钢中的碳化物
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。
热处理碳化物
热处理碳化物
热处理碳化物是指在高温下将含碳材料加热处理而形成的物质。
热处理碳化物通常是由钢中的碳与其他合金元素结合形成的，它的形成对钢材的性能有着重要的影响。
在热处理过程中，碳化物的形成主要取决于温度、时间和钢材的成分。
碳化物的形态和组成取决于加热和冷却速率、钢材的结构稳定性等因素。
通过精确控制热处理的工艺参数，可以有效地控制碳化物的形成，从而获得理想的材料性能。
例如，淬火是一种常用的热处理方法，通过快速冷却来提高钢材的硬度和强度。
淬火后，钢材中的碳化物分布更加均匀，有助于提高钢材的耐磨性和耐蚀性。
此外，等温退火也是常用的热处理方法之一。
等温退火过程中，钢材需要在适当的温度下进行长时间保温，以促进碳化物的形成和扩散。
这种方法有助于改善钢材的机械性能，如抗拉强度和韧性。
综上所述，热处理碳化物是钢材在高温处理过程中形成的重要物质，其形态和组成对钢材的性能有着重要的影响。
通过精确控制热处理的工艺参数，可以有效地调控碳化物的形成，从而提高钢材的硬度和强度、改善其耐磨性和耐蚀性等性能。
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。
地低碳钢中碳化物的形成
地低碳钢中的碳化物主要是通过固溶态碳与铁元素在钢中形成的。
以下是地低碳钢中碳化物形成的基本过程：
1. 固溶态碳：地低碳钢中的固溶态碳通常以间隙原子（interstitial atoms）的形式存在，即碳原子占据了铁晶格的间隙位置。
这些碳原子以固溶的形式弥散在铁基体中。
2. 碳扩散：在高温下，固溶态碳会发生扩散。
当钢材加热到一定温度时，固溶态碳原子会从高浓度处向低浓度处扩散。
这种扩散过程是热力学驱动的，它追求达到平衡状态并减少自由能。
3. 碳化反应：当固溶态碳原子扩散到铁基体中的特定位置时，它们可以与铁原子发生化学反应形成碳化物。
碳化物通常以Fe3C 的形式存在，也被称为渗碳体或水滑石。
4. 细化和析出：形成的碳化物会细化钢材的晶粒，并在晶界和晶内析出。
这些碳化物的析出会影响钢材的力学性能和硬度。
根据碳化物的形态、分布和数量，地低碳钢可以具有不同的组织结构和力学性能。
需要注意的是，碳化物的形成受到钢材的化学成分、热处理条件和冷却速率等因素的影响。
通过调整这些因素，可以控制碳化物
的形成和分布，以达到所需的钢材性能。
此外，碳化物的形成也与碳浓度有关。
地低碳钢中的碳含量较低，因此碳化物的含量通常较少。
而高碳钢则具有更高的碳含量，从而导致更多的碳化物形成。
总体而言，地低碳钢中的碳化物形成是一个复杂的过程，它涉及固溶态碳的扩散和与铁原子的化学反应。
了解碳化物的形成过程有助于我们理解钢材的组织结构和性能，并为钢材的热处理和优化提供依据。
金属材料学思考题答案
金属材料学思考题答案2绪论、第一章、第二章1．钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类，各有什么特点答：分为简单点阵结构和复杂点阵结构，前者熔点高、硬度高、稳定性好，后者硬度低、熔点低、稳定性差。
2．何为回火稳定性、回火脆性、热硬性合金元素对回火转变有哪些影响答：回火稳定性：淬火钢对回火过程中发生的各种软化倾向（如马氏体的分解、残余奥氏体的分解、碳化物的析出与铁素体的再结晶）的抵抗能力回火脆性：在200-350℃之间和450-650℃之间回火，冲击吸收能量不但没有升高反而显着下降的现象热硬性：钢在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能合金元素对回火转变的影响：①Ni、Mn影响很小，②碳化物形成元素阻止马氏体分解，提高回火稳定性，产生二次硬化，抑制C和合金元素扩散。
③Si比较特殊：小于300℃时强烈延缓马氏体分解，3．合金元素对Fe-Fe3C相图S、E点有什么影响这种影响意味着什么答：凡是扩大奥氏体相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等；凡是封闭奥氏体相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo等E点左移：出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2％时就可以出现共晶莱氏体。
S点左移：钢中含碳量小于％时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。
4．根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能:40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo。
1）淬透性：40CrNiMo 〉40CrMn 〉 40CrNi 〉 40Cr2）回火稳定性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉 40CrMn 〉 40Cr3）奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn 〉 40Cr 〉 40CrNi 〉 40CrNiMo4）韧性：40CrNiMo 〉40CrNi 〉40Cr〉40CrMn (Mn少量时细化组织)5）回火脆性： 40CrMn 〉40CrNi> 40Cr 〉40CrNiMo5.怎样理解“合金钢与碳钢的强度性能差异，主要不在于合金元素本身的强化作用，而在于合金元素对钢相变过程的影响。
合金钢中碳化物的形成规律
合金钢中碳化物的形成规律哇，合金钢中碳化物的形成规律？听起来是不是有点高深？别担心，我来给你解开这个谜团。
首先，让我们从最基础的部分开始聊聊，什么是合金钢。
合金钢，简单来说，就是钢里加了一些其他金属，像是铬、镍这些小伙伴。
就像把巧克力加到牛奶里一样，钢里加入这些金属就能改变它的特性，让它更强、更耐磨。
好啦，合金钢中碳化物的形成，这个话题可是有点复杂。
不过别怕，我们一步步来。
先来说说什么是碳化物。
碳化物，顾名思义，就是碳和其他金属元素结合后的产物。
它们在合金钢里扮演的角色非常重要，就像是一个钢铁侠里的小帮手，能增强钢材的硬度和耐磨性。
碳化物的形成就像是做菜时加调料一样，是让合金钢变得更有“味道”的关键步骤。
说到这儿，大家可能会好奇，碳化物到底怎么形成呢？其实这就像是烹饪时的火候问题。
钢在高温下冷却时，碳就会跟其他金属元素结合，形成各种各样的碳化物。
这些碳化物在钢材中分布得越均匀，它的性能就越好。
比如，加入铬、钨等元素时，碳化物会形成钨碳化物或铬碳化物，这些碳化物会提高钢的硬度和耐磨性。
讲到这里，可能大家会觉得碳化物的形成有点像是调配神秘药水，其实它的原理并不复杂。
我们可以把它理解成在钢铁中加入了“魔法成分”，让它变得更加耐用。
合金钢中的碳化物就像是钢铁的“保护神”，它们的存在可以让钢材在高温高压的环境下仍然保持出色的性能。
要想了解碳化物形成的具体规律，我们还得聊聊温度和成分的关系。
就像做饭时火力过大会让菜烧焦，钢在高温下的冷却速度也会影响碳化物的形成。
如果冷却得太快，碳化物可能会形成得不均匀；如果冷却得太慢，钢材可能会变得过于脆弱。
因此，掌握好冷却的火候是非常重要的。
这就好比烤蛋糕，要掌握好温度和时间，才能做出既松软又美味的蛋糕。
另外，不同的合金元素会影响碳化物的种类和分布。
这就像是制作一款混合饮品时，加入不同的果汁会影响饮品的口感。
比如，铬元素会促进铬碳化物的形成，而钨元素则会增加钨碳化物的数量。
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。
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第二节钢中的碳化物
一、一般特点：
碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有极重要的影响。
碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔点。
这表明它具有共价键特点；
碳化物具有正的电阻温度系数，具有导电特性。
这表明它具有金属键特点；
碳化物具有金属键和共价键的特点，以金属键占优。
二、碳化物的结构
过渡族金属的碳化物中，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密排结构。
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密排结构。
因此过渡族金属的原子半径(γM)和碳原子半径(γC)的比值(γC/γM)决定了可以形成简单密排还是复杂结构的碳化物。
金属元素的γC/γM值如下：
金属Fe Mn C r V Mo W Ti Nb Zr
γc/γM 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.52 0.48 1、当γC/γM <0.59时，形成简单点阵的碳化物
(1)形成NaCl型简单立方点阵的碳化物。
如VC、NbC、TiC、ZrC等，这种MeC相不具备严格的化学计算成分和化学式，一般形式将是MeC，其中0.5≤C≤1。
碳化物中碳浓度的下降使碳化物硬度下降，点阵常数减小。
(2)形成六方点阵的碳化物
如Mo
2C、W
2
C、MoC、WC。
2、当γC/γM >0.59, 形成复杂点阵的碳化物(1)复杂立方点阵
如Cr
23C
6
, Mn
23
C
6
, Fe
3
W
3
C, Fe
3
Mo
3
C
(2)复杂六方点阵
如Cr7C3，Mn7C3；
(3)正交晶系点阵
如Fe3C，Mn3C。
三、碳化物的稳定性
钢中各种碳化物的相对稳定性，对于其形成和转变、溶解、析出和聚集、长大有着极大的影响。
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，所析出的碳化物在钢中就越稳定。
下面给出部分合金元素的d层电子数
第四周期Ti V Cr Mn Fe Co Ni
3d电子数2345678
第五周期Zr Nb Mo
4d电子数245
第六周期Hf Ta W
5d电子数234
从第四周期合金元素来看：
与碳的亲和力钛>钒>铬>锰,而钴和镍的3d层电子数比铁多，与碳的亲和力比铁弱，故在钢中不形成碳化物。
在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：
Hf > Zr > Ti > Ta > Nb > V > W > Mo > Cr > Mn > Fe > Co > Ni
铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；
钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素；
锰、铁是弱碳化物形成元素。
合金碳化物在钢中的行为与其自身的稳定性有关，
强碳化物形成元素它所形成的碳化物比较稳定，其溶解温度较高，溶解速度较慢，析出和聚集长大速度也较低。
弱碳化物形成元素的碳化物稳定性较差，很容易溶解和析出，并有较大的聚集长大速度。
碳化物的稳定性可由下式来归纳表示：
合金元素种类d层
电子数稳定
性
溶解
温度
溶解速
度
聚集
长大速度
强碳化物元素较少较好较高较慢较慢
弱碳化物元素较多较差较低较快较快
四、碳化物的相互溶解
钢中往往同时存在着多种碳化物形成元素，在一种碳化物中可溶解其它元素，形成含有多种合金元素的复合碳化物。
各种碳化物之间可以完全溶解或部分溶解。
影响不同类型碳化物溶解度的因素是：
(1)碳化物的点阵类型；
(2)合金元素的尺寸因素；
(3)合金元素的电化学因素。
1.完全互溶
各种碳化物具有相同的点阵类型，
碳化物中的金属原子的外层价电子结构相近，原子半径差<8-10%，这些碳化物彼此能够完全互溶，（即碳化物中的金属原子可以任意彼此互相置换）。
例如：
(1)Mn3C - Fe3C -(Fe,Mn)3C
(2)VC - TaC - NbC - ( V,Nb,Ta)C
(3)Mo2C - W2C
(4)Fe3W3C - Fe3Mo3C - Fe3(W,Mo)3C
2.有限溶解：
如果三个因素中任意一个不合适，则碳化物之间就形成有限溶解。
例如：
(1)Fe3C中可溶解<28%Cr, <14%Mo, <2%W, <3%V,形成合金渗碳体。
(2)(Fe,Cr)3C中铬含量超过28%，则合金渗碳体转换形成以铬为主的碳化物
(Cr,Fe)7C3。
(3)Cr23C6→ (Cr,Fe,Ni,Mn,W,Mo)23C6
(4)W2C-W0.5Cr1.5C
各种碳化物的互溶影响了它们各自的稳定性。
强碳化物形成元素溶解于弱碳化物中，可提高弱碳化物的稳定性；反之，则降低强碳化物的稳定性。