机械工程材料第七章
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图7-1 合金元素对铁素体硬度和韧性的影响 a）对硬度影响 b）对韧性影响
合金元素在钢中的存在形式
（二）化合物
合金元素与钢中的碳、其它合金元素及常存杂 质元素之间可以形成各种化合物，其中以它们和碳 之间形成的碳化物最为重要。碳化物的主要形式有 合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C等；特殊碳化物，如 VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6等。
第七章 钢铁材料
第一节 钢中常存杂质元素对其性能的影响 第二节 合金元素在钢中的主要作用 第三节 钢的分类和牌号 第四节 结构钢 第五节 工具钢 第六节 特殊性能钢 第七节 铸 铁
第一节 钢中常存杂质元素对其性 能
的影响
钢在其冶炼生产（炼铁、炼钢）过程中，因其 原料（铁矿石、废钢铁、脱氧剂等）、燃料（如焦 炭）、熔剂（如石灰石）和耐火材料等所带入或产 生的，但又不可能完全除尽的少量杂质元素如硅、 锰、硫、磷、氢、氮、氧等，称之为常存杂质元素， 它们的必然存在显然会影响到钢的性能。
合金元素对铁碳平衡相图的影响
合金元素在钢中的存在形式
（二）化合物
碳化物一般具有硬而脆的特点，合金元素的亲 碳能力越强，所形成的碳化物就越稳定，并具有高 硬度、高熔点、高分解温度。合金元素形成碳化物 的直接作用主要是弥散强化，即钢的强度、硬度与 耐磨性提高，但塑性、韧性下降，并有可能获得某 些特殊性能（如高温热强性）。这里同样需要强调 的是碳化物的间接作用——阻碍钢加热时的奥氏体 晶粒长大、所获细小晶粒而产生的细晶强韧化作用， 在不少场合下，碳化物形成元素的间接作用也比其 直接作用更为重要——对强碳化物形成元素V、Ti、 Nb
气体元素的影响
氮固溶于铁素体中将引起“应变时效”，即冷 塑性变形的低碳钢在室温放置或加热一定时间后强 度增加而塑性、韧性降低的现象。应变时效对锅炉、 化工容器及深冲压零件极为不利，会增加零件脆性 断裂的可能性。若钢含有与N亲合力大的Al、V、Ti、 Nb等元素而形成细小弥散分布的氮化物，可细化晶 粒，提高钢的强韧性，并能降低N的应变时效作用， 此时N又变成了有益元素。
气体元素的影响
氧少部分溶于铁素体中，大部分以各种氧化物 夹杂的形式存在，将使钢的强度、塑性与韧性、尤 其是疲劳性能降低，故应对钢液进行脱氧。依据浇 注前钢液脱氧程度不同，可将钢分为镇静钢（充分 脱氧钢）、沸腾钢（不完全脱氧钢）和介于这两者 之间的半镇静钢。显然镇静钢的质量和性能较佳， 一般用于制造重要零件；而沸腾钢的成材率较高， 可用于对力学性能要求不高的零件。
二、硫和磷的影响
硫不溶于铁，而与铁生成熔点为1190℃左右的 FeS，且FeS常与Fe一起形成低熔点（约989℃）的 共晶体，分布在奥氏体晶界上；当钢进行热加工 时（如在900～1200℃锻造或轧制、焊接等），共 晶体将熔化，使钢的强度、尤其是韧性大大下降 而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。热脆的减 轻或防止措施有二：其一是采用精炼方法降低钢 中的含硫量，但此举会增加钢的生产成本；其二 是通过适当增加钢中的含锰量，使S与Mn优先生成 高熔点（约1620℃）的MnS，从而避免热脆，这是 降低硫的有害作用的主要手段。
合金元素在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中的存在形式
（三）游离物
钢中有些元素如Pb、Cu等既难溶于铁，也不易 生成化合物，而是以游离状态存在。在某些条件下 钢中的碳也可能以自由状态（石墨）存在。通常情 况下，游离态元素将对钢的性能产生不利影响，故 应尽量避免此种存在形式。
二、合金元素对铁碳平衡相图的影响
（一）对临界温度的影响
硫和磷的影响
磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显的提高强 度、硬度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧 性，尤其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此 外，过多的磷也会生成极脆的Fe3P化合物，且易偏
三、气体元素的影响
氢在钢中含量甚微，但对钢的危害极大。微 量的氢即可引起“氢脆”，甚至在钢中产生大量 的微裂纹（即“白点”或“发裂”缺陷），从而 使零件在工作时出现灾难性的突然脆断。氢脆一 般出现在合金钢的大型锻、轧件中，且钢的强度 越高，氢脆倾向越大，如电站汽轮机主轴、钢轨、 电镀刺刀等氢脆断裂。实际生产中，常通过锻后 保温缓冷措施或预防白点退火工艺来降低钢件的 氢脆倾向。
第二节 合金元素在钢中的主要作 用
加入适当化学元素来改变金属性能的方法叫做合 金化。为了合金化目的（即改善和提高钢力学性能或 使之获得某些特殊的物理、化学性能）而特定在钢中 加入的、含量在一定范围的化学元素称为合金元素， 这种钢即称为合金钢。
一、合金元素在钢中的存在形式
合金元素在钢中的存在形式对钢的性能（使 用性能和工艺性能）有着显著的影响。根据合金 元素的种类、特征、含量和钢的冶炼方法、热处 理工艺不同，合金元素的存在形式主要有三种：
一、硅和锰的影响
硅、锰均可固溶于铁素体中，使钢的强度、硬 度升高——即固溶强化作用。硅在提高强度、硬度 的同时，还显著地降低了钢的塑性、韧性；另外硅 与氧容易生成脆性夹杂物SiO2，也对钢的性能不利。 锰易与钢中的硫生成MnS塑性夹杂物，可降低硫的有 害作用——热脆，但MnS量过多时也会恶化钢的性能。 因此，作为杂质元素存在时，Si、Mn量一般控制在 规定值之下（wSi＜0.5%，wMn＜0.8%），此时它们是
合金元素在钢中的存在形式
（一）固溶体
合金元素溶入钢中的铁素体、奥氏体和马氏体 中，以固溶体的溶质形式存在（Fe为溶剂）。此时， 合金元素的直接作用是固溶强化——即钢的强度、 硬度升高，而塑性、韧性下降。说明了钢中常见合 金元素对铁素体硬度和韧性的影响如图7-1所示。
合金元素在钢中的存在形式
（一）固溶体
1.降低临界温度A1、A3 凡扩大奥氏体相区的 元素如Ni、Mn、Co、N等，均可使钢的A1、A3点降 低。若钢中这些元素的含量足够高时，将使A3温度 降至室温以下，此时钢具有单相奥氏体组织，即 为奥氏体钢，这类钢具有某些特殊的性能，如 ZGMn13具有高耐磨性，1Cr18Ni9奥氏体不锈钢具有 高的耐蚀、耐高温、耐低温性，并具有抗磁、无 冷脆等特性。
合金元素在钢中的存在形式
（二）化合物
合金元素与钢中的碳、其它合金元素及常存杂 质元素之间可以形成各种化合物，其中以它们和碳 之间形成的碳化物最为重要。碳化物的主要形式有 合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C等；特殊碳化物，如 VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6等。
第七章 钢铁材料
第一节 钢中常存杂质元素对其性能的影响 第二节 合金元素在钢中的主要作用 第三节 钢的分类和牌号 第四节 结构钢 第五节 工具钢 第六节 特殊性能钢 第七节 铸 铁
第一节 钢中常存杂质元素对其性 能
的影响
钢在其冶炼生产（炼铁、炼钢）过程中，因其 原料（铁矿石、废钢铁、脱氧剂等）、燃料（如焦 炭）、熔剂（如石灰石）和耐火材料等所带入或产 生的，但又不可能完全除尽的少量杂质元素如硅、 锰、硫、磷、氢、氮、氧等，称之为常存杂质元素， 它们的必然存在显然会影响到钢的性能。
合金元素对铁碳平衡相图的影响
合金元素在钢中的存在形式
（二）化合物
碳化物一般具有硬而脆的特点，合金元素的亲 碳能力越强，所形成的碳化物就越稳定，并具有高 硬度、高熔点、高分解温度。合金元素形成碳化物 的直接作用主要是弥散强化，即钢的强度、硬度与 耐磨性提高，但塑性、韧性下降，并有可能获得某 些特殊性能（如高温热强性）。这里同样需要强调 的是碳化物的间接作用——阻碍钢加热时的奥氏体 晶粒长大、所获细小晶粒而产生的细晶强韧化作用， 在不少场合下，碳化物形成元素的间接作用也比其 直接作用更为重要——对强碳化物形成元素V、Ti、 Nb
气体元素的影响
氮固溶于铁素体中将引起“应变时效”，即冷 塑性变形的低碳钢在室温放置或加热一定时间后强 度增加而塑性、韧性降低的现象。应变时效对锅炉、 化工容器及深冲压零件极为不利，会增加零件脆性 断裂的可能性。若钢含有与N亲合力大的Al、V、Ti、 Nb等元素而形成细小弥散分布的氮化物，可细化晶 粒，提高钢的强韧性，并能降低N的应变时效作用， 此时N又变成了有益元素。
气体元素的影响
氧少部分溶于铁素体中，大部分以各种氧化物 夹杂的形式存在，将使钢的强度、塑性与韧性、尤 其是疲劳性能降低，故应对钢液进行脱氧。依据浇 注前钢液脱氧程度不同，可将钢分为镇静钢（充分 脱氧钢）、沸腾钢（不完全脱氧钢）和介于这两者 之间的半镇静钢。显然镇静钢的质量和性能较佳， 一般用于制造重要零件；而沸腾钢的成材率较高， 可用于对力学性能要求不高的零件。
二、硫和磷的影响
硫不溶于铁，而与铁生成熔点为1190℃左右的 FeS，且FeS常与Fe一起形成低熔点（约989℃）的 共晶体，分布在奥氏体晶界上；当钢进行热加工 时（如在900～1200℃锻造或轧制、焊接等），共 晶体将熔化，使钢的强度、尤其是韧性大大下降 而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。热脆的减 轻或防止措施有二：其一是采用精炼方法降低钢 中的含硫量，但此举会增加钢的生产成本；其二 是通过适当增加钢中的含锰量，使S与Mn优先生成 高熔点（约1620℃）的MnS，从而避免热脆，这是 降低硫的有害作用的主要手段。
合金元素在ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中的存在形式
（三）游离物
钢中有些元素如Pb、Cu等既难溶于铁，也不易 生成化合物，而是以游离状态存在。在某些条件下 钢中的碳也可能以自由状态（石墨）存在。通常情 况下，游离态元素将对钢的性能产生不利影响，故 应尽量避免此种存在形式。
二、合金元素对铁碳平衡相图的影响
（一）对临界温度的影响
硫和磷的影响
磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显的提高强 度、硬度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧 性，尤其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此 外，过多的磷也会生成极脆的Fe3P化合物，且易偏
三、气体元素的影响
氢在钢中含量甚微，但对钢的危害极大。微 量的氢即可引起“氢脆”，甚至在钢中产生大量 的微裂纹（即“白点”或“发裂”缺陷），从而 使零件在工作时出现灾难性的突然脆断。氢脆一 般出现在合金钢的大型锻、轧件中，且钢的强度 越高，氢脆倾向越大，如电站汽轮机主轴、钢轨、 电镀刺刀等氢脆断裂。实际生产中，常通过锻后 保温缓冷措施或预防白点退火工艺来降低钢件的 氢脆倾向。
第二节 合金元素在钢中的主要作 用
加入适当化学元素来改变金属性能的方法叫做合 金化。为了合金化目的（即改善和提高钢力学性能或 使之获得某些特殊的物理、化学性能）而特定在钢中 加入的、含量在一定范围的化学元素称为合金元素， 这种钢即称为合金钢。
一、合金元素在钢中的存在形式
合金元素在钢中的存在形式对钢的性能（使 用性能和工艺性能）有着显著的影响。根据合金 元素的种类、特征、含量和钢的冶炼方法、热处 理工艺不同，合金元素的存在形式主要有三种：
一、硅和锰的影响
硅、锰均可固溶于铁素体中，使钢的强度、硬 度升高——即固溶强化作用。硅在提高强度、硬度 的同时，还显著地降低了钢的塑性、韧性；另外硅 与氧容易生成脆性夹杂物SiO2，也对钢的性能不利。 锰易与钢中的硫生成MnS塑性夹杂物，可降低硫的有 害作用——热脆，但MnS量过多时也会恶化钢的性能。 因此，作为杂质元素存在时，Si、Mn量一般控制在 规定值之下（wSi＜0.5%，wMn＜0.8%），此时它们是
合金元素在钢中的存在形式
（一）固溶体
合金元素溶入钢中的铁素体、奥氏体和马氏体 中，以固溶体的溶质形式存在（Fe为溶剂）。此时， 合金元素的直接作用是固溶强化——即钢的强度、 硬度升高，而塑性、韧性下降。说明了钢中常见合 金元素对铁素体硬度和韧性的影响如图7-1所示。
合金元素在钢中的存在形式
（一）固溶体
1.降低临界温度A1、A3 凡扩大奥氏体相区的 元素如Ni、Mn、Co、N等，均可使钢的A1、A3点降 低。若钢中这些元素的含量足够高时，将使A3温度 降至室温以下，此时钢具有单相奥氏体组织，即 为奥氏体钢，这类钢具有某些特殊的性能，如 ZGMn13具有高耐磨性，1Cr18Ni9奥氏体不锈钢具有 高的耐蚀、耐高温、耐低温性，并具有抗磁、无 冷脆等特性。