鋼的合金化原理

1、鋼的合金化原理1.1 碳鋼概論在講授鋼的合金化原理之前，我們先介紹碳鋼中的常存雜質(zhì)及碳鋼的分類與用途。一、碳鋼中的常存雜質(zhì)碳鋼（也稱碳素鋼）被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，它們不僅價格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求。碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的元素，其中，錳、硅等常稱為常存元素；硫、磷、氧、氮、氫等常稱為雜質(zhì)元素。它們對碳鋼的性能有一定的影響。1錳和硅的影響錳和硅是煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進(jìn)入鋼中的。錳在碳鋼中的含量一般小于0.8%，主要固溶于鐵中。此外由于錳和硫的結(jié)合力比鐵和硫的結(jié)合力強，形成穩(wěn)定的MnS 夾雜物，這

2、對改善鋼的熱脆性有益。因為FeS 熔點較低（1190），與鐵易于形成低熔共晶（989）而且沿晶界連續(xù)分布，引起鋼的熱脆性。適量的錳和雜質(zhì)硫形成高熔點MnS（1600），MnS 在高溫下具有一定的塑性，不會使鋼發(fā)生熱脆，在加工過程中硫化錳呈條狀沿軋向分布。必須指出的是，這些夾雜物將使鋼的疲勞強度和塑性、韌性下降。當(dāng)鋼中含有大量硫化物夾雜時，軋成鋼板后會造成分層。硅在鋼中的含量通常小于0.5%。由于鐵中可以溶入較多的硅，故碳鋼中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入鐵中。此外由于硅和氧的親和力很強，能形成穩(wěn)定的SiO2，在鋼中以夾雜物形式存在而降低鋼的質(zhì)量。必須指出的是，只有固溶于鐵素體中的錳和硅才

3、可強化鐵素體基體。2硫和磷的影響硫是煉鋼時不能除盡的有害雜質(zhì)。硫可以大量溶于液態(tài)鋼中，而在固態(tài)鐵中的溶解度極小。硫和鐵能形成FeS，并易于形成低熔點共晶。當(dāng)鋼凝固結(jié)晶時低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100以上時，共晶體就將熔化，因此就引起軋制或鍛造時的晶界碎裂（熱脆）。鑄鋼件雖然不經(jīng)鍛造，但含硫量高時也會引起鑄件在鑄造應(yīng)力作用下發(fā)生熱裂。此外硫還對鋼的焊接性能有不良影響，即容易導(dǎo)致焊縫熱裂，同時在焊接過程中，硫易于氧化，生成SO2 氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。磷也是在煉鋼過程中不能除盡的元素，一般轉(zhuǎn)爐鋼中殘留較多(允許最高含量為0.09%)，堿性平爐鋼中殘

4、留較少（0.06%），而在堿性電爐和電渣熔煉的鋼中，磷可降至0.02%以下。磷在-鐵中的最大溶解度可達(dá)2.55%(1049)。隨著溫度的降低，溶解度逐漸下降。鋼中的磷一般全部固溶于鐵中，并產(chǎn)生固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。此外，磷鐵合金的結(jié)晶范圍很寬，因此磷具有嚴(yán)重的偏析傾向。 磷的有害作用在一定的條件下可以加以利用。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能，特別是鋼中同時含有銅的情況下，它的作用更加顯著。例如09MnCuPTi、 10MnPNbRE 等低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，在這些鋼中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、

5、Cu-P 等），并在保證取得細(xì)晶組織的條件下（如用Al 脫氧的鋼），磷的冷脆作用得以抑制。故在s、b 升高的同時，低溫韌性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷還可以改善鋼的切削加工性能。如把鋼中含磷量提高到0.08%0.15%時，可使鐵素體適當(dāng)脆化，從而提高了鋼的切削加工性。對于硫，可以利用硫化錳降低鋼的塑性，使切削易于斷裂，這樣既可以改善低碳鋼工件加工后的表面粗糙度，又節(jié)省動力；同時這些硫化物在切削過程中，有一定的潤滑作用，可以減少刀具與工件表面的磨損，延長刀具壽命。必須指出的是，這種易切削鋼主要用于自動機床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺釘、螺母等各種標(biāo)準(zhǔn)件和一般小零件

6、等。3氮、氫、氧的影響氮是在冶煉時進(jìn)入鋼中的。氮在-鐵中的溶解度在590時達(dá)到最大，約為0.1%，在室溫時則降至0.001%以下，所以通常情況下鐵素體中溶解的氮含量處于過飽和。如果將這樣的鋼材經(jīng)受冷變形后在室溫放置或稍微加熱時，過飽和的氮將逐漸以氮化物的形式沉淀析出，這將使低碳鋼的強度、硬度上升，但塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為機械時效或應(yīng)變時效。顯然這對低碳鋼的性能不利。必須注意的是，當(dāng)?shù)吞间撝写嬖阝C、鈦、鈮等合金元素時，氮可以與之形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強化的效果。此外氮化鋼就是利用氮化物相強化鋼鐵材料零件的。氫在鋼中的溶解度甚微，對鋼的組織看不出什么影響。但由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用

7、將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。鋼中較常見的是“白點”和氫致延遲斷裂。鋼中含有過飽和的氫向裂紋尖端三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)形成的微孔核心及其它缺陷處擴散聚集形成氫分子，由于微孔核心等很小，很少的氫氣便可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力，這種內(nèi)壓力大到足以通過塑性變形或解理使裂紋長大或使微孔長大、連接時便產(chǎn)生氫脆斷裂，呈白點特征。當(dāng)氫在位錯附近偏聚形成“氣團”時，“氫氣團”的運動遇到障礙產(chǎn)生位錯塞積的同時也就造成了氫的偏聚，當(dāng)偏聚在裂紋尖端的氫含量達(dá)到臨界值時，該區(qū)域發(fā)生脆化，裂紋向前擴展，到一定距離后裂紋擴展停止；當(dāng)裂紋前方的氫偏聚再次達(dá)到臨界值時裂紋再次擴展，如此不連續(xù)式的擴展，最后達(dá)到臨界尺寸而失穩(wěn)斷裂。氧在鋼中的溶解度很小

8、，幾乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3 等，并且往往形成復(fù)合氧化物或硅酸鹽MgOAl2O3、MnOAl2O3。這些非金屬夾雜物有易變形的，如2MnOSiO2、MnOSiO2，與硫化物相似，沿加工方向伸長，呈線段狀；也有不易變形的，如各種氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2 和FeO等，沿加工方向呈鏈狀分布。非金屬夾雜物對鋼的質(zhì)量有重要影響，這種影響不僅和夾雜物的成分、數(shù)量有關(guān)，而且還和它的形狀、大小，特別是分布狀況有關(guān)。為了保證鋼材在使用中不出現(xiàn)問題，鋼材生產(chǎn)廠都必須嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)控制雜質(zhì)含量和夾雜物的等級；鋼材使用單位即用戶也需對進(jìn)廠鋼

9、材進(jìn)行必要的化學(xué)成分及雜質(zhì)的化學(xué)分析，對組織和缺陷及夾雜物做金相分析，對力學(xué)性能作力學(xué)試驗。1.2 鋼的合金化原理合金鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上，為了改善碳鋼的力學(xué)性能或獲得某些特殊性能，有目的地在冶煉鋼的過程中加入某些元素（稱為合金元素）而得到的多元合金。常用的合金元素有：錳、硅、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈷、鋁、硼及稀土元素等。磷、氮等元素在某些情況下也會起到有益的作用。與碳鋼相比合金鋼的性能有顯著提高，一、合金元素在鋼中的存在形式1形成鐵基固溶體（1）形成鐵基置換固溶體 遵循Hume-Rothery 定律，形成置換固溶體的條件是：溶劑與溶質(zhì)的點陣相同；原子尺寸因素以及組元的電子結(jié)構(gòu)。合金元素與

10、鐵形成置換固溶體的基本規(guī)律是：Ni、Co、Mn、Cr、V 的原子尺寸與點陣相同的Fe 晶體的原子尺寸差小于8%，因此這些元素可與Fe 形成無限固溶體。其中Ni、Co 和Mn 形成以-Fe 為基的無限固溶體，Cr 和V 形成以-Fe 為基的無限固溶體。Mo 和W 具有的原子尺寸因素超過8%（分別為10%和11%），因此只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如Fe-Mo 和Fe-W 等。原子半徑在尺寸因素極限（15%）附近的元素（Ti、Nb、Ta）只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；尺寸因素超過15%的一些元素（Zr、Hf、Pb）在Fe 具有很小的溶解度。必須指出，上述鐵基固溶體的形成規(guī)律，僅是對Fe-

11、Me 二元系統(tǒng)而言的。對多元系統(tǒng)其形成規(guī)律要復(fù)雜得多。（2）形成鐵基間隙固溶體 遵循Hägg 定則，間隙固溶體的形成條件是： 0.59 rX rMe 。間隙固溶體總是有限固溶體，并且間隙原子僅占據(jù)溶劑金屬的部分間隙位置，即總有部分間隙沒有被填滿。合金元素與鐵形成間隙固溶體的基本規(guī)律是：對-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體間隙；對-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體或四面體間隙。間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H 的順序而增加。2形成合金滲碳體（與氮化物）碳化物和氮化物屬于間隙化合物相，它是過渡族金屬與碳或氮作用形成的。碳化物、氮化物和碳、氮化物是

12、鋼中的基本強化相。過渡族金屬與碳、氮的親和力、碳化物和氮化物的強度（或穩(wěn)定性）按下列規(guī)律遞減：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中、族金屬的碳化物與氮化物具有簡單的點陣結(jié)構(gòu)，如TiC、VC、TiN、TaC 等，、金屬的碳化物與氮化物具有復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C 等。與合金碳化物相比，鐵的碳化物是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe 的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C 等。3形成金屬間化合物金屬化合物通常分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。金屬間化合物通常僅指電子

13、化合物。在奧氏體不銹鋼、馬氏體時效鋼及許多高溫合金中較為重要的金屬間化合物是 (Cr46Fe54) 、 (Cr21Mo17Fe62) 、 (TiFe2) 、 (Co7Mo6) 、R(Cr18Co51Mo31)、P(Cr18Ni40Mo42)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、NiAl、NiTi、FeAl、(TiAl3)、(TiAl)、2(Ti3Al)等。4形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相鋼中的非金屬相主要是指鐵及其合金元素生成的氧化物（FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3）、硫化物（MnS、FeS）

14、、硅酸鹽（2MnO·SiO2、CaO·SiO2）等。氧化物和硅酸鹽一般無塑性，在鋼進(jìn)行熱加工時可能引起發(fā)裂或其它缺陷，并使鋼的切削性能惡化；硫化物一般具有塑性，變形后增加鋼的各向異性。必須注意的是，低熔點的非金屬夾雜物或能生成沿晶界分布的低熔點共晶物（主要是FeS）時將引起鋼的熱脆性，對性能特別有害。為了防止鋼的這種熱脆性，一般通過加入適當(dāng)?shù)腻i，形成高熔點的硫化物MnS，并改善其分布。也有通過加入稀土元素生成稀土硫化物的辦法。非金屬夾雜物在結(jié)構(gòu)鋼中可能引起鋼的韌性、塑性和疲勞強度的降低，還會降低鋼的抗蝕性和耐磨性，并影響鋼的淬透性。非金屬夾雜物一般都是有害的。此外，AlN

15、也是一種非金屬夾雜物，呈密排六方點陣，它不屬于間隙相。熔點為1870，在鋼中有較高的穩(wěn)定性，有時可利用的彌散析出來改善鋼的性能，這時不應(yīng)該把它看著非金屬夾雜物，而應(yīng)該把它當(dāng)做非金屬相。與此類似的還有一些稀土氧化物質(zhì)點，有時也被用來作為彌散質(zhì)點來強化鋼或其它有色金屬合金。在特殊條件下（如快速冷卻凝固），可使某些金屬或合金形成非晶體相結(jié)構(gòu)。這種非晶體相具有一些特殊的性能，如各向同性，較晶體相高得多的強度和較高的抗腐蝕性能等。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細(xì)的實驗和理論依據(jù)。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對奧氏體層錯能的影響合金元素加入鋼中之后，對鋼的相變、組織和性能的影響一般取決于合金元素與

16、鐵和碳的相互作用。1合金元素與鐵的相互作用合金元素對Fe 的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有很大的影響，這一影響主要是通過合金元素在-Fe 和-Fe 中的固溶度以及對-Fe 存在的溫度區(qū)間的影響表現(xiàn)出來。而這兩者又取決于合金元素與鐵所構(gòu)成的二元合金狀態(tài)圖。為此可以將合金元素分為兩大類型，即相穩(wěn)定化元素和相穩(wěn)定化元素。（1）相穩(wěn)定化元素 相穩(wěn)定化元素使A3 降低，A4 升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴大了相區(qū)。根據(jù)鐵與合金元素構(gòu)成的相圖的不同，可分為如下兩種情況：開啟相區(qū)(無限擴大相區(qū)) 合金元素與-Fe 形成無限固溶體，與-Fe形成有限固溶體。它們均使A3（GS 線）降低，A4（JN 線）升高。如

17、圖1-1。這類合金元素主要有Mn、Ni、Co 等。如果加入足夠量的Ni 或Mn，可完全使體心立方的相從相圖上消失，相保持到室溫（即A1 點降低），故而由相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。擴展相區(qū)(有限擴大相區(qū)) 雖然相區(qū)也隨合金元素的加入而擴大，但由于合金元素與-Fe 和-Fe 均形成有限固溶體，并且也使A3（GS 線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使相區(qū)完全開啟。如圖1-2。這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au 等。相區(qū)借助C 及N 而擴展，當(dāng)C 含量在02.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個熱處

18、理的基礎(chǔ)。（2）相穩(wěn)定化元素 合金元素使A4 降低，A3 升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了相區(qū)。根據(jù)鐵與合金元素構(gòu)成的相圖的不同，又可分為如下兩種情況：封閉相區(qū)(無限擴大相區(qū)) 合金元素使A3 升高，A4 下降，以致達(dá)到某一含量時，A3 與A4 重合，相區(qū)被封閉，或者說這些合金元素促進(jìn)了體心立方鐵（鐵素體）的形成，其結(jié)果使相與相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過一定含量時，合金不再有相變，與-Fe 形成無限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）如圖1-3。這類合金元素有：Si、Al 和強碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 及P、Be 等。但應(yīng)該指出，含Cr 量小于7%時，A3

19、下降；含Cr 量大于7%時，A3 才上升?？s小相區(qū)(但不能使相區(qū)封閉) 合金元素使A3 升高，A4 下降，使相區(qū)縮小但不能使其完全封閉。如圖1-4。這類合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。綜上所述，可將合金元素分為兩大類：將擴大相區(qū)的元素稱為奧氏體形成元素；將縮小或封閉相區(qū)的元素稱為鐵素體的形成元素。顯然，這種分類對生產(chǎn)實際有重要的指導(dǎo)意義。如為了保證鋼具有良好的耐蝕性，需要在室溫下獲得單相組織，就可以運用上述合金元素與鐵的相互作用規(guī)律，通過控制鋼中合金元素的種類和含量，使鋼在室溫下獲得單相組織。如欲發(fā)展奧氏體鋼時，需要往鋼中加入Ni、Mn、N 等奧氏體形成元素；欲發(fā)展鐵素體鋼時，需要往鋼中

20、加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti 等鐵素最后應(yīng)該指出，同時向鋼中加入兩類合金元素時，其作用往往相互有所抵消。但也有例外，例如是Cr 鐵素體形成元素，在Cr18%與Ni 同時加入時卻促進(jìn)了奧氏體的形成。2合金元素與碳的相互作用合金元素與鋼中碳的作用主要表現(xiàn)在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物傾向性的大小，以及合金元素對鋼中碳的活度或擴散的影響。（1）形成碳化物 碳化物是鋼中最重要的強化相，對于決定鋼的組織和性能具有極其重要的意義。合金元素按照它們與碳的相互作用，可分為兩大類：碳化物形成元素和非碳化物形成元素。碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti 等。它們都是過

21、渡族元素；非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，它們與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe 中形成固溶體，或者形成其它化合物，如氮化物等。碳化物是鋼中主要的強化相。形成碳化物的規(guī)律性 從周期表中的位置來看，碳化物形成元素（Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、W、Mo 等）均位于Fe 的左側(cè)，而非碳化物形成元素（Ni、Si、Co、Al、Cu）等均處于周期表Fe 的右側(cè)。盡管Ni 和Co 也可形成獨立的碳化物，但由于其穩(wěn)定性很差（比Fe3C 還?。?，在鋼中不會出現(xiàn)，故通常被當(dāng)作非碳化物形成元素看待。Mn 是碳化物形成元素，但Mn 極易溶入滲碳體中，故鋼中沒有發(fā)現(xiàn)Mn 的獨立碳化

22、物。碳化物形成元素均有一個未填滿的d 電子層，當(dāng)形成碳化物時，碳首先將其外層電子填入合金元素的d 電子層，從而使形成的碳化物具有金屬鍵結(jié)合的性質(zhì)。因此，具有金屬的特性。合金元素與Fe 原子比較，d 電子越是不滿，形成碳化物的能力就越強，即與碳的親和力越大，所形成的碳化物也就越穩(wěn)定。應(yīng)該指出，碳化物的穩(wěn)定性并不是單純地由d 電子層的未填滿程度所決定的。例如金屬元素與碳結(jié)合生成碳化物時的熱效應(yīng)亦會影響所生成的碳化物的穩(wěn)定性。一般說來，碳化物的生成熱越大，其穩(wěn)定性就越高。按照碳化物形成元素所生成的碳化物穩(wěn)定程度由強到弱的順序，可將這些元素依此排列為：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe。

23、按照碳化物晶格類型的不同，碳化物可分為兩類：當(dāng)rC rMe >0.59（其中C r 為碳原子半徑， rMe為合金元素的原子半徑）時，碳與合金元素形成一種復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)的碳化物。Cr、Mn、Fe 屬于這類元素，它們形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。當(dāng)rC rMe 0.59 時，形成簡單點陣的碳化物（間隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr 均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：MeX 型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X 型（W2C、Mo2C、Ta2C）。此類碳化物具有下列特點：碳化物硬度大、熔點高（可高達(dá)3000），分解溫度高（可達(dá)1200

24、）；間隙相碳化物雖然含有50%60%的非金屬原子，但仍具有明顯的金屬特性；可以溶入各類金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式，在合金鋼中常遇到這類碳化物。實際上鋼中的碳化物，除了上述兩種類型外，在某些條件下，還可出現(xiàn)下述兩種情形：一種是當(dāng)合金元素含量很少時，合金元素將不能形成自己特有的碳化物，只能置換滲碳體中的鐵原子，常以合金滲碳體的形式出現(xiàn)，如：(FeCr)3、(FeMn)3C 等；另一種是合金元素含量有所升高，但仍不足以生成自己特有的碳化物，這時將生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C 等。除去含量條件以外，保證元素在鋼中的擴散也是形成碳化物的必要條件。因此，

25、碳化物的形成過程與熱處理工藝有著極為密切的關(guān)系。碳化物的特性 如果將純金屬和碳化物的硬度作比較，便可看出碳化物的強化能力是很大的，如表1-5 所示。形成碳化物傾向性越強的元素，其碳化物硬度也越高。另外，碳化物是一種很重要的強化相，形成碳化物能力越強的元素，其碳化物穩(wěn)定性越高。穩(wěn)定的碳化物具有高熔點、高分解溫度，難于溶入固溶體，因而也難以聚集長大。其碳化物穩(wěn)定性由弱到強的順序是：Fe3C、M23C6、M6C、MC。如果碳化物穩(wěn)定性高，在溫度和應(yīng)力長期作用下不易聚集長大，則可大大提高材料的性能和使用壽命。穩(wěn)定性的另一個含義是指碳化物和固溶體（基體）之間不易在高溫下因原子擴散作用而發(fā)生合金元素的再分

26、配。碳化物的穩(wěn)定性對于鋼的熱強性也很重要。首先碳化物可使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強度和硬度。其次在達(dá)到相同硬度的條件下，碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、韌性更好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼的好。各種碳化物雖然像一般化合物一樣，可以寫成元素間有一定配比的分子式，但是正因為碳化物具有金屬特性，所以并不像普通的酸、堿、鹽那樣在成分上很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物為基底，固溶入各種合金元素，即合金元素在碳化物中有一定的溶解度。例如Fe3C 能溶解大量的合金元素。據(jù)報道，F(xiàn)e3C 中可溶解的Cr 量達(dá)25%。而Mn 在Fe3C 中的溶解度是無限的，即隨Mn 含量

27、的不斷增加，可由 Fe3C變?yōu)?(FeMn)3C，直到Mn3C。(FeW)3C 的成分隨W 量增加可變?yōu)?Fe4W2C。即使是間隙型碳化物的成分也不是很固定的。（2）合金元素對固溶體中碳的活度及擴散系數(shù)的影響合金元素對碳在固溶體中活度的影響 決定C 在固溶體中行為的最完備的特性是其活度。由物理化學(xué)知識知道，組元的活度i與其原子百分濃度Ni相聯(lián)系，即 i = iNi其中i為i 組元的活度系數(shù)。組元的活度系數(shù)的特點是強烈地與其原子狀態(tài)相聯(lián)系，即與組元原子在固溶體中的可動性、組元保留在固溶體中或從固溶體中析出為另一相的能力緊密聯(lián)系著。為了評價合金元素在合金固溶體中對碳的活M度C 的影響，在相同狀態(tài)下

28、選擇具有相同含碳量的非合金鐵中的碳的活度 C進(jìn)行比較。這時可以用碳在合金與非合金鐵中的活度系數(shù)比值CM/C 即碳本身的相對活度系數(shù)fC 來表征合金元素在Fe-C 合金中對碳的活度的影響。如果fC 1，則表明合金元素提高碳在鐵素體和奧氏體中的活度；如果fC 1，即表明合金元素降低碳在固溶體中的活度。合金元素對碳在固溶體中活度的影響主要表現(xiàn)在存在于固溶體中的合金元素，會改變金屬原子與碳的結(jié)合力或結(jié)合強度。碳化物形成元素增加固溶體中碳與合金元素之間的結(jié)合力，從而使處于間隙位置的碳原子向占據(jù)點陣結(jié)點上的碳化物形成元素相靠攏”的幾率提高，并使碳在固溶體中的活動性降低，從而降低其活度。置換了固溶體中鐵原子

29、的非碳化物形成元素，相反將“推開”碳原子，提高其活動性，即增加碳的活度，同時將出現(xiàn)碳從固溶體中析出的傾向。合金元素對碳在奧氏體中相對活度系數(shù)的影響如圖1-5。由圖可見，合金元素形成碳化物的能力愈強，即在周期表中處于鐵的愈左邊的過渡族元素則將愈使fC 1。在奧氏體中的非碳化物形成元素Co、N和Si 促使fC 1。在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奧氏體中的溶解和冷卻時它們從固溶體中的析出，以及熱處理過程中元素在各相間的再分配這些問題時，合金元素對碳在奧氏體中的活度具有很重大的意義。圖1-5 合金元素的摩爾原子濃度對1000時碳在奧氏體中的相對活度系數(shù)fC 的影響合金元素對C 在奧氏體中的擴散激

30、活能和擴散系數(shù)的影響 合金鋼的相變問題，除了需要考慮熱力學(xué)因素外，還必須考慮動力學(xué)因素。在動力學(xué)因素中，必須考慮碳在奧氏體和鐵素體中擴散，合金元素本身在奧氏體和鐵素體中的擴散、合金元素對碳在奧氏體和鐵素體中擴散系數(shù)的影響以及合金元素對鐵的自擴散的影響。我們知道，置換原子的擴散比間隙原子的擴散要慢幾個數(shù)量級（表1-6）。另外由于 -Fe 的密排結(jié)構(gòu)；而 -Fe 排列較松弛，原子相應(yīng)更快地?zé)峒せ畈⒁子谕ㄟ^點陣中的空位和相鄰的溶質(zhì)原子。在所有情況下，對每一種元素，在-Fe 中擴散的激活能必低于同一元素在 -Fe 中的擴散激活能。所以間隙溶質(zhì)原子和置換溶質(zhì)原子在鐵素體中的擴散比在奧氏體中快。合金元素對

31、C 在奧氏體中的擴散激活能和擴散系數(shù)的影響如圖1-6。由圖可知，碳化物形成元素如Cr、Mo 和W 等升高擴散激活能，降低擴散系數(shù)，這是由于碳化物形成元素降低了C 的活度，即提高了C 在奧氏體中結(jié)合力，因而使擴散激活能升高擴散系數(shù)下降。而非碳化物形成元素如Ni、Co 等降低擴散激活能，升高擴散系數(shù)，這是由于非碳化物形成元素Ni 和Co 提高了C 的活度，即降低了C 在奧氏體中的結(jié)合力，因而使擴散激活能下降，擴散系數(shù)升高。需要指出的是Si 是個例外，它能升高擴散激活能，降低擴散系數(shù)，造成這個例外的原因，則是由于Si 雖提高C 的活度，但同時降低了Fe 原子的活動性，即增加了Fe 在固溶體中的結(jié)合能

32、，因而得到與Ni、Co 相反的結(jié)果。總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實際意義。一方面它關(guān)系到所形成的碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布。而所有這些都會直接影響到鋼的性能，如鋼的強度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能。同時對鋼的熱處理亦有較大的影響，如奧氏體化溫度和時間，奧氏體晶粒的長大等。另一方面由于合金元素與碳有著不同的親和力，對相變過程中碳的擴散速度亦有較大影響；強碳化物形成元素阻礙碳的擴散，降低碳原子的擴散速度；弱碳化物形成元素Mn 以及大多數(shù)非碳化物形成元素則無此作用，甚至某些元素如Co 還有增大碳原子擴散的作用。因而合金元素與碳的作用對鋼的相變有重要影響（后有詳細(xì)討

33、論）。3合金元素對奧氏體層錯能的影響奧氏體層錯能是一個很重要的參量。奧氏體層錯能對于鋼的組織和性能有重大的影響。一般認(rèn)為層錯能越低，越有利于位錯擴展和形成位錯，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢增大。例如高M(jìn)n 鋼和高Ni 鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢相差很大。高Ni 鋼易于變形加工，而高M(jìn)n 鋼則難于變形加工。造成這種性能差異的原因主要是由于Ni 和Mn 對奧氏體層錯能的影響不同所致。一般情況下，Ni、Cu 和C 等元素使奧氏體層錯能提高，而Mn、Cr、Ru 和Ir 則降低奧氏體的層錯能。三、合金元素對Fe-Fe3C 相圖的影響合金元素對Fe-Fe3C 相圖的影響與對純鐵的影響類似，但相對

34、要復(fù)雜一些。影響主要分兩個方面：1合金元素對奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響 擴大相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn 等)均擴大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全擴大相區(qū)的合金元素Ni或Mn 的含量較多時，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni9 高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13 高錳耐磨鋼等。縮小相區(qū)的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si 等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全封閉相區(qū)的合金元素（例如Cr、Ti、Si 等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti 高鉻鐵素體不銹鋼等。合金元素對Fe-Fe3C 相圖中奧氏體

35、區(qū)的影響如圖1-7 所示。2合金元素對Fe-Fe3C 相圖共析點S 的影響 擴大相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度上升，并都使共析反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（圖1-8）。合金元素還對共析點（S）和共晶點（E）的成分產(chǎn)生影響。幾乎所有合金元素都是共析點碳含量降低（圖1-9）；共晶點也圖1-6 合金元素對C 在奧氏體中的擴散激活能和擴散系數(shù)的影響有類似的規(guī)律，尤其以強碳化物形成元素的作用最為強烈。大多數(shù)合金元素均使ES線左移。E 點左移，這就意味著鋼中含碳量不到2.11%就會出現(xiàn)共晶萊氏體，例如含碳量不超過1.0%的高速鋼，在鑄態(tài)條件下已具有萊

36、氏體組織；S 點左移，這就意味著鋼中含碳量不到0.77%時，鋼就會變?yōu)檫^共析鋼而析出二次滲碳體，也就是說合金元素使S 點左移，減低了共析體中的含碳量，這樣一來，合金鋼加熱到略高于A1 時，所得到的奧氏體的含碳量總比碳鋼為低。例如含碳量為0.3%的熱模具鋼已為過共析鋼。由此可見，要判斷一個合金鋼是亞共析鋼還是過共析鋼，不能像碳鋼那樣根據(jù)Fe-Fe3C相圖。而應(yīng)根據(jù)Fe-C-Me 三元相圖和多元鐵基合金系相圖來進(jìn)行分析。四、合金元素對鋼的熱處理的影響合金元素對鋼的熱處理的影響主要表現(xiàn)在對加熱、冷卻和回火過程中相變的影響。1合金元素對鋼加熱時奧氏體形成過程的影響合金元素對鋼加熱時奧氏體形成過程的影響

37、在于：一方面合金元素的加入改變了臨界點的溫度、S 點的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化；另一方面，由于奧氏體的形成是一個擴散過程，合金元素原子不僅本身擴散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴散，從而影響奧氏體化過程。（1）合金元素對奧氏體形成速度的影響 奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長大，兩者都與碳的擴散有關(guān)。Co 和Ni 等非碳化物形成元素提高碳在奧氏體中的擴散速度，增大奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn 等對碳在奧氏體中的擴散速度影響較小，故對奧氏體的形成速度影響不大。Cr、Mo、W、V 等強碳化物形成元素與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中

38、的擴散，大大減慢了奧氏體的形成速度。奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點幾十或幾百度。最初形成的奧氏體，其成分并不均勻，而且由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體均勻，碳和合金元素均需擴散。由于合金元素的擴散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長的保溫時間。部分強碳化物在奧氏體中溶解度與溫度的關(guān)系如圖1-10。（2）合金元素對奧氏體晶粒的大小的影

39、響 合金元素對減小奧氏體晶粒長大傾向 的作用也各不相同。合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長大，顯著細(xì)化晶粒。按照對晶粒長大作用的影響，合金元素可分為：Ti、V、Zr、Nb 等強烈阻止奧氏體晶粒長大，Al 在鋼中易形成高熔點AlN、Al2O3 細(xì)質(zhì)點，也能強烈組織晶粒長大；W、Mo、Cr 等阻礙奧氏體晶粒長大的作用中等；Ni、Si、Cu、Co 等阻礙奧氏體晶粒長大的作用輕微；Mn、P、B 則有助于奧氏體的晶粒長大。Mn 鋼有較強烈的過熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時間應(yīng)較短。2合金元素對鋼的過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響合金元素可以使鋼的C 曲線發(fā)生顯著變化。除Co

40、 外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（即增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變）。C 曲線右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。這對許多合金鋼來講是非常重要的。合金元素對淬透性影響的大小取決于該元素的作用強度（即單位含量對淬透性的提高量）及其可能的溶解量。這樣，鋼中最常用的提高淬透性的合金元素主要有以下六種：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B。前五種合金元素，除了有較強的提高鋼的淬透性的能力以外，還可以大量地溶入鋼中（固溶強化），故是提高淬透性最為有效的元素。硼的加入量很小（一般只有0.0005%0.003%），但作用強度很大，又比較便宜，也是一種主要的提高淬透性的合金元素。

41、但目前含硼鋼的淬透性不穩(wěn)定，淬透性帶波動幅度較寬。Mo 的價格較貴，一般不單純作為提高淬透性的元素使用。因此以提高淬透性為目的的常用元素只用Cr、Mn、Si、Ni、B 五種。圖1-13 為常用合金元素對奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線的影響。應(yīng)該強調(diào)指出的是，合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時，才能起到提高淬透性的作用。含Cr、Mo、W、V 等強碳化物形成元素的鋼，若淬火加熱溫度不高，保溫時間較短，碳化物未溶解時，非但不能提高淬透性，反而會由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。另外，兩種或多種合金元素的同時加入對淬透性的影響要比兩單個元素影響的總和強得多，例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用

42、多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。合金元素的加入推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變的同時還可在連續(xù)冷卻過程中得到貝氏體型組織的鋼。同樣合金元素的加入也影響著貝氏體型的轉(zhuǎn)變。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，除了間隙原子碳能作長距離擴散外，鐵和置換溶質(zhì)元素都不能顯著地擴散。貝氏體轉(zhuǎn)變是由單相相分解為相和碳化物兩相，相是領(lǐng)先相。合金元素的作用是通過對轉(zhuǎn)變和碳原子的擴散的影響而起作用。貝氏體轉(zhuǎn)變中，合金元素的作用首先表現(xiàn)在對貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度BS 點的影響。碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS 點，使得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個轉(zhuǎn)變的C 曲線。此外，合金元

43、素還改變貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。鋼中碳量增加不利于相的形核和長大，因為相的形核必須在極低碳區(qū)，相的長大必須以碳從/相界相一側(cè)前沿擴散開去為先決條件。轉(zhuǎn)變溫度愈低，碳的作用愈明顯。碳化物形成元素增加碳原子的擴散激活能，減慢碳的擴散，對貝氏體轉(zhuǎn)變有一定延緩作用，如鎢、銅、鈦、釩等元素。硅特別強烈地阻礙貝氏體轉(zhuǎn)變時碳化物的形成，促使尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體富集碳，因而使貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期延長，轉(zhuǎn)變速度減慢。奧氏體形成元素鎳和錳降低BS 點，降低奧氏體的化學(xué)自由能，增高相的化學(xué)自由能，使貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力減小，孕育期延長，轉(zhuǎn)變速

44、度減慢。鈷由于升高A3 點，降低相的化學(xué)自由能，使轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力增加，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。鉻是碳化物形成元素，也是穩(wěn)定奧氏體的元素，它與錳的作用相似，使BS 點下降，并使碳的擴散減慢，有效地減慢貝氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變是無擴散型轉(zhuǎn)變，形核和長大速度極快，所以合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)影響很小。合金元素的作用表現(xiàn)在對馬氏體點MsMf 溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。除Co、Al 以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms 和Mf 下降（圖1-15）。奧氏體形成元素錳、鎳、碳、氮對降低Ms 點，提高奧氏體穩(wěn)定溫度范圍有顯著作用。鉻使Ms 點下降的強烈作用與鉻使A3 點下降（鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7.

45、5）的作用是分不開的。在低合金鋼中，一般隨鋼中合金元素增加，Ms 和Mf 點繼續(xù)下降，室溫下將保留更多的殘留奧氏體量，合金元素對殘余奧氏體量的影響見圖1-16。因此在相同的含碳量下，合金鋼中殘余奧氏體的含量甚至可高達(dá)30%40%以上。這對鋼的性能將產(chǎn)生很大影響。殘余奧氏體量過高時鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。對于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了將殘余奧氏體量控制在合適的范圍，往往要進(jìn)行附加的處理，例如冷處理或多次回火。多次回火過程中殘余奧氏體發(fā)生合金碳化物的析出，使殘余奧氏體的Ms、Mf 點升高，而在回火后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（稱為二次淬火），從而使殘余奧氏體量減少。下列元素可明顯地降低鋼的Ms

46、和Mf 點，并增加殘余奧氏體量，按照作用的強弱可列為：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si對于奧氏體不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。除在高溫得到單一相外，還要使Ms 點遠(yuǎn)低于室溫或零下，通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。此外，合金元素還影響馬氏體的形態(tài)，Ni、Cr、Mn、Mo、Co 等均增大片狀馬氏體形成的傾向。合金元素的加入也影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。馬氏體亞結(jié)構(gòu)基本有兩種，一種是具有位錯結(jié)構(gòu)的板條馬氏體。另一種是具有孿晶結(jié)構(gòu)的針狀馬氏體。合金元素的含量和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度決定鋼的滑移和孿生的臨界分切應(yīng)力，從而影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。當(dāng)Ms 點溫度較高時

47、，由于滑移的臨界分切應(yīng)力較低，在Ms 點以下形成位錯結(jié)構(gòu)的馬氏體；在Ms 點溫度較低時，孿生分切應(yīng)力低于滑移臨界分切應(yīng)力，則馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。在Fe-C 合金中，分界溫度約為200。高于200形成位錯亞結(jié)構(gòu)，低于200形成孿晶亞結(jié)構(gòu)。一般鋼中碳或氮w0.4的鋼都是位錯馬氏體，w(C)0.6的鋼為孿晶馬氏體。合金元素如錳、鉻、鎳、鉬或鈷都增加形成孿晶馬氏體傾向。3合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過程的影響回火過程是使鋼獲得預(yù)期性能的關(guān)鍵工序。合金元素的主要作用是提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。（1）合

48、金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中馬氏體分解的影響 合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中馬氏體分解的第一階段（80170）沒有影響。馬氏體在發(fā)生第二階段分解時，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W 等對碳有較強的親和力，溶于馬氏體中的碳化物形成元素阻礙碳從馬氏體中析出，因而使馬氏體分解的第二階段減慢。在碳鋼中，實際上所有的碳從馬氏體的析出溫度都在250350左右，而在含碳化物形成元素的鋼中，可將這一過程推移到更高的溫度（400500），其中V、Nb 的作用比Cr、W、Mo 更強烈。含強碳化物形成元素的鋼中，回火時碳化物轉(zhuǎn)變的另一種機制是直接從馬氏體相中析出特殊碳化物，同時伴有滲碳體的溶解。居于這一類的元

49、素有V、Nb、Ti 等。圖1-17 是質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3C、2.1V 鋼淬火和回火時，低于500釩仍固溶于馬氏體，強烈阻礙馬氏體分解，只有40的碳以Fe3C 析出，大部分碳仍保留在馬氏體基體中。當(dāng)高于500，直接從馬氏體基體相中析出VC，VC形核的有利位置是位錯。VC 的形狀呈細(xì)片狀，約1nm 厚，與基體保持共格。VC 不斷析出，同時Fe、C 逐漸溶解。直到700，VC 已全部析出，F(xiàn)e3C 全部溶解。非碳化物形成元素對這一過程影響不大，但Si 的作用比較獨特，可以顯著減慢馬氏體的分解速度。如wSi=2%的鋼，可把馬氏體的分解溫度提高到350以上（2）合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中殘余奧氏體

50、轉(zhuǎn)變的影響 合金元素大都使殘余奧氏體的分解溫度向高溫方向推移。其中尤以Cr、Mn、Si 的作用最為顯著。在含有較多的W、Mo、V 等合金元素的高合金鋼中（如高速鋼），由于殘余奧氏體在回火過程中析出碳化物，造成殘余奧氏體中的碳及合金元素貧化，使其Ms 點高于室溫，因而在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。通過這種回火之后，淬火鋼的硬度不但沒有降低，反而有所升高，這種現(xiàn)象稱為二次淬火。（3）合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中碳化物的形成、聚集和長大的影響 合金元素對-碳化物的形成沒有影響。隨著回火溫度的升高，碳鋼中的-碳化物于200轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，合金元素中唯有Si 和Al 強烈推遲這一轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)變溫度升高到350

51、。此外，Cr 也有使轉(zhuǎn)變溫度升高的作用，不過比Si 和Al 的作用要小得多。隨著回火溫度的升高，合金元素能夠產(chǎn)生明顯的擴散，碳化物形成元素向滲碳體中富集，置換鐵原子，形成合金滲碳體。非碳化物形成元素將離開滲碳體。與此同時，將發(fā)生合金滲碳體的聚集長大，Ni 對其聚集長大沒有影響，而Si 和V、W、Mo、Cr則對其聚集長大過程起阻礙作用。在含W、Mo、V 較多的鋼中，回火后的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)降低，而是在某一回火溫度后，硬度反而增加，并在某一溫度（一般為550左右）達(dá)到峰值。這種在一定回火溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象稱為二次硬化。產(chǎn)生二次硬化的原因一方面是由于高溫回火時從馬氏體中析出的高度分

52、散的合金碳化物粒子所造成的。這類碳化物粒子在高溫下非常穩(wěn)定，很不容易聚集長大，從而使鋼具有很好的高溫強度；另一方面是二次淬火造成的。在高溫下工作的鋼，特別是高速切削工具及熱變形模具用鋼，二次硬化現(xiàn)象對需要較高紅硬性的工模具鋼是極為重要的。必須指出的是，不同碳化物所引起的二次硬化效果也不同，見圖1-18。釩鋼中VC 從馬氏體相中析出于位錯，呈薄片狀與基體保持共格，位錯被釘扎；鉬鋼中析出呈棒狀的Mo2C，與基體保持共格，而由原Fe3C 在原位轉(zhuǎn)變生成的(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr,Fe)23C6 及Mo2C 等由于顆粒較粗大，且不與基體共格，不能產(chǎn)生次生硬化，總的效果是隨著Mo 含量的增加，二次硬

53、化效果亦增大；鉻鋼中形成(Cr，F(xiàn)e)7C3 碳化物有一定的二次硬化效果（4）合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 大多數(shù)合金元素均延緩鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶過程，其中Co、Mo、W、Cr、V 顯著提高相的再結(jié)晶溫度，Si、Mn 的影響次之，Ni 的影響較小。在碳鋼中，相高于400開始回復(fù)過程，500開始再結(jié)晶。當(dāng)往鋼中加入Co（wCo=2%）時，可將相的再結(jié)晶溫度升高到630。幾種合金元素的綜合作用可以更顯著地提高再結(jié)晶溫度。（5）合金元素對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過程中回火脆性的影響 淬火合金鋼在一定溫度范圍內(nèi)回火時，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是回火脆性。250400間的第一類回

54、火脆性，是由相變機制本身決定的，是一種不可逆回火脆性，不可能用熱處理和合金化的方法消除，只能避開。但Mo、W、V、Al 等元素可稍微減弱這類回火脆性；而Mn、Cr 則促進(jìn)這類回火脆性的發(fā)展。加入Si、Cr 等可使這類回火脆性的溫度向高溫方向推移。450600間發(fā)生的第二類回火脆性主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān)，這類回火脆性在各類合金鋼中均有發(fā)生，只是程度不同而已，這是一種可逆回火脆性。根據(jù)合金元素對第二類回火脆性的作用，可將合金元素分為三類：增加回火脆性敏感性的元素有：Mn、Cr、Ni（與其它元素一起加入時）、P、V 等；無明顯影響的元素有：Ti、Zr、Si、

55、Ni（單一元素作用時）；降低回火脆性敏感性的元素有：Mo、W。為防止合金鋼中第二類回火脆性，在長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出了下列方法：回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過大時，即使水冷也難防止脆性產(chǎn)生；加入合金元素Mo、W 以抑制第二類回火脆性；提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。五、合金元素對鋼的性能的影響鋼中加入合金元素的主要目的是使鋼具有更優(yōu)異的性能。對于結(jié)構(gòu)材料來說，首先是提高其機械性能（力學(xué)性能），即既要有高的強度，又要保證鋼具有足夠的韌性。然而材料的強度和韌性常常是一對矛盾，增加強度往往要犧牲鋼的一部分塑性和韌性，反之亦然。因此各種鋼鐵材料在其發(fā)展過程中均受這一

56、矛盾因素的制約。其次，在腐蝕介質(zhì)及高溫條件下使用的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料，還要具備相當(dāng)?shù)哪透g性、熱強性和抗氧化性。最后，鋼鐵材料還要滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)、加工，因此還必須具備合適的工藝性能。1合金元素對鋼的強度的影響使金屬強度（主要是屈服強度）增大的過程稱為強化。金屬的強度一般是指金屬 材料對塑性變形的抗力，發(fā)生塑性變形所需要的應(yīng)力越高，強度也就越高。由于鋼鐵材料的實際強度與大量的位錯密切相關(guān)，其力學(xué)本質(zhì)是塑變抗力。為了提高鋼鐵材料的強度，要把著眼點放在提高塑變抗力上，阻止位錯的運動。鋼的強化機制的基本出發(fā)點是造成障礙，阻礙位錯運動。從這一基本點出發(fā)，鋼中合金元素的強化作用主要有以下四種方式：固溶強化、

57、晶界強化（細(xì)晶強化）、第二相強化及位錯強化。通過對這四種方式單獨或綜合加以運用，便可以有效地提高鋼的強度。（1）固溶強化 固溶強化的出發(fā)點是以合金元素作為溶質(zhì)原子阻礙位錯運動。其 強化機制為：由于溶質(zhì)原子與基體金屬原子大小不同，因而使基體的晶格發(fā)生畸變，造成一個彈性應(yīng)力場。此應(yīng)力場與位錯本身的彈性應(yīng)力場交互作用，增大了位錯運動的阻力，從而導(dǎo)致強化。此外，溶質(zhì)原子還可以通過與位錯的電、化學(xué)交互作用而阻礙位錯運動。固溶強化的強化量（屈服強度的增量） s與溶質(zhì)原子的濃度有關(guān)。對置換式固溶體，置換溶質(zhì)原子如Cr、Mn、Ni、Si 等所造成的強化量ss 與溶質(zhì)濃度Cs近似有：ss = KsCs式中， Ks為比例系數(shù)， Cs為置換式固溶體溶質(zhì)原子的百分濃度。對間隙式固溶體，間隙溶質(zhì)原子如鋼中的C、N 等所造成的強化量si 與間隙原子濃度Ci近似有：si = KiCi1/2式中， Ki 為比例系數(shù)， Ci為間隙式固溶體溶質(zhì)原子的百分濃度。一般認(rèn)為間隙溶質(zhì)原子的強化效應(yīng)遠(yuǎn)比置換式溶質(zhì)原子強烈，其強化作用相差10100 倍，因此，間隙原子如C、N 是鋼中重要的強化元素。然而在室溫下，它們在鐵素體中的溶解度十分有限，因此，其固溶