合金化的特点
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。
Ti-Al相图(工程材料科学与设计).
性 能 特 点
α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适 应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％ 以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金 是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。
3、β钛合金
β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。 热处理 特点 合金化特点：加入大量β稳定元素。 热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑ 强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。 强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和 压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易 偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价 格↑，≯200℃使用，应用受限制. 目前应用仅TB2 ，主要用于制造各种整体热处 理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋 转件，以及飞机的构件等
合金元素的质量分数（%） （a）Ti-Sn(Al等) （b）Ti-V(Mo等) （c）Ti-Mn(Cr等) （d）Ti-Zr 图 钛与常见合金元素间的四种典型二元相图
二、 钛合金的相变特点 1、马氏体转变
β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。
基 本 概 念
Ck ： Ms↓室温时β相不发生M转变的合金浓度 tc ：当T淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时， 淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。 Ck和tc是非常重要的两个参数。
性 质
特 点
3、亚稳定相的分解
淬火形成的α′、α″、ω和 βr相都是不稳定的 β共析 型的 分解产物是 α+TixMy化合物
最终产物 都是平衡 α+β相
各种亚 稳相分 解过程
（1）过冷βr相分解 ; （2）马氏体分解,钛合金α′、α″在300 ~ 400℃发生快速分解，在400~500℃回火时 →弥散度高的α+β相混合物，弥散强化。 （3）ω相的分解.
机械合金化
(a)搅拌球磨机
(b)滚动球磨机
(c)行星球磨机
金
从颗粒冷焊、 破碎后得到的 片层间距，推 测氧化物弥散 颗粒的间距约 为0.7um ，实 际值远远小于 此值。
Leabharlann 永磁材料 储氢材料 形状记忆合金 超硬材料 超导材料 梯度功能材料 化学催化剂等功能性材料
机械合金化在制备非晶材料、准晶材料、过 饱和固溶体等亚稳材料方面也有着独特的优 势。 非晶态材料一般都用快速冷凝法( RS )制备的, 但其工艺要求高, 必须将材料熔化, 这就使得 熔点相差很大的合金系难于实现, 并且非晶合 金的成分范围较窄,而机械合金化方法不存在 这些问题。
•纳米相复合材料 Ag-Fe, Ag-Pb MA制备纳米相实际上 是一种不断细化、不断 均匀化的过程
如：Al-Pb合金MA 15h后Al晶粒 30nm； Pb晶粒500nm,还有 10nm小 晶粒分布在Al内
机械合金化的定义 机械合金化的历史 机械合金化的特点 机械合金化的装置 机械合金化的主要用途
(a)冷焊 (b)粉末断裂 上图为球—粉末—球碰撞过程 示意图
1、工艺条件简单，成本低； 2、操作程序连续可调，且产品晶粒细小； 3、能涵盖熔炼合金化法所形成的合金范围且 对那些不能或很难通过熔炼合金化的系统实现 合金化，并能获得常规方法难以获得的非晶合 金、金属间化合物、超饱和固溶体等材料； 4、MA在制备非晶或其它亚稳态材料，如：准 晶相、纳米晶材料、无序金属间化合物等方面 极具特色；
激光合金化的定义(精)
物等难熔颗粒。
合金元素与基体的合金化
当激光能量转化成热能的热量达到或超过熔化潜热时，金属表
面处于液态，处于液态的金属表面迅速与添加的合金元素熔合，产
生有别于原基体成分的新合金层。 如：不锈钢1Cr18Ni9Ti激光合金化后：
Ti + C
合金化
TiC
图2 不锈钢基体 X 射线衍射图谱
图3 合金化涂层 X 射线衍射图谱
图1 激光合金化简图
外来合金元素的选择
选择依据：
1、应考虑合金化涂层的性能要求，
2、要考虑合金化元素与母材金属熔体间相互作用的特性， 3、考虑表面合金涂层与母材冶金结合的牢固性，以及合金化涂层
的脆性、抗压、抗弯曲等性能。
在合金化组元的选择上，既有 Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo 等金属 元素，也有C、N、B、Si 等非金属元素，以及碳化物、氧化物、氮化
激光合金化
教学目标 通过本次课程的学习，掌握激光合金化的定义及合金化的 特点。
激光合金化的定义
定义：在工件表面加入合金元素（送粉或预涂），通过激光束
加热使合金元素迅速溶入已熔化的基体表面，此时靠工件本身的导 热，快速凝固为合金层，达到工件所要求的耐磨、耐蚀、耐高温和 抗氧化等特殊性能。 基体为溶剂、合金元素为溶质。
小 结
1、激光合金化的定义是外来合金元素在激光作用下与
基体合金化，形成新的合金相，提高性能。 2、合金元素选择时，既要有金属元素，也要有非金属
或碳化物、氧化物等难容颗粒。
3、合金化后形成的新相以及激光的快速加热、快速冷 却特性是性能提高的主要原因。
作业思考题
1、激光合金化是怎么定义的？ 2、在选择激光合金化材料时，应考虑哪几方面因素？
机械合金化
机械合金化用高能研磨机或球磨机实现固态合金化的过程。
机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。
原理：在球磨初期，反复地挤压变形，经过破碎、焊合、再挤压，形成层状的复合颗粒。
复合颗粒在球磨机械力的不断作用下，产生新生原子面，层状结构不断细化。
在机械合金化过程中，层状结构的形成标志着元素间合金化的开始，层片间距的减小缩短了固态原子间的扩散路径，使元素间合金化过程加速。
球磨过程中，粉末越硬，回复过程越难进行，球磨所能达到的晶粒度越小。
并且，材料硬度越高，位错滑移难以进行，晶格中的位错密度越大，这些又为合金化的进行提供了快扩散通道，使合金化过程进一步加快。
过程：球磨过程中，大量的碰撞现象发生在球－粉末球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑性变形，使粉末受到两个碰撞球的“微型”锻造作用。
球磨产生的高密度缺陷和纳米界面大大促进了SHS反应的进行，且起了主导作用。
反应完成后，继续机械球磨，强制反复进行粉末的冷焊－断裂－冷焊过程，细化粉末，得到纳米晶。
机械合金化的机理：目前公认机械合金化的反应机制，主要有以下两种方式：一是通过原子扩散逐渐实现合金化；在球磨过程中粉末颗粒在球磨罐中受到高能球的碰撞、挤压，颗粒发生严重的塑性变形、断裂和冷焊，粉末被不断细化，新鲜未反应的表面不断地暴露出来, 晶体逐渐被细化形成层状结构，粉末通过新鲜表面而结合在一起如图3[12 ]所示。
这显著增加了原子反应的接触面积，缩短了原子的扩散距离，增大了扩散系数。
多数合金体系的MA形成过程是受扩散控制的，因为MA使混合粉末在该过程中产生高密度的晶体缺陷和大量扩散偶，在自由能的驱动下，由晶体的自由表面、晶界和晶格上的原子扩散而逐渐形核长，直至耗尽组元粉末，形成合金。
如A1—Zn、A1—Cu、A1—Nb 等体系的机械合金化过程就是按照这种方式进行的。
二是爆炸反应；粉末球磨一段时间后, 接着在很短的时间内发生合金化反应放出大量的热形成合金，这种机制可称为爆炸反应(或称为高温自蔓延反应SHS、燃烧合成反应或自驱动反应)。
金属材料复习题
金属材料复习题1、合金化:为获得所要求的组织结构、力学性能、物理、化学或工艺性能而特别在钢铁中加入某些元素2、相变的主要特点：相变是在某一温度范围内进行；临界相变点随碳含量而变，出现了新的相变和产物，在平衡状态下可以两相共存3、碳化物形成的一般规律：k的类型与合金元素的原子半径有关，相似者相溶，强k形成元素优先与碳结合形成碳化物，Nm/Nc比值决定了k类型，碳化物稳定性越好溶解越难析出越难聚集长大也越难4、5、合金钢加热时的转变:A相的形成，K的溶解，F的转变，A相中合金元素的均匀化，溶质元素在晶界平衡偏聚，A晶粒长大6、二次淬火：在回火过程中从残余奥氏体中析出合金碳化物，从而贫化残余奥氏体中的碳和合金元素，导致其马氏体转变温度高于室温，因而在冷却的过程中转变为马氏体。
7、二次硬化：回火温度在500-600℃之间，钢的硬度、强度和塑性均有提高，而在550-570时可达到硬度、强度的最大值8、.特殊K形成途径:原位析出:在回火过程中合金渗碳体原位转变成特殊K。
异位析出:直接由α相中析出特殊K9、.固溶强化：机理固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，其与位错的交互作用将增加位错运动阻力。
降低断后伸长率和冲击吸收能量，降低材料的加工性，提高钢的Tk10、位错强化：机理随着位错密度的增大，增加了位错产生交割、缠结的概率，有效的阻止了位错运动。
降低断后伸长率，提高Tk11、细晶强化：机理钢中的晶粒越细，晶界、亚晶界越多，可有效阻止位错的运动，并产生位错塞积强化。
提高强度，塑性和韧度12、第二相弥散强化：机理钢中的微粒第二相对位错运动有很好的钉扎作用，位错要通过第二相要消耗能量，从而强化。
机制：切割机制、绕过机制，回火时第二相弥散沉淀析出强化，淬火时残留第二相强化13、淬硬性:指在理想的淬火条件下以超过临界冷却速度所形成的M组织能够达到的最高硬度14、脱碳:在各种热加工工序的加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，使刚才表面的碳全部或部分丧失掉15、产生白点的必要条件:氢含量高，充分条件:内应力的存在，防止白点的最根本办法是降低钢中的含氢量，常用热处理方法:去氢退火16、液析碳化物：由于碳和合金元素偏析，在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。
Ti-Al相图(工程材料科学与设计).
三、常用钛合金 Ti合金按退火组织可以分为:
分 类
α钛合金,以TA表示；
β钛合金,以TB表示；
α+β钛合金， 以TC表示.
符号后面的数字表示顺序号。
α钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好， 是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高
各 类 合 金 特 点
α+β钛合金可热处理强化，常温强度高，中温 的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差
钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同
2、ω相的形成
β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时 除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。 ωq是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形 状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金， ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形 ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量， 但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在 热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω 相的形成 → 大多数工业用钛合金都含有A1
各类合金特点钛合金高温性能好组织稳定焊接性好是常用耐热钛合金但常温强度低塑性不高钛合金可热处理强化常温强度高中温的耐热性也不错但组织不够稳定焊接性差合金塑性加工性好合金浓度适当时通过热处理可获得高的常温力学性能是发展高强度钛合金的基础但组织不够稳定冶炼工艺复杂应用程度
Ti-Al相图
一、 钛的基本性质与合金化
合金元素的质量分数（%） （a）Ti-Sn(Al等) （b）Ti-V(Mo等) （c）Ti-Mn(Cr等) （d）Ti-Zr 图 钛与常见合金元素间的四种典型二元相图
二、 钛合金的相变特点 1、马氏体转变
β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。
基 本 概 念
高速钢w18cr4v合金化特点
高速钢w18cr4v合金化特点
高速钢W18Cr4V是一种常见的高速切削钢，具有以下合金化特点：
1. 高硬度，W18Cr4V高速钢在淬火后能达到62-67HRC的高硬度，使其适用于切削、钻孔和刨削等高速加工工艺。
2. 耐磨性，该合金钢中的合金元素能够提高其耐磨性，延长刀具的使用寿命，特别是在高温高速切削条件下表现出色。
3. 耐热性，W18Cr4V合金钢具有良好的耐热性能，能够在高温条件下保持较高的硬度和强度，适用于高温切削加工。
4. 切削性能，由于合金化元素的加入，W18Cr4V高速钢具有良好的切削性能，能够在高速切削时保持较好的切屑排出和切削稳定性。
5. 抗断裂性，该合金钢经过适当的热处理后，具有较好的抗断裂性能，能够在高负荷和冲击负载下保持较好的稳定性。
总的来说，W18Cr4V高速钢的合金化特点主要包括高硬度、耐磨性、耐热性、良好的切削性能和抗断裂性，使其成为广泛应用于金属加工领域的重要材料之一。
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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
④2VO+ Si=2V+SiO2
当钢中加入钒时，硅铁消耗增加．
硅锰结合，Mn可下降，因为Ｓi引起的脱碳，Si有微弱的抑制晶粒长大的作用，可稍下降Mn引起的调质粗晶，有相互改善作用．硅对钢性质的影响：
1600℃纯铁中每增加1％的硅，碳的饱和溶解度降低0.294％；铁的熔点降低8℃,密度降低80kg/m3；［Ｎ］的饱和溶解度降低0.003％；［Ｈ］降低1.4cm3/100g，钢的凝固区间增加10℃；钢液的收缩率提高2.05％．（四）碳的特点
碳也是重要的合金元素，钢的碳决定了钢的液态和凝固性质。
在1600℃[Ｃ]≤0.8%时碳钢的熔点降低6.5℃,密度减少4 kg/m3；黏度降低0.7%；[Ｎ]的溶解度降低0.001%；[Ｈ]的溶解度降低0.4cm3/100g，增大凝固区间17.79℃。
（五）钒的特点：
钒是强碳化物形成元素，所形成的碳化物极其稳定不易溶解。
钒氮合金应用于高强度低合金钢中，可用于进行有效的钒氮微合金化，促进钢中碳钒氮化物的析出，更有效地发挥沉降强化和细化晶粒作用。
钒容易氧化，故应在钢液脱氧良好时加入，并随即补加一批硅铁料，以稳定和提高钒的回收率。
加入钒氮合金时，因钒与硅反应，各种碳化物，碳氮化合物，在钢液中激烈反应，加入的合金不易结块。
（六）钢水覆盖剂
成分CaO15~25%，SiO238~45%，AI2O33~8%,熔点1200~1300℃。
三、冶炼HRB335钢脱氧合金化实际操作
钢水量54吨，加入锰硅合金1300公斤，硅合金150公斤，碳130公斤，硅钡钙60公斤，将钢水覆盖剂提前加入包内在钢水流出总量的4/1时开始加入硅钡钙脱氧，加入碳粉再加入锰，硅等合金，加合金同时吹氮搅拌，由于加入量大不可一次将合金全部加完，应在中途关停一次，钢水流出3/4时全部加完，钢水快出完时投入挡渣球挡渣。
冶炼HRB400钢脱氧合金化与335基本相同。
钢水量540吨，加入锰合金1300公斤，硅合金180公斤，碳130公斤，硅钡钙60公斤，钒氮合金30公斤，过程与上同，钒氮合金最后加入。
四、改进脱氧合金化的特点原理
在钢包内提前加入钢覆盖剂对合金结块现象有所改善。
加入到钢包中的覆盖剂，溶点比钢水温度低，形成一层液渣稀释钢包中原有炉渣，使合金加入钢包内无阻挡，易化开，不会浮在炉渣上，而深入钢水中溶化。
覆盖剂还能吸附钢液表面有害及杂物，防止钢水二氧化和热辐射，不结壳，对钢成份没有污染。
加强吹氮过程，从原来3分钟延长到4分钟，预防合金结块，均匀成分。
从硅的特点知道由于硅与钒反应，使钒的收得率提高，硅的消耗增加冶炼HRB400钢时，合金不易结块。
五、实际效果
使用覆盖剂后提高了合金收得率，降低了钢水中的夹杂物含量。
提高稳定了钒的收得率。
减少了钢包中的炉渣量和钢水回磷量。
六、结语
用硅钡钙脱氧可以稳定，提高合金元素的回收率。
善用各种现有材料改善钢水流动性，有效去除钢中夹杂物，提高钢水纯净度。
参考文献
1.《炼钢学》
2. 《河南冶金》2006年增刊
3. 《甘肃冶金》2009年12月
4.《转炉炼钢问答》
转炉炼钢脱氧合金化的特点
姓名：贾卫国
鉴定等级：炼钢技师
单位：陕西略阳钢铁有限责任公司炼钢分厂日期：2010年8月。