金属材料科学(第一章 钢的合金化)3
第一章 钢铁中的合金元素.
因此，过渡族金属元素可依其与碳的结 合强度的大小分类： 1、钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素； 2、钨、钼、铬是中等强度碳化物形成元 素； 3、锰和铁属于弱碳化物形成元素。
强碳化物形成元素形成的碳化物比较稳定， 其溶解温度也较高，而溶解速度较慢，析 出后聚集长大速度也较低。 MC型碳化物：由强碳化物形成元素Ti、 V、Nb、Zr形成，在900℃以上才开始溶 解于γ-Fe中，1100℃以上才大量溶解， 在500～700℃范围析出时，具有较低的 聚集长大速度，因而可以成为钢中的强化 相。
第三节 钢中的碳化物和氮化物
1、碳化物的类型 当rc／rM＜0.59时．形成简单密排
结构的间隙化合物； 当rc／rM＞0.59时，形成复杂结构 的间隙化合物。
简单点阵碳化物结构示意图
复杂点阵碳化物结构示意图
简单点阵的碳化物，也叫间隙相，主要 有MC和M 2C类型。 复杂点阵的碳化物 主要有 M 23C6 、 M 7C3和 M 3C类型。 钢中由于 Fe－Me－C三种元素存在，还 会形成三元碳化物 ，包括 MC、M 2C、 M 23C6 、 M 7C3、 M 3C 和 M 6C六种 类型。
M2C型碳化物：主要是中强碳化物
形成元素W和Mo形成的，在钢中的 稳定性较差，但仍可做500~650℃ 范围的强化相。
M23C6型碳化物：Cr23C6的稳定性
更差，只有在少数耐热钢中，经过 综合合金化后，才有较高的稳定性， 例如（Cr，Fe，V，Mo，W）23C6 可在奥氏体耐热钢中作为沉淀强化 相。 M7C3及M3C型碳化物：很容易溶解 和析出，并有较大的聚集长大速度， 因此不能作为高温强化相。
2、扩大α区的元素（铁素体形成元素）
金属材料学教学大纲
金属材料学(Science of Metal Materials)课程编号：07171390学分：3学时： 48 （其中：讲课学时：38 课堂讨论学时：10 ）先修课程：金属学、热处理原理、热处理工艺、工程材料力学性能适用专业：金属材料工程、材料成型加工、冶金专业。
教材：戴起勋主编.金属材料学.北京：化学工业出版社，2005.9开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业必修课。
在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。
二、课程的基本内容及要求绪论（金属材料的过去、现在和将来）：1．教学内容（1）金属材料发展简史（2）现代金属材料（3）金属材料的可持续发展与趋势2．基本要求了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。
第一章钢的合金化概论1．教学内容（1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布；（2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变；（3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化；（4）合金元素对钢工艺性能的影响；（5）微量元素在钢中的作用（6）金属材料的环境协调性设计基本概念；（7）钢的分类、编号方法。
2．基本要求（1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法（3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响（4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律（5）理解微量元素在钢中的作用（6）了解材料的环境协调性设计基本概念第二章工程构件用钢1．教学内容（1）工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势2．基本要求（1）了解工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）掌握普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）理解提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势第三章机器零用钢1．教学内容（1）机器零件用钢一般性能要求（2）机器零件用钢：调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、轴承钢、高锰耐磨钢、渗碳钢、氮化钢、非调质钢等合金化原则和性能及其典型钢种（3）（超高强度钢简介）（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展2．基本要求（1）掌握机器零件用钢一般服役条件及性能要求（2）掌握常用机器零件用钢的合金化原则和性能及其典型钢种（3）了解超强度钢（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展第四章工模具用钢1．教学内容（1）工具用钢的合金化、组织性能的特点及分类（2）低合金刃具钢的合金化，热处理特点，典型钢种。
钢合金化概论综述课件
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钢合金化的历史和发展
早期的钢合金化主要是为了提 高钢的硬度和强度，以满足制 造刀具、工具和武器等的需求 。
随着工业和技术的发展，钢合 金化的应用范围不断扩大，涉 及到建筑、桥梁、船舶、汽车 、航空航天等领域。
现代钢合金化技术不断发展， 新型的合金元素和复合合金化 方法不断涌现，进一步提高钢 的性能和应用领域。
02
钢合金化的原理
钢合金化的理论基础
合金元素与铁的相互作用
了解不同合金元素与铁的相互作用，以及它们如何 影响钢的性能。
合金元素在钢中的分布
研究合金元素在钢中的分布规律，以及如何通过合 金化实现均匀分布。
合金元素对钢相变的影响
探讨合金元素如何影响钢的相变过程，以及如何通 过合金化调控相变行为。
钢合金化的化学反应
高耐腐蚀钢
在海洋工程、石油化工等 领域，耐腐蚀钢的应用越 来越广泛，以提高设备和 设施的使用寿命。
高耐磨钢
在矿山、建筑等重型机械 行业，耐磨钢的应用可以 显著提高设备的耐用性和 安全性。
低成本钢合金的发展趋势
优化生产工艺
01
通过改进生产工艺和降低生产成本，提高钢合金的性价比和市
场竞争力。
再生利用
02
熔炼技术发展
随着科技的不断进步，新型的 熔炼技术如电渣重熔、等离子 熔炼等不断涌现，提高了钢液 的质量和纯净度。
钢合金化的铸造技术
铸造设备
钢锭铸造机、连续铸造机等，用 于将钢液铸造成钢锭或连续铸坯
。
铸造工艺
包括浇注、冷却、矫直等步骤，以 获得合格的钢锭或铸坯。
铸造技术发展
钢的合金化基础(ppt)
含 量 稍 很高 低： ：形 置成 换 F ， ， eF 多 渗 如 2M e 形 元 碳 4C o（ 成 M 碳 体 6C 合 形 化 中 金 （ ） F 物 的 F2e 渗 W 1 e 、 2） C C 3C 6(碳 M r2C 36 体 ) ，如
同时向钢中加入两类元素时，其作用往往相互抵消。但也有例外，如铬是 铁素体形成元素，当钢中含wcr18%与镍同时加入时却促进奥氏体的形成。
(二)合金元素与碳的相互作用 是形成碳化物，还是形成固溶体？ 取决于形成碳化物的趋势及其含量。xC＋yM＝MxCy △G 非碳化物形成元素：如镍、铜、硅、磷、铝、钴等。 碳化物形成元素：如钛、铌、锆、钒、钼、钨、铬、锰等。
按照合金元素与铁的相互作用所形成的二元状态图的不同形式，可将合金元
素分为两大类： 扩区 大A ： 4点 ， A3点 ， 区扩 A 大 形成元素 缩区 小A ： 4点 ， A3点 ， 区缩 F小 形成元素
为什么有的合金元素扩大γ区，而有的缩小γ区呢? 取决于：点阵类型、原子尺寸、电子结构和电化学等因素
另外，热处理方式→影响扩散条件→影响碳化物种类
2. 碳化物特性 碳化物是钢中最重要的强化相→提高强度、硬度。 碳素钢、合金钢, 镍基、钴基等高温合金中碳化物的强化作用都占有相当 重要的地位。因此，应对碳化物的特性作进一步分析。 根据合金钢中常见的碳化物种类，主要有以下几个方面特性：
(1)硬度：
碳化物具有高硬度，其形成碳化物的倾向性越强，其硬度越高。 如TiC，硬度最高。
易与C形成碳化物，但加入数量较少时也可溶入固溶体 或渗碳体
金属材料学知识点总结
二、金属材料的制备
制备（加工）工艺 冶炼与凝固 成型与热处理
冶金与凝固理论 塑性成型与固态相变理论
二、金属材料的制备
退火(annealing)
普通热处理
正火(normalizing) 淬火(quenching)
整体热 处理
回火(tempering)
热
表面淬火—感应加热、火焰加热、
处
表面热处理
• 使用性能是保证能不能使用；
• 工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。 • 两者有时是一致的，有时互相矛盾。
金属材料的力学性能
➢ 力学性能指金属在力的作用下所 显示出的与弹性和非弹性反应相关或 涉及应力-应变关系的性能，如强度、 塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳等
力学性能是选择和使用结构金属材料的重要依据。
• 包括工程结构钢（碳素结构钢和低合金高强度钢）和机 械制造结构钢（优质碳素结构钢和合金结构钢）。
• 工模具钢
•可分为碳素工具钢和合金工具钢。或者刃具钢、冷变形模 具钢、热变形模具钢和量具钢等。
• 特殊性能钢
•主要为不锈耐蚀钢和耐热钢，均为合金钢。
钢铁材料
3、按冶金质量分类 • 普通钢：S≤0.055%，P≤0.045%。 • 优质钢：S≤0.035%，P≤0.035%。 • 高级优质钢：S≤0.030%，P≤0.030%。 • 特级优质钢： S≤0.020%，P≤0.025%。 • 注：碳素钢有普通级，而合金钢没有普通级。
1. 材料科学与工程、金属材料学
材料科学与工程的 主要任务
确立两个关系：
• 性能与成分、组织 结构间的关系；
• 组织结构与成分和 加工工艺间的关系
性能 材料应用的基础
提高材料性能的途径
2019年金属材料学-金属材料合金化基础(第一章)教案.doc
表1-1 碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自GB700-88）注：1.带“*”号处Q235-A、B级沸腾钢锰的质量分数上限为0.60%。
2.本类钢通常不进行热处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质含量，不考虑碳含量。
图1-1 扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图（2）α相稳定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。
根据铁与合金元素构成的相图的不同，又可分为如下两种情况：图1-2 扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭) 合金元素使A3升高，降，使相区缩小但不能使其完全封闭。
如图1-4。
这类合金元素有：综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大γ相区的元素称为奥相区的元素称为铁素体的形成元素。
显上述合金元素与铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。
如欲发展奥氏体钢时，需要往钢中加等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加等铁素体形成元素。
图1-4 缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)最后应该指出，同时向钢中加入两类合金元素时，其作用往往相互Cr铁素体形成元素，在Cr18%与合金元素的摩尔原子浓度对1000℃时碳在奥氏体中的相对活度系数C f的影响合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响如图。
由图可知，碳化物形成元素如Cr、Mo和W等升高扩散激活能，这是由于碳化物形成元素降低了C的活度，图1-6 合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响图1-7 合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响四、合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响。
图1-8 合金元素对共析温度的影响图1-9 合金元素对共析含碳量的影响奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。
金属材料学课堂笔记汇总
第一章钢的合金化概论
1.1 合金元素和铁的作用
1.金属材料可以分为和。
2.指出钢中的杂质类型，并举例说明。
3..合金元素对铁的影响分为哪两类，并分别指出其特点。
4.能与α无限互溶的元素有等，当合金足够大时，钢在室温
时称为；能与γ-Fe有限互溶的元素有等，能形成和。
5.封闭γ相区的元素有，封闭γ相区的元素
有。
6.凡是扩大γ相区的S、E点向移动，如；凡是封闭(缩小)γ相区的S、E点向移动，如；
1.2合金钢中的相作用
1.决定组元在置换固溶体中的溶解条件是，，。
2.指出与α-Fe无限互溶的条件，并举例说明。
3.指出与γ-Fe有限互溶、无限互溶的条件，并举例说明。
4.间隙固溶体总是固溶体，影响溶解度的因素有，。
5碳化物具有和的特点，以，占优。
1.3
1.指出合金元素在钢中的存在状态。
2.合金元素的偏聚机理有，，，的原理。
3.简述碳化物在奥氏体中的溶解规律。
4.影响γ相形成的因素有哪些？请详细说明。
5.指出合金元素对奥氏体颗粒长大的影响因素。
1.4
1.指出不同合金成分的奥氏体等温转变的规律。
2.合金元素对奥氏体转变可以分为，和的影响。
3.分析合金对珠光体转变的影响规律。
4.合金元素对贝氏体转变的主要影响途径。
金属材料学：第1章 金属材料合金化基础
第一章 金属材料合金化基础 金属材料按其组成材料的元素是单个还是多个可分为纯金属和合金。按其色质或主要组成元素的种类在习惯上又可分为黑色金属与合金以及有色金属与合金两大类。黑色金属与合金是指铁、铬、锰和以铁、铬、锰为主的合金；有色金属与合金是指除铁、铬、锰以外的其它金属或其主要组成元素不是铁、铬、锰的合金。由于铁基合金（钢铁材料）在黑色金属材料中占据极其重要的地位，因此习惯上人们常把除铁和钢以外的金属及其合金称为有色金属或非铁合金。本章重点讲授钢的合金化原理，并在此基础上介绍有色金属材料合金化的特点。
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。 磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（＜0.06%），而在碱性电炉和电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在α-铁中的最大溶解度可达2.55%(1049℃)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。 磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE等低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保证取得细晶组织的条件下（如用Al脱氧的钢），磷的冷脆作用得以抑制。故在σs、σb升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。 此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含磷量提高到0.08%~0.15%时，可使铁素体适当脆化，从而提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。 3．氮、氢、氧的影响 氮是在冶炼时进入钢中的。氮在α-铁中的溶解度在590℃时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌等合金元素时，氮可以与之形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。此外氮化钢就是利用氮化物相强化钢铁材料零件的。 氢在钢中的溶解度甚微，对钢的组织看不出什么影响。但由于氢和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。钢中较常见的是“白点”和氢致延迟断裂。钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子，由于微孔核心等很小，很少的氢气便可产生相当大的压力，这种内压力大到足以通过塑性变形或解理使裂纹长大或使微孔长大、连接时便产生氢脆断裂，呈白点特征。当氢在位错附近偏聚形成“气团”时，“氢气团”的运动遇到障碍产生位错塞积的同时也就造成了氢的偏聚，当偏聚在裂纹尖端的氢含量达到临界值时，该区域发生脆化，裂纹向前扩展，到一定距离后裂纹扩展停止；当裂纹前方的氢偏聚再次达到临界值时裂纹再次扩展，如此不连续式的扩展，最后达到临界尺寸而失稳断裂。 氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。这些非金属夹杂物有易变形的，如2MnO•SiO2、MnO•SiO2，与硫化物相似，沿加工方向伸长，呈线段状；也有不易变形的，如各种氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2和FeO等，沿加工方向呈链状分布。非金属夹杂物对钢的质量有重要影响，这种影响不仅和夹杂物的成分、数量有关，而且还和它的形状、大小，特别是分布状况有关。 为了保证钢材在使用中不出现问题，钢材生产厂都必须严格按照国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级；钢材使用单位即用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析，对组织和缺陷及夹杂物做金相分析，对力学性能作力学试验。
钢铁材料第一章概要
4．缩小γ区，但不使γ区封闭型
• 合金元素使A3点 上升， A4点下降， 使γ区缩小但不封 闭。这类元素有B、 Nb、Ta、Zr等。
• 应当指出:
• 在上述各种铁基二元合金中，合金元素除溶于 α—Fe或γ—Fe以外，当元素含量高时，还可 能形成金属间化合物。
• 综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大 相区的元素称为奥氏体形成元素；将缩小或封 闭相区的元素称为铁素体形成元素。
1.2.3 合金元素与铁的相互作用
• 合金元素加入钢中之后，对钢的相变、组 织和性能的影响一般取决于合金元素与铁 和碳的相互作用。
• 合金元素对Fe的同素异构转变有很大的影 响，这一影响主要通过合金元素在α-Fe和 γ—Fe中的固溶度以及对γ—Fe存在温度区 间的影响表现出来。而这两者又取决于合
• 以第四周期元素为例，其中过渡族元素由钛到铜，随着原 子序数的增高，元素的晶体点阵由体心立方向面心立方转 变、其中钛、钒和铬具有体心立方点阵；锰、铁和钴在其 多型件转变中都存在面心立力点阵。镍和铜只有单一的面 心立方点阵。从其d层电子数来看，从钛到铜，3d层电子 由2个增加到10个。3d层电子数小于等于5的元素是缩小γ 相区的，如钛(2个)和钒(3个)；3d电子数大于等于5的元 素是扩大γ相区的，如锰(5个)、钴(6个)、镍(8个)和铜(10 个)。介于钒和锰之间的铬(5个)具有过渡性，铬的质量分 数在小于7．5％时使A3下降，大干7.5％时又使A3上升。 Fe-Cr相图中虽然有封闭的γ相区，但铬在γ相中有较大的 溶解度。
金元素与铁所构成的二元合金状态图。为 此可以将合金元素分为两大类型。
1．无限扩大γ区型
• 合金元素使区扩展， 与γ—Fe形成无限固 溶体，与α -Fe形成 有限固溶体。它们均 使A3点降低，A4点 升高。这类元素有 Mn、Ni、Co等。
1钢的合金化概论分析
概念:加入适当元素改变金属性能→称合金化。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。 形成的钢称合金钢。低合金钢≤5%、中合金钢＝5-10%、 高合金钢＞10%。
§1.1钢中的合金元素及其分类依据
一、钢中常存杂质元素
常存杂质
冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
1）细化晶粒、组织—— Ti、Nb、V、W、Mo； 2）↑回火稳定性 —— 强K形成元素 ； 3）改善基体韧度 —— Ni ； 4）细化K —— 适量Cr、V，使K细小均布 ； 5）↓回脆 —— W、Mo ； 6）在保证强度水平下，适当↓含C量.
↑冶金质量。 7） ↓第二相数量 和改善形态 8)对延性断裂/解理断裂/沿晶断裂,提高韧性侧重点不同..。
三、合金元素对过冷A体分解转变的影响
•对过冷A体的稳定性的影响
1）Ni、Si和Mn，大致保持 C钢的“C”线形状，使 “C”线向右作不同程度的移动；
2） Co不改变“C”线，但使“C”线左移；使C曲线右移， 即提高钢的淬透性。 3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。 4）K必须溶入A中才能起到用，包括C，否则因未溶K可成为A分解
晶粒大小对强度、韧脆转变温度TK的影响
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。
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式 0.2 0 S d g p
使VC的溶解温度从1100℃降至900℃。
但非K形成元素（如Ni）则相反,↑ac，↓K的溶解。
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γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒、铌可以置换 铝，而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。
γ’相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。
1. 4 钢的强韧化机制
合金化目的：提高性能
结构钢：力学性能
强度与韧性、塑性的矛盾
综合性能：强度与韧性的匹配
高强钢：韧性 疲劳：表面硬度 耐磨：硬度与韧性
Mn↑，使P扩散加快，促进了钢的回火脆性； Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。
点阵类型：bcc点阵内吸附较fcc强烈
1.6 钢中微量合金元素的作用
一、钢中常见的微量元素
1 微合金化：Ti、V、Nb、Zr、B、N、稀土
2 净化、变质、控制夹杂物形态：
B、Ca、Ti、Zr、稀土
3 改善加工性：S、Ca、Pb、Se、Te、Bi
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
二、Me的偏聚（segregation）
偏聚 现象
Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。
偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.
Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；
20MnSi钢不同晶粒度的低温冲击性能
1. 4 钢的强韧化机制
2、提高钢韧性的合金化途径
1）细化晶粒、组织—— 如Ti、V、Mo；
2）提高冶金质量，降低有害元素含量
3）细化K —— 适量Cr、V，使K小而匀 ； 4）细化亚结构—消除粗大组织 5）利用残余奥氏体韧化 6）利用相变诱发韧性
↑回火稳定性 — 如强K形成元素 ；↓回脆 —— W、Mo ； 在保证强度水平下，适当↓含C量
1. 4 钢的强韧化机制
合金元素对低碳铁素体强度和塑性的影响 Si、Mn的固溶强化效应大，但Si >1.1%，Mn >1.8%时，钢的塑 韧性将有较大的下降。C、N固溶强化效应最大。
1. 4 钢的强韧化机制
2、位错强化
表达式
d K d
1/ 2
机理
位错密度ρ↑ →↑↑位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 →↑钢强度。 对bcc晶体，位错强化效果较好 ?
第1章 钢铁中的合金元素
1. 3 合金钢中的相组成
合金元素加入钢中，一般要形成各种相： 1、形成固溶体 间隙固溶体 C、N 置换固溶体 2、形成具有金属性质的化合物 C、N、B（碳化物、氮化物、硼化物） 金属间化合物 3、非金属相 氧化物、硫化物、硅酸盐
1. 3 合金钢中的相组成
3、非金属相：
一般为非金属夹杂物。
1. 4 钢的强韧化机制
在低碳结构钢中各种强化效果示意图
1. 4 钢的强韧化机制
对结构钢，细晶强化和沉淀强化贡 献最大。合金钢与C钢的强韧性差异， 主要不在于Me本身的强化作用，而在于 Me对钢相变过程的影响，并且Me的良好 作用，只有在进行合适的热处理条件下 才能充分得到发挥。 需要充分理解
1. 4 钢的强韧化机制
导致钢产生回火脆性
思 考 题
1．描述下列元素在普通碳素钢的作用： (a)锰、(b)硫、 (c)磷、(d)硅。 2 ．当轧制时，硫化锰在轧制方向上被拉长。在轧制板 材时，这种夹杂的缺点是什么? 3．对工程应用来说，普通碳素钢的主要局限性是哪些? 4 ．列举五个原因说明为什么要向普通碳素钢中添加合 金元素以制造合金钢? 5．叙述1.0~1.8％锰添加剂强化普通碳素钢的机理。
γ’本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高， 同时具有一定的塑性。这些基本特点使γ’相成为高温合金最主要 的强化相。 时效析出的γ’相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状。
(4) 钢中的金属间化合物
3）γ’相（AB3）
高温时效时，γ’相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状 的方形γ’相。 在长期时效和使用过程中，γ’相会聚集长大。
二、钢的韧化途径 1、影响韧性的因素
一般情况，钢强度↑→塑韧↓, 称为强韧
强化 因素
性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强
化因素都会程度不同地↓韧性。 危害最大是间隙固溶； 沉淀强化较小,但对强化贡献较大。
合金 元素
Ni↑韧性；Mn在少量时也有效果；其它 常用元素都在不同程度上↓韧性
1. 4 钢的强韧化机制
降低钢的塑形、韧性、疲劳强度，影响抗蚀、耐磨性 氧化物：脆性相 简单氧化物：FeO、MnO、TiO、SiO2、Al2O3 复杂氧化物：MgOAl2O3、MnOAl2O3 经锻造、轧制：沿加工方向呈破碎的链状分布
1. 3 合金钢中的相组成
（1）碳化物
特性：
硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达 1200℃）； 间隙相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明 显的金属特性； 可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中 常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。
晶粒 度
细晶既↑σS，又↓↓TK, 即 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
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。
1. 4 钢的强韧化机制
合金元素对铁素体 冲击韧度的影响
晶粒大小对强度、韧脆转 变温度TK的影响
1. 4 钢的强韧化机制
1. 3 合金钢中的相组成
（2）氮化物
氮的来源：冶炼时吸收大气的氮，合金化时气氛加入
间隙相：原子半径小，简单密排结构
特性：与碳化物相似，高硬度，高熔点
性质： 氮化物之间可相互溶解，复合氮化物 与碳化物之间相互溶解，碳氮化物
1. 3 合金钢中的相组成
（2）氮化物
含氮不锈钢(Fe、Cr)23(C、N)6
2 变质作用
B、稀土与钢中的O、N亲和力高，易形成 非常细小的质点，提高形核率，促进自发形核， 阻止晶粒长大。
稀土，提高钢液的流动性
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
3 控制夹杂物形态
改变夹杂物成分，从而改变其性能，降低危害
MnS：典型的塑性夹杂物
导致：降低强度，产生各向异性，形成织构 措施：加入Zr，先于Mn与S结合 加入稀土，降低O、S溶解度 加入Ca，强氧化物硫化物形成元素
1. 4 钢的强韧化机制
材料处理各过程的演化规律; Me在各过程中的作用和影响. 为理解Me的作用 →要了解钢的基本强化机理.
Me对相图的影响
Me与C的作用
Me在材料处理各过 程中的行为表现
加热
温 度 冷却 回火
时间
1. 4 钢的强韧化机制
一、钢的强化机理 强化本质：
各种强化途径
↑钢强度
↑塑变抗力
Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
偏聚 机理
溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。 结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。 即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。 热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质 原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。
1.6 钢中微量合金元素的作用
二、微量元素对钢的有益作用
4 微合金化
微合金元素：<0.2%，0.001%
微合金钢：Nb、V、Ti
形成细小、弥散的Me(CN)第二相质点， 沉淀强化，细化晶粒
1.6 钢中微量合金元素的作用
三、微量元素对钢的有害影响
Pb、Bi、Sb、Sn、P、As
熔点低，影响热塑性，蠕变强度，焊接性
↑位错运动阻力
1. 4 钢的强韧化机制
1、固溶强化
表达式
S K i C
n i
对于C、N等间隙原子， n = 0.33~2.0； 对于Mo、Si、Mn等置换式原子：n = 0.5~1.0 原子固溶 → 晶格发生畸变 →产生弹性 应力场，与位错交互作用→↑位错运动阻力
机理
效果
提高强度，降低塑韧性
晶界σ 相颗粒常引起沿晶断裂，降低冲击韧性。
(4) 钢中的金属间化合物
2）Laves相（AB2）
析出温度范围较宽，约为650～1100℃，其上限温度随成分而异。
由于Laves相倾向于高温析出，所以可以利用它进行细化晶粒工艺， 获得细晶材料。
铁基高温合金容易产生Laves相。钨、钼、铌、铝、钛、硅等元素 都促进Layes相形成，而镍、碳、硼、锆有抑止Laves相的作用。
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
一、Me在不同状态下的分布
1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶 入基体。 2、淬火态 Me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AR中；未溶者仍在K中。 3、回火态 低回: Me不重新分布；> 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，其程度决定于回火温度和时间。
1. 5 合金元素在晶界的偏聚
影响 因素
缺陷处 溶质浓度
E C C 0 exp RT
温度T ：↓，内吸附强烈；
时间t：偏聚需要原子扩散→需要一定时间；
缺陷本身：缺陷越混乱，E↑，吸附也越强烈; 其它元素：①间接作用 : 优先吸附问题 , B与C
②直接作用: 影响吸附元素 ,
属四方点阵，最大配位数为15。
σ相的成分范围比较宽，镍基高温合金中为(Cr，Mo)x(Ni，Co)y， 式中x、y值在1～7之间，铁基高温合金中常为FeCr(含Mo)型。