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1第一章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）⑴Mn：WMn％0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si：WSi％0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物；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、碳钢中的常存杂质碳钢的分类碳钢的用途1.1碳钢概论主要内容1.2钢的合金化原理：①Me在钢中的存在形式②Me与铁和碳的相互作用③Me对Fe-Fe3C相图的影响④Me对钢的热处理的影响⑤Me对钢的性能的影响1.3合金钢的分类2MnO•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：Wc≤0.25%；中碳钢：0.25%＜Wc≤0.6%；高碳钢：Wc＞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（三位数字）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：※20g⑷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。3⑷T7，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．形成合金渗碳体或碳化物⑴合金渗碳体（碳化物）：(Fe,Mn)3C、TiN、TiC、Ti（C、N）等；⑵过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：①强（氮化物、碳化物）：具有简单的点阵结构NbC、NbN、Nb（C、N）②中（合金渗碳体、碳化物）：具有复杂的点阵结构Cr7C3、（Fe、Cr）3C③弱（合金渗碳体）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。3．形成金属间化合物金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。例：σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相⑴钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MnS、FeS等。非金属夹杂物一般都是有害的。⑵※AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。⑶在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响1．合金元素与铁的相互作用⑴γ相稳定化元素（奥氏体形成元素）：使A3（912℃）降低，A4（1393℃）升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。①开启γ相区(无限扩大γ相区)：这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。②扩展γ相区(有限扩大γ相区)：由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固4溶体，最终不能使γ相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、等。⑵α相稳定化元素（铁素体形成元素）合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。一般为强碳化物形成元素①封闭γ相区(无限扩大α相区)；②缩小γ相区(不能使γ相区封闭)。※例：加Cr得到铁素体不锈钢（不发生相变，α区变大）加Mn、Ni、Co得奥氏体不锈钢。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5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。层错能越高，位错的宽度越小，越易于发生交滑移与攀移。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6①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