什么是微合金化技术_微合金化钢

微合金化钢

合金化与“冶炼”反应及结晶过程中元素参与形成或影响夹杂或生成有害的共晶相等产物和作用机理是不同的。从存在形态、结构与组织、性能三方面来描述，合金化的物理本质是：通过元素的固溶及其固态反应。影响微结构乃至结构、组织和组分，从而使金属获得要求的性能。
“微合金化”是指这些元素在钢中的含量较低．通常低于0.1%（质量分数）。与钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是为改善钢材的性能有目的地加到钢中的。合金化元素与微合金化元素不仅在含量上有区别，而且其冶金效应也各有特点：合金化元素主要影响钢的基体，而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。
微合金化钢
材料科学术语
目录
01 介绍
03 微合金化作用
02 强化机理
微合金化钢是指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素，如GB/T1591—94中Q295— Q460的钢，规定：Nb 0.015～0.06%；V 0.02～0.15%（0.20）%；Ti 0.02～0.20%。
有时为了弥补生产厂在装备和工艺技术方面的不完善，在冶炼时添加<0.015%Nb或<0.05%V，<0.02%Ti的非合金钢和低合金钢，称为微处理钢，依加入碳氮化物形成元素种类，习惯上叫作微Nb处理、微Ti处理等等，交货时不要求作该成分的检验。
微合金化元素在钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金化元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素对钢的强韧化所起的作用被广泛地应用于各类钢铁产品。
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微合金化作用
通过加入一种或多种微量元素，使合金获得所需组织和性能的方法。合金化效果取决于添加微量元素的最佳含量。在软钢和高强度低合金钢中可添加微量Nb、V、Ti等。在铸造镍基高温合金中可添加B、Zr、Hf、Y、 Ce等。变形高温合金中可添加B、C、 B+Zr、La+Ce、Mg等。形成链状分布的碳化物、硼化物等可以通过阻止晶粒长大、阻止晶界滑移、阻止空穴集聚长大、强化晶界、减缓缺口敏感等途径，改善或提高合金的性能。稀土元素可通过净化晶界，去除低熔点杂质或提高杂质熔点等途径，改善或提高其持久、蠕变、疲劳强度和耐腐蚀、抗氧化等性能。

微合金化钢

松的主要原因，并使材料的力学性能降低。建议通过炉外炉内脱硫来降低钢中的含硫量，从而提高原材料的纯度，冶炼过程中适当延长钢液在钢包内的镇静时间，使钢液中的炉渣充分上浮，降
低由炉渣引起的含量偏高的夹杂物。
４７．４９．
［７］朱民进．钢中非金属夹杂物对性能的影响【ｊ］．电器牵引，２００４
（２）：５５－５６．
［８］余
鲁，赵吉宏，刘栋林．３５ＣｒＭｏ连铸坯中心疏松原因分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及
防范措施［Ｊ］．江苏冶金，２００５，３３（４）：１７－１９．［９］董履仁．钢中大型非金属夹杂物［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９１．
单独使用Ｖ；对强度要求不高的可单独使用ｒｒｉ。此类钢在汽车制造业中应用增长快，如已用于汽车的连杆、曲轴、联轴节等等。
・
薄鑫涛・
告读者
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《热处理》
２０１３年第２８卷
第４期
・８１・
显著高的使用性能和性价比及某些特殊的性能。

金属材料学思考题答案

金属材料学思考题答案2绪论、第一章、第二章1．钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类，各有什么特点答：分为简单点阵结构和复杂点阵结构，前者熔点高、硬度高、稳定性好，后者硬度低、熔点低、稳定性差。

2．何为回火稳定性、回火脆性、热硬性合金元素对回火转变有哪些影响答：回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、残余奥氏体的分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力回火脆性：在200-350℃之间和450-650℃之间回火，冲击吸收能量不但没有升高反而显着下降的现象热硬性：钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能合金元素对回火转变的影响：①Ni、Mn影响很小，②碳化物形成元素阻止马氏体分解，提高回火稳定性，产生二次硬化，抑制C和合金元素扩散。

③Si比较特殊：小于300℃时强烈延缓马氏体分解，3．合金元素对Fe-Fe3C相图S、E点有什么影响这种影响意味着什么答：凡是扩大奥氏体相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等；凡是封闭奥氏体相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo等E点左移：出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。

S点左移：钢中含碳量小于％时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。

4．根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能:40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo。

1）淬透性：40CrNiMo 〉40CrMn 〉 40CrNi 〉 40Cr2）回火稳定性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉 40CrMn 〉 40Cr3）奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn 〉 40Cr 〉 40CrNi 〉 40CrNiMo4）韧性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉40Cr〉40CrMn (Mn少量时细化组织)5）回火脆性： 40CrMn 〉40CrNi> 40Cr 〉40CrNiMo5.怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。

钢中微合金元素的作用机理

2) 与氧、硫的作用
与氧、硫有一定的亲合力。从下图看，Ti与O的亲合力很强
，比铝小一些；Nb、V与O的亲合力比Mn强，但弱于Si。
早期，由于冶炼铸造工艺技术水平的限制，未能解决钛氧化和烧损问题，使钢材的性能波动大。现在已经解决，发展钛微合金钢。
由于钛与氧的强亲合力，使得测定钛在铁液中的一些热力学数据的试验变得异常困难，热力学数据分歧较大。
结构类型 F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C. F.C.C.
2）它们的相互固溶性（合成实验）
由于这些碳化物和氮化物的点阵常数相近与晶体结构相同，它们之间存在相互固溶；
一些研究者实验研究了它们之间的相互固溶性；
主要的实验结果如下：
√ 二元氮化物系统：NbN-TiN、TiN-VN、NbN-VN形成连续性固溶体；
TiN
在以后的热处理中不溶解，对阻止晶粒粗化以及沉淀强化，都没有作用，浪费宝贵的合金元素；
钢中%Ti为0.02，TiN则在L（钢液）-δ-Fe界面上或δ-Fe中形成，因此控制凝固速度，可以控制TiN质点尺寸与数量；低合金钢中由于Nb、V都不可能在钢液中形成粗大第二相质点；
但是在钢锭与连铸坯中，由于Nb 强烈偏析，在δ-Fe枝晶间的钢液中Nb富集，凝固后产生粗大甚至达到微米级沿晶分布的NbC枝晶状第二相，粗大的NbC使连铸中心容易产生内裂，或热塑性降低；
指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素，如GB/T1591-94中Q295-Q460的钢，规定：
Nb:0.015～0.06%; V: 0.02～0.15%; Ti: 0.02～0.20%
一些需要淬透性的机械结构钢中加硼（B），硼广义上也称微合金元素。

金属材料复习题

金属材料复习题1、合金化:为获得所要求的组织结构、力学性能、物理、化学或工艺性能而特别在钢铁中加入某些元素2、相变的主要特点：相变是在某一温度范围内进行；临界相变点随碳含量而变，出现了新的相变和产物，在平衡状态下可以两相共存3、碳化物形成的一般规律：k的类型与合金元素的原子半径有关，相似者相溶，强k形成元素优先与碳结合形成碳化物，Nm/Nc比值决定了k类型，碳化物稳定性越好溶解越难析出越难聚集长大也越难4、5、合金钢加热时的转变:A相的形成，K的溶解，F的转变，A相中合金元素的均匀化，溶质元素在晶界平衡偏聚，A晶粒长大6、二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。

7、二次硬化：回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570时可达到硬度、强度的最大值8、.特殊K形成途径:原位析出:在回火过程中合金渗碳体原位转变成特殊K。

异位析出:直接由α相中析出特殊K9、.固溶强化：机理固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，其与位错的交互作用将增加位错运动阻力。

降低断后伸长率和冲击吸收能量，降低材料的加工性，提高钢的Tk10、位错强化：机理随着位错密度的增大，增加了位错产生交割、缠结的概率，有效的阻止了位错运动。

降低断后伸长率，提高Tk11、细晶强化：机理钢中的晶粒越细，晶界、亚晶界越多，可有效阻止位错的运动，并产生位错塞积强化。

提高强度，塑性和韧度12、第二相弥散强化：机理钢中的微粒第二相对位错运动有很好的钉扎作用，位错要通过第二相要消耗能量，从而强化。

机制：切割机制、绕过机制，回火时第二相弥散沉淀析出强化，淬火时残留第二相强化13、淬硬性:指在理想的淬火条件下以超过临界冷却速度所形成的M组织能够达到的最高硬度14、脱碳:在各种热加工工序的加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，使刚才表面的碳全部或部分丧失掉15、产生白点的必要条件:氢含量高，充分条件:内应力的存在，防止白点的最根本办法是降低钢中的含氢量，常用热处理方法:去氢退火16、液析碳化物：由于碳和合金元素偏析，在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。

炼钢名词解释

001，化学亲和力指元素于元素之间结合能力的强弱。

002，冲击面积氧气流股与平静金属液面接触时的面积。

003，炉容比转炉有效容积与公称容量的比值。

004，均衡炉衬根据炉衬各部位的损失机理及侵蚀情况，在不同部位使用不同材质的耐火砖，砌筑不同厚度的炉衬。

005，喷孔夹角喷孔几何中心线与喷头轴线之间的夹角。

006，石灰活性是指石灰与熔渣的反应能力，它是衡量石灰在渣中溶解速度的指标。

007，碳氧浓度积即在一定温度和压力下，钢液中碳与氧的质量百分浓度之积是一个常数，而与反应物和生成物的浓度无关。

008，转炉的热效率转炉炼钢的热效率是有效热占总热量的百分比，其中有效热指钢水物理热及矿石分解热。

009，留渣操作留渣操作就是将上炉终渣的一部分留给下炉使用。

终点熔渣的碱度高，温度高，并且有一定(Tfe)含量，留到下一炉，有利于初期渣尽早形成，并且能够提高前期去除P、S的效率，有利于保护炉衬，节约石灰用量。

010，终点控制主要是指终点温度和成分的控制。

对转炉终点控制不仅要保证重点碳、温度的精确命中，确保P、S成分达到出钢要求，而且要求控制尽可能低的钢水氧含量。

011，拉瓦尔型喷头拉瓦型喷头是收缩-扩张型喷孔，出口氧压低于进口氧压之比小于0.528，形成超音速射流。

气体在喉口处速度等于音速，在出口处达到超音速。

012，定量装入制度，有何特点定量装入是在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变；这种装入制度的优点是：发挥了设备的最大潜力，生产组织、操作稳定，有利于实现过程自动控制。

但炉投前期熔池深、后期熔池变浅，只适合大、中型转炉。

国内外大型转炉已广泛采用定量装入制度。

013，溅渣护炉利用MgO含量达到饱和或过饱和的炼钢终点渣，通过高压氮气的吹溅，使其在炉衬表面形成高熔点的熔渣层，并与炉衬很好的粘结附着，称为溅渣护炉。

014，复合吹炼强搅拌在顶、底复合吹氧工艺中，供气强度（标态）波动在0.20~2.0m3/（t.min）；底部供气组件通常使用套管式喷嘴，中心管供氧，环管供天然气、或液化石油气、或油做冷却剂，此工艺属于复合吹炼强搅拌。

先进钢铁材料及其制备加工技术3可修改全文

先进钢铁材料及其制备加工技术
2011年 9月
第三章微合金化技术
• 微合金化元素及发展历史 • 微合金化元素在钢中的存在形式及其作用 • 控制轧制和控制冷却技术 • 微合金钢和微合金化技术的实际应用 • HSLA钢工艺技术的新进展
3.1微合金化元素
合金化的物理本质是通过元素的固溶和固态反应，影响组织和微结构，从而在金属中获得期望的性能。
铌在微合金化技术的发展史相关的一些重要事件(2)
1980年代，欧美日等国,加速冷却技术(ACC)在高强度钢广泛应用, 1981年, 旧金山,CBMM主办的一次 “铌”-国际学术会议” 1983年，费城-“高强度低合金钢“国际会议 -会议对HSLA钢和微合金化钢(MA)术语是同义词达成共识 1985/90/95/2000/2005年，北京-“HSLA钢-冶金与应用”国际学术会议 1990/1994/2000年, 德国/日本/美国, 三次“IF钢”国际学术会议 1995年,匹兹堡, “微合金化‘95” 国际学术会议 1980－1990年代，欧美日等国, 在线直接淬火（DQ）技术的广泛应用 1988/1997/2000/2003/年，惠灵顿等地召开四次-Thermec’97 国际学术会议 1998年，德国.阿亨-“冷加工用现代低碳与超低碳薄板钢”国际会议 1998年，San Sebastian,“钢中微合金化技术”国际学术会议-提出21世记技术
• 主要采用的方法有以下六种： ➢ （A）热力学计算 ➢ （B）析出物的化学相分离 ➢ （C）气体平衡法 ➢ （D）硬度测量法 ➢ （E）统计处理已有溶度积结果 ➢ （F）原子探针直接测量法等。
常见微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积比较
➢NbC、NbN 与 AlN 、 VN 、TiC的固溶度积相差不大； ➢TiN固溶度积最小，约小3个数量级； ➢VC固溶度积最大，约大2个数量级。 ➢铌的碳化物和氮化物在奥氏体中的固溶度相差不大

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。

微合金钢(Nb、V、Ti)

钒－氮对γ/α转变过程中细化多边形铁素体晶粒尺寸的影响
沉淀强化随着转变温度和冷速的不同，析出相在形态和分布特征上存在相间
析出、过饱和铁素体中弥散析出、铁素体内沿位错处析出等几种析出方式。析出的机理和效果，取决于晶体结构的类型、析出相的尺寸及分布、微合金元素原子在基体中的扩散及析出速率。总的来说，强化效果与析出质点的平均直径成反比关系，与析出物质点的体积分数的平方根成正比关系。
当钢中钒的质量分数低于0.03%时，固溶态的钒才可以占绝大多数，才能有效地提高淬透性。
与锰提高铌、钒的溶解度一样，钼也提高它们在钢中的溶解度。而添加了元素钼后，可固溶的钒含量明显增加，可达0.06%左右。
钒在铁素体中的析出
V(C,N)可跟随着γ/α界面的移动在铁素体内随机析出，即为一般析出。或者平行于γ/α界面，以一定的间距形成片层状分布的相间析出。
球化：球化退火处理球化退火的主要目的是由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。
45钢
35钢
复化：钢铁材料的复相化已成为重要发展方向，广义上讲只要含有两种以上组织的钢都可称为复相钢
例如马氏体、奥氏体、铁素体、贝氏体、碳化物等，此外引入其他强化手段如纤维、陶瓷相等，也可成为复相。
相间沉淀转变示意图
V-N钢中V(C,N)析出相
a-0.0051%N；b-0.0082%N；c-0.0257%N；d-0.0095%N，0.04%C
随氮含量增加，V(C,N)量多且弥散度增加。高温条件下析出反应的化学驱动力小，析出的形核发生在相界上；低温时，驱动力大，铁素体基体内部也能发生形核。相间析出的特征之一是温度越低析出相越细

微合金化钢

铌用来获得最小屈服强度为 355 牛顿/毫米 2 等级的钢而铌+钒则用来获得最小屈服强度为 390 牛顿/毫米 2 等级的钢，这两种钢都具有细晶粒的多边形铁素体+少量珠光体的典型组织。
图 18-3 最小夏比 V 形缺口冲击能（纵向试样）和温度的函数关系（根据欧洲标准 113 — 72 中特殊质量的焊接结构钢 FeE355、390、420TK，KG 和 KW 钢的规定而得出的，享有专
欧洲标准规
定的钢钟
Fe510 FeE355 欧洲标准 25-67 Fe510 欧洲标准 25-67
炉前分析的化学成分（最大值）
质量等级
C，%
P%
板厚板厚＞
≤30mm 30mm
是否允许加入 S% N% 固定氮的元素
D3
0.20
0.22 0.045 0.045 0.009 允许
DD
0.18
0.18 0.040 0.040 -
2
在常规轧制中，通过不同轧制机架而前进的钢坯并不停留，因此，作为钢梁尺寸和轧制时间函数的终轧温度太高了，不能产生最好的显微组织。因此，在控制轧制规程中，在中间机架上进行最后四个道次轧制时，轧制温度必须采用接近于 Ar3 点的温度。在中间机架上进行 N= 4 道次的轧制终了，要在静止状态下测量钢梁的温度，直到温度达到预定的温度范围才继续进行轧制。这样终轧温度就能得到保证而与断面尺寸无关。
图 18-9 钢板桩的例子
图 18-10 钢板桩的钳口
合金化对于研制最小屈服强度为 355 牛顿/毫米 2 甚至高达 382 牛顿/毫米 2 的高强度钢的钢板桩有很大的帮助。与一般钢相比，这种钢可以显著地减轻重量。在欧洲，具有 355 牛顿/ 毫米 2 屈服强度和含有 0.20%C、1.1%Mn、0.05%Si 和 0.04%Nb 的钢已广泛地用于制做钢板桩。这个例子证明微合金化是解决上述问题所不可缺少的办法。五、微合金化高强度混凝土增强钢筋

微合金化元素钛、钒、铌的特性

微合金化元素钛、钒、铌的特性近年来，钢中添加微合金化元素的重要性备受关注，并通常被视为现代钢种的一大特点。

因此可以预见，随着新钢种的开发，微合金化元素的使用会越来越多。

“微合金化”即是指这些元素在钢中的含量很低，通常低于0.1%（重量百分比）。

和钢中不需要的残余元素不同，微合金化元素是有目的的加入钢中以改善钢材的性能。

合金化元素和微合金化元素不仅在合金含量上有明显的区别，而且其不同的冶金效应也各有特点：合金化元素主要是影响钢的基体；而微合金化元素除了溶质原子的拖曳作用外，几乎总是通过第二相的析出而影响钢的显微组织结构。

钢的可焊性、成型性和断裂韧性要求较少的非金属夹杂（氧化物和硫化物），并希望残余夹杂以球形状态存在。

因此低氧和低硫是现代钢的必要条件。

另外，铝脱氧的钢水脱氧的标准工艺。

在钢凝固后，未结合成氧化铝的残留铝将形成氮化铝。

这一古典的微合金元素析出物细化晶粒的效应已被使用了50多年。

其它微合金添加元素如钙或稀土元素，由于对硫化物形态的控制的作用也广为人知。

除了上述这些影响非金属夹杂物的元素外，自1960年代以来，钢中单独或复合加入一些碳化物和氮化物形成元素也对钢的发展产生了重要影响。

元素的潜势根据各元素在周期表中的位置，可以大致确定其对钢的性能产生何种可能的影响。

图4.176显示出4-6周期的Ⅳa-Ⅵa族的化学元素。

这些元素因为其熔点很高通常被称为“难熔金属”。

它们不仅具有高的熔点，而且具有形成氮化物和碳化物趋势。

这种趋势从图中右上角向左下角方向逐渐增强；而且形成氮化物的倾向要强于形成碳化物的倾向。

除形成氮化物和碳化物的倾向外，第Ⅳa族元素还具有更高的形成氧化物和硫化物的倾向。

另一方面，Ⅵa族元素与非金属化合物的亲合力比Ⅳa族和Va族元素低，此外他们的碳化物具有正斜方体或六角体的晶体结构。

这种结构与Ⅳa族和Va族元素的面心立方结构碳化物相比较，不太可取，面心立方和钢的立方体基体有一定的共格性，这可能对钢的性能有益。

钢的合金化基础

在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低；弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
特点：1.这些碳化物是中强碳化物形成元素形成的碳化物；
型 2. rc/rMe >0.59 引起点阵畸变，形成复杂点阵类
（3）渗碳体（正交点阵） M3C型： Fe3C，（FeCr）3C，（FeMn）3C等
特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的Fe原子，称为合金渗碳体。
硼、锆、铌、钽、硫属于此类合金元素。
铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。
合金元素改变奥氏体区的位置
随Cr含量增加，SE 向左上移，SG向左上移，使γ区逐渐缩小。
• 缩小A相区的元素（Cr，W，Mo，V， Ti，Si等）使S点左移，A3线上升；
铬对奥氏体相区的影响
合金元素对特征点S、E的影响
奥氏体形成元素使A1、 A3点下移，使得奥氏体温度下降；铁素体形成元素使A1、A3点上移，热处理时加热温度应该提高。
1.1.2 按与C相互作用（亲和力大小）分类
• 非碳化物形成元素 Ni，Cu，Si，Al，P等
• 碳化物形成元素
Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，Cr，W，Mn，Fe
最强
中强
弱
1.1.3 按对奥氏体层错能的影响分类
2．硫（S）和磷（P） S：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

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。

5-微合金化非调质钢

非调质钢中的钛
钛是很强的氮化物、碳化物形成元素，钛的氮化物在接近凝固前或凝固过程中形成。钛、氮含量越低，形成TiN的温度越低，颗粒尺寸越小，而且均匀弥散分布，可以成为液态结晶核细化原始晶粒，还可以阻止再加热时晶粒长大。钛含量足够多时，还可在奥氏体区内形成TiC，对形变奥氏体再结晶起“钉扎”作用。
(3)冷却速度：随冷却速度增大，相变组织从铁素体一珠光体向贝氏体、马氏体过渡。对于铁素体一珠光体型钢，冷速增加，细化铁素体和珠光体晶粒，韧性提高，强度增大；冷速过大，可能出现贝氏体和马氏体，降低塑性。对于贝氏体钢，冷速增加，强度和韧性都提高较多；冷速过大，生成马氏体，强度增加，伸长率下降。 (4)形变程度：在奥氏体未再结晶区进行形变时，形变程度越大，相变后晶粒就越细小，综合力学性能就越好。 (5)形变速率：在不同的形变速率下，钢的显微组织变化不很明显，对钢力学性能的影响不大。
硼在非调质钢中的作用
主要是增大贝氏体转变区的范围，在轧制缓冷的条件下，这类非调质钢常常表现出非常好的强韧性。
非调质钢中的铝
铝的氮化物和V、Ti、Nb的氮化物有相似的影响，但析出条件和产生的效果与其它元素相比存在一定差异。 AIN具有沉淀强化和细晶强化作用，但由于A1N在低温下的过饱和铁素体中形核较困难，因此其沉淀强化作用没有细晶强化对强度的贡献显著。
非调质钢的微合金化
合金元素的基本作用非调质钢中的合金元素分为两类其中一类是锰、铬、钼等合金元素，它们的作用除与在普通合金钢中相同的作用之外，还通过降低相变温度来细化晶粒，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化物；第二类是形成碳化物或氮化物的微合金化元素，如钒、钛、铌、硼、铝等。根据它们在钢中存在形式的不同，将对非调质钢的性能产生不同的影响。