质量，降低有害元素含量
3）细化K —— 适量Cr、V，使K小而匀 ； 4）细化亚结构—消除粗大组织 5）利用残余奥氏体韧化 6）利用相变诱发韧性
↑回火稳定性 — 如强K形成元素 ；↓回脆 —— W、Mo ； 在保证强度水平下，适当↓含C量
(完整版)金属材料学知识整理(经典版)
第一章 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 ）⑴Mn ：W Mn ％<0.8％ ①固溶强化 ②形成高熔点MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si ：W Si ％<0.5％ ①固溶强化 ②形成SiO2脆性夹杂物；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、碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途 1.1 碳钢概论 主要内容 1.2 钢的合金化原理： ①Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响 1.3合金钢的分类MnO•Al2O3）。
金属材料学(2012)绪论及第一章
三.钢铁材料的分类
非合金钢; 低合金钢; 合 金 钢
高温合金; 铸
钢; 铸
铁
1、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在2%以 下，并含有其它元素的金属材料。 2、铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，其 杂质含量比钢高。 3、高温合金：不以碳作为主要在强化元素， 也可以不以铁作为基体。
5
4、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因， 不可避免地存在于钢中的元素，含量要求 低于某一标准值。 (1)常存元素：Si，Mn，S，P，N，H，O。 (2)残余元素：Cr,Ni,Mo,W，Cu，V，Ti等。
41
3、三元碳化物
只限于W，Mo－Fe－C，均为间隙化合物。
(1) 复杂立方点阵M6C型：
39
二、碳化物的结构
1. 间隙相
rC/rM<0.59，形成简单点阵的碳化物。
(1) Ti，Zr，Nb，V：形成面心立方点阵的MC型 碳化物。 如TiC，NbC，VC。 (2) W，Mo：形成六方点阵的碳化物 ①简单六方点阵MC型：WC，MoC。 ②密排六方点阵M2C型：W2C，Mo2C。
40
2、间隙化合物
18
③高速钢含碳量小于1％时，通常也不标注含 碳量 。 如：W18Cr4V： 含碳量 0.7-0.8%
0.8-0.9%
W6Mo5Cr4V2： 含碳量
合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量， 如9W18Cr4V。
19
八、低合金钢的编号 可以采用两种不同的方法表示。 1、采用合金结构钢的编号方法， 如09CuPTi，15MnVN，15MnVB。 2、采用碳素结构钢的编号方法， 如Q490，Q640。
7
非合金钢 Mn Mo <1% <0.05%
合金化原理
1.1 碳钢简介
（三）偶存杂质―Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等
与炼钢过程中所使用的矿石和废钢有关。
1.1 碳钢简介
13
二、碳钢的分类
1．按钢中的碳含量
1600 C 1400 C
d L
E
1200 C
g
（1）按Fe-Fe3C相图分类 亚共析钢： 0.0218%≤wc≤0.77% 共 析 钢： wc =0.77% 过共析钢： 0.77%＜wc≤2.11% （2）按钢中碳含量的多少 分类 低碳钢： wc ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%
16
1.1 碳钢简介
4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （2）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为Z。 （3）半镇静钢：指脱氧程度介于沸腾钢和镇 静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代 号为TZ。
17
（1）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为F。
1.1 碳钢简介
1.2 钢的合金化原理
8
生产流程图
9
一、碳钢中的杂质 （一）常存杂质： 1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）
炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。 Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可形 成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 MnS在高温下具有 一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条 状沿轧向分布。 Si：在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形成 SiO2夹杂物。 Mn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。
4
重点及基本要求
1.了解碳钢中的常存元素及其影响、碳钢的分 类。 2.第二节是本章重点、难点。要求全面掌握合 金元素在钢中的存在形式，与铁和碳的相互 作用，对Fe-Fe3C相图、对钢的热处理及组 织与性能的影响规律。 3.掌握合金钢的分类与编号。
金属材料学复习思考题2016.5
金属材料学复习思考题（2016.05）第一章钢的合金化原理1-1名词解释（1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？1-3简述合金元素对Fe-Fe3C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？1-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业）1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业）1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。
1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业）1-8V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。
1-9合金元素对马氏体转变有何影响？1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业）1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业）1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业）1-1540Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。
（作业）1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）第二章工程结构钢2-1为什么普通低合金钢中基本上都含有不大于1.8%~2.0%的Mn？（作业）2-2试述碳及合金元素在低合金高强度工程结构钢中的作用，为什么考虑采用低碳？提高低合金高强度结构钢强韧性的途径是什么？2-3什么是微合金化钢？微合金化元素在微合金钢中的主要作用有哪些？2-4 V、Nb、Ti这三种微合金元素在低碳（微）合金工程结构钢中，作用有何不同？（作业）2-5针状铁素体钢的合金化、组织和性能特点？2-6低碳贝氏体钢的合金化有何特点？2-7汽车工业用的高强度低合金双相钢，其成分、组织和性能特点是什么？（作业）第三章机械制造结构钢3-1名词解释：1）液析碳化物；2）网状碳化物；3）水韧处理3-2 调质钢和非调质钢在成分、生产工艺、组织和性能方面的异同何在？3-3弹簧钢为什么要求较高的冶金质量和表面质量？为什么弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%之间？3-4GCr15钢用作滚动轴承钢时，其中的碳和铬的含量约为多少？碳和铬的主要作用分别是什么？对该钢的基本要求如何？该钢的碳化物不均匀性体现在哪几方面？有何危害，如何这种不均匀性？其预备热处理和最终热处理分别是什么？作用何在？（作业）3-5说明20Mn2钢渗碳后无法直接淬火的原因？高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W的常用热处理工艺（渗碳加淬火回火）有何特点？如何理解？（作业）3-6合金元素对渗碳钢和氮化钢的作用主要体现在哪几方面？Al对氮化钢的作用何在？3-7 钢的切削加工性与材料的组织和硬度之间有什么关系？为获得良好的切削性，中碳钢和高碳钢各自应经过怎样的热处理，得到什么样的金相组织？为什么直径25mm的40CrNiMo钢棒料，经过正火后难以切削？如何经济有效地改善其切削加工性能？3-8 高锰钢在平衡态、铸态、热处理态、使用态四种状态下各是什么组织？在何种情况下具有高耐磨性能？为什么ZGMn13型高锰钢在淬火时能得到全部的奥氏体组织，而缓冷却得到了大量的马氏体？（作业）3-9为什么说淬透性是评定结构钢性能的重要指标？（作业）3-10 用低淬透性钢制作中、小模数的中、高频感应加热淬火齿轮有什么优点？（作业）3-11 某精密镗床主轴采用38CrMoAl钢制造，某重型齿轮镗床主轴采用20CrMnTi钢制造，某普通车床主轴选用40Cr钢。
钢的合金化基础ppt正式完整版
和扩大F区，优先分布于F中。 但合金元素的实际分布还与加入量和热处理条件有关。 (二)按照与碳相互作用的特点分类 1) 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、铝、磷等。易溶入F或A中 2) 碳化物形成元素： 如铬、钼、钨、钒、钛、锆、铌等。
(2) 稳定性：熔点、分解温度、溶入固溶体难易
稳定性高→难以集聚长大、强化效果好→提高回火温度、高温使用性能 提高回火温度：使基体组织恢复充分，残余A少，碳化物弥散，钢塑性、
韧性、强度好。 高温使用：在温度及应力长期作用下不易集聚长大→提高材料使用寿命。
第一节 钢中的合金元素及其与铁和碳的相互作用
一、钢中合金元素的分类 钢中常加入的合金元素有： 第二周期：硼、碳、氮； 第三周期：铝、硅； 第四周期：钛、钒、铬、锰、钴、镍、铜； 第五周期：锆、铌、钼； 第六周期：钨； 第七周期：稀土元素。 硫、磷等元素通常作为有害元素看待，但有时也可当作合金元素(如在易切 削钢中硫被用来改善切削性能)。
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
(1)硬度：
碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。 如TiC，硬度最高。
、S、Si等结合形成化合物，残留在
钢中。使塑韧性和疲劳强度降低，还降低耐磨性、耐蚀性，并影响淬
合 透性。其危害与夹杂物成分(性能）、形状、大小、数量和分布有关。
金 元
但AlN可弥散于钢中，提高性能。
金属材料学专题二-高温合金和常温合金的合金化原理
高温和常温用钢的合金化原理
华中科技大学
高温和常温用钢的性能要求
共同点 好的强度,韧性,耐蚀性.对承受运动载荷要良好的 抗疲劳性能,承受冲击载荷要有好的冲击韧性. 不同点 • 对于常温用钢,要防止低温脆性,考虑冷脆转变温度 • 对于高温用钢,要求能耐受高温氧化和气体腐蚀, 要有良好的抗蠕变性能,足够的化学稳定性. 对材料来说,高温是恶劣环境,因此对材料的性能 提出更高的要求,选材更为苛刻.
牌号比较
马氏体结构钢(常温)和马氏体耐热钢比较
马氏体结构钢 低碳低合金 低碳中合金 低合金中碳 马氏体时效钢 15MnVB 20SiMn2MoVA 40Cr,40CrNiMo 18Ni,20Ni 马氏体耐热钢 1Cr13
25Si29W2MoVNbNB
高温合金化原理
高温合金钢的合金作用主要有: 合金强化 ① 固溶强化(W,Mo,Cr) ② 沉淀强化(Ti,V,Nb) 提高化学稳定性和耐蚀性 ① 改变氧化膜结构成分(Cr,Al,Si) ② 降低境界腐蚀(RE) 其它 N, B, Co
常温结构钢合金化原理
强化机理 ① 固溶强化(Mn,Si,Cu,) ② 沉淀强化(强碳化合物形成元素Ti,Nb,V) ③ 细晶强化(Ti,Nb,Al,V Cr,Mn,Si) 提高耐蚀性 常温工程结构钢中只要加入少量Cu,P,Ni,Cr以提 高耐大气腐蚀性能
合金元素的作用对比
合金元素 在马氏体结构钢中的作用 在马氏体耐热钢中的作用
Cr
提高淬透性同时提高耐蚀性,在低碳中合 金马氏体结构钢中含量低(不到1%)
形成致密的Cr2O3氧化膜, 提高Fe2O2的形成温度,增 强高温稳定性.Cr含量 9~12wt%
Mo
降低回火脆性,增加淬透性,同时固溶强 化 一般不加
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但溶解后的影响不同：
强Ｋ形成元素溶解于弱Ｋ形成元素形成的
Ｋ中可提高其稳定性； 弱Ｋ形成元素溶解于强Ｋ形成元素形成的 Ｋ中可降低其稳定性； 强K形成元素优先夺C，优先形成。
三. 氮化物及硼化物 [自学内容]
四. 金属间化合物
合金钢中由于M之间以及M与Fe之间产生相互作用， 可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。 合金钢中比较重要的金属间化合物有： σ相（AB） 拉夫斯相（AB2） 有序相（AB3）
σ相
在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢 及耐热合金中，都会出现σ相 ，伴随着σ相的析出， 钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。 如Cr-Mn、Cr-Co、Mo-Mn等。
AB2
含钨，钼，铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中， 均存在AB2相，强化相。 如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2 其组元A的原子直径和第二组元B的原子直径之比 为1.2/1 。
五. 合金钢的分类与编号
1. 钢的分类
按用途分类 工程结构钢 机械制造结构钢 工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢） 特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）
按金相组织分类 1）按平衡状态或退火状态的组织分： 亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢； 2）按正火组织分: P钢，B钢，M钢，A钢； 3）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分： F钢，M钢，A钢和双相钢。
2. 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响
程度按刚玉、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、 塑性硅酸盐、硫化物依次递减；
理想的情况是： 数量少、尺寸小、塑性好、 细条状、均匀分布
3. 生产中的意义
可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具 有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。
合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。
三. M对Fe - C相图的影响
1. 改变了奥氏体区的位置
锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响
2. 改变了共晶温度
扩大γ相区的元素 使A1，A3下降； 缩小γ相区的元素 使A1，A3升高。
2. K形成规律
K结构与M在周期表中位置有密切关系
强K形成元素形成的K比较稳定
其顺序为： Ti > Zr > Nb >V > W, Mo > Cr > Mn > Fe 各种K相对稳定性如下： MC →M2C →M6C →M23C6 → M7C3 →M3C （高----------------------------------低） K晶体点阵结构均不同于M的点阵结构 M + C →→ MxCy
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物 复杂密排结构，如Cr, Mn, Fe等与C形成的K： M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成的K：Cr23C6 M7 C3 型 复杂六方，Cr, Mn形成的K：Cr7C3, Mn7C3 M3C型 正交晶系，Fe形成的K：Fe3C
3）Fe-M-C形成的三元K M6C型 复杂立方，W、Mo的K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。 M23C6型 复杂立方，W、Mo的K： Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。
3. 合金钢
在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加 工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。 M<5％时，称为低合金钢； M 5~10％，称为中合金钢； M>10％, 称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定。
4. 微合金元素与微合金化钢
微合金元素
有些合金元素如V，Nb，Ti,和B等，当其含量只在0.1%左 右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组 织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。
2. 杂质元素
由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢 中的化学元素。 注意: 同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者， 则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。 如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当 其作为合金元素时：H—储氢合金； S—易切削钢；P—耐磨 钢。
按照M对Fe-M影响:
扩大γ相区 使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。
缩小γ相区： 使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。
扩大γ相区
1）开启γ相区
分为两类：
Mn, Ni, Co 与 γ-Fe无限互溶.
开启γ 相区 示意图
Fe-Ni合金
2）扩大γ相区
有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区， 构成了钢的热处理的基础。
§1.2 合金钢中的相组成
固溶体 化合物相
碳化物，氮化物， 硼化物金属间化合物相 非金属相 非金属夹杂物 游离态单质 如Pb，Cu，Be在钢中超过其溶解度。
一. 铁基固溶体
1. 置换（代位）固溶体 Ni, Co, Mn与γ-Fe形成无限固溶体。 Cr, V 与α-Fe形成无限固溶体。 其它置换原子与γ- Fe或α- Fe形成有限固溶体。 2. 间隙固溶体 间隙原子：B，C，N，O，H 间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵的八面体或 四面体间隙; 均为有限固溶体。
五. 非金属相（非金属夹杂物）
1. 夹杂物的种类
氧化物 简单氧化物，如FeO、MnO、TiO2、SiO2 复杂氧化物，MgO ·Al2O3, CaO· 2O3等。 2A1 特点: 性脆易裂。这些氧化物在钢材轧锻以后，沿加 工方向呈链状分布。 硫化物： 钢中常见的有MnS、FeS。 特点: 高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。 硅酸盐：成分复杂,是钢中常见的一种夹杂物。
当Mo>8.2%, W>12%, Ti>1.0%, V>4.5%, Si>8.5%， γ相区消失。
3. 改变了共析含碳量
所有合金元素均使S点左移。 提问：对组织与性能有何影响呢？
四. M元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互 作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在基体 中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。 如 B, Zr, Ti, Nb, Mo, P, Sb, Re,C, N 等。
AB3
各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶 体到化合物的过渡状态。 有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶 体， 如Ni3Fe, Ni3Mn等； 有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物， 如Ni3Al, Ni3Ti, Ni3Nb。 Ni3Al是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的 强化相 。
第一章 钢的合金化原理
主要内容
钢中的合金元素 合金钢中的相组成 （重点） 合金元素对相变的影响 （重点） 合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响
§1.1 钢中的合金元素
一. 几个概念
1. 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从而得 到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。（常用M 来表示） 如：B, C, N; Al, Si, P, S; Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La系。
微合金钢
二. M分类及Fe-M的类型
1. 合金元素M的分类
铁族金属——Co, Ni, Mn。 难熔金属——W, Mo, Nb, V, Cr. 轻金属——Ti, Al , Mg, Li 稀土金属——La，Ce和Nd等 贵金属元素——Au, Ag
按M与C的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn 非碳化物形成元素：Cu, Ni, Co, Si, Al
各种K之间可以相互溶解 完全溶解 1）Ti, Zr, Nb, V, Ta的同类K之间可以溶解 （V, Nb）C；（Nb, V, Ta）C； 2）W与Mo的同类K之间； 3）Fe, Mn同类Ｋ之间, （Fe, Mn）3C 有限溶解 1）Fe3C中可以溶解一定量的Cr, Mo, W, V； 2）MC型中可溶解Ｍo，Ｗ，Cr，Mn；Fe几乎不 溶解 3）Cr23C6可以部分溶解Fe, Mo, W, Mn, V, Ni； 4）M2C型中可大量溶解Cr。
2. Fe-M二元相图的类型
同素异型转变
A3（910℃） A4（1390℃）
α-Fe ← ---- → γ –Fe ← ---- → δ -Fe
奥氏体形成元素： 在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu； 铁素体形成元素： 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb, Ti 等。
合金元素M
平均含量小于1.5%时，只标元素。如：20MnVB： 0.20%C, <1.5%Mn, <0.2%V, 微量B； 平均含量在1.5-2.49％，2.50-3.49％…22.50-23.49 ％…应相应地写为 2, 3，… , 23； 如 55Si2Mn: 0.55%C, 2%Si, <1.5% Mn 0Cr18Ni9Ti: <0.08%C, 18%Cr, 9%Ni, 少量Ti 注意： 铬轴承钢 含碳量不予标出，铬含量以千分之几表示。 GCr15； 低铬合金工具钢的铬的含量出用千分之几表示，但在其含 量之前加个“0’，例如 Cr06。
按化学成分分：碳素钢和合金钢； 按工艺特点分：铸钢, 渗碳钢, 易削钢等；
按质量等级分: 普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特 级优质钢。
2. 合金钢的编号方法
含碳量C：一般以平均含碳量的万分之几来表示。 如 30CrMnA: 平均含碳量为0.30%； 60Si2Mn: 平均含碳量为0.60%。 注意： 不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢，含碳量一般不予 标出；但如果几个钢的M%相同，C%不同，则用千分 之几表示C%。如0Cr13, 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13； 合金工具钢：当C>1.0%, 不标出；当C<1.0%, 用千 分之几标出, 如9Mn2V, 9CrSi。