第1章_钢合金化概论

第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点

第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点 1、名词解释： 1）合金元素：特别添加到钢中用以改变钢的组织、提高钢的性能的化学元素。2）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti和B等，当其含量只在0.2%左右甚至更低时（如B 0.002%）时，也会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学（合金）元素称为微合金元素。 3）原位析出：在淬火回火过程中，合金元素溶解于原渗碳体中，当其溶解度超过其最大溶解量后，合金渗碳体转变为特殊碳化物的析出方式。4）离位析出：在淬火回火过程中，直接从α相中析出特殊碳化物的析出方式。5）二次硬化：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，在500- 600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的 HRC和强度提高的现象。 6）二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，残余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度和强度提高的现象。 2、说明钢中常用合金元素（V，Mo，Cr，Ni，Mn，Si，Al, B）对珠光体（贝氏体）转变影响的作用机制。答：（1）对珠光体转变影响的作用机制：P20 （2）对贝氏体转变影响的作用机制：P20 3、以低碳回火马氏体钢20SiMn2MoVB 为例，说明其合金化及热处理（淬火加低温回火）中存在哪些强化与韧化途径？

答：低碳回火马氏体钢通过合金化与热处理工艺相结合，在实现强化的同时，保证有较好的韧性。主要体现在以下方面：（1）强化： ①C及合金元素的固溶强化； ②加入Si, Mn等合金元素能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒； ③加入V、Ti后的弥散强化; ④加入V、Ti后的细化晶粒作用； ⑤马氏体中大量位错的位错强化。（2）韧化： ①低碳马氏体为位错型马氏体，韧性较好； ②Ni,Mn韧性元素的加入有利于提高韧性； ③工艺中的快冷、加入的合金元素对奥氏体过冷能力的提高、第二相粒子对晶粒长大的抑制作用，均能使马氏体晶粒细化，从而提高韧性； ④通过加入Si对低温回火脆性温度的延迟作用以及钢的回火稳定性的增加，可以适当提高回火温度，从而提高韧性水平。 4、为何Si-Mn-Mo-V复合添加可以大大提高钢的淬透性？答：Si、Mn、Mo、V这四种合金元素提高过冷奥氏体稳定性的机制不同。（1）Si在钢中不形成碳化物，也不溶于体，因此碳化物晶核形成必须等待硅的扩散（推迟P转变）。另外，Si能提高铁原子间作用力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变；（2）Mn是扩大γ相区元素，大大增加了α形核功；且锰也是碳化物形成元素，推迟合金渗碳体的形核与长大，因此锰不仅使C曲线向右移，且使之向下移；（3）Mo是中强碳化物形成元素，除了推迟珠光体转变时碳化物的形核与长

第1章钢的合金化概论

第一章钢的合金化概论 1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？P1P2 ①S和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性 ②P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在在冷加工过程中产生冷脆性 ③杂质元素S、P容易偏聚于晶界，降低晶界结合强度，导致合金钢的回火脆性 2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？P12 简单点阵结构：硬度较高、熔点较高、稳定性较好。复杂点阵结构：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。 3.简述合金钢中碳化物形成规律。P13 ①强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物 ②碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难 ③NM/NC比值决定了碳化物类型 ④当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构 ⑤相似者相溶：形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸和电子因素都相似,则两者的K可以完全互溶，否则有限溶解 4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？P9 ①扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动 ②封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动 ③S点左移意味着共析C量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。 ①退火态：非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。 ②淬火态：Me的分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。 ③回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

合金化的特点

转炉炼钢脱氧合金化的特点贾卫国（陕西略阳钢铁有限责任公司炼钢分厂）摘要：论述了转炉炼钢脱氧、合金化的特点，并结合实际对脱氧剂使用、合金化工艺进行了探索。关键词：硅钡钙硅钒氮一、前言略阳钢铁有限责任公司二炼钢自投产以来，通常采用硅钡钙、增碳剂、硅铁、锰硅铁、钒氮等作为脱氧、合金化材料。在冶炼HRB335钢时，合金易结块，造成[SI]、[Mn]成分波动大，冶炼HRB400钢时，钒氮合金回收率不稳定，易出现废品等问题，为此，对原有的脱氧、合金化特点进行了解，改进合金加入量，加入方法，有效解决上述问题。二、各种合金特点（一）硅钡钙主要成份Ca30.16%，Ba10.69，Si20.38，采用硅钡钙脱氧，由于在炼钢温度下Ca的蒸汽压非常高，故反应激烈，加上有部分脱氧产物为气体CO，钢液搅动比较强，有利于合金的快速溶化和成分的均匀。加入到钢中的硅钡钙是以氧化钙、硫化钙、铝酸钙的形式存在于钢中，由于钢中的AI2O3与钙钡的脱氧产物生成复合的钙酸盐夹杂，因此，钢中单纯的铝夹杂减少。钡在炼钢温度范围内有效地降低钙的蒸气压，增加钙在钢液中的溶解度，同硅钙合金相比，用硅钡钙合金作为钙源加入钢液中，加入的钙量即

使是钙合金加入量的一半时，钢液中的钙含量却是硅钙合金的两倍左右，钙在钢液中也显著提高，充分显示钡在钢液中有效的保护了钙，降低了钙的氧化，从而达到对钢液钙处理的目的。（二）锰的特点锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低，氧含量很高时，可以显示出脱氧作用。锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质。锰对铁素体的固溶强化能力极强，可以提高钢的强度，钢含锰量高时，具有明显的回火脆性，锰对钢有使钢过热的倾向，为了克服这一倾向，可在钢中配加少量细化晶粒的元素钒等。钒产生极稳定的碳化物，可以强烈细化晶粒，所以钢中加钒对钢的性能特别有利。（三）硅的特点硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中硅在0.17—0.37%,1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度，硬度增加，塑性、韧性降低，硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。硅能还原钒 ①2/5V2O5+Si=4/5V+SiO2 ②1/2 V2O4+Si=V+SiO2 ③2/3 V2O3+Si=4/3V+SiO2

微合金钢

微合金钢微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有主加合金元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti 等碳氮物形成元素，或对力学性能有影响、或对耐蚀性、耐热性起有利作用、添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，相对于主加合金元素是微量范围的，如非调质结构钢中一般加入量在0.02—0.06%，在耐热钢和不锈钢中加入量在0.5%左右，而在高温合金中加入量高达1—3%。微合金化钢的基本属性：(1)添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为对钢的力学性能发挥作用。 (2)这些元素加进量很少，钢的强化机制主要是细晶强化和沉淀强化。 (3)钢的控轧控冷工艺对微合金化钢有重要意义，也是微合金化钢叫作新型低合金高强度钢的依据。钢的微合金化和控轧控冷技术相辅相承，是微合金化钢设计和生产的重要条件。因此说，微合金化钢是指化学成分规范上明确列进需加进一种或几种碳氮化物形成元素的钢。如GB/T 1591—94中Q295一Q460的钢，对其中Nb、V、Ti的含量通常有以下规定： (1)Nb，0.015％～0.06％； (2)V，0.02％～0.15％(0.20％)； (3)Ti，0.02％～0.20％。同时规定Nb+V+Ti≤0.15％。微合金化的高强度低合金钢。它是在普通软钢和普通高强度低合金钢基体化学成分中添加了微量合金元素(主要是强烈的碳化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al等)的钢，合金元素的添加量不多于0.20％。添加微量合金元素后，使钢的一种或几种性能得到明显的变化。典型的微合金钢有15MnVN和06MnNb。微合金钢中含有一种或几种微合金元素，其含量大约在0.01％～0.20％之间。微合金钢由于屈服强度高、韧性好、焊接性和耐大气腐蚀性好，可用于大型桥梁建筑，制造各类车辆的冲压构件、安全构件、抗疲劳零件及焊接件，它也是锅炉、高压容器、输油和输气管线，以及工业和民用建筑的理想材料。关于微合金钢中Nb的析出对变形诱导铁素体相变的影响有两种不同观点:一是认为在变形过程Nb通过动态析出消耗形变储能而抑制变形诱导铁素体相变; 微合金钢就是这些“高技术钢材”中用量最大的一种。处理办法：微处理可有效地提高16Mn原规格钢板、20MnSi大规格螺纹钢筋的屈服强度约10—20Mpa，改善A、B级一般强度板和X42—X46级管线钢的低温韧性，还可使16Mnq、15MnVNq 桥梁钢板的时效敏感比降低或消除。据不完全统计，1998年我国微合金化钢的产量为346万吨，占年全低合金高强度钢总产量55.1%。微处理钢（主要是Nb处理和Ti处理，还包括稀土处理钢在内）产量大致也在300万吨左右。近20年来，世界钢铁工业最富活力和创造性进展，莫过于低合金高强度钢生产装备和工艺技术前所未有的变革，几乎使低合金高强度钢的所有品种领域更新了一代，甚至两代。微合金化钢属于低合金高强度钢范畴，或者说是新型的低合金高强度钢。我国80年代以来的钢材生产及近年的钢材品种结构调整同样表明了： ①低合金高强度钢的新发展，借助了钢铁生产工艺技术的一切进步和最新成就。 ②低合金高强度钢的产量大，使用面广，适应了方方面面特殊性能要求，支持了各行各业产品的升级，增加了我国的机电产品和成套装备生产的竞争力。 ③微合金化带动了我国富有合金资源的生产和综合利用，微合金化钢生产促进了钢铁企业结构调整和流程优化。所以，形成了一个崭新的观点，发展微合金化钢就是抓住了基础原材料工业发展的关键，通

微合金元素在钢中作用

微合金元素在钢中溶解析出及影响因素？在奥氏体中，氮化物通常比碳化物更加稳定。微合金化元素不同，其碳化物和氮化物的溶解度绝对值有很大差异：V、Ti的碳化物与氮化物的溶解度差值较大，而Nb的碳化物与氮化物的溶解度比较接近，尽管NbN的溶解度仍然低于NbC的溶解度。ALN的溶解度与NbN 接近，说明其溶解度比VC还要大。多数微合金碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度比较接近，虽然多数微合金元素的碳化物或氮化物在钢水中的溶解度还不确定，数据显示，TiN在钢水中的溶解度要比在同温度奥氏体中高10～100倍；因此TiN在1600℃钢水中的溶解度与其它微合金化元素在1200℃奥氏体中的溶解度接近。热力学计算表明，Nb的碳化物和氮化物在铁素体中的溶解度要比同温度的奥氏体中的溶解度低1个数量级。实验和热力学计算均证实，VC在铁素体中的溶解度要比同温度的奥氏体中的溶解度低1个数量级。碳化物和氮化物的溶解度差导致碳氮化物中富集低溶解度化合物（氮化物）。在通常的复合微合金化钢中，碳化物和氮化物的溶解度差按铌、钒、钛的次序增大。合金碳氮化物中富集的氮化物的分数比例按钛、钒、铌的次序递减。合金碳氮化物中碳化物和氮化物的分数比例取决于钢中C和N的含量，在大多数钢中，远高于氮含量的碳含量在一定程度上抵销了碳化物和氮化物在溶解度上的差异。合金碳氮化物中碳化物和氮化物的分数比例还受合金元素含量的影响，合金元素含量升高降低氮化物的分数比例，尤其是在合金元素含量超过氮在钢中化学计量比的情况下。提高温度会增加氮化物的分数比例。钢中未溶解合金碳氮化物的数量高于从不互相溶解的析出模型所预期的值，更为重要的是，合金碳氮化物能够在独立碳化物或氮化物的溶解度曲线以上温度存在。 1、应变诱导析出：未变形材料中除了在晶界和相界上形核外，沉淀相在晶粒内主要是以均匀形核机制生成；而在变形材料中，沉淀相主要在位错和各种晶体缺陷上非均匀形核。由于在位错上形核的激活能低，因此形核率很高，可得到很高的沉淀相粒子密度和很小的沉淀相尺寸。变形使析出过程的孕育时间大大缩短。 2、钢的成分偏聚：由于钢液在凝固过程中发生溶质元素的偏聚，在枝晶间隙区的浓度要明显高于钢的平均含量，即使经过高温的固溶处理，在微米尺度上溶质元素在钢中仍然是不均匀分布的 3、Ostwald 熟化：Ostwald熟化过程在析出相体积分数不变的条件下，通过颗粒的粗化使基体和析出相的界面能明显降低。在熟化过程中，第二相颗粒被一定厚度的基体所分离，为了确保相互分离的大颗粒长大而小颗粒缩小乃至消失以降低系统的总界面能，颗粒通过基体一定存在一种非接触式的感知。微合金元素在钢对钢中组织元素及相转变的影响？当钒单独加入时，并不抑制铁素体的形成；相反，它加速珠光体的形成。然而，当钒和铌同时存在时，易于形成贝氏体组织，而钒在贝氏体内沉淀析出。正是这种钒与铌的差别，导致了在热轧交货的小型材中多倾向于加钒。这些轧态小型材冷却快，如果有铌存在的话，则形成导致脆性的贝氏体组织，而含钒钢中则不会形成这种脆性组织。钒能促进珠光体的形成，还能细化铁素体板条，因此钒能用来增加重轨的强度和汽车用锻件的强度。碳化钒也能在珠光体的铁素体板条内析出沉淀，从而进一步提高了材料的硬度和强度。钒像大多数溶质合金一样能抑制贝氏体的形成。因此，如果它是溶解而不是以碳化钒和氮化钒的形式沉淀析出，则可用来增加淬透性。当钢中钒的质量分数低于0.03%时，固溶态的钒才可以占绝大多数，才能有效地提高淬透性。与锰提高铌、钒的溶解度一样，钼也提高它们在钢中的溶解度。而添加了元素钼后，可固溶的钒含量明显增加，可达0.06%左右。微合金对钢铁强度韧性热塑性的影响及强韧化机理？钒通过在铁素体中的沉淀析出，来增加钢的强度，它可使钢的强度增加150MPa以上。碳氮化物在轧制过程和轧制以后形成，而且在正火过程中，当钢被加热时，它们将溶解，并

第1章钢合金化概论

第1章
1.1
钢铁中的合金元素
热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）；？氢脆 —— H —— 白点。 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。
Me和Fe基二元相图
一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）
常存杂质冶炼残余，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。
隐存杂质
常存杂质
二、Me在钢中的存在形式
1、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态非K形成元素基本上固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶入基体。 2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
2、Me的偏聚（segregation ）
偏聚现象
Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关.
Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； 3、回火态低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。 Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.
1

合金化原理

1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？答：（1）加热方法（加热介质）的不同。由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。（2）工件在炉内排布方式的影响。工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。（3）工件本身的影响。工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等 2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。 3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。往里，工件将在该温度下发生脱碳。由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。 4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。就机械性能而言，45最好为调质，如果形状确实太复杂，淬火时容易变形、开裂、可用正火代替。 5、20GrMnTi钢拖拉机传动齿轮，锻后要进行车内孔，拉花键及滚齿等机械加工，然后进行渗碳淬火，回火。问锻后和机械加工前是否需要热处理？若需要，应进行何种热处理？主要工艺参数如何选择？答：锻后和机械加工前需要正火处理，这样可使同批毛坯具有相同的硬度（便于切削加工），可以细化精粒,均匀组织,为后续的渗碳与淬火提供良好的组织状态;二则应该是把硬度调整到利于切削加工的硬度正火工艺：正火加热温度为Ac3以上120~150（即在960℃左右），其原则是在不引起晶粒粗话的前提下尽量采用高的加热温度，以加速合金碳化物的溶解和奥氏体的均匀化,然后风冷5分钟左右,接着在640℃等温适当时间后空冷，硬度在HB180左右，利于切削加工。 6、45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造---热处理---机械加工----高频淬火—回火。试问锻后应进行何种热处理，为什么？答：常用淬火介质及冷却特性；进行正火处理，45钢市中碳钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对45钢，虽然碳含量较高，硬度稍高，但由于正火生产率高，成本低，随意采用正火处理。

工程结构钢的合金化原理

一、工程结构钢的合金化原理 1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。 2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。 3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。 4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。二、调质钢合金化特点 1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。 2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。 3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。三、轴承钢的合金化特点 1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。 2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。 3、加入硅、锰、钒等提高淬透性四、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。五、氮化钢的合金化特点 1、低碳 2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。 3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。六、弹簧钢的合金化特点 1、中、高碳。一般为0.50％～0.70％。碳质量分数过低，强度不足。碳质量分数过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 2、加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素。七、耐磨钢的合金化特点 1、高碳：保证钢的耐磨性和强度。其碳质量分数不超过1.4％。 2、高锰：提高钢的加工硬化率及良好的韧性。 3、一定量的硅：硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。八、高速钢的合金化主要特点 1、工作温度可达500~600℃，有很高的热硬性（593℃HRC＞55）。 3、高碳（0.70~1.10％C），保证硬度和耐磨性。 4、加入较多的钨、钼、钒、铬等元素。钨、钼、可产生“二次硬化”以保证热硬性，同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性。九、热作模具钢的合金化特点 1、中碳（0.30~0.50％C）范围 2、加入铬、硅、锰等提高淬透性，铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。 3、镍可提高钢的韧性，并与铬、钼一起提高耐热疲劳性能。 4、钨、钼、钒可产生二次硬化效果，钼还能防止第二类回火脆性、提高高温硬度和回火稳定性。

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：W ％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减Mn 少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物， ⑵Si：W Si 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。

微合金化低碳钢的力学性能

大断面V、Ce、Nb微合金化低碳钢的力学性能M. Ya. Belkin, V. P. Krivosheev, V. M. Belkin, V. T. Alekseenko and L. L. Litvinenko 近些年来，作为具有高延性、低应力集中敏感性、低脆性断裂倾向性以及有良好工艺性能的低碳钢材料引起人们了兴趣[1]。提高低碳钢的强度，同时保持或者改善其脆性的问题已经出现，众所周知，解决这一问题的一个办法就是微合金化。我们这里提供锭重达68吨的大锻件低碳钢的力学性能研究的一些结果。钢号为25的2个锭是按照标准条件在一个真空除气的酸性炉内生产的，一个锭是没有添加微合金化元素的，另一个锭是添加了Nb、V和Ce等微合金化元素，微合金化元素添加量是按照推荐值选择的[2, 3]。铌微合金化是在沸腾阶段添加铌铁的，钒是以钒铁形式在预脱氧之后加入的，最后的脱氧是在真空中1635℃下进行的，铈是以铈铁粉末形式在真空腔内模具即将立起来的时候加入的。为了避免铈铁损耗，套筒的温度没有超高100℃。最后的真空除气是在1590℃下进行的，剩下的熔炼和浇铸步骤与标准的过程是一致的。两个锭的平均化学成分如表1所示。为了确定锭的力学性能，我们在三个道次上都准备了2个三步锻件，它们重达44吨，长度为12m，在三个步骤时的直径分别为900、750和600mm。热处理包括正火和高温回火(标准热处理)，随后将锻件切割成段，在长度方向和横向上取试样做抗拉强度和冲击弯曲实验，我们还确定了钢的疲劳强度和脆性断裂倾向。静态和疲劳实验样品是在锻件的不同部位截取的(表面处、半径上距表面1/3处以及中心处)。疲劳实验是在20～25个试样上(图1a和b)按照载荷分步变化进行的[1-4]，应力集中(图1b)是由实验机的夹钳产生的，试验是在MUI-6000型实验机上进行的，可以对称弯曲弧面，N=106。表1 成分, % 钢 C Mn Si Ni S P V Nb Ce 0.650.320.210.0200.017——— 25# 0.24 25#微合金化钢0.22 0.700.180.130.0200.0180.13 0.10 0.01 从锻件表层到心部的样品脆性断裂抗力取做临界平面应变应力强度因子KIC，该因子是由技术和机械建筑中心科学研究所(TsNIITMASh)发展的动态方法来确定的[5]。

什么是微合金化技术_微合金化钢

图2　黑匣子温度测定曲线 Fig.2　Curve of temperature determination in black box (2)升温试验过程中,加热炉各段供热能力均有30%～40%的富余量,说明炉子的供热能力不是限制炉子产量的原因1而是板坯水梁黑印温度差超标,限制了炉子的出钢速度,使炉子未能达到设计的产量1通过非水印和移动水印中心温度曲线比较可看出,在预热段、一加热段,后者的升温速度比前者稍高,而一进入高温的二加热段,前者的升温速度加快,而后者由于水梁的影响升温速度变慢,这样的情况一直持续到出炉,约占50%的在炉时间1说明支撑梁交错点的位置设计不当,在进入高温段直到出钢口,板坯移动水印处始终处于受支撑梁遮蔽的状态,不能接受下加热的炉气辐射热,造成温度偏低,从而成为限制炉子产量的主要原因1也说明,象这样采用前后交错式步进结构的加热炉,其交错点应布置在二加热段和均热段即2个高温段之间,才能起到降低水管黑印的目的1 4　结束语运用温度数据记录仪对加热的钢坯进行在线温度测定,其结果不但可以为加热炉计算机数学模型的编制提供可靠的数据,还可以对加热炉热工工艺制度进行优化,同时也可对加热炉的结构提出更加合理的设计方案1 参考文献: [1]　王秉铨,等1工业炉设计手册[M]1北京:机械工业出版社,19961 知识窗什么是微合金化技术、微合金化钢微合金化技术是20世纪70年代在国际冶金界出现的新型冶金学科1微合金化钢是采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品1它是在普通的低碳C2Mn钢中添加微量(通常小于011%)的强碳氮化物形成元素(如:铌、钒、钛等)进行合金化,通过高纯洁度的冶炼工艺(脱气、脱硫及夹杂物形态控制)炼钢,在加工过程中施以控制轧制/控制冷却等新工艺,通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程,在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成型性能等最佳机械性能配合的工程结构材料—微合金化钢。摘录自《中国冶金报》2001204204(3) 513 张　宇等:钢坯在线温度测定方法及结果的研究 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

微合金化技术的开发与应用

微合金化技术的开发与应用中信微合金化技术中心专家委员会王祖滨（2000年11月） 1．开发微合金化技术的重要意义在不久前召开的第四届国际低合金高强度钢会议（HSLA Steel '２０００）的一篇特邀报告（W.B.Morrison）中写道，过去半世纪中，钢铁材料最重要的发展无疑要数低合金高强度钢。在１９８４年，有人估计世界低合金高强度钢的产量约为５千万吨，并将以每年５％的速度增长。而目前的估计约为８千万吨，相当于世界钢产量的十分之一，这与当时的预测是很接近的。作者认为，低合金高强度钢普及之快的原因在微合金元素Nb、V、Ti的合理和经济的使用。虽然并不是所有的低合金高强度钢都进行微合金化，但是由于微合金化对提高低碳结构钢强度的显著作用，在不少场合往往把微合金钢和低合金高强度钢等同起来。应该指出，目前微合金化已经不仅用于以板带材为主，以供应状态直接供用户使用的低合金高强度钢，而且在线材、钢筋、钢轨以及锻材方面广泛应用。专家预测，在即将到来的２１世纪中，微合金化的低合金高强度钢不仅在用量上有大幅度增长以及在广阔的用途上取代碳素钢，而且微合金化可以作为一种能降低成本，符合可持续发展要求又能促进技术进步的手段来开发综合性能更好的钢铁产品。２. 微合金化技术的原理众所周知，传统的低合金高强度钢采用固溶强化机制，加入的合金元素Mn、Si、Ni、Cu、Cr等元素大约在百分之一、二的数量级。增加含量不仅不能提高强度，而且使其他性能恶化。根据文献资料，V、Ti等元素在本世纪初即已开始使用，而Nb在本世纪中发现有较大储量后也开始用于钢铁产品。它们的加入量分别在千分之一、二甚至万分之几的数量级。数量虽小，但是由于它们的作用机制不清楚，产品性能不稳定，甚至牺牲塑性、韧性这样一些重要结构材料性能，而未受到重视。这个局面直到进行了大量研究工作，对微合金钢的物理冶金有了深入的理解以后才有根本变化。理解这些问题的关键是Petch发现的晶粒尺寸与强度及断裂性能之间的定量关系。这个关系式能区分微合金化元素的不同作用并加以定量化，而且早期的研究即已表明，主要是碳化物及氮化物的形成而引起晶粒细化和析出强化，这是这些微合金化元素强烈影响性能的原因所在。用Al来细化钢的晶粒从而改善钢的强、韧性，已有半个多世纪的历史。从广泛意义上讲，微合金元素有七、八种，但是，研究得最多、用得最广的是Nb、V、Ti。微合金元素与钢中的Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ形成多种化合物，从而对性能产生多种影响。微合金元素能够影响的显微组织参数是晶粒尺寸和形状；各种尺寸的析出物；位错密度；织构演变；非金属夹杂物的尺寸和形状。对微合金钢来说主要是晶粒细化和析出强化。晶粒细化是不同强化机制中唯一的既能提高强度又能降低脆性韧性温度的方法。微合金元素通过析出质点在从冶炼凝固过程到焊接加热、冷却过程中影响晶粒成核和晶界迁移来影响晶粒尺寸。对在加热过程中抑制奥氏体晶粒长大最为强烈的是Ｔｉ，依次为Nb、Ａｌ和Ｖ。但是从加入量来说，在控轧和正火钢中Ｎｂ用比较低的含量，即现在常用的0.03%左右即能起显著的作用。Nb对晶粒细化的独特影响表现在它对奥氏体再结晶有强烈的延迟作用。用0.03%Nb即可将完全再结晶所需的最低温度提高到９５０℃左右，从而显著降低控轧对轧机负荷的要求。由于Ｔｉ在连铸冷却条件下生成弥散的ＴｉＮ，对阻止奥氏体晶粒细化有很强的效果，８０年代初，开发了一种V-Ti-N微合金钢，适合在高温区细化晶粒的再结晶控轧工艺，为不能进行低温轧制的老式低轧制力的轧机进行控轧开辟了途径。最近的研究表明Nb-Mo 系钢也适合此种工艺。近年来，在钢板，特别是厚板的焊接中，为了提高效率，广泛使用大线能量。这种措施对焊接热影响区韧性极为不利。由于ＴｉＮ熔点很高，在焊接热影响区都能抑制晶粒长大，所以加微量Ti0.03％能显著改善热影响区韧性。

第一章钢的合金化原理作业题参考

第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点1、名词解释： 1）合金元素：特别添加到钢中用以改变钢的组织、提高钢的性能的化学元素。 2）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti和B等，当其含量只在0.2%左右甚至更低时（如B 0.002%）时，也会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学（合金）元素称为微合金元素。 3）原位析出：在淬火回火过程中，合金元素溶解于原渗碳体中，当其溶解度超过其最大溶解量后，合金渗碳体转变为特殊碳化物的析出方式。 4）离位析出：在淬火回火过程中，直接从α相中析出特殊碳化物的析出方式。 5）二次硬化：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，在500-600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的HRC和强度提高的现象。 6）二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，残余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度和强度提高的现象。 2、说明钢中常用合金元素（V，Mo，Cr，Ni，Mn，Si，Al, B）对珠光体（贝氏体）转变影响的作用机制。答：（1）对珠光体转变影响的作用机制：P20 （2）对贝氏体转变影响的作用机制：P20 3、以低碳回火马氏体钢20SiMn2MoVB为例，说明其合金化及热处理（淬火加低温回火）中存在哪些强化与韧化途径？答：低碳回火马氏体钢通过合金化与热处理工艺相结合，在实现强化的同时，保

证有较好的韧性。主要体现在以下方面：（1）强化： ①C及合金元素的固溶强化； ②加入Si, Mn等合金元素能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒；③加入V、Ti后的弥散强化; ④加入V、Ti后的细化晶粒作用； ⑤马氏体中大量位错的位错强化。（2）韧化： ①低碳马氏体为位错型马氏体，韧性较好； ②Ni,Mn韧性元素的加入有利于提高韧性； ③工艺中的快冷、加入的合金元素对奥氏体过冷能力的提高、第二相粒子对晶粒长大的抑制作用，均能使马氏体晶粒细化，从而提高韧性； ④通过加入Si对低温回火脆性温度的延迟作用以及钢的回火稳定性的增加，可以适当提高回火温度，从而提高韧性水平。 4、为何Si-Mn-Mo-V复合添加可以大大提高钢的淬透性？答：Si、Mn、Mo、V这四种合金元素提高过冷奥氏体稳定性的机制不同。（1）Si在钢中不形成碳化物，也不溶于体，因此碳化物晶核形成必须等待硅的扩散（推迟P转变）。另外，Si能提高铁原子间作用力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变；（2）Mn是扩大γ相区元素，大大增加了α形核功；且锰也是碳化物形成元素，推迟合金渗碳体的形核与长大，因此锰不仅使C曲线向右移，且使之向下移；（3）Mo是中强碳化物形成元素，除了推迟珠光体转变时碳化物的形核与长大外，还增加了铁原子间的结合力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B 转变。

不锈钢的合金化原理

不锈钢的合金化原理提高钢耐蚀性的方法很多，如表面涂一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蚀性是最有效的防止腐蚀破坏的措施之一，其方法如下： 1、加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般钢中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其电极电位。由于Ni较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。 Cr 能提高钢(不锈钢)的电极电位，但不是呈线性关系。实验证明钢的电极电位随合金元素的增加，存在着一个量变到质变的关系，遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值时即1／8原子（l／8、2／8、3/8……）时，电极电位将有一个突变。因此，几乎所有的不锈钢中，Cr含量均在12.%（原子）以上，即11.7%（质量）以上。 2、加入合金元素使钢(不锈钢)的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的钝化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入Cr、Si、Al 等合金元素，使钢的表层形成致密的Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜，就可提高钢(不锈钢)的耐蚀性。 3、加入合金元素使钢(不锈钢)在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr－Ni,使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。 4、加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蚀的能力。 5、加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻了晶间腐蚀倾向。 6、加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。不锈钢使用中的误区随着医学界就环境中的微量元素对健康影响的深入研究，现已证实了许多金属元素如铬、镍、钼、镉、锰、钛等及其化合物对人体健康有着不同性质，不同程度的危害。我国对于用不锈钢制成的厨具也已制订出卫生标准。但是如果使用者缺乏这方面的知识，使用不当，不锈钢中的微量金属元素同样会在人体内慢慢累积，当累积的数量达到某一限度，就会危害人体健康。所以使用不锈钢厨具、食具必须注意如下几点：

试论我国钢的微合金化技术发展方向

试论我国钢的微合金化技术发展方向 molds.cn 发布：2006-12-17 17:50:02 来自：模具网浏览：次中信微合金化技术中心东涛付俊岩近年我国钢铁行业的技术改造，在社会对钢材需求发展的拉动之下，呈现意料之外的加速趋势，强烈冀求缩小与国际冶金技术发展的差距。尤为可喜的是，国内对钢的微合金化技术和微合金化钢的发展方向、目标和对策已取得了广泛共识。本文试图就其论题的几个基本方面阐明自己的看法。 1、微合金化钢的概念和定位化学元素周期表3~4周期的Ⅲ~Ⅴ副族元素具有极强的化合能力，通常称之为微合金化元素的多数指的是铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti），有时还包括钼（Mo）、硼（B）及稀土（RE）。应当说，除了其中的铌以外，都是我国储量丰富、其产量在世界上占有重要地位的元素，尤其是钒、钛和稀土。微合金化元素在钢中的应用的基本原理（见表1）在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金化元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素对钢的强韧化所起的作用被广泛地应用于各类钢铁产品。

钢的微合金化最为突出的技术进展是在称为微合金化钢的开拓，其原因不仅在于改进工艺、降低成本的需要，主要是大大改善了钢的力学性能和使用工艺特性。微合金化钢定义为低合金高强度钢范畴，或者说是新一代低合金钢；钢中假如Nb、V、Ti元素的总和不超过0.15%；在钢加热-冷却和形变过程中其碳氮化物具有溶解-析出行为，对钢的物理、化学性质和力学性能有明显的影响；通常在热机械处理（包括控轧控冷）状态下作为工程和机械结构用材或冷冲压用材；典型的应用领域为油气输送管线、桥梁、船舶、工程机械、输电线塔、高层建筑、汽车、铁道以及电站、码头；全世界微合金化钢的产量在1.0~1.2亿吨。 2、我国微合金化技术的进步与差距从1975年第1届国际微合金化会议至1995年的第2届会议，国际冶金界对钢的微合金化的理论价值取得了共识，对在传统的低合金高强度钢基础上研发微合金化钢有了广泛的兴趣。近1/4世纪以来的冶金工艺技术有了突飞猛进的进展，如高质量铁源、铁水预处理、转炉顶底复吹强化冶炼、炉外二次冶金及真空处理、高效连铸、薄板坯连铸连轧、热机械处理等一系列技术开发，使微合金化钢的发展如虎添翼，尤其是钢的微合金化与控制轧制技术相结合，成为20世纪世界钢铁业的重大技术进展之一，对产业技术革命和社会发展产生了不可估量的推助作用。我国自1979年引入钢的微合金化技术的20余年来，经历了三个不同的进展阶段，这是一个由启蒙、低级至高级的发展过程：（1）用微合金化技术改造我国原有的低合金高强度钢体系；（2）微合金化技术与控轧控冷技术的结合，开发市场急需的微合金化钢新品种；（3）微合金化技术在新一代钢铁材料研发中的应用。据调查，我国在微合金化技术领域的进步是十分显著的，目前国内微合金化钢的生产者和使用者对微合金化效果认知状况大致如表2所示。2001年我国Nb、V、Ti微合金化钢产量已达470万吨，占同期粗钢总产量的5.5%，占低合金高强度钢产量的59%，可见微合金化钢在低合金高强度钢类中所处地位和发展趋势。其中铌钢近三年的年增长率达50%，产量已超过V、Ti的微合金化钢，成为了微合金化钢

第一章合金基础知识

第一章合金钢基础知识本章重点难点：合金元素对Fe —Fe 3C 状态图及其对钢的热处理的影响 §1.1 钢的合金化碳钢：优点：价格低廉，便于获得，容易加工通过C ％的变化改善性能缺点：淬透性低，回火抗力差，基本相软弱不能满足一些特殊性能要求耐热、低温、腐蚀常存元素：对钢的性能影响不大或略有改善的元素合金元素：为了获得一定的组织、性能而使其使用性能和工艺性能得以提高而向钢中加入的化学元素杂质：对钢的性能起恶化作用的元素一、合金元素与铁的作用 Fe 同素异构转变：α-Fe ??→??C 910 γ-Fe ??→??C 1405 δ-Fe ??→??C 1535L bcc fcc bcc 合金元素影响同素异构相在平衡状态下的稳定性，主要是通过合金元素在α-Fe 和γ-Fe 中的固溶度以及对γ-Fe 存在温度区间的影响表现出来的 1、扩大A 区 1）无限扩大A 区元素（Ni 、Co 、Mn ）：与γ-Fe 形成无限固溶体，与α-Fe 形成有限固溶体 2）有限扩大A 区元素（C 、N 、Cu 、Zn 、Au ）：与γ-Fe 、α-Fe 均形成有限固溶体 2、缩小A 区

1）封闭A区，无限扩大F区元素（Si、W、Mo、P、Cr、V、Ti、Al、Be） 2）缩小A区，不封闭A区元素（B、Nb、Ta、Zr） 3、影响因素：合金的点阵类型fcc→fcc bcc→bcc 尺寸因素r Me-r Fe/r Fe<8% 无限（必要）8-15% 有限>20％不相溶电化学因素（电子层结构及其相互作用）对γ相区的作用同一周期 Z↑缩小→扩大 3d层电子数≤5 缩小A区 ≥5 扩大A区通常将扩大A区元素称为A形成元素；而将缩小A区元素称为F形成元素二、合金元素与碳的作用按合金元素与C的相互作用分为两大类： 1、非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu 以溶入α-Fe或γ-Fe中形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al 2、碳化物形成元素周期表中，铁左边的过渡族金属，离铁越远→d层电子越不满→与C作用力越强→易形成K，且稳定 1)K形成元素：Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn等，既可溶于A和F中，也可与C形成K（比例取决于它们形成K的倾向的强弱程度及含量）合金元素形成K的稳定性的强弱（由强到弱） Ti V Nb W Mo Cr Mn Fe Ti、V、Nb 强K形成元素，只要有足够的C，在适当条件下，可形成自己特殊的K，仅在缺C的情况下，它们才会以原子状态溶入固溶体中W、Mo、Cr 中强K形成元素，在量少时，多半溶于渗碳体中形成合金渗碳体；而当量多时，可形成新的特殊K Mn 弱K形成元素，少量形成合金渗碳体，大部分都溶于F或A中