1鋼鐵中的合金相1.1碳鋼概論1.2鋼鐵中的合金元素1.3合金鋼的分類、牌號(hào)（掌握）主要內(nèi)容碳鋼中的常存雜質(zhì)（掌握）

碳鋼的分類（掌握）

碳鋼的用途(了解）鐵基固溶體（※掌握）

Me與鋼中晶體缺陷的相互作用（了解）鋼鐵中的碳化物和氮化物（※掌握）

鋼中的金屬間化合物（了解）Me對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響（※掌握）

Me對(duì)鋼的熱處理的影響（掌握）

Me對(duì)鋼性能的影響(了解)1.2鋼鐵中的合金元素

特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)從而得到一定的物理、化學(xué)或機(jī)械性能的化學(xué)元素。(常用Me來表示）如：B,C,N;Al,Si,P,S;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La系一.幾個(gè)概念1.合金元素如：當(dāng)H，S，P等元素在鋼中一般都為雜質(zhì)元素，但當(dāng)其作為合金元素時(shí)：H—儲(chǔ)氫合金；S—易切削鋼；P—耐磨鋼。2.雜質(zhì)元素由冶煉時(shí)所用原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的化學(xué)元素。注意:同一元素既可能作為合金元素又可能雜質(zhì)，若屬于前者，則決定鋼的組織與性能；若屬于后者，則影響鋼的質(zhì)量。在化學(xué)成分上特別添加合金元素用以保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求的組織與性能的鐵基合金。3.合金鋼Me<5％時(shí)，稱為低合金鋼；Me：5~10％，稱為中合金鋼；Me>10％,稱為高合金鋼；不過這種劃分并沒有嚴(yán)格的規(guī)定。4.微合金元素與微合金化鋼

微合金元素有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，當(dāng)其含量只在0.1%左右（如B0.001%，V0.2%）時(shí)，會(huì)顯著地影響鋼的組織與性能，將這種化學(xué)元素稱為微合金元素。微合金鋼加入了微合金元素,使鋼的組織或性能有明顯改變的這類鋼則稱為微合金鋼。1.2.1鐵基固溶體※α-Feδ-Feγ-Fe鐵的多型性轉(zhuǎn)變：1．合金元素與Fe的相互作用奧氏體形成元素：在γ-Fe中有較大的溶解度,且能穩(wěn)定γ-Fe；如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；

鐵素體形成元素：在α-Fe中有較大的溶解度并使γ-Fe不穩(wěn)定的元素。如：V，Nb,Ti

等。鐵素體(Ferrite)碳溶于α–Fe中形成的間隙固溶體。

bcc。強(qiáng)度和硬度低，塑性和沖擊韌性好。常用α或F表示。奧氏體(Austenite)碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。fcc。硬度較低，塑性好。常用γ或A表示。（1）γ相穩(wěn)定化元素

使A3降低，A4升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了γ相區(qū)。①開啟γ相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大γ相區(qū))Me與γ-Fe形成無(wú)限固溶體，與α-Fe形成有限固溶體。如：Mn、Ni、Co等。圖1-1擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)如果加入足夠量的Ni，可完全使bcc的α相從相圖上消失，γ相保持到室溫（即A1點(diǎn)降低），故而由γ相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。圖1-2擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe有限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-C相圖(b)②擴(kuò)展γ相區(qū)(有限擴(kuò)大γ相區(qū))Me也使A3降低，A4升高；γ相區(qū)也隨Me的加入而擴(kuò)大，但Me與α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶體，最終不能使γ相區(qū)完全開啟。這類Me主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相區(qū)借助C及N而擴(kuò)展，當(dāng)C含量在0~2.11%范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（A），這構(gòu)成了鋼的整個(gè)熱處理的基礎(chǔ)。（2）α相穩(wěn)定化元素Me使A3↑，A4↓，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使F形成，即↓了γ相區(qū)。圖1-3封閉γ相區(qū)并與α-Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Cr相圖(b)①封閉γ相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大α相區(qū))Me使A3↑，A4↓，達(dá)到某一含量時(shí)，A3與A4重合，γ相區(qū)被封閉，或者說Me↑F的形成，使δ相與α相區(qū)連成一片。當(dāng)Me超過一定含量時(shí)，合金不再有α-γ相變，與α-Fe形成無(wú)限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。這類Me有：Si、Al和強(qiáng)K形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。含Cr量<7.5%時(shí)，A3↓；含Cr量>7.5%時(shí)，A3才↑。Cr、V與α-Fe完全互溶，W、Mo、Ti等部分溶解.Me使A3↑，A4↓，使γ相區(qū)↓但不能使其完全封閉。這類Me有：B、Nb、Zr等。圖1-4縮小γ相區(qū)的Fe-Me相圖(a)及Fe-Nb相圖(b)②縮小γ相區(qū)(但不能使γ相區(qū)封閉)可以利用Me擴(kuò)大和縮小γ相區(qū)作用，獲得單相組織，具有特殊性能，在耐蝕鋼和耐熱鋼中應(yīng)用廣泛。合金元素對(duì)相圖的影響，可以預(yù)測(cè)合金鋼的組織與性能。生產(chǎn)中的意義如發(fā)展A鋼時(shí)，需要往鋼中加入Ni、Mn、N等A形成元素；欲發(fā)展F鋼時(shí)，需要往鋼中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等F形成元素。同時(shí)向鋼中加入兩類Me時(shí)，其作用往往相互有所抵消。例外：Cr是F形成元素，在Cr18%與Ni同時(shí)加入時(shí)卻促進(jìn)了A的形成。Me擴(kuò)大或縮小γ相區(qū)的作用與該元素在周期表中的位置有關(guān)，與它們的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子因素和原子大小有關(guān)。有利于擴(kuò)大γ相區(qū)的Me，其本身具有fcc點(diǎn)陣或在其多型性轉(zhuǎn)變中有一種fcc點(diǎn)陣，與鐵的電負(fù)性相近，與鐵的原子尺寸相近。置換固溶體間隙固溶體Fe原子溶質(zhì)原子Fe原子C、N原子AB2、鐵基固溶體的分類鐵基固溶體置換固溶體(代位固溶體)間隙固溶體決定組元在代位固溶體中的溶解度因素是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子因素，無(wú)限固溶必須使這些因素相同或相似.（1）代位固溶體(Hume-Rothery規(guī)律)

表1-1常用Me點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和原子半徑第四周期TiVCrMnFeCoNiCu點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc電子結(jié)構(gòu)235567810原子半徑/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、電子結(jié)構(gòu)是3d層電子數(shù)；2、原子半徑是配位數(shù)12的數(shù)值

（1）Ni、Mn、Co與γ-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無(wú)限固溶；（2）Cr、V與α-Fe的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑和電子結(jié)構(gòu)相似——無(wú)限固溶；（3）Cu和γ-Fe點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、原子半徑相近，但電子結(jié)構(gòu)差別大——有限固溶；（4）原子半徑對(duì)溶解度影響：ΔR≤±8%，可以形成無(wú)限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度極小。（2）間隙固溶體1、間隙固溶體的形成條件：間隙固溶體總是有限固溶體，并且間隙原子僅占據(jù)溶劑金屬的部分間隙位置，即總有部分間隙沒有被填滿。2、間隙固溶體的溶解度取決于溶劑金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和間隙原子的原子尺寸。（1）同一溶劑金屬的不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，溶解度是不同的——

如γ-Fe與α-Fe

。（2）間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H的順序而增加。3、間隙原子總是優(yōu)先占據(jù)有利的間隙位置，畸變?yōu)樽钚　?duì)α-Fe，是八面體間隙；對(duì)γ-Fe，是八面體或四面體間隙。鋼中晶體缺陷：晶界、亞晶界、位錯(cuò)、相界等，缺陷處能量高。Me與晶體缺陷有交互作用，會(huì)產(chǎn)生吸附或偏聚現(xiàn)象。1.2.2合金元素與鋼中晶體缺陷的相互作用Me偏聚→缺陷處濃度>基體平均濃度。晶界脆性——當(dāng)P，As，Sn，Bi，Sb在晶界發(fā)生偏聚時(shí)；晶界遷移與晶界擴(kuò)散晶間腐蝕相變成核——相變時(shí)晶體缺陷處優(yōu)先成核。晶界強(qiáng)化——耐熱鋼中加入B，Zr等，提高晶界強(qiáng)度；對(duì)組織與性能影響很大淬透性——硼鋼中的B在A體晶界上吸附，↑↑鋼的淬透性；缺陷處原子排列疏松，不規(guī)則，溶質(zhì)原子處在晶界層產(chǎn)生的畸變能比處在晶內(nèi)產(chǎn)生的畸變能要小得多；偏聚機(jī)理結(jié)構(gòu)學(xué):原子在缺陷處偏聚，使系統(tǒng)自由能↓，符合自然界最小自由能原理。能量學(xué):該過程是自發(fā)進(jìn)行的，其驅(qū)動(dòng)力是溶質(zhì)原子在缺陷和晶內(nèi)處的畸變能之差。熱力學(xué)：影響因素：缺陷處溶質(zhì)濃度Cg：Cg：溶質(zhì)原子在缺陷處的濃度；C0：溶質(zhì)原子在鋼中的平均濃度；E：缺陷與溶質(zhì)的結(jié)合能，即溶質(zhì)原子在晶內(nèi)和缺陷處引起的畸變能之差。從溶質(zhì)和基體原子尺寸差引起的畸變能估計(jì)E值。E=0~20KJ/Mol溫度T：T↓，內(nèi)吸附強(qiáng)烈；偏聚是一個(gè)擴(kuò)散過程，溶質(zhì)原子只有在能夠擴(kuò)散的溫度范圍內(nèi)才能產(chǎn)生偏聚。H原子：0℃左右擴(kuò)散就比較顯著并形成柯氏氣團(tuán)；C、N原子：在室溫左右即可產(chǎn)生偏聚；Mo、Nb、V等高熔點(diǎn)溶質(zhì)原子：在500℃以上才能發(fā)生明顯的偏聚現(xiàn)象。時(shí)間t：偏聚需要原子擴(kuò)散→需要一定時(shí)間；可控制時(shí)間因素來控制吸附。缺陷本身：缺陷越混亂，E↑，吸附也越強(qiáng)烈;其它元素：其它元素對(duì)偏聚元素的作用主要有間接作用和直接作用兩類。①間接作用：優(yōu)先吸附問題,引起E值大的溶質(zhì)元素優(yōu)先發(fā)生偏聚，如B與C。②直接作用：影響吸附元素的擴(kuò)散系數(shù)（D）。Mn↑DP，使P擴(kuò)散↑，↑鋼的回火脆性；Mo則相反，是消除或減輕回火脆性的有效元素。點(diǎn)陣類型：對(duì)置換式溶質(zhì)原子的內(nèi)吸附無(wú)影響；對(duì)間隙溶質(zhì)原子有影響；間隙溶質(zhì)原子在bcc結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附；如C、N原子在F中的吸附比在A中更顯著。只有與完整晶體內(nèi)原子間距偏差在一定臨界值的晶體點(diǎn)陣，才能接納大的或小的代位溶質(zhì)原子。一、鋼中常見的碳化物(K)K的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對(duì)鋼的性能有極重要的影響。1.2.3鋼鐵中的碳化物和氮化物※K形成元素非K形成元素Ti、Zr、Nb、V——強(qiáng)Mo、W、Cr——中強(qiáng)Mn、Fe——弱過渡族元素；均位于Fe的左側(cè)Ni、Si、Co、Al、Cu等固溶于Fe中形成固溶體形成氮化物等化合物均處于Fe的右側(cè)K形成元素均有一個(gè)未填滿的d電子層，當(dāng)形成K時(shí)，碳首先將其外層電子填入Me的d電子層，使形成的K具有金屬鍵結(jié)合的性質(zhì)。K的穩(wěn)定性主要取決于金屬原子的d層電子數(shù)。

d層電子越少，形成K的能力越強(qiáng)，即與碳的親和力越大，所形成的K也就越穩(wěn)定。金屬元素與碳結(jié)合生成K時(shí)的熱效應(yīng)亦會(huì)影響所生成的K的穩(wěn)定性。

K的生成熱越大，其穩(wěn)定性就越高。簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)——碳原子處在簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的間隙之間，

形成不同于原金屬結(jié)晶點(diǎn)陣的間隙相。Me2C型(hcp)——W2C、Mo2C特點(diǎn)：硬度高，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好按照晶格類型的不同，K分為簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。MeC型(fcc)——WC、VC、

TiC、NbC、ZrC(間隙相)復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)——碳與金屬元素形成結(jié)晶點(diǎn)陣極其復(fù)雜

的間隙化合物。

特點(diǎn)：硬度、熔點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較差。Me3C型——Fe3C、Mn3C或(Cr,Fe)3CMe7C3型——Cr7C3或(Cr,Fe)7C3Me23C6型——Cr23C6、(Cr,Fe)23C6或

Fe21Mo2C6、Fe21W2C6Me6C型——(W,Mo,Fe)6C或Fe3Mo3C、

Fe4Mo2C、Fe3W3C、Fe4W2C，

常在含W、Mo的合金鋼中出現(xiàn)。(正交點(diǎn)陣)(復(fù)雜六方)(復(fù)雜立方)(復(fù)雜立方)不屬于金屬型的碳化物.性能特點(diǎn)接近簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。二、碳化物形成的一般規(guī)律各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNb

rc/rMe

0.610.600.610.570.560.550.530.53

1、碳化物類型的形成碳化物類型與Me的原子半徑有關(guān)。rc/rMe>0.59—復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

Cr、Mn、Fe：Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3Crc/rMe<0.59—簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相

Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等：MeC型(如VC等)

Me2C型(如W2C等)Me量少時(shí)：只能置換滲碳體中的鐵原子，常以合金滲碳體的形式出現(xiàn)，如(Fe,Cr)3C、(Fe,Mn)3C；或形成復(fù)合碳化物，如(Cr,Me)23C6型或生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物，如Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C。除含量條件以外，保證元素在鋼中的擴(kuò)散也是形成碳化物的必要條件。因此，碳化物的形成過程與熱處理工藝有著極為密切的關(guān)系。完全互溶：晶體結(jié)構(gòu)、原子尺寸、電子因素均相似。Ti、Nb、V、Ta的同類K之間可以溶解

(V,Nb)C；(Nb,V,Ta)C；W與Mo的同類K之間；Fe、Mn同類Ｋ之間，(Fe,Mn)3C2、Me在K中的溶解度規(guī)律——相似者相溶

Cr23C6可溶解25%的Fe，還可溶解Mo、W、Mn、Ni等。有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成復(fù)合K，但都有一定的溶解度。如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值為<28%Cr，<2%W，<3%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo；W2C中Cr可置換75%的W原子；但溶解后的影響不同：強(qiáng)