金属材料学金属材料合金化基础(第一章)

表1-1 碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自GB700-88）

注：1.带“*”号处Q235-A、B级沸腾钢锰的质量分数上限为0.60%。

2.本类钢通常不进行热处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质含量，不考虑碳含量。

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讲课内容

补充说

明

图1-1 扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)

（2）α相稳定化元素合金元素使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。根据铁与合金元素构成

的相图的不同，又可分为如下两种情况：

①封闭γ相区(无限扩大α相区) 合金元素使A3升高，A4下降，以

致达到某一含量时，A3与A4重合，γ相区被封闭，或者说这些合金元

素促进了体心立方铁（铁素体）的形成，其结果使δ相与α相区连成一

片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有α═γ相变，与α-Fe形

成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。如图1-3。这类合

金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be

等。但应该指出，含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于7%时，

A3才上升。

图1-2 扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)

②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭) 合金元素使A3升高，A4下

降，使相区缩小但不能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：B、

Nb、Zr、Ta等。

综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大γ相区的元素称为奥

氏体形成元素；将缩小或封闭γ相区的元素称为铁素体的形成元素。显然，这种分类对生产实际有重要的指导意义。如为了保证钢具有良好的耐蚀性，需要在室温下获得单相组织，就可以运用上述合金元素与铁的

相互

作用

规律，

通过

控制

钢中

合金

元素

的种

类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如欲发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。

图1-3 封闭γ相区并与α-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Cr相图(b)

图1-4 缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)

最后应该指出，同时向钢中加入两类合金元素时，其作用往往相互有所抵消。但也有例外，例如是Cr铁素体形成元素，在Cr18%与Ni同时加入时却促进了奥氏体的形成。

2．合金元素与碳的相互作用

合金元素与钢中碳的作用主要表现在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物倾向性的大小，以及合金元素对钢中碳的活度或扩散的影响。

（1）形成碳化物碳化物是钢中最重要的强化相，对于决定钢的

图

1-5 合金元素的摩尔原子浓度对1000℃时碳在奥氏体中

的相对活度系数C f的影响

合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响如图1-6。由图可知，碳化物形成元素如Cr、Mo和W等升高扩散激活能，降低扩散系数，这是由于碳化物形成元素降低了C的活度，即提高了C

在奥氏体中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。而非碳化物形成元素如Ni、Co等降低扩散激活能，升高扩散系数，这是由于非碳化物形成元素Ni和Co提高了C的活度，即降低了C在奥氏体中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。需要指出的是Si是个例外，它能升高扩散激活能，降低扩散系数，造成这个例外的原因，则是由于Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性，即增加了Fe在固溶体中的结合能，因而得到与Ni、Co相反的结果。

总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义。一方面它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。而所有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能。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。另一方面由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度亦有较大影响；强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素Mn以及大图1-6 合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响

图1-7 合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响

四、合金元素对钢的热处理的影响

合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响。

1．合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响

合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响在于：一方面合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；另一方面，由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。

（1）合金元素对奥氏体形成速度的影响奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。Co和Ni等非碳化物形成元素提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。

图1-8 合金元素对共析温度的影响

图1-9 合金元素对共析含碳量的影响

奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。最初形成的奥氏体，其成分并不均匀，而且由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体均匀，碳和合金元素均需扩散。由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。部分强碳化物在奥氏体中溶解度与温度的关系如图1-10。

（2）合金元素对奥氏体晶粒的大小的影响合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，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等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈组织晶粒长大；②W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；

③Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；④Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。