鋼鐵中的合金元素級(jí)

關(guān)于鋼鐵中的合金元素級(jí)1.1鋼中的合金元素及其分類合金元素：合金鋼，雜質(zhì)？低合金鋼：中合金鋼：

高合金鋼：

微合金鋼：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能顯著影響組織和性能的鋼。鋼：是一種以Fe為基的合金第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼鐵中的合金元素表中字體顏色為綠色或深藍(lán)色的元素為鋼中常見合金元素;字體顏色為深藍(lán)色的元素為鋼中常見碳化物形成元素。

IIIIIIIVVVI第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中合金元素的分類1、按與Fe相互作用的特點(diǎn)分：

形成元素：C，N，Ni，Mn，Co，Cu等形成元素：Cr，Mo，Si等2、按照與碳（C）相互作用的特點(diǎn)分：碳化物形成元素：Ti，V，Nb，Cr等非碳化物形成元素：Ni，Si，Al等3、按照對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分提高奧氏體層錯(cuò)能的元素：Ni，Cu等降低奧氏體層錯(cuò)能的元素：Mn，Cr等

第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.2合金元素與鐵和碳的相互作用純鐵在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生如下的同素異晶轉(zhuǎn)變:

合金元素對(duì)α-Fe，γ-Fe和δ-Fe的相對(duì)穩(wěn)定性以及同素異晶轉(zhuǎn)變溫度A3和A4均有極大的影響。

－Fe912

CA3－Fe1394

CA4－Fe鏈接Fe－C相圖！第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天6.67Lreturn1純鐵：N點(diǎn)，A4G點(diǎn)，A3①②③A第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天6.67L鋼：A4線NHA3線GS①②③AReturn2第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素與鐵的相互作用：

（1）擴(kuò)大奧氏體（γ）區(qū)的元素

（奧氏體形成元素）使A3溫度下降，A4溫度上升，即擴(kuò)大了γ相區(qū)。Fe－C相圖兩種情況第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)大γ區(qū)的元素

無限擴(kuò)大γ相區(qū)的元素：與Fe無限固溶

Ni、Mn、Co（鈷）屬于此類合金元素第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)大γ區(qū)的元素有限擴(kuò)大γ相區(qū)的元素：有限固溶與－Fe和－Fe均形成有限固溶,相有穩(wěn)定存在的最低溫度點(diǎn)。C、N、Cu等第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素與鐵的相互作用：

（2）擴(kuò)大鐵素體（α）區(qū)的元素（鐵素體形成元素）這些合金元素使A3溫度上升，A4溫度下降（鏈接Fe－C相圖）

包括以下兩種情況:第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)大α區(qū)的元素封閉型：無限擴(kuò)大α區(qū)Cr（鉻）、V（釩）第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天擴(kuò)大α區(qū)的元素

縮小γ型：出現(xiàn)金屬間化合物

B（硼）、Nb（鈮）等第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天兩類元素生產(chǎn)上的指導(dǎo)意義合金元素這種擴(kuò)大或縮小γ相區(qū)的能力對(duì)合金的組織形貌、力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能將產(chǎn)生重大的影響，對(duì)鋼鐵材料的成分設(shè)計(jì)有很重要的指導(dǎo)意義，eg.不銹鋼的成分設(shè)計(jì)：使鋼在室溫具有單相、或單相的組織奧氏體不銹鋼：加入大量的Ni，Mn等奧氏體形成元素，如1Cr18Ni9，（wCr18％促進(jìn)Ni的奧氏體化作用）鐵素體不銹鋼：加入大量的Cr、Si等鐵素體形成元素，如Cr25Ti（p8）第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天與Fe形成代位固溶體的合金元素，擴(kuò)大或縮γ相區(qū)的能力與它們?cè)讦?Fe和γ－Fe中的溶解度有關(guān),主要有3個(gè)影響因素:（自學(xué)）1.合金元素與鐵元素電子結(jié)構(gòu)的差異;2.合金元素與鐵元素點(diǎn)陣類型的差異;3.合金元素與鐵元素原子尺寸因素的差異第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天熱力學(xué)解釋合金元素

對(duì)相區(qū)的作用H

－－－元素在相中的摩爾焓；H

－－－元素在相中的摩爾焓；H＝H

－

H

H<0，元素?cái)U(kuò)大相區(qū)H>0,元素?cái)U(kuò)大相區(qū)第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素與鐵的相互作用：

（3）、形成金屬間化合物①σ相

鋼中的σ相：在低碳的高鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼及耐熱鋼中都出現(xiàn)σ相。（P11σ相）

例如：FeCr

相（p5，圖1.3（b））在鋼中為有害現(xiàn)象：σ相具有較高的硬度，鋼中FeCr析出通常在晶界處，析出時(shí)伴隨較大的體積變化，所以在鉻鎳鋼中伴隨著σ相的出現(xiàn)，鋼的塑性和韌性顯著下降，脆性增加。同時(shí)造成鋼的耐腐蝕性能下降。第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天②、AB2相(拉維斯相)尺寸因素起主導(dǎo)作用形成的相：AB2金屬間化合物是耐熱鋼和耐熱合金中重要的強(qiáng)化相，如耐熱鋼中的NbFe2，耐熱鋁合金中的CuAl2等（原子直徑之比）第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天③AB3相(有序相)

是介于無序固溶體和化合物之間的過渡狀態(tài)。 是耐熱鋼和耐熱合金中重要的強(qiáng)化相，例如：Ni3Al等。

Ni3Al中可溶解多種元素，電負(fù)性和原子半徑?jīng)Q定Ni（Co，Cu）3Al（Ti，Nb）第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素與鐵的相互作用：

（4）對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響Ni提高奧氏體的層錯(cuò)能，Mn降低奧氏體層錯(cuò)能奧氏體不銹鋼第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)合金元素與鋼中晶體

缺陷的相互作用合金中的晶體缺陷：晶界、相界、亞晶界、位錯(cuò)等

溶質(zhì)原子與晶界結(jié)合晶界偏聚溶質(zhì)原子與位錯(cuò)結(jié)合柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，C、N熱力學(xué)解釋：柯氏氣團(tuán)、晶界偏聚為使體系能量降低的自發(fā)過程p7解釋，

McLean公式，偏聚程度與畸變能差有關(guān)第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素晶界偏聚的富積系數(shù)原子尺寸，相差大，E大，晶界偏聚大固溶度小，C0小，晶界偏聚大溫度降低，E不變，晶界偏聚大幾種溶質(zhì)原子之間同時(shí)在晶界偏聚：E值大的優(yōu)先；影響晶界偏聚速度；共偏聚作用：溶質(zhì)原子之間有強(qiáng)相互作用，在晶界產(chǎn)生沉淀Cg－－－晶界區(qū)的溶質(zhì)偏聚濃度；C0－－－溶質(zhì)在基體晶內(nèi)的濃度第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素與碳的相互作用一、鋼鐵中碳化物的特點(diǎn)：

高熔點(diǎn)，高硬度，高穩(wěn)定性，p10，表1-1判定，越大，化合物越穩(wěn)定，為什么？第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中碳化物合金元素的d層電子數(shù)決定其與C、N原子形成的鍵的強(qiáng)度，d層電子越少，碳、氮化合物越穩(wěn)定鏈接元素周期表二、鋼中碳化物的穩(wěn)定性第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天部分合金元素的d層電子數(shù)對(duì)第四周期合金元素：

與碳的親和力Ti>V>Cr>Mn,而Co和Ni的3d層電子數(shù)比鐵多，與碳的親和力比鐵弱，故在鋼中不形成碳化物。return第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物

在鋼中碳化物相對(duì)穩(wěn)定性的順序如下：

Ti>Zr>Nb>V>Mo>W>Cr>Mn>Fe

Ti、Nb、Zr

、V－－－強(qiáng)碳化物形成元素；W、Mo，Cr－－－中強(qiáng)碳化物形成元素；

Ni，Co，Cu

的碳化物在鋼中不出現(xiàn)第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物合金碳化物在鋼中的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物arc/rme>0.59形成復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，復(fù)雜碳化物，碳化物穩(wěn)定性差，如Cr23C6，Cr7C3brc/rme<0.59，晶格簡(jiǎn)單的C化物，MeC和Me2C型，穩(wěn)定性高W、V、Ti、Zr、Mo、Nb等屬于此類型。第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物復(fù)合碳化物：在一種碳化物中可溶解其它元素，形成含有多種合金元素碳化物，如（Fe，V）3C，（Fe，Mn）3C等。

各種碳化物之間可以完全溶解或部分溶解。

四、碳化物的相互溶解第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物1、完全互溶

各種碳化物具有相同的點(diǎn)陣類型，碳化物中的金屬原子的外層價(jià)電子結(jié)構(gòu)相近，原子半徑差<8-10%，碳化物彼此能夠完全互溶，即碳化物中的金屬原子可以任意彼此互相置換例如：

Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3CVC-TaC-NbC-(V,Nb,Ta)CMo2C-W2CFe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的碳化物2、有限溶解：

如果三個(gè)因素中任意一個(gè)不合適，則碳化物之間就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解<28%Cr,<14%Mo,<2%W,<3%V,形成合金滲碳體。第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼鐵中的氮化物

氮化物具有高硬度和脆性、高熔點(diǎn)，對(duì)鋼的性能有明顯的影響。

氮原子比碳原子小，氮原子半徑

N和金屬原子半徑γMe,γN/γMe均小于0.59，所以氮化物都呈簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu)。第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的金屬間化合物合金鋼中合金元素之間以及合金元素與鐵之間產(chǎn)生相互作用，可能形成各種金屬間化合物。金屬間化合物保持著金屬的特點(diǎn)，對(duì)奧氏體不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼和許多高溫合金的強(qiáng)化有較大的影響。第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋼中的金屬間化合物一、σ相IIIIIIIVVVI第一長(zhǎng)周期的第七族（VIIB）和第八族（VIIIB）能和第五族（VB）及第六族（VIB）元素形成相，如Cr－Mn，Cr－Fe等第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.5合金元素鋼相變的影響

1、改變了奧氏體相區(qū)的位置Mn,Ni等：形成元素，擴(kuò)大

區(qū)，室溫Cr，Mo等：鐵素體形成元素，

會(huì)消失，室溫1-61-7第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素鋼相變的影響擴(kuò)大γ相區(qū)元素降低了A3溫度，也降低了A1溫度；

縮小γ相區(qū)元素升高了A3溫度，也升高了A1溫度2、改變了共析溫度1-8第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素鋼相變的影響3、改變了共析體的含碳量

所有的合金元素都降低共析點(diǎn)碳含量，使共析點(diǎn)左移1-9第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素鋼相變的影響合金元素添加量使C≤0.8%的鋼中出現(xiàn)共析組織;合金元素添加使C≤2.11%的鋼中出現(xiàn)合金萊氏體總結(jié)：合金元素對(duì)臨界點(diǎn)Fe-C相圖的影響可由下表表示第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)奧氏體形成的影響鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變：

γ相的形成碳化物溶解γ相中合金元素的均勻化溶質(zhì)元素的晶界平衡偏聚奧氏體晶粒長(zhǎng)大第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)奧氏體形成的影響改變臨界點(diǎn)溫度S點(diǎn)位置等，改變奧氏體形成的溫度條件及C濃度條件。合金元素影響奧氏體均勻化→強(qiáng)碳、氮化物形成元素→穩(wěn)定碳化物或氮化物，溶解需更高溫度，更長(zhǎng)時(shí)間保溫得到均勻一致γ。合金工具鋼保留部分C化物。影響奧氏體均勻化

第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)鋼在加熱時(shí)轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響,p15→非碳、氮化物形成元素Mn、P、有助長(zhǎng)奧化體晶粒長(zhǎng)大→非碳、氮化物形成元素，Ni.Co等對(duì)γ長(zhǎng)大無影響

→強(qiáng)碳、氮化物形成元素↓奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向，氮化物比碳化物溶解度低，常用第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響一、影響相變臨界點(diǎn)，從而影響相變的過冷度和驅(qū)動(dòng)力

元素對(duì)Ac3和Ac1影響可定量表示，

形成元素，形成元素

二、在恒溫轉(zhuǎn)變曲線上的影響

C化物形成元素

C曲線右移，并改變其形狀，出現(xiàn)兩個(gè)“鼻子”溫度（圖1.10）非C化物形成元素使C-曲線右移，形狀不變，特殊情況Co↑C擴(kuò)散，C曲線左移綜述：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。除Co外，所有合金元素均↑γ穩(wěn)定性，↑淬透性，鋼中常用于提高淬透性元素：

Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天℃550700727γ＋Pγγ＋BγPBMsTimeMA1bcaMf共析鋼的“C”曲線（TTT曲線）return第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素?cái)U(kuò)散慢，是珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)碳化物形核的控制因素合金元素影響形核功或轉(zhuǎn)變激活能，降低相轉(zhuǎn)變速度，p17（Ti，V，Nb）（Cr，Mo，W）

（Al，Si）合金元素對(duì)先共析鐵素體析出的影響：C在相變前端的擴(kuò)散為控制因素，強(qiáng)碳化物形成元素對(duì)析出不利，Ni、Mn也減慢這種轉(zhuǎn)變相間沉淀:碳化物相間沉淀，尺寸取決于轉(zhuǎn)變溫度和碳化物形成元素的種類

合金元素對(duì)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的綜合作用合金元素對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的影響（自學(xué)）

P19，合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響（自學(xué)）第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度的影響。合金元素改變貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?cè)杏?，減慢長(zhǎng)大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強(qiáng)，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。(自學(xué))第45頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

絕大多數(shù)合金元素都降低MS，↑鋼中的殘余量,但有Co和Al相反。P22，readtogether

合金元素影響馬氏體的結(jié)構(gòu):C和合金元素增加形成針狀馬氏體的傾向合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變的影響第46頁,共51頁，2024年2月25日，星期天合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響

對(duì)馬氏體分解的影響：↑M分解溫度，↓M分解速度，↑回火抗力，↑回火穩(wěn)定性

合金元素：↓M分解速度

C鋼中C化物析出溫度250—350℃合金鋼中400