金属材料学解析

③间隙位置 优先占据有利间隙位置—— 畸变为最小。 间隙位置总是没有被填满 —— 最小自由能原理。
1.4 碳（氮）化物
一、钢中常见的碳化物 K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很
重要的作用。
非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等 K形成元素：
Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）
电子 结构
原子半径 /nm
2
0.145
3
0.136
5
0.128
5
0.131
6
0.127
7
0.126
8
0.124
100.128源自ΔR，% 14.2 7.1 0.8 3.1 — 0.8 2.4 0.8
注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值
（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子 半径和电子结构相似——无限固溶；
铬对钢γ区的影响
锰对钢γ区的影响
1.3 铁基固溶体
一、置换固溶体
合金元素在铁点阵中的固溶情况
Me
Ti
V Cr Mn Co Ni Cu C N
溶 解
α-Fe
~7
(1340℃)
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度 γ-Fe
0.68
无无无
~1.4 12.8
*
限
限
限
8.5 2.06 2.8
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。
二、Me和Fe的作用
纯Fe → Fe-C相图的变化特点。 Me和Fe的作用：
1、γ稳定化元素
使A3↓，A4↑，γ区扩大
a) 与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co 开启γ区—— 量大时， 室温为γ相；
(a) Ni，Mn，Co
(b) C，N，Cu
(c) Cr，V
(d) Nb,B等
图1 合金元素和Fe的作用状态
1.2 Me对Fe-C相图的影响 一、对S、E点的影响
A形成元素均使S、E点向左下方移动； F形成元素使S、E点向左上方移动； S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C量降低 。
复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；
简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好。
M6C型不属于金属型的碳化物, 复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构。
二、K形成的一般规律
1、K类型
K类型与Me的原子半径有关。 各元素的rc/rMe的值如下：
第1章 钢的合金化原理
1.1 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。
隐存杂质
生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
偶存杂质
与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。
Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53
rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；
rc/rMe < 0.59 —简单结构相，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、相似者相溶
完全互溶：晶体结构、原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC（有限）。
有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等. 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似.
二、间隙固溶体
① 有限固溶 C、N、B、O等
② 溶解度
溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不 同点阵结构，溶解度是不同的—— 如γ-Fe与α-Fe 。
溶质原子大小：r↓，溶解度↑。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm。
钢中常见的K类型有： M3C：渗碳体，正交点阵； M7C3：例Cr7C3，复杂六方 ； M23C6：例Cr23C6，复杂立方 ； M2C：例Mo2C、W2C。密排六方 ； MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 ；
M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵 。 K也有空位存在 ；可形成复合K , 如 (Cr,Fe,Mo，…)7C3
（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和
电子结构相似——无限固溶；
结
论
（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，
但电子结构差别大——有限固溶；
（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%， 可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限 固溶； >±15%，溶解度极小。
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
2、α稳定化元素
使A3↑，A4↓，γ区缩小
a) 完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti
Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相 ?
W、Mo、Ti 等部分溶解
b) 缩小γ区 —— B、Nb、Zr等。
稳定γ相—— A形成元素，稳定α相 —— F形成元素。
注：有些元素的固溶度与C量有关
不同元素的固溶情况是不同的。为什么?（三个条件？） 简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。
常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径
第四 周期
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu
点阵 结构
bcc bcc bcc
bcc或fcc
fcc/ hcp
fcc
fcc
合金元素对共析温度的影响
合金元素对共析碳量的影响
二、对临界点的影响
A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动； F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。
三、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 — 奥氏体钢；
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。