金属材料合金化原理

1.2 钢的合金化原理
Chapter 1 金属材料的合金化原理
3. 对中温转变（贝氏体转变）的影响 ? 碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低
BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间 出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转 变的C曲线。
? 合金元素还改变贝氏体转变动力学过程 ，增长转 变孕育期，减慢长大速度 。 碳、硅、锰、镍、铬的作用 较强 钨、钼、钒、钛的作用 较小
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4. 对低温转变（马氏体转变）的影响 ? 合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温
度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马 氏体的精细结构。 ? 除Co、Al以外， 绝大多数合金元 素都使M s和M f 下降
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④Al和Si含量极少时 ，仅以高熔点 AlN、 Al2O3的非金属夹杂物形式存在， 可以阻止奥氏 体晶粒粗化 ，如下图所示。但当含量足够高， 作为合金元素溶入固溶体时，可以使钢在高温 时也为α相，促进α相的晶粒粗化。
⑤Ni、Cu、Co等非碳 化物形成元素，对奥氏体 晶粒的长大影响不大。
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(2) AE对珠光体转变(淬透性)的影响 ? 除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移
（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体 型的转变）。C曲线右移的结果，降低了钢 的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。合金 元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作 用强度及其可能的溶解量。
Ni、Si、Cu 使转变孕育期变长，即 C曲线右移。 Al、 Co 则相反，使 C曲线左移。
碳化物形成元素（ Cr 、M、W、V）等，不仅使 C曲 线的位置移动，而且也使 C曲线的形状改变 ，出现 两个鼻温，甚至使珠光体区域和贝氏体区域完全分 开，出现一个过冷奥氏体极端稳定的区间。
对高温转变（ 珠光体转变 ）的影响； 对中温转变（ 贝氏体转变 ）的影响； 对低温转变（ 马氏体转变 ）的影响。
①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 。
② C、N、B、P等元素促进奥氏体晶粒的长大 。 晶界偏聚和 降低晶界铁原子间的结合力 。
③Mn在低碳钢中可以细化珠光体组织，也 可以细 化奥氏体晶粒 。在中碳以上钢中， Mn加强了碳促进奥 氏体晶粒长大的作用。
Cr 对奥氏体晶粒有细化作用。
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1.3 合金元素对钢的组织转变的影响 1.3.1 AE对钢加热时奥氏体形成过程的影响
奥氏体的形核 奥氏体的长大
渗碳体的溶解 奥氏体成分均匀化
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1. AE对奥氏体形成速度的影响 ? 非碳化物形成元素
Co 和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度 Si、Al、Mn 对奥氏体的形成速度影响不大。 ? 强碳化物形成元素 Cr 、Mo、W、V等与碳的亲和 力较大，减慢了奥氏体的形成速度。
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? 对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需要 进行附加的处理 ：
? 冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却， 使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采 用干冰与酒精混合可获得 -70℃的低温。
? 多次回火 过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析 出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥 氏体的Ms 、Mf点升高，而在回火后的冷却过程中， 转变为马氏体或贝氏体（称为二次淬火），从而 使残余奥氏体量减少。
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2. AE对高温转变（珠光体转变）的影响
（1）合金元素对珠光体转变的综合作用
强碳化物 Ti、Nb、V 推迟碳化物的形核和长大。 中强碳化物形成元素 W、Mo、Cr 推迟碳化物形核 和长大，还通过增加固溶体原子间结合力、降低铁原 子的自扩散而减慢 γ→α 转变。 弱碳化物形成元素 Mn 推迟珠光体转变时合金渗碳 体的形核和长大，同时 Mn 又是扩大 γ相区的元素，起 稳定奥氏体并强烈推迟 γ→α 转变的作用。 非碳化物形成元素 Ni、Co Ni是开启γ相区并稳定 奥氏体的元素，增加 α相的形核功，降低转变温度。 Co由于促进铁的扩散，因而增加 α相长大速度。 10
因此，应从以上三个方面综合考虑。
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ChCaphtaeprt1er 1金属金材属料材的料合的金合化金原化理原理
1.3.2 AE对钢的过冷奥氏体分解转变的影响
Co
强K形成元素
中、弱K形成元素
非K形成元素 8
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1. AE 对过冷奥氏体稳定性的影响
（C曲线）
非碳化物形成元素（ Ni、Al、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱi、Cu 、Co），C曲 线仍保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。
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标准晶粒度等级示意图
1—4级为本质粗晶粒钢 5—8级为本质细晶粒钢
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总之
合金元素对奥氏体晶粒长大主要从三个方面起作用： 第一，当合金元素形成未溶、处于 晶界上高度弥散 的质点 ，对奥氏体晶粒的粗化起到阻碍作用。 第二，合金元素溶入奥氏体中时，可以 改变奥氏体 的晶界能 ，因而会改变奥氏体的长大倾向。 第三，合金元素溶入奥氏体中可以 改变原子间的结 合强度 ，引起激活能和铁自扩散系数的变化，从而 影响奥氏体晶粒的长大。
? 碳化物的分解 稳定性高的碳化物，难溶入奥 氏体中。
? 奥氏体的成分均匀化 奥氏体均匀，碳和合金 元素均需扩散。
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图1-10 碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系
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2.AE对奥氏体晶粒长大倾向的影响
? 合金钢中高的残余奥氏体含量对钢的性能产 生很大影响—残余奥氏体量过高（有时达 30%-40% ）时，钢的硬度降低，疲劳抗力 下降。
? 对于奥氏体不锈钢，为了要在室温下或零温 度下（ Ms点远低于室温或零下）获得稳定 的单相奥氏体组织，必须加入大量奥氏体形 成元素。通常是加入镍、锰、铬、碳、氮等 元素。