第1章 钢的合金化原理
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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
复杂密排构造，如Cr, Mn, Fe等与C形成旳K：
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。
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。
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si 和Fe的结合力 >Fe和C的结合力 ,↑ac
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
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
工程结构钢的合金化原理
一、工程结构钢的合金化原理1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。
2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。
3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。
4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。
二、调质钢合金化特点1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。
碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。
2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。
3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。
三、轴承钢的合金化特点1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。
2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。
铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。
3、加入硅、锰、钒等提高淬透性四、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。
（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。
Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。
（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。
五、氮化钢的合金化特点1、低碳2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。
3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。
为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。
六、弹簧钢的合金化特点1、中、高碳。
一般为0.50％～0.70％。
碳质量分数过低，强度不足。
《金属材料学》各章小结
图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路2、结构钢复习小结表1 典型结构钢的特点、应用及演变横向图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系3、合金工具钢复习小结表2 典型工具钢的特点、应用及演变图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系图3 铝合金分类和性能特点总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。
寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。
（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。
例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。
（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。
例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。
根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。
强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。
通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。
考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。
弹簧钢就是中温回火?其实，60Si2Mn有时也可用作模具。
某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。
要学活，思路要宽。
提出独特见解，怎样才能做到?核心：核心是合金化基本原理。
这是材料强韧化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。
”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。
掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。
从钢厂出来，钢成分已定。
如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。
企业中的许多问题都是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。
总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。
金属材料学--钢铁材料的合金化原
• 合金化后称为奥氏体
7
合金元素在钢中的存在方式
• 固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
• 形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
• 仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
1500
1400
1300
温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
4Mo
1000
2Mo
900
800
0Mo
700
600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
19
铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
1300
温 1200 度， ℃ 1100
-ΔH298, kJ/mol
HV T熔, ℃ E, GPa
184.1 100.8 140.6
3200 3017 451
2094 2830 430
2400 3480 338
196.6
2560 3532 348
143.1
1790 4000 310
40.0
2080 2785 696
46.0
1950 2430 533
• 大多数合金元素即可固溶也可形成第二相
8
钢中第二相种类
• 碳化物 • 氮化物 • 硼化物 • 金属间化合物 • 非金属化合物（夹杂物） • 单质如铜、石墨
9
固溶合金元素对相图的影响1
• 扩大γ相区的奥氏体形成元素 （使Α3温度降低，Α4温度升高 ）： －开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素 －扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等元素
7
合金元素在钢中的存在方式
• 固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生 明显改变，产生固溶强化
• 形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同 的作用
• 仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但 金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属 性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P
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温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
碳含量，%
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铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
1500
1400
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温 1200 度， ℃ 1100
-ΔH298, kJ/mol
HV T熔, ℃ E, GPa
184.1 100.8 140.6
3200 3017 451
2094 2830 430
2400 3480 338
196.6
2560 3532 348
143.1
1790 4000 310
40.0
2080 2785 696
46.0
1950 2430 533
• 大多数合金元素即可固溶也可形成第二相
8
钢中第二相种类
• 碳化物 • 氮化物 • 硼化物 • 金属间化合物 • 非金属化合物（夹杂物） • 单质如铜、石墨
9
固溶合金元素对相图的影响1
• 扩大γ相区的奥氏体形成元素 （使Α3温度降低，Α4温度升高 ）： －开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素 －扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等元素
第1章_钢合金化概论
合金元素的固溶规律， 即Hume-Rothery规律
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.
2020/9/18
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 。
2020/9/18
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；
2020/9/18
b) 与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
2、α稳定化元素
2020/9/18
铬对钢γ区的影响
2020/9/18
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
αFe
~7
(1340℃)
无 限
无 限
~3
76
10
0.2 0.02 0.1
度 γFe
0.68
无无无
~1.4 12.8
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。
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但溶解后的影响不同：
强Ｋ形成元素溶解于弱Ｋ形成元素形成的
Ｋ中可提高其稳定性； 弱Ｋ形成元素溶解于强Ｋ形成元素形成的 Ｋ中可降低其稳定性； 强K形成元素优先夺C，优先形成。
三. 氮化物及硼化物 [自学内容]
四. 金属间化合物
合金钢中由于M之间以及M与Fe之间产生相互作用， 可能形成各种金属间化合物。保持金属的特点。 合金钢中比较重要的金属间化合物有： σ相（AB） 拉夫斯相（AB2） 有序相（AB3）
σ相
在高铬不锈钢、铬镍（锰）奥氏体不锈钢、耐热钢 及耐热合金中，都会出现σ相 ，伴随着σ相的析出， 钢和合金的塑性和韧性显著下降，脆性增加。 如Cr-Mn、Cr-Co、Mo-Mn等。
AB2
含钨，钼，铌和钛的复杂成分耐热钢和耐热合金中， 均存在AB2相，强化相。 如（W,Mo,Nb）（Fe,Ni,Mn,Cr）2 其组元A的原子直径和第二组元B的原子直径之比 为1.2/1 。
五. 合金钢的分类与编号
1. 钢的分类
按用途分类 工程结构钢 机械制造结构钢 工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢） 特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）
按金相组织分类 1）按平衡状态或退火状态的组织分： 亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢； 2）按正火组织分: P钢，B钢，M钢，A钢； 3）按加热冷却时有无相变和室温时的金相组织分： F钢，M钢，A钢和双相钢。
2. 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响
程度按刚玉、球状不变形夹杂、半塑性铝硅酸盐、 塑性硅酸盐、硫化物依次递减；
理想的情况是： 数量少、尺寸小、塑性好、 细条状、均匀分布
3. 生产中的意义
可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具 有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。
合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。
三. M对Fe - C相图的影响
1. 改变了奥氏体区的位置
锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响
2. 改变了共晶温度
扩大γ相区的元素 使A1，A3下降； 缩小γ相区的元素 使A1，A3升高。
2. K形成规律
K结构与M在周期表中位置有密切关系
强K形成元素形成的K比较稳定
其顺序为： Ti > Zr > Nb >V > W, Mo > Cr > Mn > Fe 各种K相对稳定性如下： MC →M2C →M6C →M23C6 → M7C3 →M3C （高----------------------------------低） K晶体点阵结构均不同于M的点阵结构 M + C →→ MxCy
2）rc/rM>0.59 ，间隙化合物 复杂密排结构，如Cr, Mn, Fe等与C形成的K： M23C6型 复杂立方，Cr, Mn形成的K：Cr23C6 M7 C3 型 复杂六方，Cr, Mn形成的K：Cr7C3, Mn7C3 M3C型 正交晶系，Fe形成的K：Fe3C
3）Fe-M-C形成的三元K M6C型 复杂立方，W、Mo的K： Fe3Mo3C, Fe4Mo2C, Fe3W3C, Fe4W2C。 M23C6型 复杂立方，W、Mo的K： Fe21Mo2C6，Fe21W2C6。
3. 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。 M<5％时，称为低合金钢； M 5~10％，称为中合金钢； M>10％, 称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定。
4. 微合金元素与微合金化钢
微合金元素
有些合金元素如V，Nb，Ti,和B等，当其含量只在0.1%左 右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组 织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。
2. 杂质元素
由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢 中的化学元素。 注意: 同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者， 则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。 如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当 其作为合金元素时：H—储氢合金； S—易切削钢；P—耐磨 钢。
按照M对Fe-M影响:
扩大γ相区 使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素。
缩小γ相区： 使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素。
扩大γ相区
1）开启γ相区
分为两类：
Mn, Ni, Co 与 γ-Fe无限互溶.
开启γ 相区 示意图
Fe-Ni合金
2）扩大γ相区
有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区， 构成了钢的热处理的基础。
§1.2 合金钢中的相组成
固溶体 化合物相
碳化物，氮化物， 硼化物金属间化合物相 非金属相 非金属夹杂物 游离态单质 如Pb，Cu，Be在钢中超过其溶解度。
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。 其它置换原子与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的八面体或 四面体间隙; 均为有限固溶体。
五. 非金属相（非金属夹杂物）
1. 夹杂物的种类
氧化物 简单氧化物，如FeO、MnO、TiO2、SiO2 复杂氧化物，MgO ·Al2O3, CaO· 2O3等。 2A1 特点: 性脆易裂。这些氧化物在钢材轧锻以后，沿加 工方向呈链状分布。 硫化物： 钢中常见的有MnS、FeS。 特点: 高可塑性，热加工时沿加工方向强烈地伸长。 硅酸盐：成分复杂,是钢中常见的一种夹杂物。
当Mo>8.2%, W>12%, Ti>1.0%, V>4.5%, Si>8.5%， γ相区消失。
3. 改变了共析含碳量
所有合金元素均使S点左移。 提问：对组织与性能有何影响呢？
四. M元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互 作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在基体 中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。 如 B, Zr, Ti, Nb, Mo, P, Sb, Re,C, N 等。
AB3
各组元之间尚不能形成稳定的化合物，处于固溶 体到化合物的过渡状态。 有序无序转变温度较低，超过了就形成无序固溶 体， 如Ni3Fe, Ni3Mn等； 有序状态可保持高熔点，更接近金属间化合物， 如Ni3Al, Ni3Ti, Ni3Nb。 Ni3Al是典型的复杂成分的耐热钢和耐热合金中的 强化相 。
第一章 钢的合金化原理
主要内容
钢中的合金元素 合金钢中的相组成 （重点） 合金元素对相变的影响 （重点） 合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响
§1.1 钢中的合金元素
一. 几个概念
1. 合金元素
特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得 到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。（常用M 来表示） 如：B, C, N; Al, Si, P, S; Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La系。
微合金钢
二. M分类及Fe-M的类型
1. 合金元素M的分类
铁族金属——Co, Ni, Mn。 难熔金属——W, Mo, Nb, V, Cr. 轻金属——Ti, Al , Mg, Li 稀土金属——La，Ce和Nd等 贵金属元素——Au, Ag
按M与C的亲和力的大小分为： 碳化物形成元素：Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo, W, Mn 非碳化物形成元素：Cu, Ni, Co, Si, Al
各种K之间可以相互溶解 完全溶解 1）Ti, Zr, Nb, V, Ta的同类K之间可以溶解 （V, Nb）C；（Nb, V, Ta）C； 2）W与Mo的同类K之间； 3）Fe, Mn同类Ｋ之间, （Fe, Mn）3C 有限溶解 1）Fe3C中可以溶解一定量的Cr, Mo, W, V； 2）MC型中可溶解Ｍo，Ｗ，Cr，Mn；Fe几乎不 溶解 3）Cr23C6可以部分溶解Fe, Mo, W, Mn, V, Ni； 4）M2C型中可大量溶解Cr。
2. Fe-M二元相图的类型
同素异型转变
A3（910℃） A4（1390℃）
α-Fe ← ---- → γ –Fe ← ---- → δ -Fe
奥氏体形成元素： 在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如 Mn, Ni, Co, C, N, Cu； 铁素体形成元素： 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb, Ti 等。
合金元素M
平均含量小于1.5%时，只标元素。如：20MnVB： 0.20%C, <1.5%Mn, <0.2%V, 微量B； 平均含量在1.5-2.49％，2.50-3.49％…22.50-23.49 ％…应相应地写为 2, 3，… , 23； 如 55Si2Mn: 0.55%C, 2%Si, <1.5% Mn 0Cr18Ni9Ti: <0.08%C, 18%Cr, 9%Ni, 少量Ti 注意： 铬轴承钢 含碳量不予标出，铬含量以千分之几表示。 GCr15； 低铬合金工具钢的铬的含量出用千分之几表示，但在其含 量之前加个“0’，例如 Cr06。
按化学成分分：碳素钢和合金钢； 按工艺特点分：铸钢, 渗碳钢, 易削钢等；
按质量等级分: 普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特 级优质钢。
2. 合金钢的编号方法
含碳量C：一般以平均含碳量的万分之几来表示。 如 30CrMnA: 平均含碳量为0.30%； 60Si2Mn: 平均含碳量为0.60%。 注意： 不锈钢、耐热钢、高速钢等高合金钢，含碳量一般不予 标出；但如果几个钢的M%相同，C%不同，则用千分 之几表示C%。如0Cr13, 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13； 合金工具钢：当C>1.0%, 不标出；当C<1.0%, 用千 分之几标出, 如9Mn2V, 9CrSi。