钢中的碳化物
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一、碳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，往往注意到碳的含量，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，其塑性韧性下降；反之，则硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。
碳在钢铁中的存在形式可分为下列两种：1、化合碳：即碳以化合形态存在。
在钢中主要以铁的碳化物（如Fe3C）和合金元素的碳化物形态存在。
在合金钢中常见的碳化物，如：Mn3C、Cr3C2、WC、W2C、VC、MoC、TiC等，统称为化合碳。
2、游离碳：铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等统称为游离碳。
高碳钢经退火处理时也会有部分游离碳析出。
在铸铁中的碳，除了极少量固溶于铁素体外，常常以游离形态或化合形态，或二者并存的形态存在。
化合碳与游离碳总和称为总碳量。
在分析游离碳较多的铸铁等试样时，应特别注意样品的代表性和均匀性。
游离碳一般不和酸起作用，而化合碳能溶于酸中，借此性质可分离游离碳。
碳化铁容易溶解在各种酸中，并容易被空气所氧化，但是碳化铁不溶于冷的和稀的非氧化性酸（硫酸、盐酸）内，大部分碳化物以黑色或深褐色的沉淀而沉降下来，但是，这种沉淀在氧化剂甚至于在空气中的氧参与下都很易溶解，受到浓硫酸、浓硝酸作用时，碳化铁即被分解而析出不同组分的挥发性碳。
大多数合金元素的碳化物难溶于酸内，为使其完全分解，需采取适当的措施，例如：1、在加热的情况下，将钢样用盐酸或硫酸处理，直至金属部分完全溶解，然后小心加入硝酸使碳化物破坏。
2、钢样内如含有稳定的碳化物时，在用硝酸氧化以前，先行蒸发至开始冒硫酸烟（或蒸发硫磷酸至冒硫酸白烟），然后再仔细地滴加浓硝酸。
3、在钢样中含有极稳定的碳化物，用上述方法不能溶解时，可将钢样用热盐酸、硝酸或盐—硝混合酸处理后，再用高氯酸处理。
在高氯酸蒸发的温度（约200℃）下加热，这时全部碳化物即会分解。
钢中碳化物的相间析出
钢中碳化物的相间析出通常，对于工业用钢，碳化物的弥散硬化和二次硬化的利用，都是在调质状态下实现的。
但是，在控制轧制条件下使用的非调质高强度钢中，人们却利用添加少量Nb、V等强碳化物形成元素，有效地提高了钢的强度。
之所以如此，是由于钢在冷却过程中从奥氏体中析出了细小的特殊碳（氮）化物。
透射电子显微镜观察表明，这种化合物的直径约为50Å，而且比较规则的一个面接一个面的排列分布。
后来研究又发现，这种碳（氮）化物是在奥氏体-铁素体相界面上形成的，因此将这种转变称为“相间析出”（interphas precipitation）。
相间析出的结果也是由过冷奥氏体转变为铁素体与碳化物的机械混合物。
由于这种转变发生在珠光体与贝氏体形成温度之间，因而研究这种转变，不仅对非调质钢的强化有实际价值，而且对搞清珠光体和贝氏体转变机理也有一定意义。
（一）相间析出产物的形态和性能含有强碳（氮）化物形成元素的低碳合金钢的奥氏体，在冷却过程中有可能首先发生碳（氮）化物的析出，因为析出是在奥氏体与铁素体相界面上发生的，所以把这一过程称为相间析出。
1、组织形态钢中的相间析出的转变产物，其显微组织在低倍的光学显微镜下，相间析形成的铁素体与先共析铁素体相似呈块状。
而在高倍的电子显微镜下，可以观察到铁素体中有呈带状分布的微粒碳（氮）化物存在，这是相间析的组织形态特征。
这种组织与珠光体相似，也是由铁素体与碳化物组成的机械混合物，而碳化物不是片状，而是细小粒状的，分布在有一定间距的平行的平面上，因此也称为“变态珠光体”（degenerate pearlite）。
分布有微粒碳化物的平面彼此之间的距离称为“面间距离”。
随着等温转变温度的降低或冷却速度的增大，析出的碳化物颗粒变细，面间距离减小。
另外，钢中的化学成分不同对碳化物的颗粒直径的面间距离也有一定的影响，通常含特殊碳化物元素越多，形成碳化物颗粒越细，面间距离越小。
在相同转变温度下，随着钢碳含量增高，析出碳化物的数量增多，面间距离也有所减小。
钢中的碳化物
白口铸铁中碳化物的类型根据碳化物的结晶点阵形式，碳化物可分为两大类型：1．简单密排结构的间隙碳化物当r C/r M<0.59时，碳原子处在简单的点阵间隙之间，形成不同于原金属结晶点阵的间隙相。
这类金属元素是Mo、W、V、Ti、Nb、Zr，形成的碳化物有：MC型——WC、VC、TiC、NbC、ZrCM2C型——W2C、Mo2C如果同时存在多种过渡族金属元素，将形成复杂的碳化物。
在满足点阵类型、电化因素和尺寸因素三条件时，其中的金属原子可互相置换，如TiC–VC系形成(Ti、V)C；VC–NbC系形成(Nb、V)C；TiC–ZrC系形成(Ti、Zr)C等。
MC型碳化物中的金属原子M具有面心简单六方结构，其中八面体间隙相都被碳原子占领，所以，M：C=1：1，晶体为NaCl型结构。
M2C碳化物具有密排六方结构，例如：W2C、Mo2C、V2C、Nb2C，碳原子处于四面体的空隙中。
2．复杂密排结构的间隙碳化物当r C/r M>0.59时，碳不可能与金属元素形成简单密排的间隙相，而是形成一种结晶点阵复杂的间隙化合物。
Cr、Mn、Fe的碳化物属于复杂密排结构，其中M23C6、M6C为复杂立方、M7C3为复杂六方、M3C为斜方点阵。
常见到的复杂密排结构的碳化物为M3C型——Fe3C、Mn3C或(Cr、Fe)3C，简称K c；M7C3型——Cr7C3、Mn7C3或(Cr、Fe)7C3，简称K2；M23C6型——Cr23C6、Mn23C6，及三元碳化物Fe21W2C6、Fe21Mo2C6、(Cr、Fe)23C6，简称K1；M6C型——Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C、Fe4Mo C等三元碳化物。
(1)M3C型碳化物：最常见的是普通白口铸铁中的渗碳体(Fe3C)。
渗碳体的晶体结构为斜方晶格，晶格常数a=0.45144μm，b=0.50787μm，c=0.67287μm。
渗碳体的晶体结构见图1所示。
钢中夹杂物等级判定标准(一)
钢中夹杂物等级判定标准(一)钢中夹杂物等级判定标准钢中夹杂物是制约钢材质量的一个重要因素，其等级的判定直接影响钢材的使用性能。
以下是针对钢中夹杂物等级判定标准的相关内容。
1. 夹杂物的定义夹杂物是在均匀固态结构中所存在的未溶解的气体、气泡或其他的物质，如金属氧化物、金属硫化物等，常常会对钢材的性能和质量造成影响。
2. 夹杂物等级夹杂物等级分为5级，依次为A、B、C、D、E级。
其中A级夹杂物最严重，E级夹杂物最轻微。
具体判定标准如下：•A级夹杂物：夹杂物尺寸大于等于3毫米，夹杂物数量大于等于2个，或者夹杂物尺寸大于等于5毫米。
•B级夹杂物：夹杂物尺寸大于等于2毫米，夹杂物数量大于等于5个，或者夹杂物尺寸大于等于3毫米。
•C级夹杂物：夹杂物尺寸大于等于1毫米，夹杂物数量大于等于10个，或者夹杂物尺寸大于等于2毫米。
•D级夹杂物：夹杂物尺寸大于等于0.5毫米，夹杂物数量大于等于50个，或者夹杂物尺寸大于等于1毫米。
•E级夹杂物：夹杂物尺寸大于等于0.2毫米，夹杂物数量大于等于100个，或者夹杂物尺寸大于等于0.5毫米。
3. 夹杂物影响因素夹杂物的形成主要与以下因素有关：•原料质量：原料中夹杂物的含量和形态对钢中夹杂物的形成有一定的影响。
•冶炼过程：冶炼过程中的氧化物和其他杂质会在钢水中形成夹杂物。
•浇注过程：浇注过程中会产生气泡和其他夹杂物，影响钢的质量。
•热处理过程：热处理过程中也可能产生夹杂物。
4. 夹杂物控制方法为了控制钢中夹杂物的级别，需要采取以下措施：•提高原料质量，降低原料中夹杂物含量。
•优化冶炼过程中的工艺参数，减少夹杂物的产生。
•严格控制浇注过程中的气体及其他杂质。
•采取合适的热处理工艺，减少夹杂物的产生。
5. 结语钢中夹杂物等级对钢的性能和质量的影响十分明显，只有通过科学有效的措施来控制夹杂物的级别，才能保证钢材质量的稳定和优良。
6. 典型夹杂物类型夹杂物的种类众多，常见的有氧化物、硫化物、氮化物、碳化物等。
钢中存在哪几种类型的碳化物
1.钢中存在哪几种类型的碳化物？比较它们稳定性的强弱。
碳化物的稳定性对钢的性能及热处理有什么意思？答：分类：复杂点阵结构碳化物、简单点阵碳化物、合金碳化物、合金渗碳体。
性能意义：碳化物稳定性高，可使钢在高温下工作并保持其较高的强度和硬度。
钢的红硬性、热强性好。
相同硬度条件下，碳化物稳定性高的钢可在更高温度下回火，使钢的塑性、韧性更好。
合金钢较相同硬度的碳钢综合力学性能好。
碳化物的稳定性高，在高温和应力作用下不易聚集长大，也不易因原子扩散作用而发生合金元素的再分配。
钢的抗扩散蠕变性能好。
热处理意义：（1）特殊碳化物稳定性高，合金钢奥氏体化的温度要提高、保温时间要延长。
（2）碳化物的稳定性过高，加热时不溶于奥氏体，随后冷却时加速奥氏体的分解，降低钢的淬透性；碳化物的稳定性低，加热时溶于奥氏体中，增大过冷奥氏体的稳定性，提高淬透性。
（3）碳化物的稳定性高，淬火钢的回火稳定性高。
2.合金钢二次硬化现象的本质是什么？对钢的性能有什么影响？答：二次硬化为淬火钢在回火时出现的硬度回升现象，原因是特殊碳化物的弥散强化+二次淬火。
影响：提高热强性，红硬性。
3.低合金高强度钢中的主加合金元素Mn对钢的性能有哪些影响？为什么它会有这些影响？答：锰是A形成元素，能降低A→P转变的温度Ar1，并减缓其转变速度，可细化P，↑钢的强度和硬度。
锰的加入可使Fe-C状态图中“S”点左移，使基体中P数量增多，可使钢在相同含碳量下，P量增多，致使强度不断↑。
锰还能↓钢的韧脆转变温度。
原因：锰属于复杂立方点阵，其点阵类型及原子尺寸与α-Fe相差较大，因而锰的固溶强化效果较强。
4.机器零件用钢中的主加合金元素有哪些？他们的作用？答：主加合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、B，作用：分别加入或复合加入钢中，对↑钢的淬透性、↑钢的综合力学性能起主导作用。
5.弹簧钢的成分特点是什么？这样的成分对钢的性能有哪些影响？答：1、中、高碳碳素弹簧钢的含碳量在0.6%～0.9%之间，合金弹簧钢的含碳量一般在0.40%～0.70%之间，以保证高的弹性极限、屈服强度和疲劳强度。
钢中碳化物的相间析出
钢中碳化物的相间析出钢中碳化物的相间析出通常，对于⼯业⽤钢，碳化物的弥散硬化和⼆次硬化的利⽤，都是在调质状态下实现的。
但是，在控制轧制条件下使⽤的⾮调质⾼强度钢中，⼈们却利⽤添加少量Nb、V等强碳化物形成元素，有效地提⾼了钢的强度。
之所以如此，是由于钢在冷却过程中从奥⽒体中析出了细⼩的特殊碳（氮）化物。
透射电⼦显微镜观察表明，这种化合物的直径约为50?，⽽且⽐较规则的⼀个⾯接⼀个⾯的排列分布。
后来研究⼜发现，这种碳（氮）化物是在奥⽒体-铁素体相界⾯上形成的，因此将这种转变称为“相间析出”（interphas precipitation）。
相间析出的结果也是由过冷奥⽒体转变为铁素体与碳化物的机械混合物。
由于这种转变发⽣在珠光体与贝⽒体形成温度之间，因⽽研究这种转变，不仅对⾮调质钢的强化有实际价值，⽽且对搞清珠光体和贝⽒体转变机理也有⼀定意义。
（⼀）相间析出产物的形态和性能含有强碳（氮）化物形成元素的低碳合⾦钢的奥⽒体，在冷却过程中有可能⾸先发⽣碳（氮）化物的析出，因为析出是在奥⽒体与铁素体相界⾯上发⽣的，所以把这⼀过程称为相间析出。
1、组织形态钢中的相间析出的转变产物，其显微组织在低倍的光学显微镜下，相间析形成的铁素体与先共析铁素体相似呈块状。
⽽在⾼倍的电⼦显微镜下，可以观察到铁素体中有呈带状分布的微粒碳（氮）化物存在，这是相间析的组织形态特征。
这种组织与珠光体相似，也是由铁素体与碳化物组成的机械混合物，⽽碳化物不是⽚状，⽽是细⼩粒状的，分布在有⼀定间距的平⾏的平⾯上，因此也称为“变态珠光体”（degenerate pearlite）。
分布有微粒碳化物的平⾯彼此之间的距离称为“⾯间距离”。
随着等温转变温度的降低或冷却速度的增⼤，析出的碳化物颗粒变细，⾯间距离减⼩。
另外，钢中的化学成分不同对碳化物的颗粒直径的⾯间距离也有⼀定的影响，通常含特殊碳化物元素越多，形成碳化物颗粒越细，⾯间距离越⼩。
在相同转变温度下，随着钢碳含量增⾼，析出碳化物的数量增多，⾯间距离也有所减⼩。
金属材料学课后答案(较全)
金属材料学课后答案（较全）第一章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？答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。
S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。
2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？答：简单点阵结构和复杂点阵结构简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好；复杂点阵结构的特点：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。
答：①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；②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。
③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。
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？答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。
S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。
（左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量）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。
答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。
优先形成碳化物，余量溶入基体。
淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。
溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。
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。
碳化物在钢中的作用
碳化物在钢中的作用
嘿，咱今儿就来聊聊碳化物在钢里的那些事儿！你说这碳化物啊，就像是钢这个大家庭里的小精灵，各有各的脾气和作用呢！
你想想看，钢要是没有碳化物，那可就少了很多奇妙的变化呀！碳化物能让钢变得更坚硬，就好像给钢穿上了一层坚固的铠甲。
这不就跟咱人一样嘛，要是没点硬本事，在社会上咋混得开呀！
比如说碳化钛吧，这家伙可厉害了！它能大大提高钢的硬度和耐磨性。
就好比是一个大力士，能扛起很重的东西，让钢在各种环境下都能稳稳当当的。
你说要是没有它，钢碰到点硬东西，不就容易变形啦？那可不行！
还有碳化铬，这也是个厉害的角色呢！它能让钢具有更好的耐腐蚀性。
就像给钢打了一把保护伞，让那些腐蚀性的东西都没法轻易伤害到它。
你想想看，要是没有这层保护，钢遇到点酸碱啥的，不就很快被腐蚀坏啦？
碳化物还能影响钢的韧性呢！这就好比一个人，不能光是硬邦邦的，还得有点柔韧性，不然稍微一碰就断了，那可不行。
合适的碳化物能让钢既有硬度又有一定的韧性，这样才能更好地应对各种情况呀。
而且哦，不同种类的碳化物和钢里的其他元素一搭配，那效果可就更不一样啦！这就像是不同的调料放在一起，能做出各种美味的菜肴一样。
它们相互配合，让钢变得更加出色。
咱再想想，如果钢里的碳化物分布不均匀会咋样？那可就好比一个人长得歪瓜裂枣的，不均衡呀！这可不行，得让碳化物均匀地分布在钢里，这样钢的性能才能发挥得更稳定。
总之啊，碳化物在钢里的作用那可真是太重要啦！它们就像是钢的秘密武器，让钢变得强大、耐用、可靠。
没有它们，钢可就没那么厉害啦！所以说呀，可别小看了这些小小的碳化物哦，它们可是有着大本事呢！你说是不是呀？。
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白口铸铁中碳化物的类型
根据碳化物的结晶点阵形式，碳化物可分为两大类型：
1．简单密排结构的间隙碳化物当r C/r M<0.59时，碳原子处在简单的点阵间隙之间，形成不同于原金属结晶点阵的间隙相。
这类金属元素是Mo、W、V、Ti、Nb、Zr，形成的碳化物有：
MC型——WC、VC、TiC、NbC、ZrC
M2C型——W2C、Mo2C
如果同时存在多种过渡族金属元素，将形成复杂的碳化物。
在满足点阵类型、电化因素和尺寸因素三条件时，其中的金属原子可互相置换，如TiC–VC系形成(Ti、V)C；VC–NbC系形成(Nb、V)C；TiC–ZrC系形成(Ti、Zr)C等。
MC型碳化物中的金属原子M具有面心简单六方结构，其中八面体间隙相都被碳原子占领，所以，M：C=1：1，晶体为NaCl型结构。
M2C碳化物具有密排六方结构，例如：W2C、Mo2C、V2C、Nb2C，碳原子处于四面体的空隙中。
2．复杂密排结构的间隙碳化物当r C/r M>0.59时，碳不可能与金属元素形成简单密排的间隙相，而是形成一种结晶点阵复杂的间隙化合物。
Cr、Mn、Fe的碳化物属于复杂密排结构，其中M23C6、M6C为复杂立方、M7C3为复杂六方、M3C为斜方点阵。
常见到的复杂密排结构的碳化物为
M3C型——Fe3C、Mn3C或(Cr、Fe)3C，简称K c；
M7C3型——Cr7C3、Mn7C3或(Cr、Fe)7C3，简称K2；
M23C6型——Cr23C6、Mn23C6，及三元碳化物Fe21W2C6、Fe21Mo2C6、(Cr、Fe)23C6，简称K1；
M6C型——Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C、Fe4Mo C等三元碳化物。
(1)M3C型碳化物：最常见的是普通白口铸铁中的渗碳体(Fe3C)。
渗碳体的晶体结构为斜方晶格，晶格常数a=0.45144μm，b=0.50787μm，c=0.67287μm。
渗碳体的晶体结构见图1所示。
在每个碳原子外围都有六个铁原子，它们构成八面体，各八面体的轴彼此倾斜一个角度形成菱晶。
因为每个八面体内部都有一个C原子，而每个Fe原子都同时属于两个八面体，因此正好满足分子式中Fe3C的Fe/C原子比。
一个渗碳体的空间八面体的投影为菱形的链状结构(见图2)。
从整体看，菱形面之间互相平行，呈层状排列。
在每个菱晶中，Fe–C原子由共价键连接，它是由四个碳原子的共价电子和四个最近位于菱晶顶尖的铁原子3d电子来实现的。
其余的两个铁原子处于邻近的菱晶中，在那里，铁原子与下一个碳原子的距离较小，因而在各层上便具有了牢固的联系。
此外铁和碳之间的电负性差更增强了Fe–C的结合，故Fe–C结合强度约为Fe–Fe结合强度的两倍。
而层与层之间则由铁原子之间的金属键连接，层间的结合力弱，使渗碳体形成强烈的各向异性。
往铁碳二元合金中加入第三元素，可使Fe–C键的强度发生变化。
使Fe–C键增强的元素促进渗碳体更稳定；而使Fe–C键变弱的元素，Fe–C键容易断开，削弱渗碳体稳定，结果促进石墨化。
图1 渗碳体的晶体结构
图2 渗碳体的链状结构
—Fe原子●—C原子粗线—方向键
一些元素能有限固溶于Fe3C，形成合金渗碳体。
Fe3C可溶解的元素分别为：w(Cr)≤28%，w(Mn)≤14%，w(W)≤2%，w(V)≤3%。
形成的合金渗碳体(Fe、M)3C 化合价高，共价键更牢固，渗碳体更稳定。
(2)M7C3型碳化物：这种类型碳化物的典型代表是Cr7C3，它由56个铬原子和24个碳原子组成，是比M3C更为复杂的晶系。
M7C3的三种结晶系为：六方晶系、斜方晶系及菱形晶系。
晶格常数见表1。
表1 M7C3碳化物的晶型结构[9 10]
Cr7C3(Fe、Cr)7C3。
(3)M23C6型碳化物：由92个原子组成一立方点阵晶胞，其结构如图3所示。
大晶胞分成8个小立方体，在小立方体角上，交替地存在成为立方八面体或立方体的原子群。
碳化物中M通常以Cr为主，形成M23C6，有时也有以Mn为主的。
合金中含有较多的Mo、W时形成Fe21Mo2C6或Fe21W2C6型碳化物。
在Cr23C6结构中，每个小立方体的中心还附加一个只限于能被W替代的原子。
当被W替代时，形成(Fe、W、Cr)23，C6晶型。
碳原子在Cr23C6晶胞中位于大立方体的边上，同时处在立方八面体及小立方体之间，因此每个碳原子有8个相邻的金属原子，见图4所示。
图3 (Cr、Fe、W、Mo)23C6晶胞结构。
○金属原子●C原子
图4 在Cr23C6晶胞中，碳与相邻金属原子的关系
注：图中尺寸单位nm
(4)M6C：这种碳化物足由W、Fe、C构成的复杂间隙相三元化合物，存在于高钨铸铁中，显微硬度高达2250HV以上，同时具有良好的强韧性能。
铸态高钨铸铁中的碳化物由M6C及M3C或M23C6、M7C3组成，但主要相仍是M6C。
该相为介稳定组织，平衡处理后消失，由WC代替。
M6C为面心立方晶格，由96个金属原子和16个碳原子组成，有48个W原子分布于八面体的顶点，图5是M6C 的晶格结构。
在48个Fe原子中有32个分布于八个四面体顶点，四面体中心形成金刚石点阵，其余16个Fe原子处于自由间隙。
在纯Fe–W–C系合金中M6C 的成分在Fe4W2C和Fe3W3C之间，含w(W)=61%～75%。
M6C能固溶大量Si。
图5 M6C晶格中的八面体。