钢的合金化基础优秀课件
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（2）铁素体（ferrite）形成元素：Cr、V、Si、Al、
Ti、Mo、W等，(优先分布于铁素体中)
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类 2、与碳的相互作用 （1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，
(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)
（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、 Zr、Nb等， (形成碳化物或溶于固溶体中)
钢的合金化基础优秀课件
0 前言
合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。 合金元素、合金钢 （主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V 常存元素：Mn、Si ……）
低合金钢 合金元素总量 5%
中合金钢 合金元素总量 5~10%
高合金钢 合金元素总量 10% 注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部 分是由于影响相变过程。
特殊碳化物
VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC 、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、
由中强或强碳化物形成元 素形成的碳化物。其共同特点 是：熔点高、硬度高、稳定性 高、很难溶入Ａ中。
金属间化合物 FeS、FeCr、Ni3Al、 Ni3Ti、 Fe2W
1. 钢中合金元素及其分类依据
（1）杂质元素（impurity- element）
常存杂质 隐存杂质 偶存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类
3、对奥氏体层错能的影响分类 （1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等； （2）降低奥氏体层错能的元素： Mn、 Cr、Ru(钌)、
Ir(铱)等。 层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，
引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为 “层错能” 。（层错能愈小，出现层错的几率愈大）
Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si
3. 提高回火抗力，产生二次硬化， 防止第二类回火脆性
回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗 硬度下降的能力，又称回火稳定性。
合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩 散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推 迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢 具有较高的回火抗力。
在相同回火温度下，含碳 量相同的合金钢的硬度较 碳钢高。
2. 合金元素与铁碳的相互作用及 其对奥氏体层错能的影响
一、Me和Fe的作用
纯Fe → Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：
1、γ稳定化元素
使A3↓，A4↑，γ区扩大
a) 与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co 开启γ区—— 量大时， 室温为γ相；
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
在要求相同硬度条件下， 合金钢的回火温度高， 塑韧性好。
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类 1、与铁的相互作用
（1）奥氏体（austenite）形成元素：C、N、Mn、
Cu、Ni、Co、W等，(优先分布于奥氏体中) 奥氏体形成能力
=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%
P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。
合金渗碳体
如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等 它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁
原子而形成的碳化物。
(Fe , Me)3C
Me代表Mn、Cr等合金元素。 合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高， 所以可以提高耐磨性。
1. 钢中合金元素及其分类依据
一、合金元素在钢中的分布 合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要
包括： 溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；— 溶入基体 形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物)-强化相 形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物 等）—第二相 以游离状态存在。—单质 取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等
非金属夹杂物 Al2O3、AlN、 SiO2、 TiO2 、MnS 游离态 如Pb、Cu等
*合金元素改善钢的热处理工艺性能
1. 细化奥氏体晶粒
除Mn，（P）外，所有合金元素都阻 碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、 V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物， 阻碍晶界迁移，细化晶粒。
P21《王晓敏 工程材料学》
2. 提高淬透性
除Co外，固溶于A中的合金元素 总是不同程度的增加Ａ稳定性，延缓 Ａ的转变，使C曲线右移，淬透性提 高。
合金钢可选择油淬，高合金钢甚 至空冷即可获得M组织。
Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B
2. 提高淬透性
除Co、Al外，所有合金元素降低 Ms 、Mf
增加残余奥氏体含量，按作用由 强到弱：
合金元素在钢中的存在形式
合 固溶体 固溶体
金
元
合金渗碳体
素
碳化物
在
特殊碳化物
钢 中
化合物 金属间化合物
的
存
Baidu Nhomakorabea
非金属夹杂物
在
形
式 游离态
固溶体
固溶于F、A、M中 Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W
例：形成合金F
合金元素溶入F后，由于原子半径和晶 格类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生 固溶强化，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧 性略有下降。
（2）合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围
的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
1. 钢中合金元素及其分类依据
一、合金元素在钢中的分布 第二周期：B、C、N； 第三周期：Al、Si 第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、 第五周期：Zr、Nb、Mo 第六周期：W 第七周期：稀土元素、Ta S、P一般为杂质元素
2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— F形成元素。
(a) Ni，Mn，Co
Ti、Mo、W等，(优先分布于铁素体中)
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类 2、与碳的相互作用 （1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，
(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)
（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、 Zr、Nb等， (形成碳化物或溶于固溶体中)
钢的合金化基础优秀课件
0 前言
合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。 合金元素、合金钢 （主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V 常存元素：Mn、Si ……）
低合金钢 合金元素总量 5%
中合金钢 合金元素总量 5~10%
高合金钢 合金元素总量 10% 注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部 分是由于影响相变过程。
特殊碳化物
VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC 、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Cr3C7、 Fe3Mo3C、 Fe3W3C、
由中强或强碳化物形成元 素形成的碳化物。其共同特点 是：熔点高、硬度高、稳定性 高、很难溶入Ａ中。
金属间化合物 FeS、FeCr、Ni3Al、 Ni3Ti、 Fe2W
1. 钢中合金元素及其分类依据
（1）杂质元素（impurity- element）
常存杂质 隐存杂质 偶存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类
3、对奥氏体层错能的影响分类 （1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等； （2）降低奥氏体层错能的元素： Mn、 Cr、Ru(钌)、
Ir(铱)等。 层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，
引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为 “层错能” 。（层错能愈小，出现层错的几率愈大）
Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si
3. 提高回火抗力，产生二次硬化， 防止第二类回火脆性
回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗 硬度下降的能力，又称回火稳定性。
合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩 散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推 迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢 具有较高的回火抗力。
在相同回火温度下，含碳 量相同的合金钢的硬度较 碳钢高。
2. 合金元素与铁碳的相互作用及 其对奥氏体层错能的影响
一、Me和Fe的作用
纯Fe → Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：
1、γ稳定化元素
使A3↓，A4↑，γ区扩大
a) 与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co 开启γ区—— 量大时， 室温为γ相；
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
在要求相同硬度条件下， 合金钢的回火温度高， 塑韧性好。
1. 钢中合金元素及其分类依据
二、合金元素的分类 1、与铁的相互作用
（1）奥氏体（austenite）形成元素：C、N、Mn、
Cu、Ni、Co、W等，(优先分布于奥氏体中) 奥氏体形成能力
=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%
P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。
合金渗碳体
如（Fe,Mn)3C、 （Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、 （Fe,W)3C、等 它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁
原子而形成的碳化物。
(Fe , Me)3C
Me代表Mn、Cr等合金元素。 合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高， 所以可以提高耐磨性。
1. 钢中合金元素及其分类依据
一、合金元素在钢中的分布 合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要
包括： 溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；— 溶入基体 形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物)-强化相 形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物 等）—第二相 以游离状态存在。—单质 取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等
非金属夹杂物 Al2O3、AlN、 SiO2、 TiO2 、MnS 游离态 如Pb、Cu等
*合金元素改善钢的热处理工艺性能
1. 细化奥氏体晶粒
除Mn，（P）外，所有合金元素都阻 碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、 V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物， 阻碍晶界迁移，细化晶粒。
P21《王晓敏 工程材料学》
2. 提高淬透性
除Co外，固溶于A中的合金元素 总是不同程度的增加Ａ稳定性，延缓 Ａ的转变，使C曲线右移，淬透性提 高。
合金钢可选择油淬，高合金钢甚 至空冷即可获得M组织。
Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B
2. 提高淬透性
除Co、Al外，所有合金元素降低 Ms 、Mf
增加残余奥氏体含量，按作用由 强到弱：
合金元素在钢中的存在形式
合 固溶体 固溶体
金
元
合金渗碳体
素
碳化物
在
特殊碳化物
钢 中
化合物 金属间化合物
的
存
Baidu Nhomakorabea
非金属夹杂物
在
形
式 游离态
固溶体
固溶于F、A、M中 Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W
例：形成合金F
合金元素溶入F后，由于原子半径和晶 格类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生 固溶强化，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧 性略有下降。
（2）合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围
的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
1. 钢中合金元素及其分类依据
一、合金元素在钢中的分布 第二周期：B、C、N； 第三周期：Al、Si 第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、 第五周期：Zr、Nb、Mo 第六周期：W 第七周期：稀土元素、Ta S、P一般为杂质元素
2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— Nb等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— F形成元素。
(a) Ni，Mn，Co