钢的合金化基础

钢的合金化基础主要内容0.前言1.钢中合金元素及其分类依据2.合金元素对钢的作用3.钢的强化机制4.改善钢塑性和韧性的途径5.合金元素对钢相变的影响6.钢的冶金质量第2页,共104页，2024年2月25日，星期天0前言合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。合金元素、合金钢（主要元素：Cr、Ni、Mo、W、V

常存元素：Mn、Si……）注意：合金元素不一定直接影响钢性能，大部分是由于影响相变过程。低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量

10%第3页,共104页，2024年2月25日，星期天（1）杂质元素（impurity-element）常存杂质

冶炼残余，由脱氧剂带入。Mn、Si、Al；S、P难清除。隐存杂质偶存杂质

生产过程中形成，微量元素O、H、N等。

与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。1.钢中合金元素及其分类依据第4页,共104页，2024年2月25日，星期天

热脆性——S——FeS(低熔点989℃)；？

冷脆性——P——Fe3P（硬脆）；？氢脆——H——白点。（2）合金元素（alloying-element）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。钢中常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。第5页,共104页，2024年2月25日，星期天1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布第二周期：B、C、N；第三周期：Al、Si第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、第五周期：Zr、Nb、Mo第六周期：W第七周期：稀土元素、TaS、P一般为杂质元素第6页,共104页，2024年2月25日，星期天1.钢中合金元素及其分类依据一、合金元素在钢中的分布合金元素的存在形式（溶于钢中或形成新相），主要包括：溶于铁素体、奥氏体或马氏体中，形成固溶体；—溶入基体形成强化相；(形成碳化物或金属间化合物)-强化相形成非金属夹杂物；（氧化物、氮化物或硫化物等）—第二相以游离状态存在。—单质取决于种类特点、含量、冶炼方法及热处理工艺等第7页,共104页，2024年2月25日，星期天合金元素在钢中的存在形式固溶体化合物游离态固溶体碳化物金属间化合物非金属夹杂物合金渗碳体特殊碳化物合金元素在钢中的存在形式

第8页,共104页，2024年2月25日，星期天例：形成合金F

合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格类形的差异，必然引起Ｆ晶格畸变，产生固溶强化，使Ｆ的强度、硬度↑，而塑、韧性略有下降。

P、Si、Mn、Ni是显著的强化Ｆ元素。固溶体固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W第9页,共104页，2024年2月25日，星期天它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。

(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，所以可以提高耐磨性。合金渗碳体如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等第10页,共104页，2024年2月25日，星期天由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入Ａ中。特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、第11页,共104页，2024年2月25日，星期天金属间化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金属夹杂物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游离态如Pb、Cu等第12页,共104页，2024年2月25日，星期天*合金元素改善钢的热处理工艺性能除Mn，（P）外，所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻碍晶界迁移，细化晶粒。P21《王晓敏工程材料学》1.细化奥氏体晶粒第13页,共104页，2024年2月25日，星期天除Co外，固溶于A中的合金元素总是不同程度的增加Ａ稳定性，延缓Ａ的转变，使C曲线右移，淬透性提高。合金钢可选择油淬，高合金钢甚至空冷即可获得M组织。Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B2.提高淬透性第14页,共104页，2024年2月25日，星期天除Co、Al外，所有合金元素降低Ms

、Mf增加残余奥氏体含量，按作用由强到弱：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si2.提高淬透性第15页,共104页，2024年2月25日，星期天3.提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高。在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，塑韧性好。第16页,共104页，2024年2月25日，星期天1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类1、与铁的相互作用（1）奥氏体（austenite）形成元素：C、N、Mn、Cu、Ni、Co、W等，(优先分布于奥氏体中)奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%

（2）铁素体（ferrite）形成元素：Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等，(优先分布于铁素体中)第17页,共104页，2024年2月25日，星期天1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类2、与碳的相互作用（1）非碳化物形成元素：Al、Si、Cu、Ni、P等，(易溶于奥氏体或铁素体中或形成夹杂)（2）碳化物形成元素：Cr、V、Ti、Mo、Zr、Nb等，(形成碳化物或溶于固溶体中)第18页,共104页，2024年2月25日，星期天1.钢中合金元素及其分类依据二、合金元素的分类3、对奥氏体层错能的影响分类（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru(钌)、Ir(铱)等。层错是一种晶体缺陷，它破坏了晶体排列的周期性，引起能量升高。产生单位面积的层错所需能量为“层错能”。（层错能愈小，出现层错的几率愈大）第19页,共104页，2024年2月25日，星期天一、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；b)与γ区有限固溶

——

C、N、Cu

——

扩大γ区。2.合金元素与铁碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响第20页,共104页，2024年2月25日，星期天2、α稳定化元素使A3↑，A4↓，γ区缩小a)完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、TiCr、V与α-Fe完全互溶，量大时→α相W、Mo、Ti等部分溶解b)缩小γ区——Nb等。稳定γ相——A形成元素，稳定α相——F形成元素。第21页,共104页，2024年2月25日，星期天(a)Ni，Mn，Co

(b)C，N，Cu

(c)Cr，V

(d)Nb,B等

图1

合金元素和Fe的作用状态

第22页,共104页，2024年2月25日，星期天1.2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

MeTiVCrMnCoNiCuCN溶解度αFe~7(1340℃)无限无限~376100.20.020.1γFe0.68~1.412.8*无限无限无限8.52.062.8注：有些元素的固溶度与C量有关

不同元素的固溶情况是不同的。为什么?简单地说：这与合金元素在元素周期表中的位置有关。第23页,共104页，2024年2月25日，星期天

常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子结构235567810原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128ΔR，%14.27.10.83.1—0.82.40.8注：1、电子结构是3d层电子数；2、原子半径是配位数12的数值

第24页,共104页，2024年2月25日，星期天（1）Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（2）Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似——无限固溶；（3）Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大——有限固溶；（4）原子半径对溶解度影响：ΔR≤±8%，可以形成无限固溶；≤±15%，形成有限固溶；>±15%，溶解度极小。结论第25页,共104页，2024年2月25日，星期天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.第26页,共104页，2024年2月25日，星期天

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。溶质原子大小：r↓，溶解度↑。N溶解度比C大:RN=0.071nm，RC=0.077nm。

③间隙位置优先占据有利间隙位置——畸变为最小。间隙位置总是没有被填满——

最小自由能原理。

二、间隙固溶体第27页,共104页，2024年2月25日，星期天二、Me和碳（氮）的作用

（一）钢中常见的碳化物

K类型、大小、形状和分布对钢的性能有很重要的作用。

非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等K形成元素：Ti、Zr、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe（由强到弱排列）第28页,共104页，2024年2月25日，星期天钢中常见的K类型有：

M3C：渗碳体，正交点阵；

M7C3：例Cr7C3，复杂六方；

M23C6：例Cr23C6，复杂立方；

M2C：例Mo2C、W2C。密排六方；

MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵；

M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵。K也有空位存在；可形成复合K,如(Cr,Fe,Mo，…)7C3

第29页,共104页，2024年2月25日，星期天复杂点阵结构：M23C6、M7C3、M3C。特点：硬度、熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。

M6C型不属于金属型的碳化物,复杂结构，性能特点接近简单点阵结构。第30页,共104页，2024年2月25日，星期天1、K类型

K类型与Me的原子半径有关。各元素的rc/rMe的值如下：

MeFeMnCrVMoWTiNbrc/rMe0.610.600.610.570.560.550.530.53

（二）K形成的一般规律第31页,共104页，2024年2月25日，星期天rc/rMe>0.59—复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe，形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K；rc/rMe<0.59—简单结构相，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。第32页,共104页，2024年2月25日，星期天2、相似者相溶

完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。如Fe3C，Mn3C→(Fe,Mn)3C；TiC~VC。

有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等.最大值为<20%Cr，<2%W，<0.5%V；MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。

溶入强者,使K稳定性↑;溶入弱者,使K稳定性↓第33页,共104页，2024年2月25日，星期天3、强者先，依次成

K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，依次形成K。如：在含Cr、W钢中，随C↑，依次形成M6C，Cr23C6，Cr7C3,Fe3C。如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固溶体。如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都在基体固溶体中。第34页,共104页，2024年2月25日，星期天4、NM/NC比值决定了K类型

形成什么K主要决定于当时的NM/NC比值。

退火态:在Cr钢中，随NM/NC↑，先后形成顺序为：M3C→M7C3→M23C6。回火态:基体中的NM/NC↑，则析出的K中NM/NC也↑。如W钢回火时，析出顺序为：Fe21W2C6→WC→Fe4W2C→W2C，NW/NC是不断↑。第35页,共104页，2024年2月25日，星期天5、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难

MC型在1000℃以上才开始溶解；回火时，在500~700℃才析出，并且不易长大，产生“二次硬化”效果。这在高合金钢中是很重要的强化方法。第36页,共104页，2024年2月25日，星期天（三）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）

第37页,共104页，2024年2月25日，星期天

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（如Cr46Fe52），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。第38页,共104页，2024年2月25日，星期天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39页,共104页，2024年2月25日，星期天（四）Me对奥氏体层错能的影响（1）提高奥氏体层错能的元素：Cu、Ni、C等；（2）降低奥氏体层错能的元素：Mn、Cr、Ru、Ir等。层错能越低，有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，使钢的加工硬化趋势增大。如：高镍钢和高锰钢。（锰：加工硬化特点）第40页,共104页，2024年2月25日，星期天对钢相变行为的影响：奥氏体层错能对Fe-Ni-C合金中马氏体形态的影响高低马氏体层错能低高奥氏体层错能片状M透镜M蝴蝶状M板条M马氏体类型举例钢18-8奥氏体钢Fe-Ni合金（四）Me对奥氏体层错能的影响第41页,共104页，2024年2月25日，星期天一、Me对钢强化的形式及其机理

强化本质：各种强化途径↑塑变抗力↑位错运动阻力

↑钢强度3.Me对钢的强韧化机制

第42页,共104页，2024年2月25日，星期天表达式对于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。机理

效果提高强度，降低塑韧性

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1、固溶强化第43页,共104页，2024年2月25日，星期天

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。

第44页,共104页，2024年2月25日，星期天2、位错强化

表达式机理位错密度ρ↑→↑↑位错交割、缠结，→有效地阻止了位错运动→↑钢强度。对bcc晶体，位错强化效果较好效果

在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度TK第45页,共104页，2024年2月25日，星期天途径：细化晶粒：晶界数量增加，位错数量增加；宜加入细化晶粒的合金元素Al、Nb、V、Ti等（晶界强化）形成第二相粒子：位错遇到第二相粒子会绕过时，位错数量增多；宜加入强碳化物形成元素V、Ti、W、Mo、Nb等促进淬火效应：淬火后获得板条M，位错形亚结构；宜加入提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等降低层错能：使位错易于扩展和形成层错，位错交互作用增加，滑移困难，加入降低层错能的元素Mn、Cr、Ru、Ir等第46页,共104页，2024年2月25日，星期天3、晶界强化表达式机理晶粒越细→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，↑塑性和韧度这是最理想的强化途径.

著名的Hall-petch公式式中，d为晶粒直径，Kg为系数第47页,共104页，2024年2月25日，星期天4、第二相强化表达式机理

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。钢强度表达式第48页,共104页，2024年2月25日，星期天小结：工程上屈服强度是四种强化机制共同作用的结果。σ0——派纳力；Δσi——某种强化机制引起的屈服强度增加量第49页,共104页，2024年2月25日，星期天对结构钢，晶界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。需要充分理解第50页,共104页，2024年2月25日，星期天塑性和韧性是对变形和断裂的综合描述。与应力集中、应力缓和、能量吸收及消散、加工硬化及裂纹的形成和扩散有关。塑性plastic：静拉伸时，断后伸长率和断面收缩率表示；韧性toughness

：断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。包括：变形和断裂吸收功、冲击韧度αK、断裂韧性KIC、韧脆转变温度Tk通常以冲击强度的大小来衡量。4.Me对钢塑韧性的影响第51页,共104页，2024年2月25日，星期天一、改善钢塑性的基本途径塑性指标：均匀真应变（εu）：表征均匀塑性变形能力的大小；主要取决于塑性失稳是否易于出现。总真应变（εT=εu+εp

）：表征钢的极限塑性变形的能力。εp：颈缩后的变形，取决于微孔坑或微裂纹形成的能力。途径：提高均匀塑性的同时，尽量避免或推迟微孔坑的形成，防止裂纹扩展。第52页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素包括：强化机制溶质原子的影响固溶强化晶粒大小的影响晶界强化第二相的影响第二相强化位错的影响位错强化第53页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素1）溶质原子的影响：在α-Fe中，加入合金元素，塑性降低。强化元素量增加，塑性降低。（间隙式溶质原子C、N使塑性下降成都远高于置换式溶质原子，其中Mn、Si使塑性损失最大，且加入量越多，均匀应变越低。）在γ-Fe中，一般塑性在一定溶质含量处出现最大值。（见图1.5）第54页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素2）晶粒大小的影响：细化晶粒的元素可改变钢的极限塑性。因为：晶粒尺寸减小，应力集中减弱，推迟微孔坑的形成。工具钢合金化的主要的出发点第55页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:(第二相强化)极限塑性(εT)第二相粒子通过本身断裂、或与基体的界面开裂，成为诱发微孔坑的部位。第二相数量越多，易形成微孔坑；第二相尺寸越大，越低；粒子呈针状或片状对εT危害较大，球状时危害较小；第二相粒子均匀分布时对εT危害较小，沿晶界分布危害较大。因此，第二相粒子应为球状、细小、均匀、弥散的分布。（发挥弥散强化的作用）第56页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:第二相粒子包括：硫化物、碳化物、氧化物硫化物和氧化物易于使微孔坑在早期形成；碳化物能在微孔坑形成之前经受较大变形，对极限塑性危害较小。因此，改善钢塑性可以对第二相粒子控制第57页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素3）第二相的影响:第二相粒子强化时，改善塑性的方法：控制碳化物数量、尺寸、形状和分布；（可以通过合金化与回火、球化处理等方式，使碳化物呈球状、细小、均匀、弥散分布）减少钢中夹杂物数量，控制夹杂物形态。(减少钢中硫和氧含量，并使其氧化物呈球状；加入Ca、Zr或稀土元素，与钢形成难溶硫化物，铸锭时以小颗粒析出。)第58页,共104页，2024年2月25日，星期天二、影响钢塑性的主要因素4）位错的影响：位错密度增加，塑性降低。如：在钢强化时，如有间隙原子C、N会钉扎位错（碳氮等小原子偏聚在位错下，使位错稳定化），阻碍位错运动，降低塑性。此时，加入少量Ti、V、Nb等微量元素固定间隙原子，使之不向位错处偏聚，可一定程度改善塑性。第59页,共104页，2024年2月25日，星期天（1）影响韧性的因素

强化因素

一般情况，钢强度↑→塑韧↓,称为强韧性转变矛盾。除细化组织强化外，其它强化因素都会不同程度地↓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4.Me对钢塑韧性的影响第60页,共104页，2024年2月25日，星期天晶粒度

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。杂质第61页,共104页，2024年2月25日，星期天

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的影响第62页,共104页，2024年2月25日，星期天（2）提高钢韧性的合金化途径

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）改善基体韧性——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。

思考题：

有些零件为什么要经过调质处理，而不直接用正火态?第63页,共104页，2024年2月25日，星期天5.1Me对Fe-C相图的影响一、对S、E点的影响

A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移—意味着共析C量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低。合金元素对共析温度的影响

合金元素对共析碳量的影响

5.Me对钢相变的影响第64页,共104页，2024年2月25日，星期天二、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）线向下移动。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。第65页,共104页，2024年2月25日，星期天

铬对钢γ区的影响

锰对钢γ区的影响

第66页,共104页，2024年2月25日，星期天5.2合金钢的加热A化

一、K在A中的溶解规律

基本规律

1）K稳定性越好，溶解度就越小；

2）温度↓，溶解度↓，→沉淀析出；

3）K稳定差的先溶解

;

4）A中有弱K形成元素，则会↓C活度ac，→↑K的溶解；非K形成元素（如Ni）则相反,↑ac，↓K的溶解。如：较多Mn的存在使VC的溶解温度从1100℃降至900℃。第67页,共104页，2024年2月25日，星期天

碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系

第68页,共104页，2024年2月25日，星期天二、A体均匀化

A体刚形成时，C和Me的分布是不均匀的.合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别?三、A体晶粒长大

1）Ti、Nb、V↓↓，W、Mo↓晶粒长大；2）C、N、B↑晶粒长大；3）Ni、Co、Cu作用不大。第69页,共104页，2024年2月25日，星期天5.3过冷A体的分解

一、过冷A体的稳定性

过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期和相变速度。孕育期的物理本质是新相形核的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长大。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；3）K形成元素，使“C”线右移，且改变形状。Me不同作用，使“C”曲线出现不同形状，大致有五种。第70页,共104页，2024年2月25日，星期天“C”曲线五种形状第71页,共104页，2024年2月25日，星期天

常用合金元素对奥氏体等温转变曲线的影响(上左)强K形成元素(上右)中、弱K形成元素(下左)非K形成元素第72页,共104页，2024年2月25日，星期天图例1--综合合金化提高过冷γ的稳定性第73页,共104页，2024年2月25日，星期天图例2---综合合金化提高过冷γ的稳定性第74页,共104页，2024年2月25日，星期天二、过冷A体的P、B转变

P转变：需要C和Me都扩散；综合影响顺序：Mo、W、Mn、Cr、Ni、Si贝氏体转变：C原子作短程扩散，Me几乎没有扩散。影响顺序：Mn、Cr、Ni、Si，而W、Mo等影响很小。三、Me对Ms的影响

各种Me对Ms位置的影响程度是不同的。

第75页,共104页，2024年2月25日，星期天第76页,共104页，2024年2月25日，星期天5.4

合金钢的回火转变

一、M分解

低温回火：C和Me扩散较困难，Me影响不大中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度影响:

1）Ni、Mn的影响很小；2）K形成元素阻止M分解，其程度与它们与C的亲和力大小有关。这些Me↓ac，阻止了渗碳体的析出长大；第77页,共104页，2024年2月25日，星期天3）Si比较特殊：<300℃时强烈延缓M分解Si和Fe的结合力>Fe和C的结合力

,↑ac

↓ε-FeXC的形核、长大Si能溶于ε，不溶于Fe3C，Si要从ε中出去↓ε→Fe3C。

效果:含2%Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上第78页,共104页，2024年2月25日，星期天4）合金钢回火时M中含C量变化规律基本规律

①渗碳体形成开始温度与合金化无关；

②含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢（线2）和C钢（线1）规律相同；

③在相同回火温度Tt下，合金钢马氏体中含C量要比C钢的高，如图中的C3>C1，2；

④不同合金中，马氏体中析出特殊碳化物的温度TK是不同的，线3的下降幅度也是不同的。第79页,共104页，2024年2月25日，星期天

回火时马氏体中C量的变化

第80页,共104页，2024年2月25日，星期天二、回火时K的形成

各元素明显开始扩散的温度为：MeSiMnCrMoW\VT,℃>300>350>400~500>500>500~5501）K长大聚集温度：M3C型，350~400℃；其它K，450~600℃；2）K成分变化和类型转变K转变ε-FeXC→Fe3C→M3C→亚稳特殊K→特殊KT,℃<150150~400400~500>500

能否形成特殊K，取决于:①Me性质、NM/NC比值；②T和t。第81页,共104页，2024年2月25日，星期天

钒钢（0.3C,2.1V）在1250℃淬火不同温度回火2h，碳化物成分、结构和硬度的变化

第82页,共104页，2024年2月25日，星期天3）特殊K的形成原位析出：αM→α0+M3CMXCY(M7C3,M23C6)异位析出：αM→αP+M3Cα0+MXCY(MC,M2C)特殊K析出→二次硬化，直接析出→贡献最大第83页,共104页，2024年2月25日，星期天三、回火脆性

1、第1类回火脆性

脆性特征

①不可逆；②与回火后冷速无关；③晶界脆断。产生原因Me作用

①Fe3C薄膜在晶界形成；②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界强度。

Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si↑脆性温度区.第84页,共104页，2024年2月25日，星期天2、第2类回火脆性

脆性特征

①可逆；②回火后慢冷产生，快冷抑制；③晶界脆断.产生原因

①杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成网状或片状化合物,↓晶界强度。高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr促进其它元素偏聚，助偏剂；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂第85页,共104页，2024年2月25日，星期天一、钢的分类1、按化学成分分

中碳钢

0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量

10%碳素钢合金钢**钢的分类与牌号

第86页,共104页，2024年2月25日，星期天钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：第87页,共104页，2024年2月25日，星期天3、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢

按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：介于前两者之间。生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分特殊镇静钢第88页,共104页，2024年2月25日，星期天4、按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢

按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢

按退火组织分电弧炉炼钢第89页,共104页，2024年2月25日，星期天5、按用途分

工程用钢

建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具第90页,共104页，2024年2月25日，星期天齿轮刀具二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.第91页,共104页，2024年2月25日，星期天常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾第92页,共104页，2024年2月25日，星期天1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板第93页,共104页，2024年2月25日，星期天低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。热连轧钢板第94页,共104页，2024年2月25日，星期天齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。第95页,共104页，2024年2月25日，星期天钢带*说明：①含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。