钢的合金化基础
工程材料学课后习题答案
第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。
2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。
3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。
2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。
ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。
★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室 温下也为A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
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？P1P2①S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。
P13①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？P9①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。
6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ P18Ti、Nb、V等强K形成元素好处：细化晶粒，使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？P30结构钢中，提高马氏体淬透性作用的元素从大到小排列：（B）Mn、Mo、Cr、Si、Ni等作用：①使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求②淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？P28P32提高回火稳定性的合金元素：V、Mo、W、Cr、Mn、Si①使合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度②或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？P24P34第一类回火脆性原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；杂质元素S、P、Bi等偏聚于晶界，降低了晶界的结合强度。
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)
钢的合金化原理
M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成旳K：Cr23C6
M7C3型 复杂六方，Cr, Mn形成旳K：Cr7C3, Mn7C3
M3C型 正交晶系，Fe形成旳K：Fe3C
3）Fe-M-C形成旳三元K
M6C型
复杂立方，W、Mo旳K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。
二. 碳化物（K）
1. 构造
1）rc/rM<0.59 简朴密排构造 V, Nb, Ta, Zr, Hf, Mo, W
MC型 面心立方，V, Nb, Ta，Zr, Hf， 如 VC，ZrC 等。 六方点阵，Mo, W， 如 MoC, WC。
M2C型 六方点阵，Mo,W，如：Mo2C, W2C
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵构造，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式旳K；
rc/rMe < 0.59 —简朴构造相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型 。
Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型 。
2）相同者相溶
一. 铁基固溶体
1. 置换（代位）固溶体 Ni, Co, Mn与γ-Fe形成无限固溶体。 Cr, V 与α-Fe形成无限固溶体。 其他置换原子与γ- Fe或α- Fe形成有限固溶体。
2. 间隙固溶体 间隙原子：B，C，N，O，H 间隙原子总是部分占据溶剂金属点阵旳八面体或四面体间
隙; 均为有限固溶体。
2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体旳元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
钢的合金化原理
钢的合金化原理1.1 碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。
一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。
碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。
它们对碳钢的性能有一定的影响。
1．锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
锰在碳钢中的含量一般小于0.8%，主要固溶于铁中。
此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的MnS 夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。
因为FeS 熔点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。
适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600℃），MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。
必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。
当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。
硅在钢中的含量通常小于0.5%。
由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。
此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。
必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。
2．硫和磷的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。
硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。
硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。
当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。
铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。
此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2 气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。
钢的合金化概论
合金粉末粒度分布
根据需求调整合金粉末粒度分布。
表面处理
喷射后进行表面处理，提高合金层的 附着力和耐腐蚀性。
烧结法
烧结温度控制
烧结气氛选择
控制烧结温度和时间，促进合金元素的固 溶和扩散。
选择合适的烧结气氛，以防止氧化和减少 合金元素的挥发。
烧结助剂添加
晶粒细化
添加烧结助剂促进合金元素的扩散和固溶 。
机械用钢要求具有较高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能 ，以满足各种机械设备的工作需求。
常见机械用钢的种类
包括碳素机械钢、合金机械钢、不锈钢等。
机械用钢的应用范围
广泛应用于各种机械设备的主要零部件制造，如机床、汽车、航 空航天等领域。
工具用钢
工具用钢的特点
工具用钢要求具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，以确保工具 的寿命和准确性。
过量的磷会导致钢的脆性增加。
硫（S）
硫在钢中的作用与磷相似，可 以提高强度和硬度，但会降低
韧性。
硫还可以提高钢的抗腐蚀性 能和耐磨性。
过量的硫会导致钢的脆性增加 。
铬（Cr）
01
02
03
铬可以提高钢的强度和 硬度，同时保持较高的
韧性。
铬还可以提高钢的抗腐 蚀性能和耐磨性。
过量的铬会导致钢的脆 性增加。
钛（Ti）
01
钛可以提高钢的强度和硬度，同时保持较高的韧性。
02
钛还可以提高钢的抗腐蚀性能和耐磨性。
03
过量的钛会导致钢的脆性增加。
铌（Nb）
铌可以提高钢的强度和硬度，同时保持较高的韧性。 铌还可以提高钢的抗腐蚀性能和耐磨性。 过量的铌会导致钢的脆性增加。
03
钢的合金化工艺
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
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2
5.1.2 合金元素与铁的相互作用
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：
4
（2）扩展γ相区 虽然γ相区随着合金
元素的加入而被扩大了， 但是由于受到合金元素固 溶度的影响而不能完全开 启。C和N是这种类型的 最重要的元素；Cu、Zn 和Au具有相同的影响。
扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相 图
5
2．α相稳定化元素
使 A4 温度下降， A3 温度升高，在较宽的成分范围内，促 使铁素体形成，即缩小γ相区。根据程度的不同，可以分为： （1）封闭γ相区 许 多 元 素 限 制 γ － Fe 的形成，使相图中 γ 区缩 小到一个很小的面积，形 成 γ 相圈， 如右图所示。当合金元素超 过某一限量后，可以在室温 得到稳定的 γ 相。 Ni 和 Mn 可 使铁的转变抑制到较低的温 度，故由γ区淬火到室温较易 获得亚稳的奥氏体组织。 Ni 和Mn是不锈钢中常用作获得 奥氏体的元素。
扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的 Fe-Me相图
按照合金元素与碳的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。 非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。 （1）形成碳化物的规律性 碳化物在钢中的相对稳定性取决于合金元素与碳的亲和 力的大小，即取决于合金元素d层电子数。 金属元素的d层电子数越少，它与碳的亲和力就越大，所 形成的碳化物就越稳定。 在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下： Hf > Ti > Zr > Ta > Nb > V > Mo > W > Cr > Mn > Fe
5.1 合金元素与铁和碳的相互作用 5.1.1 合金元素及其在钢中的分布
Ⅰ A H Li Na K Pb Cs 0
Ⅱ A Be
Mg Ca Sr Ba Ⅲ B Se Y La Ⅳ B Ti Zr Hf Ⅴ B V Nb Ta Ⅵ B Cr Mo W Ⅶ B Mn Tc Re ⅧB Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Ⅰ B Cu Ag Au Ⅱ B Zn Cd Hg
12
VC晶体结构图
Fe3C晶体结构图
13
（3）碳化物的特性
相对于纯金属而言，碳化物具有高的熔点、分解温度和
硬度，其对钢材的强化能力是很大的； 与C的亲和力越强的合金元素形成的碳化物越稳定，其熔 点、硬度和耐磨性也越高； 碳化物的稳定性越高，热处理加热时，碳化物的溶解及 奥氏体的均匀化越困难。同样在冷却及回火过程中碳化物的 析出及其聚集长大也越困难。 碳化物稳定性由弱到强的顺序是： Fe3C M3C M23C6 M7C3 M6C M2C MC
Ⅲ A B Al Ga In Ti
Ⅳ A C Si Ge Sn Pd
Ⅴ A N P As Sb Bi
ⅥA O S Se Te Po
Ⅶ A F Cl Br I At
He Ne Ar Kr Xe Rn
钢中常用的合金元素
1
合金元素在钢中的存在形式：
1、合金固溶体，如-Fe (Me) 2、合金渗碳体，(Fe, Me)3C 3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC 4、非金属夹杂，MnS，MnO，SiO2，Al2O3 5、以游离状态存在，如Cu，Pb
14
5.1.4 合金元素对Fe－Fe3C相图的影响
从图中可以看出 α 相和 δ 相 连成一片。 Si 、 Al 和强碳 化物形成元素 Ti 、 V 、 Mo 、 W、Cr均属于这类元素。
封闭γ相区并与-Fe无限互溶的
Fe-Me相图
6
（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 是这一类中的典型元素。
11
金属元素的 C/ Me值如下：
金属 γ c/γ M Fe 0.61 Mn 0.60 C r 0.61 V 0.57 Mo 0.56 W 0.55 Ti 0.53 Nb 0.52 Zr 0.48
1、当 C/rM0.59时，形成 MC 型和M2C型简单点阵的碳 化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr属于此类元素。 2、当C/ M >0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型复杂点 阵的碳化物，一般合金钢中常出现的复杂点阵的碳化物为 Cr，Mn，Fe的碳化物或它们的合金碳化物。
7
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的原子尺寸相近。
以第四周期为例：
Ti 3d24S2 V 3d34S2 Cr 3d54S1 Mn 3d54S2 Fe 3d64S2 Co 3d74S2 Ni 3d84S2 Cu 3d104S1
Bcc
Bcc
Bcc
多型
多型
多型
Fcc
Fcc
8
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。
至于Cr是否为扩大γ相区元素，视其含量而定，Cr的质 量分数小于7%时使A3下降，大于7%时使A3上升。
9
5.1.3 合金元素与碳的相互作用
10
（2）碳化物的类型 碳化物中金属原子和碳原子可形成简单点阵或复杂点
阵结构，金属原子处于点阵结点上，而尺寸较小的碳原子 在点阵的间隙位置。 如果金属原子间的间隙足够大，可以容纳碳原子时， 碳化物就可以形成简单点阵结构。 若这种间隙还不足容纳碳原子时，就得到比简单结构 稍有变形的复杂点阵结构。 因此碳原子半径( C)和过渡族金属的原子半径( Me)的 比值(C/ Me)决定了可以形成简单还是复杂结构的碳化物。