第1章钢合金化概论

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1、 第第1 1章章 钢的合金化原理钢的合金化原理 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用 合金元素对合金元素对Fe-C相图的影响相图的影响 铁基固溶体铁基固溶体 碳碳(氮氮)化合物化合物 合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式 合金元素与合金钢中的相变关系合金元素与合金钢中的相变关系 合金元素对钢强韧性的影响合金元素对钢强韧性的影响 合金元素对钢工艺性的影响合金元素对钢工艺性的影响 合金的环境协调性设计合金的环境协调性设计1.11.1 MeMe和和FeFe基二元相图基二元相图一、钢中的一、钢中的MeMe 1、杂质元素、杂质元素（impurity- element）常存杂质常存杂质 冶炼残

2、余，由脱氧剂带入。冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除难清除。隐存杂质隐存杂质偶存杂质偶存杂质 生产过程中形成，生产过程中形成， 微量元素微量元素O、H、N等。等。 与炼钢时的矿石、废钢有关，与炼钢时的矿石、废钢有关， 如如Cu、Sn、Pb、Cr等。等。 热脆性热脆性 S FeS(低熔点低熔点989)；？ 冷脆性冷脆性 P Fe3P（硬脆）；硬脆）； ？ 氢氢 脆脆 H 白点。白点。2、合金元素（、合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围为合金化目的加入，其加入量有一定范围的元素称为合金元素。的元素称为合金元素。 钢中常用合金元素：

3、钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。等。二、二、MeMe和和FeFe的作用的作用 纯纯Fe Fe-C相图的变化特点。相图的变化特点。 Me和和Fe的作用：的作用：1、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，区扩大区扩大a) 与与区无限固溶区无限固溶 Ni、Mn、Co 开启开启区区 量大时，量大时， 室温为室温为相；相；b) 与与区有限固溶区有限固溶 C、N、Cu 扩大扩大区。区。（相关内容复习：）（相关内容复习：）ANG纯铁的冷却曲线Fe-Fe3C相图（局部）板状马板状马氏体氏体马氏体变温形成，与t保无关；马氏体转变不完全性，钢中常存在残余A（性能下降）,常要求淬火T

4、接近Mf “冷处理”.马氏体性能与含碳量有关 非扩散型非扩散型（Fe和和C均不扩散）均不扩散）C在在-Fe中的中的过饱和过饱和固溶体固溶体（bcc）240-50M片（针）片（针）状马氏状马氏体体马马氏氏体体板状：低碳钢中， F和 Fe2.4C的复相组织。 片状：高碳钢中，复相组织。F饱和饱和+ Fe2.4C350240B下下下贝氏下贝氏体体羽毛状：在平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆（片状）Fe3C ,脆性大，工业上不应用半扩散型半扩散型（只有（只有C扩散）扩散）F饱和饱和+ Fe3C550350B上上上贝氏上贝氏体体贝贝氏氏体体间距：0.030.08m，2000 600550T屈氏体屈

5、氏体间距：0.250.08m，1000 650600S索氏体索氏体片层间距：0.251.9m，500扩散型扩散型（Fe和和C均扩散）均扩散）F+Fe3CA1650P珠光体珠光体珠珠光光体体 特特 征征转变类转变类型型相相组组成成转变温转变温度度/符符号号组织名称组织名称注：注：w w（c c）1.01.0时形成片状马氏体，时形成片状马氏体，HRCHRC：64646666； w w（c c）0.20.2时形成板状马氏体，时形成板状马氏体， HRCHRC：303050 50 。奥氏体的形成过程奥氏体的形成过程奥氏体形核奥氏晶核长大残余渗碳体的溶解奥氏体均匀化2、稳定化元素稳定化元素使使A3，A4，

6、区缩小区缩小a) 完全封闭完全封闭区区 Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与与-Fe完全互溶，量大时完全互溶，量大时相相 ? W、Mo、Ti 等部分溶解等部分溶解b) 缩小缩小区区 Nb等。等。稳定稳定相相 A形成元素，稳定形成元素，稳定相相 A形成元素。形成元素。(a) Ni，Mn，Co (b) C，N，Cu (c) Cr，V (d) Nb,B等等 图图1 1 合金元素和合金元素和FeFe的作用状态的作用状态 1.2 1.2 MeMe对对Fe-CFe-C相图的影响相图的影响一、对一、对S、E点的影响点的影响 A形成元素均使形成元素均使S、E点向点向左下方左下方移动，移动， F形成元素使形成

7、元素使S、E点向点向左上方左上方移动。移动。 S点左移点左移意味着共析意味着共析C量减小量减小 ； E点左移点左移意味着出现莱氏体的意味着出现莱氏体的C量降低量降低 。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 合金元素对共析碳量的影响合金元素对共析碳量的影响 二、对临界点的影响二、对临界点的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使A1（A3）线向下移动；线向下移动； F形成元素形成元素Cr、Si等使等使A1（A3）线向上移动线向上移动三、对三、对-Fe区的影响区的影响 A形成元素形成元素Ni、Mn等使等使-Fe区扩大区扩大钢在室钢在室温下也为温下也为A体体 奥氏体钢；奥氏体钢； F形

8、成元素形成元素Cr、Si等使等使-Fe区缩小区缩小钢在高钢在高温下仍为温下仍为F体体 铁素体钢。铁素体钢。 铬对钢铬对钢区的影响区的影响 锰对钢锰对钢区的影响区的影响 1.3 铁基固溶体铁基固溶体一、置换固溶体一、置换固溶体 合金元素在铁点阵中的固溶情况合金元素在铁点阵中的固溶情况 MeTiVCrMnCoNiCuCN溶溶解解度度Fe7(1340)无无限限无无限限376100.20.020.1Fe0.681.412.8*无无限限无无限限无无限限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与注：有些元素的固溶度与C C量有关量有关 不同元素的固溶情况是不同的。为什么不同元素的固溶情况是不同的。为什么?

9、 ?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。 常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3 3d d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数

10、1212的数值的数值 （1）Ni、Mn、Co与与-Fe的点阵结构、原子的点阵结构、原子 半径和电子结构相似半径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2）Cr、V与与-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和 电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3）Cu和和-Fe点阵结构、原子半径相近，点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大但电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解度影响：R8%， 可以形成无限固溶；可以形成无限固溶；15%，形成有限，形成有限 固溶；固溶； 15%，溶解度极小。，溶解度极小。结结论论 合金元素的固溶规律，合金元素的固溶规

11、律， 即即Hume-Rothery规律规律 决定决定组元组元在在置换固溶体置换固溶体中的中的溶解溶解度度因素是因素是点阵结构点阵结构、原子半径原子半径和和电电子因素子因素，无限固溶必须使这些因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似相同或相似. . 有限固溶有限固溶 C、N、B、O等等 溶解度溶解度溶剂金属点阵结构溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的同点阵结构，溶解度是不同的 如如-Fe与与-Fe 。溶质原子大小溶质原子大小：r，溶解度溶解度。 N溶解度比溶解度比C大大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。 间隙位置间隙位置 优先占据有利间隙位