钢的合金化原理

钢的合金化原理
1 合金化原理 (2)
主要内容： (2)
1.1 碳钢概论 (3)
一、碳钢中的常存杂质 (3)
二、碳钢的分类 (3)
三、碳钢的用途 (4)
1.2 钢的合金化原理 (4)
一、合金元素的存在形式※ (4)
二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响................................. 错误!未定义书签。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (6)
四、合金元素对钢的热处理的影响 (7)
五、合金元素对钢性能的影响 (8)
1.3 合金钢的分类 (9)
1 合金化原理
主要内容：
概念：
⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论
一、碳钢中的常存杂质
1.锰（Mn ）和硅（Si ）
％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），⑴Mn：W
Mn
减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）
⑵Si：W
％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物，
Si
⑶Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫（S）和磷（P）
⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆 (裂)。

⑵P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

⑶S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N）、氢（H）、氧（O）
⑴N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。

N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、MnO•Al2O3）。

⑷N、H、O是有害杂质。

二、碳钢的分类
1．按钢中的碳含量
⑴按Fe-Fe3C相图分类：亚共析钢，共析钢（Wc=0.77% ）；过共析钢
⑵※按钢中碳含量的多少分类：低碳钢：w c ≤0.25% ；中碳钢：0.25%＜w c≤
0.6% ；高碳钢：w c＞0.6%
2．按钢的质量（品质），碳钢可分为
①普通碳素钢②优质碳素钢③高级优质碳素钢④特级优质碳素钢
3．按钢的用途分类，碳钢可分为※
⑴碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。

也可用于不太重要的机件。

⑵优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。

⑶碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。

⑷一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。

4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为
⑴沸腾钢（脱氧不彻底）代号为F。

⑵镇静钢（脱氧彻底）代号为Z。

⑶半镇静钢（脱氧程度介于F与Z之间），代号为b。

⑷特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。

三、碳钢的用途
1-普通碳素结构钢（※不经热处理）
⑴主要用于一般工程结构和普通零件
⑵热轧后空冷是这类钢通常的供货状态
⑶普通碳素结构钢的牌号表示方法：由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分组成例：※Q235A、Q235B、Q255
2-优质碳素结构钢（亚共析钢或共析钢，一般经热处理）
⑴用于较为重要的机械零件
⑵供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，
⑶牌号一般用两位数字表示：※20钢、45钢、08F、10F、15F、20q、16MnR、①优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。

半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。

②高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。

③专用优质碳素结构钢：※20g
⑷按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。

※如15Mn 、45Mn等。

（Mn为加进去的合金元素，但含量处于杂质与低合金钢中的合金元素之间）
注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。

3-碳素工具钢（经热处理）
⑴主要用于制作各种小型工具。

可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。

⑵牌号一般用标志性符号“T”※例T12，T8含C量分别为1.2％与0.8％；读法：碳12，碳8；
⑶含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。

⑷T7，T8，T9……T13（※随C↑，硬度↑耐磨性↑，韧性↓）：T7，T8承受一定冲击韧性，如木工用斧、钳工用凿子等；而T12，T13硬度及耐磨性最高，但韧性最差不承受冲击韧性，如锉刀、铲刮刀等，
4-一般工程用铸造碳素钢
⑴其碳含量一般小于0.65%。

⑵牌号用符号“ZG”如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。

1.2 钢的合金化原理
一、合金元素的存在形式※
1．形成铁基固溶体
⑴形成铁基置换固溶体：①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。

其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。

②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。

如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。

③Nb、Ti只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；
⑵形成铁基间隙固溶体
间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加：对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。

2．合金元素与碳的相互作用
⑴形成碳化物
①碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。

碳化物是钢中主要的强化相。

碳化物形成元素均位于Fe的左侧。

②非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。

非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。

③碳化物的特性：
ⅰ硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达1200℃）；
ⅱ具有明显的金属特性；
ⅲ可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。

⑵Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响
①活度：ⅰ碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。

ⅱ非碳化物形成元
素，相反将“推开”碳原
子，提高其活动性，即增加
碳的活度ⅲ应用：在研究
碳化物、氮化物和碳、氮化
合物在奥氏体中的溶解和
冷却时它们从固溶体中的
析出，以及热处理过程中元
素在各相间的再分配这些问题时，具重要意义
②扩散激活能和扩散系数：
ⅰ碳化物形成元素：提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。

（如Cr、Mo和W等）ⅱ非碳化物形成元素：降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。

（如Ni、Co）
ⅲ需要指出的是Si是个例外（Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性）
ⅳ总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义: 它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。

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。

3．合金元素对奥氏体层错能的影响
⑴层错能：晶体中形成层错时增加的能量。

⑵层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。

⑶举例：高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。

①※高Ni钢易于变形加工， Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。

②※高Mn钢则难于变形加工， Mn、Cr则降低奥氏体的层错能。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
1．合金元素对奥氏体、铁素体区存
在范围的影响
⑴扩大γ相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。

⑵缩小γ相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。

2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响
⑴Me对共析转变温度的影响
①扩大γ相区的元素使铁碳合金
相图的共析转变温度下降；②缩
小γ相区的元素使铁碳合金相图
的共析转变温度上升。

⑵Me对共析点（S）成分的影响
①几乎所有合金元素都使S点（图
1-9）碳含量降低，尤其以强碳化
物形成元素的作用最为强烈。

②共晶点E的碳含量也随合金元素增加而降低。

③合金元素使得S与E点左移
四、合金元素对钢的热处理的影响
1．Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响
原因：
①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；
②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。

奥氏体形成过程：①奥氏体的形核②奥氏体的长大③渗碳体的溶解④奥氏体成分均匀化
⑴Me对奥氏体形成速度的影响
①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。

ⅰ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，增大奥氏体的形成速度。

ⅱ强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，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。

②碳化物的溶解：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。

③奥氏体的成分均匀化：由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。

要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。

④注意：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。

⑵Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响
原因：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。

①Ti、Nb、V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，也能强烈阻止晶粒
长大；
②W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；
③Ni、Si、Co、Cu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。

2．Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响
主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。

※※
①对高温转变（珠光体转变）的影响；②对中温转变（贝氏体转变）的影响；
③对低温转变（马氏体转变）的影响。

⑴对珠光体转变的影响
①除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（↑A稳定性）
②Me的加入对钢还有固溶强化的作用；
③合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。

（如果淬火加热温度不高，保温时间较短，由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。

）
④两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响要比两单个元素影响的总和强得多∴合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。

⑵对贝氏体转变的影响
原因：合金元素对贝氏体转变的作用是通过对γ→α转变和碳原子的扩散的影响而起作用。

①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。

②B、Mo、Mn对贝氏体转变的影响。

⑶对马氏体转变的影响：
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。

①除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降
②Ms和Mf点的下降，使得室温下残留奥氏体量增多（温度差↓转变少）
3．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响
主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。

⑴Me对马氏体分解的影响⑵Me对残余奥氏体转变的影响
⑶Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响⑷Me对铁素体回复再结晶的影响
⑸Me对回火脆性的影响（Mo、W、Ti、Al和稀土元素减弱回火脆性）
五、合金元素对钢性能的影响
⑴⑵
1.3 合金钢的分类
1．按化学成分分类
⑴按钢中所含合金元素的种类分，可分为：锰钢、铬钢、硅钢等
⑵按钢中合金元素总质量分数分，可分为：低合金钢、中合金钢和高合金钢，微合金钢。

2．按钢的用途分类
⑴合金结构钢：工程构件用钢（低合金高强度结构钢）和机械制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢）。

⑵合金工具钢：刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。

⑶特殊性能钢：抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易削钢等。

3．按金相组织分类
⑴按退火后的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。

⑵按正火后的组织分：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。

4．按冶金质量分类
⑴普通低合金钢⑵优质低合金钢
⑶高级优质合金钢⑷特高级优质合金钢。