第1章 钢的合金化基础

5％（w％） 低合金钢：合金元素＜ 合金钢：合金化以后的 钢中合金钢：合金元素 5～10 ％ 高合金钢：合金元素＞ 10 ％
二、为什么发展合金钢？
改善提高钢的性能，弥补碳钢的不足。 如有些特殊条件下的使用要求：韧性、耐蚀、抗氧化、耐磨、高温强 度等，车削速度较高的刀具要求红硬性，大尺寸零件要求高的淬透性… 这时碳钢已不能满足要求。
MC形，TiC、VC ＜0.59 简单点阵碳化物： rC / rMe与碳化物种类 畸变 ＞0.59 复杂点阵碳化物，点阵
Fe，形成合金渗碳体，如 （FeCr） 很低：置换渗碳体中的 3C 含量 ，如Fe2 Mo4C（M 6C形）、Fe21W2C6 ( M 23C6 ) 稍高：形成多元碳化物
一、固溶强化 溶质原子溶入基体金属中形成固溶体使金属强化，称固溶强化。 固溶强化可分为：间隙固溶强化和置换固溶强化两种。 (一)铁素体的固溶强化 原子半径小 1．间隙式固溶强化 间隙原子C、N固溶于F晶格间隙，阻碍位错运动，增加钢的塑性变形抗力， 指数关系 提高钢的屈服强度，达到强化目的。 间隙原子(碳、氮)对强度的影响表达式： Ki --与间隙原子性质、基体晶格类型、基体的刚度、溶质和溶剂原子直径差及 二者化学性质的差别等因素有关。 F中固溶度很小（C最大仅0.0218％），效果差。常采用相变，造成过饱和 固溶体（如A→M） 间隙固溶可显著强化，但严重地损害钢的塑性、韧性以及焊接性能。
（3）溶解 碳化物具有一定的金属特性，所以其成分不是很固定，而是常常以其分 子式所代表的化合物为基底，固溶各种合金元素。 如：Fe3C能溶解大量的合金元素。在回火最初阶段所形成的Fe3C，既有 碳化物形成元素溶入，又有非碳化物形成元素溶入；只是在提高回火温度 或延长回火时间时，碳化物形成元素向 Fe3C中固溶越来越多，而非碳化物 形成元素固溶越来越少。 3.合金元素与碳相互作用的实际意义： 一方面 关系到所形成碳化物的种类、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、耐磨性以及塑性、韧性、红硬 性和某些特殊性能；同时对钢的热处理亦有较大影响，如奥氏体化的温度和 时间、奥氏体晶粒长大等。 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 有较大影响；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 化物形成元素及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素 (如钴) 还有增大碳原子扩散的作用。因而，合金元素与碳的作用对钢的相变有重要 的影响。
第 1章
为什么从钢的合金化讲起？
钢的合金化基础
钢铁是最常用最主要的工程材料，在所有金属材料中人类对钢铁的研 究时间最长，最深入，最系统。对所有金属材料合金化的具有普遍意义。 所有金属、合金包括陶瓷材料在组织性能的改善以及性能的提高方面都可 借鉴钢铁方面的一般规律和研究成果。 重点在于建立钢的成份－组织－性能关系的一般模型。 一、钢的合金化 在钢中加入合金元素，与钢中的铁、碳发生作用，改善组织结构和工 艺性能，提高使用性能。
三、合金元素与铁、碳的相互作用 (一)合金元素与铁的相互作用 按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元 素分为两大类： 扩大区：A4点 ，A3点 ，区扩大 A形成元素 缩小区：A4点 ，A3点 ，区缩小 F形成元素 为什么有的合金元素扩大γ 区，而有的缩小γ 区呢? 取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素 合金元素含量高到形成σ 相，合金将严重发脆。 合金元素与铁的相互作用的工程实际意义：为了保证钢具有良好的耐蚀性(如 不锈钢)，需要在室温下获得单一相组织，就是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，使钢在室温条件下获得单 相奥氏体或铁素体等单一组织来实现。例如，为了获得奥氏体型不锈钢，通 常向钢中加人大量的Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；为获得铁素体型不锈钢， 通常向钢中加入大量的Cr、Si、A1、Mo、Ti等铁元素形成元素。 同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是 铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。
Hale Waihona Puke Baidu
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)。 (一)按照与铁相互作用的特点分类 合金元素与铁的相互作用主要是影响铁的同素异构结构。 Fe的同素异构转变： 912 ℃ 1394 ℃ Fe －Fe －Fe 奥氏体(A)： C溶于γ－Fe，面心立方，C溶解度大；
溶入Fe3C形成合金渗碳体 3．形成强化相： 与C形成碳化物 合金元素间形成金属间 化合物
合 金 元 素 存 在 形 式
4．自由存在：某些合金元素如银和铅等，既不溶于铁中基体中又不与 之形成化合物，而以游离状态存在于基体中。 存在形式决定于？
元素种类 含量 冶炼、加工方法 热处理
(二)合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物，还是形成固溶体？ 取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy △G 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。 碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。 非碳化物形成元素易溶入铁素体和奥氏体等固溶体中；而碳化物形成 元素易于溶入碳化物中。如加入少量碳化物形成元素时，它也可以溶入固 溶体中，或溶入渗碳体中形成合金渗碳体等，当加入数量较多时，形成特 殊碳化物。 1.形成碳化物的规律 碳化物形成元素在周期表中都是过渡族元素（次d层未排满）： 与Fe原子相比，次d层越不满，形成碳化物的趋势越强，碳化物越稳定。
(三)按照对A层错能的影响分类 1) 提高A层错能的元素：如镍、铜、碳等。 2) 降低A层错能的元素：如锰、铬、钌、铱等。 A的层错能低，利于位错扩展→形成层错→滑移困难→加工硬化趋势增大
二、钢中杂质、合金元素存在形式
杂 质
S：生Fe、燃料带入，溶解度很小，晶界低熔点FeS-Fe，热脆。加Mn形成高熔点MnS P：形成Fe3P硬脆相，冷脆脆。 H：固溶，氢脆。 其它杂质： 1．形成非金属夹杂：与钢中O、N、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 透性。其危害与夹杂物成分(性能）、形状、大小、数量和分布有关。 但AlN可弥散于钢中，提高性能。 2．溶入固溶体：溶于F、A和M。不同元素在不同的组织中溶解度不同。
第二节 钢的强化机制
钢的强化主要指提高其屈服强度。 屈服强度：使位错开动、增殖并在金属中传播所需要的应力。 因此，阻碍位错运动，就可达到强化目的。基于此，钢中合金元素的强化 作用主要四种基本方式：固溶强化、晶界强化、第二相强化及位错强化。通 过对这四种方式单相或综合加以运用，便可有效提高钢的强度。
钢的合金化原理内容相当广泛，包括不同合金元素的不同作用，不同 合金元素的交互作用，不同合金元素在不同热处理工艺、C含量、杂质含 量条件下的不同行为… 合金化基础：合金元素与Fe、C的基本作用，一般规律，即共性。主要 内容分为以下5个方面： 1) 钢中合金元素及其分类。 2) 合金元素与钢中铁和碳的相互作用。 3) 钢的强化。 4) 改善钢的塑性与韧性的途径。 5) 合金元素对钢的相变和热处理工艺性能的影响
2.置换式固溶强化 置换固溶，晶格畸变多为球面对称，强化效果较间隙式小得多（约小两个数 量级），称弱硬化。强度增量与溶质原子含量间关系式： 但强度随CS↑而直线↑，且若含量低时，基本不损害塑韧性，这点很重要。 不同合金元素对铁素体强化作用不同，如磷、硅、锰和钼强化作用明显，其 中硅、锰作用最大；镍、铝强化作用不大。 多种合金元素同时存在，强化可累加。 相对于F中 (二)奥氏体的固溶强化 C在面心立方晶格中造成的畸变呈球面对称，其间隙强化作用属弱硬化。 置换式原子在A中的强化作用比碳原子更小。 但置换式原子会影响A层错能。层错能低，位错易扩展，层错和溶质原子交互作 用使溶质原子偏聚在层错附近，形成铃木气团，钉扎位错造成A强化。 强化作用顺序：间隙式原子（C、N）→置换式F形成元素→置换式A形成元素 钢中加入镍会使屈服强度降低，这是一种固溶软化现象。 ★置换式固溶强化对F的强化作用小得多，但工程用钢中不可忽视，因多种元 素的强化作用可以垒加，总的强化效果可观。如在低合金高强度钢中，加入微 量多种合金元素就是这个道理。 间隙式溶质原子强化效果显著，但受溶解度限制，可采用相变原理。 总之，影响固溶强化作用→错配度与固溶度。还要考虑对塑、韧性的影响。
四、合金元素对奥氏体层错能的影响 (一)合金元素的影响趋势 目前有关合金元素对奥氏体层错能的影响规律尚不完全清楚。但对以下元素 的影响趋势看法一致：镍、铜和碳提高A层错能，锰、铬、钌和铱降低之。 (二)奥氏体层错能对钢的力学性能影响 层错能低→有利于位错扩展和形成层错→使横滑移困难→钢的加工硬化趋 势增大。所以A层错能的高低将会直接影响到奥氏体钢的力学行为。 如：高镍钢和高锰钢，虽然锰和镍都是 A形成元素，单独加入相当数量的镍 和锰都可使钢在室温下获得单相 A，但却发现镍钢易于变形加工；而锰钢的 冷变形性能很差，有很高的加工硬化趋势与耐磨性。 ( 三)奥氏体层错能对钢相变行为的影响 A层错能的高低，对Fe-Ni-C合金中M的形态有直接影响。通常，A层错能越 低越易于形成板条 M，具有位错型亚结构；而 A层错能越高，越易于形成片 状马氏体，具有孪晶型亚结构。
力学性能 改善组织 合金元素作用 改善使用性能物理性能 改善工艺性能 化学性能 ％ 工业纯铁：C＜0.0218 钢铁钢：C 0.0218 ～2.11 ％ 铸铁（生铁）： C 2.11～6.69％
碳钢：Fe、C合金及微量元素 钢 一种或多种合金元素 合金钢：有意识地加入
铁素体 (F)：C溶于α－Fe，体心立方，C溶解度小。
1)奥氏体形成元素: 如碳、氮、镍、锰、铜、钴等。稳定和扩大A区，优先 分 布于A中。 2)铁素体形成元素: 如铬、硅、钒、钛、钼、钨、铌、钽、铝、锆等。稳定 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。 易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体 或渗碳体
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。 (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。 一般，形成碳化物能力越强的元素，碳化物熔点高，稳定性亦大。 Fe3C→M23C6→M6C→MC稳定性升高。 但碳化物稳定，溶入A的温度高，自M中分解出来的温度亦高，使用锻造 及热处理方法改变碳化物相的分布状况变得困难。 稳定性又指：碳化物和基体(固溶体)之间不易因原子扩散而发生合金元素 的再分配。许多碳化物形成元素同时也是有效的强化固溶体的元素(如铬、钼、 钨等)。故在经过适当的热处理之后，固溶体和碳化物间应保持最佳的合金 元素含量分配率，以保证高的综合性能(如强度与塑性，强度与耐蚀性)。