鋼的合金化基礎(chǔ)

鋼的合金化基礎(chǔ)鋼中常用的合金元素ⅠA

0H

ⅡA

ⅢA

ⅣA

ⅤA

ⅥA

ⅦA

He

LiBeBC

NOFNeNaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧB(niǎo)ⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTi

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

ZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn5.1合金元素與鐵和碳的相互作用5.1.1合金元素及其在鋼中的分布第2頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天合金元素在鋼中的存在形式取決于：1、合金元素本身的性質(zhì)；2、合金元素的含量以及碳的含量；3、熱處理?xiàng)l件（加熱溫度、冷卻條件）。合金元素在鋼中的存在形式：1、合金固溶體，如

-Fe(Me)2、合金滲碳體，(Fe,Me)3C3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC4、非金屬夾雜，MnS，MnO，SiO2，Al2O35、以游離狀態(tài)存在，如Cu，Pb第3頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.1.2合金元素與鐵的相互作用

合金元素可以改變鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度A3和A4，從而改變Fe－Me二元相圖的類(lèi)型。合金元素對(duì)鐵的二元相圖的影響，主要可以區(qū)分為擴(kuò)大和縮小γ相區(qū)兩類(lèi)，這兩類(lèi)又可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)次類(lèi)。

1.γ相穩(wěn)定化元素

使A3降低，A4升高，在較寬的溫度范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了γ相區(qū)。根據(jù)程度的不同，可以分為：第4頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（1）開(kāi)啟γ相區(qū)

α相及δ相分別處于被封閉的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)合金元素超過(guò)某一限量后，可以在室溫得到穩(wěn)定的γ相。Ni和Mn可使鐵的轉(zhuǎn)變抑制到較低的溫度，故由γ區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織。Ni和Mn是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖第5頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）擴(kuò)展γ相區(qū)雖然γ相區(qū)隨著合金元素的加入而被擴(kuò)大了，但是由于受到合金元素固溶度的影響而不能完全開(kāi)啟。C和N是這種類(lèi)型的最重要的元素；Cu、Zn和Au具有相同的影響。擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe有限互溶的Fe-Me相圖第6頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．α相穩(wěn)定化元素使A4溫度下降，A3溫度升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小γ相區(qū)。根據(jù)程度的不同，可以分為：

（1）封閉γ相區(qū)許多元素限制γ－Fe的形成，使相圖中γ區(qū)縮小到一個(gè)很小的面積，形成γ相圈，如右圖所示。從圖中可以看出α相和δ相連成一片。Si、Al和強(qiáng)碳化物形成元素Ti、V、Mo、W、Cr均屬于這類(lèi)元素。封閉γ相區(qū)并與

-Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖第7頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（2）縮小γ相區(qū)。由于受到固溶度的限制，這類(lèi)合金元素不能使γ區(qū)完全封閉，故稱(chēng)為縮小γ相區(qū)元素。B是這一類(lèi)中的典型元素。第8頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天小結(jié)：合金元素是否為擴(kuò)大γ相區(qū)元素的條件：1.本身為面心立方點(diǎn)陣；2.與Fe的電負(fù)性相近；3.與Fe的原子尺寸相近。以第四周期為例：TiVCrMnFeCoNiCu3d24S23d34S23d54S13d54S23d64S23d74S23d84S23d104S1BccBccBcc多型多型多型FccFcc第9頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天以Cr為界：3d層電子數(shù)≤5時(shí)，合金元素為縮小γ相區(qū)元素；3d層電子數(shù)≥

5時(shí)，合金元素為擴(kuò)大γ相區(qū)元素。至于Cr是否為擴(kuò)大γ相區(qū)元素，視其含量而定，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時(shí)使A3下降，大于7%時(shí)使A3上升。第10頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.1.3合金元素與碳的相互作用

按照合金元素與碳的親和力的大小分為：碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。（1）形成碳化物的規(guī)律性碳化物在鋼中的相對(duì)穩(wěn)定性取決于合金元素與碳的親和力的大小，即取決于合金元素d層電子數(shù)。

金屬元素的d層電子數(shù)越少，它與碳的親和力就越大，所形成的碳化物就越穩(wěn)定。在鋼中碳化物相對(duì)穩(wěn)定性的順序如下：

Hf>Ti>Zr>Ta>Nb>V>Mo>W>Cr>Mn>Fe第11頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）碳化物的類(lèi)型

碳化物中金屬原子和碳原子可形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣或復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，金屬原子處于點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上，而尺寸較小的碳原子在點(diǎn)陣的間隙位置。

如果金屬原子間的間隙足夠大，可以容納碳原子時(shí)，碳化物就可以形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

若這種間隙還不足容納碳原子時(shí)，就得到比簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)稍有變形的復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

因此碳原子半徑(

C)和過(guò)渡族金屬的原子半徑(

Me)的比值(

C/

Me)決定了可以形成簡(jiǎn)單還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物。

第12頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬元素的

C/

Me值如下：金屬FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、當(dāng)

C/rM

0.59時(shí)，形成MC型和M2C型簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr屬于此類(lèi)元素。

2、當(dāng)

C/

M>0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物，一般合金鋼中常出現(xiàn)的復(fù)雜點(diǎn)陣的碳化物為Cr，Mn，F(xiàn)e的碳化物或它們的合金碳化物。第13頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天VC晶體結(jié)構(gòu)圖Fe3C晶體結(jié)構(gòu)圖第14頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）碳化物的特性

相對(duì)于純金屬而言，碳化物具有高的熔點(diǎn)、分解溫度和硬度，其對(duì)鋼材的強(qiáng)化能力是很大的；與C的親和力越強(qiáng)的合金元素形成的碳化物越穩(wěn)定，其熔點(diǎn)、硬度和耐磨性也越高；碳化物的穩(wěn)定性越高，熱處理加熱時(shí)，碳化物的溶解及奧氏體的均勻化越困難。同樣在冷卻及回火過(guò)程中碳化物的析出及其聚集長(zhǎng)大也越困難。碳化物穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的順序是：Fe3CM3CM23C6M7C3M6CM2CMC第15頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.1.4合金元素對(duì)Fe－Fe3C相圖的影響Ni、Co、Mn以及其它擴(kuò)大

相區(qū)的元素，均使共析點(diǎn)左移而GS線下沉，如圖所示。1．合金元素對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響第16頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它縮小

相區(qū)的元素，均使三元系中的

相區(qū)逐漸呈劈形，如圖所示。

由圖可知，大多數(shù)元素均使ES線左移，E點(diǎn)（C％＝2.11%的點(diǎn)）左移，意味著鋼中含碳量不到2.11%就會(huì)出現(xiàn)共晶萊氏體。

第17頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

Ni、Mn等擴(kuò)大γ相區(qū)的元素，使共析點(diǎn)（S點(diǎn)）左移，GS下沉，使得A1和A3溫度同時(shí)降低；

Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它縮小γ相區(qū)的元素，使γ相區(qū)呈劈形，且共析點(diǎn)（S點(diǎn)）左移，使得A1和A3溫度同時(shí)升高；因此，合金元素對(duì)共析溫度的影響基本與對(duì)鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響相一致，如圖所示：2．合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖共析點(diǎn)S和共晶點(diǎn)E的影響第18頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

所有合金元素均使共析點(diǎn)左移，說(shuō)明在鋼中C％不到0.77%時(shí)，鋼就會(huì)變?yōu)檫^(guò)共析而析出二次滲碳體，從而降低了共析體中的含碳量。這樣，合金鋼加熱至略高于A1時(shí)，所得到的奧氏體的含碳量總比碳鋼低。由此可見(jiàn)，判斷一個(gè)合金鋼是亞共析還是過(guò)共析應(yīng)根據(jù)Fe－C－X三元相圖來(lái)進(jìn)行分析。第19頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.2合金元素對(duì)鋼熱處理的影響5.2.1合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響

（1）合金元素對(duì)奧氏體形成速度的影響☆Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等強(qiáng)碳化物形成元素與C的親和力強(qiáng)，形成難溶于奧氏體的合金碳化物，顯著阻礙C的擴(kuò)散，大大減慢奧氏體形成速度。為了加速碳化物的溶解和奧氏體成分的均勻化，必須提高加熱溫度并保溫更長(zhǎng)時(shí)間?！頒o、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的擴(kuò)散速度，使奧氏體形成速度加快?！預(yù)l、Si、Mn等合金元素對(duì)奧氏體形成速度影響不大。第20頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑵合金元素對(duì)奧氏體晶粒大小的影響大多數(shù)合金元素，特別是強(qiáng)碳化物形成元素由于形成合金滲碳體和特殊碳化物，更難溶入奧氏體中，并且阻礙奧氏體晶界的移動(dòng)和奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr強(qiáng)烈阻礙A體晶粒長(zhǎng)大。W、Cr、Mo中等阻礙A體晶粒長(zhǎng)大。Mn、P、B促進(jìn)A體晶粒長(zhǎng)大。第21頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.2.2合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響⑴合金元素對(duì)C曲線的影響除Co外，幾乎所有合金元素溶入奧氏體后都增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，即提高鋼的淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al對(duì)淬透性作用依次由強(qiáng)到弱。對(duì)C曲線形狀的影響注意：加入合金元素，只有完全溶入奧氏體才能提高淬透性。兩種或多種合金元素同時(shí)加入對(duì)淬透性的影響，比單一元素的影響強(qiáng)得多。第22頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)VK影響的示意圖第23頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)C曲線影響示意圖第24頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天Si基本不影響Ms、Mf點(diǎn)，除Co、Al外，多數(shù)合金元素使Ms、Mf點(diǎn)下降，導(dǎo)致殘余奧氏體增加。（2）合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)Ms點(diǎn)的影響合金元素對(duì)殘余奧氏體量的影響（含1.0％的鋼在1150℃淬火）第25頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.2.3合金元素對(duì)淬火鋼回火的影響（1）提高回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性——淬火鋼在回火時(shí)硬度下降快慢的性質(zhì)。原因：

（1）推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（即在較高溫度才開(kāi)始分解和轉(zhuǎn)變）；（2）提高鐵素體的再結(jié)晶溫度。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。第26頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）產(chǎn)生二次硬化和二次淬火二次硬化——淬火鋼在回火時(shí)隨著回火溫度的升高，硬度不下降反而升高的現(xiàn)象。產(chǎn)生二次硬化的原因：

1.高溫回火時(shí)從馬氏體中析出高度分散的合金碳化物顆粒，起到了沉淀強(qiáng)化的作用；

2.回火過(guò)程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火。第27頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）增大回火脆性?xún)A向

回火脆性——在某些溫度區(qū)間回火時(shí)，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象。第一類(lèi)回火脆性，對(duì)應(yīng)回火溫度范圍：250-400℃。第二類(lèi)回火脆性，對(duì)應(yīng)回火溫度范圍：450-600℃。消除第二類(lèi)回火脆性的方法：

1.快冷；

2.加入Mo或W降低回火敏感性；

3.降低有害元素的含量。第28頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.3合金元素與鋼的強(qiáng)韌化結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性，常常是一對(duì)矛盾，強(qiáng)度是主要的使用性能，增加強(qiáng)度往往要犧牲韌性，或者反過(guò)來(lái)也是如此。因而當(dāng)前面臨的問(wèn)題，不是片面地追求強(qiáng)化，而是追求強(qiáng)韌化。5.3.1合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響金屬的強(qiáng)度——金屬材料對(duì)塑性變形的抗力。（1）固溶強(qiáng)化定義：通過(guò)加入合金元素組成固溶體使金屬材料得到強(qiáng)化。第29頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在許多鋼中，鐵素體是基本組成相之一，在結(jié)構(gòu)鋼中其所占比例要≥90%。試驗(yàn)指出：定量評(píng)定合金鐵素體的強(qiáng)化程度可以通過(guò)每個(gè)合金元素對(duì)α-Fe固溶體性能影響的疊加效果。式中：

KiF是1%(重量)的第i種合金元素固溶后引起鐵素體屈服強(qiáng)度增量的強(qiáng)化系數(shù)；

CiF為第i種合金元素溶于鐵素體中的重量百分濃度。第30頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同合金元素溶于鐵素體中的強(qiáng)化系數(shù)KiF值如下表所示：元素C+NPSiTiAlCuMnCrNiMoVKiF/100MPa467069085806040353030103

注意：按上式評(píng)定鐵素體的強(qiáng)化應(yīng)該考慮合金元素溶于鐵素體的濃度，而不是這些元素在鋼中的含量。第31頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）細(xì)晶強(qiáng)化鐵素體的屈服強(qiáng)度隨晶粒度的減小按Hall-Petch公式而增加，即σs=σ0+kd-0.5

其中：d為晶粒直徑；

σ0為位錯(cuò)移動(dòng)的摩擦阻力；

k為常數(shù)。實(shí)際晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高，所以在加工鋼鐵材料時(shí)非常重視最終的鐵素體晶粒尺寸。第32頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天0.11%C的軟鋼的屈服強(qiáng)度與晶粒度不同溫度下的關(guān)系如圖所示：

當(dāng)軟鋼的晶粒d=0.25mm(粗晶粒)時(shí)，屈服強(qiáng)度約為100Mpa；當(dāng)軟鋼的晶粒d=0.0025mm(細(xì)晶粒)時(shí)，屈服強(qiáng)度高達(dá)500MPa以上。第33頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）第二相強(qiáng)化定義：在金屬基體中存在另外的一個(gè)或幾個(gè)相，這些相的存在使金屬的強(qiáng)度得到提高。例如：鋼材在經(jīng)淬火處理后，在回火過(guò)程中，以特殊碳化物的質(zhì)點(diǎn)彌散析出，這些碳化物能有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了鋼的屈服強(qiáng)度。（4）位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)造成的強(qiáng)化量

與位錯(cuò)密度

之間的關(guān)系為：

=kd

1/2

例如：鋼鐵在冷加工（軋制、拉拔）過(guò)程中，受力變形，使基體內(nèi)的位錯(cuò)密度大大提高；鋼鐵在淬火后，基體內(nèi)的位錯(cuò)密度以及缺陷密度也大幅度的增加，這都增加了鋼材的強(qiáng)度。第34頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.3.2提高鋼韌性的途徑

按上述強(qiáng)化方式進(jìn)行強(qiáng)化，除細(xì)晶強(qiáng)化以外，一般均會(huì)發(fā)生脆化，導(dǎo)致韌性破斷的沖擊值和斷裂韌性值下降。因此，尋求高強(qiáng)度而同時(shí)有高韌性的材料，是重要的研究任務(wù)。1、細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒作為鋼的主要強(qiáng)化機(jī)制是十分重要的，它是既強(qiáng)化又韌化鋼材的唯一辦法。2、提高鋼的回火穩(wěn)定性

可以在相同強(qiáng)度水平下，提高回火溫度，提高韌性。3、改善基體韌性合金元素是通過(guò)影響基體的塑性特性，即影響位錯(cuò)摩擦力、交叉滑移的難易程度而起作用。第35頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、細(xì)化碳化物5、降低和消除鋼的回火脆性（Mo、W）6、降低含碳量7、提高冶金質(zhì)量，降低雜質(zhì)元素的含量8、通過(guò)合金化形成一定量的殘余奧氏體。第36頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.4鋼的分類(lèi)及編號(hào)按照鋼中是否加入合金元素可將鋼分為碳鋼和合金鋼。5.4.1碳鋼的分類(lèi)（1）按碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(lèi)低碳鋼C%0.25%

中碳鋼0.25%C%0.6%

高碳鋼C%0.6%（2）按鋼的質(zhì)量分類(lèi)

a、普通碳素鋼S≤0.05%P≤0.045%

b、優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.035%P≤0.035%

c、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.02%P≤0.03%

d、特級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.015%P≤0.025%第37頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）按鋼的用途分類(lèi)

a、碳素結(jié)構(gòu)鋼這類(lèi)鋼主要用于制備建筑、車(chē)輛、造船、橋梁、石油、化工、電站、國(guó)防等部門(mén)的工程構(gòu)件。

b、機(jī)器零件用鋼這類(lèi)鋼主要用于制造機(jī)器零件，如軸、軸承、齒輪、彈簧等。

c、碳素工具鋼

這類(lèi)鋼主要用于制作刃具、量具、模具。第38頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）按鋼冶煉時(shí)的脫氧程度分類(lèi)

a、沸騰鋼（F）脫氧不徹底的鋼

b、鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧徹底的鋼

c、半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間

d、特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）特殊脫氧的鋼第39頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.4.2碳鋼的編號(hào)（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼表示方法：Q+屈服強(qiáng)度+質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D）+脫氧方法（b、Z、TZ）（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

a、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的平均含碳量用萬(wàn)分之幾表示：例如：平均含碳量為0.1%的鋼表示為10。

b、含錳量較高的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出。例如：平均含碳量為0.5%，錳含量0.7-1.0%表示為50錳或50Mn。

c、專(zhuān)門(mén)用途的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，在鋼號(hào)之尾附加用途符號(hào)。例如：含碳為0.2%的鍋爐鋼表示為20