第一章 钢铁中的合金元素
上海交通大学材料科学基础教学金属材料及热处理_钢中合金元素
金属材料及热处理
材料？工艺？微观组织 结构？性能？应用？ ?……?
刘国权教授主讲
课程复习
性能：
使用性能
力学性能
工艺性能
物理性能
其它性能
结构材料
结构组织敏感性能 结构组织不敏感性能
功能材料
金属材料及热处理
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复习：第九章 第三节铁碳复线平衡相图
金属材料及热处理
刘国权教授主讲
金属材料及热处理
刘国权教授主讲
吴承建 等编著： 金属材料学，第一章 钢铁中的合金元素
第五节 合金元素对铁碳相图的影响
一、合金元素对钢临界点的影响 从对奥氏体相区大小、形状和位置的影响进而推知：
1. 对临界点 A1 (共析温度)的影响 2. 对临界点 A3 的影响 3. 对共析碳量的影响:所有合金元素均降低共析碳含量 二、合金元素是否导致出现特殊碳化物相？ 1. Fe-C-碳化物形成元素： 可能会出现不同的特殊碳化物 2. Fe-C-非碳化物形成元素：不形成该合金元素的特殊碳化物
刘国权教授主讲
吴承建 陈国良 强文江 编著： 金属材料学，冶金工业出版社， 2000
第一章 钢铁中的合金元素
重要术语（第一至四节）：
合金钢 （为什么要生产和应用合金钢？） 奥氏体形成元素，铁素体形成元素；（例子？） 晶界偏聚，柯垂耳气团，共偏聚 （产生的主要原因？） 钢中的强、中强、弱、非碳化物形成元素 （例子？ ） 间隙化合物；原子半径比值(rx/rM) 氮化物，碳氮化物； 金属间化合物(相、AB2拉维斯相、 AB3有序相)
金属基复合材料；等等
无机非金属材料；高聚物材料；复合材料等
金属材料及热处理
钢中各合金元素的作用
s 0 k d
(3)形成金属碳(氮)化物。 碳(氮)化物存在于晶体内部的、可以阻碍位错的移动， 即常说的钉扎作用，消耗位错滑移的能量达到强化的效果；碳(氮)化物存在于晶 界，一方面有阻碍位错晶间滑移，另一方面在热处理的过程中可以阻碍晶粒的长 大，从而达到细晶强化的效果。金属元素与C的亲和力从大到小为 Ti>Zr>Nb>V>W，Mo>Cr>Mn>Fe。
二、各元素的作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
硫S
Y40Ca， Y40Mn*
(1)硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和 韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。 所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入 0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 (2)S在钢中主要以固溶态和硫化物的形式存在，如FeS和MnS。 (3)形成硫化物的结果是：a.增加钢的热脆性，FeS和形成低熔点(985℃)化 合物，而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加 工时，由于 FeS 化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为 “ 热 脆”；b.硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性；c.硫可使钢强 度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。 (4)一般地说，硫对各种钢均为有害的杂质元素，所以均限制它的含量。 普通碳钢S≤0.05%，酸性转炉冶炼，18MnSi及25MnSi钢允许含S≤0.05%)。 轴承钢S≤0.02%，优质碳钢S≤0.04%，高级优质钢S≤0.03%。仅有极个别 要求表面很光洁的钢(如Cr14)有意加进少量的硫(约0.2～0.4%)(Cr14可做 螺钉、螺母、磁轮及其它螺纹零件，其表面光滑，耐磨性好)。
钢中的合金元素与杂质元素
钢中的合金元素与杂质元素碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。
C，Si，Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素；N、H、O等元素的影响。
（1）锰的影响锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。
另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成M n S，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。
钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体形成合金渗碳体（F e，M n）3C，使钢具有较高的强度；另一部分锰与硫形成M n S，与氧形成M n O，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。
（2）硅的影响硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很大的亲合力，具有很好地脱氧能力。
在炼钢时作为脱氧剂加入，S i+2F eO=2F e+Si O2，硅与氧化铁反应生成二氧化硅（Si O2）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了F e O的有害作用。
但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。
碳钢中的含硅量一般S i%≤0.4%，它大部分溶入铁素体，起固溶强化作用，提高铁素体的强度，而使钢具有较高的强度。
（3）硫的影响硫在钢中是有害的杂质。
液态时F e、S能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为1190℃的化合物F e S。
形成的共晶体（γ-F e+F eS）以离异共晶形式分布在γ-F e晶界处。
若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温度时，共晶体熔化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。
磷在钢中的存在一般属于有害元素。
在1049℃时，磷在F e中的最大溶解度可达 2.55%，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具有较高的固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但也使钢的塑性，韧性剧烈降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷脆。
金属材料学--钢铁材料的合金化原参考课件
成分分析，元素与含量 相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍
射强度）和尺寸 组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌
不同，如珠光体、索氏体、托氏体）
5
钢中基础相
α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生 0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间 距为0.248240nm，配位数为12时的原子直 径为0.25715 nm，理论摩尔体积为 0.709165×10-5m3/mol，理论密度为 7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度 7.870Mg/m3，室温线胀系数11.8×10-6/K。
900
800
700
600
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
20
封闭γ相区相图的特点
最为简单的相图，右边往往是一匀晶相图 （开启γ相区相图由于上面开口连接液相， 故一般应有一包晶相变）
α-Fe与δ-Fe相区合并
钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升 高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的 淬透性）。
13
扩大γ相区相图
δ
A4
温
度 A3
γ
A1 α
Fe
14
扩大γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含 量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等 单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。
12
碳含量，%
开启γ相区相图的特点
合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存 在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小， 当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持 为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具 有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶 型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。
第一章 钢的合金化原理
四、按照对奥氏体层错能的影响分类
1、合金元素分类
奥氏体的层错能对钢的组织和性能都有很大影响。 按照对奥氏体层错能的影响，合金元素可分为两大类： (1) 提高奥氏体层错能的元素 如：镍（Ni），铜（Cu），碳（C），它们使奥 氏体层错能提高； (2) 降低奥氏体层错能的元素
如：锰（Mn），铬（Cr），钌（Ru），铱 （Ir），它们使奥氏体层错能降低。
二、合金钢定义与分类
1、定义： 合金钢：在化学成分上特别添加合金元素 用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组 织与性能的铁基合金。
2、分类：
低碳钢(C≤0.25%) 碳素钢 中碳钢(0.25%＜ C≤0.60%) (非合金钢) 高碳钢(C＞0.60%) 低合金钢(Me ≤5%) 合金钢 中合金钢(5%＜Me≤10%) 高合金钢(Me ＞10%) 普通钢(S ≤0.050%，P ≤0.045%) 优质钢(S ≤0.035%，P ≤0.035%) 高级优质钢(S ≤0.025%，P ≤0.025%) 特级优质钢(S ≤0.015%，P ≤0.025%)
按化学成分
按冶金质量
工程构件用钢(桥梁、船舶、建筑等)
合金结构钢 机器零件用钢 调质钢 弹簧钢 渗碳钢 滚动轴承钢
按用途
合金工具钢
刃具钢 模具钢 量具钢
不锈钢
特殊性能钢 耐热钢 耐磨钢
在给钢产品命名时，往往把成分、质量和用 途分类方法结合起来。 如：优质碳素结构钢，合金工具钢等。
三、合金钢的编号原则
使“Fe-Me‖二元相图出现扩大γ相区和缩小γ 相区两个大类型。 每个大类再分为两小类，合金元素也可依此类 型分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类。
1、奥氏体形成元素(扩大γ相区元素或γ稳定化元素)
合金元素在钢铁中的存在形式及其影响
合金元素在钢铁中的存在形式及其影响1.碳(C)碳是钢铁中的重要元素,它是区分钢铁的主要标志之一。
在决定钢号时,往往注意碳的含量。
碳对钢铁的性能起决定性的作用。
由于碳的存在,才能将钢进行热处理,才能调节和改变其机械性能。
当碳含量在一定范围内时。
随着碳含量的增加,钢的硬度和强度得到提高,其塑性和韧性下降;反之,则硬度和强度下降,而塑性和韧性提高。
由于碳含量在钢铁中的重要作用,所以快速、准确地测定钢铁中的碳含量也就具有相当重要的意义。
2.硅(Si)硅在钢铁中主要以固溶体形式存在,还可形成硅化物,其形式有MnSi或FeMnSi等;也有少许以硅酸盐以及游离SiO2的形式成为钢铁中非金属夹杂物而存在;在高碳钢中可能有少量SiC形式存在。
硅能增强钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性,又能增大钢的电阻系数。
故钢中含量硅一般不小于0.10%;作为一种合金元素,一般不低于0.4%;耐酸耐热钢及弹簧钢中、含量硅较高;而硅钢中含硅量可高达4%以上。
3.磷(P)磷在钢中以固溶体和磷化物形态存在。
磷化物形态有Fe3P,Fe2P等。
Fe3P是一种很硬而脆性大的物质。
当磷含量高时易形成Fe3P,增加钢的冷脆敏感性,增加钢的回火脆性以及焊接裂纹敏感性。
一般认为在钢中含磷量高于0.1%,便会发生上述的危害性。
通常的情况下认为磷是钢中的有害的元素,但是它也是可利用的一面。
例如,磷和铜联合作用时,能提高钢的抗蚀性;它和锰、硫联合作用时,能改善钢的切削加工性。
硫(S)硫主要以硫化物的形态存在于钢中。
一般认为硫是钢中的有害元素之一。
硫在钢中易于偏析,恶化钢的质量。
如以熔点较低的FeS的形式存在时,将导致钢的热脆现象。
此外,硫存在于钢内能使钢的机械性能降低,同时对钢的耐蚀性、可焊性也不利。
5. 锰(Mn)锰在钢中能形成固溶体。
在冶炼钢铁过程中,通常作为脱氧剂及脱硫剂而特意加入。
锰与硫能形成熔点较高的MnS,可防止因FeS而导致的热脆现象,并提高了钢的可锻性。
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偏聚 机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。
（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。
钢铁中的合金元素
由图可知，大多数元素均使ES线左移，E点（C％＝2.11% 的点）左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱 氏体。
2．改变共析温度
Ni 、 Mn 等扩大γ相区的元 素，使共析点（S点）左移， GS 下沉，使得 A1 和 A3 温度同 时降低。 Cr 、 W 、 Mo 、 V 、 Ti 、 Si 以 及其它缩小γ相区的元素， 使γ相区呈劈形，且共析点 （S点）左移，使得A1和A3温 度同时升高。
（2）缩小γ相区。
由于受到固溶度的 限制，这类合金元素不 能使γ区完全封闭，故 称为缩小γ相区元素。 B、Nb、Zr、Ta是这一 类中的典型元素。
小结：
合金元素是否为扩大γ相区元素的条件： 1.本身为面心立方点阵； 2.与Fe的电负性相近； 3.与Fe的原子d24S2 V 3d34S2 Cr 3d54S1 Mn 3d54S2 Fe 3d64S2 Co 3d74S2 Ni 3d84S2 Cu 3d104S1
碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn。
非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al
二、
铁基二元相图的类型
合金元素可以改变铁的同素异晶转变温度A3和A4，从而改变 Fe－Me二元相图的类型。合金元素对铁的二元相图的影响，主 要可以区分为扩大和缩小γ相区两类，这两类又可以进一步划 分为两个次类。 1．γ相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的温度范围 内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据程度的不同，可 以分为：
Bcc
Bcc
Bcc
多型
多型
多型
Fcc
Fcc
以Cr为界： 3d层电子数≤ 5时，合金元素为缩小γ相区元素； 3d层电子数≥ 5时，合金元素为扩大γ相区元素。
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富锰的合金渗碳体（Fe，Mn）3C的 形核和长大，同时锰又是扩大γ相 区的元素，起稳定奥氏体并强烈推 迟γ→α转变的作用； 4、非碳化物形成元素镍、钴、硅和 铝对珠光体转变中碳化物形核和长 大的影响小，主要表现在推迟 γ→α转变。
二、AB2相（拉维斯相）
含钨、钼、铌和钛的复杂成分耐热钢和 耐热合金中，均存在AB2相。它是现代耐 热钢和合金以及镁合金中的一种强化相。 AB2相是尺寸因素起主导作用的化合物， 但它具有哪一种点阵，则受电子浓度的 影响。周期表中任何两族金属元素，只 要符合原子尺寸bA / bB = 1.2 / l 时， 都能形成AB2相。
M2C型碳化物：主要是中强碳化物
形成元素W和Mo形成的，在钢中的 稳定性较差，但仍可做500~650℃ 范围的强化相。
M23C6型碳化物：Cr23C6的稳定性
更差，只有在少数耐热钢中，经过 综合合金化后，才有较高的稳定性， 例如（Cr，Fe，V，Mo，W）23C6 可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化 相。 M7C3及M3C型碳化物：很容易溶解 和析出，并有较大的聚集长大速度， 因此不能作为高温强化相。
一、合金元素对钢临界点的影响 合金元素对碳钢的重要影响是改变
临界点的温度和含碳量，使合金钢 和铸铁的热处理制度不同于碳钢。
1、扩大γ相区的奥氏体形成元素使 Fe－C 相图中A3和A1温度下降（如Mn）,但钴例 外。
2、缩小γ相区的铁素体形成元素使A3和 A1温度升高（如Mo）。
3、几乎所有的合金元素都使共析点和共 晶点碳质量分数降低，即S点和E点左移， 使合金钢的平衡组织发生变化。
在不锈钢、高合金耐热钢及耐热合金中， 都会出现σ相。其化学式为AB或 AxBy， 如FeCr、FeMo、FeV等。 σ相对合金性 能有害，在不锈钢中引起晶间腐蚀和脆 性，在耐热钢和高温合金中引起脆性。
在二元系中，形成σ相的条件是：
1）原子尺寸差别不大。 2）钢和合金的“平均族数”（或s
第三节 钢中的碳化物和氮化物
1、碳化物的类型 当rc／rM＜0.59时．形成简单密排
结构的间隙化合物； 当rc／rM＞0.59时，形成复杂结构 的间隙化合物。
简单点阵碳化物结构示意图
复杂点阵碳化物结构示意图
简单点阵的碳化物，也叫间隙相，主要 有MC和M 2C类型。 复杂点阵的碳化物 主要有 M 23C6 、 M 7C3和 M 3C类型。 钢中由于 Fe－Me－C三种元素存在，还 会形成三元碳化物 ，包括 MC、M 2C、 M 23C6 、 M 7C3、 M 3C 和 M 6C六种 类型。
3、氮化物及其稳定性 根据过渡族金属与氮的结合强度分类： 强氮化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V； 中强氮化物形成元素：W、Mo ； 弱氮化物形成元素：Cr、Mn、Fe 。
当钢中存在多种过渡族金属元素时，
存在着复合碳化物和复合氮化物， 例如（Cr，Fe）23C6。 氮化物和碳化物之间也可互相溶解， 形成碳氮化物。例如氮可置换部分 碳原子，在含钒、钛、铌微合金钢 中形成Ti（C，N）、V（C，N）和 Nb（C，N）。
第一节 铁基固溶体
铁在加热和冷却过程中产生如下的多型 性转变：
α-Fe →（910℃A3）γ-Fe →（1390℃A4）δ-Fe
合金元素对铁多型性转变的影响分为 两大类： 奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大 溶解度并能稳定γ-Fe的元素（ Mn、 Ni、Co、 C，N，Cu等 ）； 铁素体形成元素：在α-Fe中有较大 溶解度并使γ-Fe不稳定的元素（ Cr、 Mo、W、V、Ti、Al、Si 、 B、Nb、 Zr等） 。
第六节 合金元素对钢在加热时转变的影响 1、对奥氏体形成速度的影响
（1）Cr、 Mo、W、V等强碳化物形成元素与 碳的亲合力大，形成难溶于奥氏体的合金 碳化物，显著阻碍碳的扩散，大大减慢奥 氏体形成速度。 （ 2）Co、 Ni等部分非碳化物形成元素，因 增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度 加快。 （ 3）Al、 Si、Mn等合金元素对奥氏体形成 速度影响不大。
6、钢中加入微量元素也有效地增加过冷 奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。如 钢中加入 0.0005 ～ 0.003 ％硼（ B ），硼 是内吸附元素，主要存在于奥氏体晶界， 它使过冷奥氏体转变的C曲线的位置向右 移，但对曲线的形状影响不大。 合金钢采用多元少量合金化原则，可最 有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透 性的作用。
性的配合，或高的低温韧性，或高温 下有高的蠕变强度、硬度及抗氧化性， 或具有良好的耐蚀性。 2 、在工艺性能方面，有良好的热塑性、 冷变形性、切削性、淬透性和焊接性 等。
钢中常用合金元素有： B（硼）、C（碳）、N（氮）、Al（铝）、 Si（硅）、P（磷）、S（硫）、Ti（钛）、 V（钒）、Cr（铬）、Mn（锰）、 Co（钴）、Ni（镍）、Cu（铜）、 Y（钇）、Zr（锆）、Nb（铌）、 Mo （钼）、 La 族（稀土）、 Ta （钽）、 W（钨）等。
＋d层电子浓度）在 5.7~7.6范围。
为避免在合金中出现σ相，可用元素的电子缺 位数NV来进行合金设计。 NV = 0.66Ni + 1.71Co + 2.66Fe + 3.66Mn +4.66(Cr + Mo + W) + 5.66 (V + Nb + Ta ) + 6.66 (Ti + Si ) + 7.66Al 当NV值＜ 2.52时，不出现σ相 。
溶质原子与位错的交互作用
(a) 比基体原子大的溶质原 子趋向于缺陷区受膨胀 的点阵； (b) 比基体原子小的溶质原 子趋向于缺陷区受压缩 的点阵； (c) 间隙原子趋向于缺陷区 受膨胀的点阵间隙位置。
溶质原子在晶界或缺陷处偏聚可以使点 阵畸变松弛，从而降低体系内能，所以 这种偏聚过程是自发进行的。 晶界偏聚是一个扩散过程，只有在溶质 原子能扩散的温度范围才能发生，并需 要一定时间才能达到该温度下溶质的晶 界平衡偏聚能度。 溶质元素之间发生强相互作用，叫做共 偏聚。例如镍、铬、锰与磷、锡、锑共 偏聚而促进回火脆性。
2、扩大α区的元素（铁素体形成元素）
它们能缩小γ相而扩大α相存在的温度范围， 使A3上升、A4下降 。可分为两种情况：
（1）完全封闭γ区 元素 ：如 Cr，Mo， W，V，Ti，Al，Si 等， γ相区被α 相区封闭，在相图 上形成γ圈 ；
（2）部分缩小γ区元素 ：如 B，Nb，Zr 等，主要是出现了金属间化合物，破坏 了γ圈。
1、扩大γ区的元素（奥氏体形成元素）
它们能扩大γ相存在的温度范围，使A3下 降，A4上升。 可分为两种情况：
（1）完全扩大γ 区（开启相区） ： 如 Mn，Ni，Co等， 它们可与γ-Fe 无 限固溶，使α和δ 相区缩小；
（2）部分扩大γ区 ：如C，N，Cu等 ， 它们只能与γ-Fe 有限固溶。
溶质元素在合金中含量虽少，但因与晶体 缺陷的交互作用，使其在缺陷区富集到很 高浓度，从而对合金的组织和性能产生巨 大的影响，如晶界强化、晶界脆性、晶间 腐蚀、晶界迁移、相变时晶体缺陷处形核 等。 可以用下式估算晶界区的溶质偏聚浓度cg：
（c0为溶质在基体晶内的浓度 ，E值为畸变能）
E c g c0 exp RT
金属材料学
第一章 钢铁中的合金元素
第一章 目 录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
铁基固溶体 合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用 钢铁中的碳化物和氮化物 钢中的金属间化合物 合金元素对铁碳相图的影响 合金元素对钢在加热时转变的影响 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 合金元素对淬火金化 1、淬透性低。水淬的最大淬透直径只有 15mm～20mm。 2、强度和屈强比较低 3、回火稳定性差 4、不能满足特殊性能要求
在碳钢中加入合金元素所获得的钢，称
之为合金钢。它具有更优良的或特殊的 性能。
1 、在使用性能方面，有高的强度与韧
第二节 合金元素与钢中 晶体缺陷的相互作用 溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很 高，因此比基体原子大或小的溶质原子 将从晶内迁移到晶界、相界和位错等缺 陷区，以降低能量。 1、溶质原子与晶界结合，形成晶界偏聚 （内吸附）； 2、溶质原子与位错结合，形成柯垂耳气 团。
晶界偏聚及其偏聚浓度
因此，过渡族金属元素可依其与碳的结 合强度的大小分类： 1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素； 2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元 素； 3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。
强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定， 其溶解温度也较高，而溶解速度较慢，析 出后聚集长大速度也较低。 MC型碳化物：由强碳化物形成元素Ti、 V、Nb、Zr形成，在900℃以上才开始溶 解于γ-Fe中，1100℃以上才大量溶解， 在500～700℃范围析出时，具有较低的 聚集长大速度，因而可以成为钢中的强化 相。
此外，冶炼中钢液用铝脱氧，因而
存在铝的氮化物AlN。AlN在钢中有 很高的稳定性，只有在1100℃以上 才大量溶于γ-Fe，在较低温度下又 重新析出。 化作用来提高钢的疲劳强度，利用 氮化物的高硬度来进一步提高表面 硬度和耐磨性。
在生产中可以利用氮化物的弥散强
第四节 钢中的金属间化合物
金属间化合物是指由两个或更多的金属组 元按比例组成的具有不同于其组成元素的 晶体结构和金属基本特性的化合物。 一、σ相
三、AB3相（有序相，如γ′-Ni3Al ）
钢和合金中存在着多种有序结构的相， 它们各组元之间尚不能形成稳定的化合 物，处于固溶体到化合物之间的过渡状 态。 γ′-Ni3Al为L12型结构，属面心立方结 构，在复杂成分耐热钢和耐热合金中， γ′—Ni3Al是重要的强化相。