钢的合金化原理 

1 合金化原理 ................................................................................................................................... 1 主要内容：....................................................................................................................................... 1 1.1 碳钢概论 ................................................................................................................................... 1 一、碳钢中的常存杂质................................................................................................................... 1 二、碳钢的分类 .............................................................................................................................. 2 三、碳钢的用途 .............................................................................................................................. 2 1.2 钢的合金化原理........................................................................................................................ 3 一、合金元素的存在形式※........................................................................................................... 3 二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 ....................................................... 4 三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 .......................................................................................... 5 四、合金元素对钢的热处理的影响 ............................................................................................... 6 五、合金元素对钢性能的影响....................................................................................................... 7 1.3 合金钢的分类............................................................................................................................ 7

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 ）

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、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：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

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．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）3C

③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。

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

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