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1、第1章钢的合金化原理1.1Me和Fe基二元相图一、钢中的Me1、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。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。二、Me和Fe的作用
2、纯 Fe Fe-C相图的变化特点。Me和 Fe的作用：1、稳定化元素 使 A3，A4 ，区扩大a) 与区无限固溶 Ni、 Mn、 Co开启区 量大时，室温为相；b) 与区有限固溶 C、 N、 Cu 扩大区。2、稳定化元素 使 A3，A4，区缩小a) 完全封闭区 Cr、 V、 W、 Mo、 TiCr、 V与-Fe完全互溶，量大时相?W、 Mo、 Ti 等部分溶解b) 缩小区 Nb等。稳定相 A 形成元素，稳定相 A形成元素。(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1.2 Me对Fe-C相图的影响一、对S 、 E点的影
3、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以相组成表示的铁碳相图二、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-Fe 区的影响A形成元素Ni 、 Mn等使-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 -Fe区缩小钢在高温下仍为F 体 铁素体钢。铬对钢区的影响锰对钢区的影响1.3 铁基固溶体一、置换固溶体合金元素在铁点阵中的固
4、溶情况Me TiV Cr MnCo Ni Cu C N溶解度 Fe7(1340)无限无限3 76 10 0.20.020.1 Fe 0.681.4 12.8*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。常用合金元素点阵结构、电子结构和原子半径第四周期Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu点阵结构bcc bcc bcc bcc或 fccfcc/ hcpfcc fcc电子结构2 3 5 5 6 7 8 10原子半径 /nm0.145 0.136 0.128 0.131 0.127 0.126
5、 0.124 0.128 R， %14.2 7.1 0.8 3.10.82.40.8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（ 1） Ni、 Mn、 Co与 -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 -Fe的点阵结构、原子半径和电子结构相似无限固溶；（ 3） Cu和 -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：R 8%，可以形成无限固溶； 15%，形成有限固溶； 15%，溶解度极小。结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
6、因素，无限固溶必须使这些因素相同或相似. 有限固溶C、 N、 B、 O等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 -Fe与-Fe 。溶质原子大小： r，溶解度。N溶解度比C 大 : RN =0.071nm，RC =0.077nm。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1.4 碳（氮）化物一、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）钢中常见的K 类型
7、有：M3 C： 渗碳体，正交点阵；M7 C3 ： 例 Cr7 C3 ，复杂六方 ；M23 C6 ： 例 Cr23 C6 ，复杂立方 ；M2 C： 例 Mo2 C、 W2 C。密排六方 ；MC： 例 VC、 TiC，简单面心立方点阵 ；M6 C： 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， )7 C3复杂点阵结构： M23 C6 、 M7 C3 、 M3 C。特点：硬度 、 熔点较低，稳定性较差；简单点阵结构： M2 C、 MC。又称间隙相。特点：硬度高，熔点高，稳定性好。M6 C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。1
8、、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 ：Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nbrc /rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53二、K形成的一般规律rc /rMe 0.59 复杂点阵结构，如Cr、 Mn、 Fe ，形成Cr7 C3、 Cr23 C6、 Fe3 C、 Mn3 C等形式的K ；rc /rMe 400 ，Me 开始重新分布。非K 形成元素仍在基体中， K形成元素逐步进入析出的K 中，其程度决定于回火温度和时间。二、Me 的偏聚偏聚现象Me偏聚 缺陷处偏聚元素浓度 基体平均浓度， 这种现象也称为吸附现象
9、。偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关 .Me+：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团；Me+ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团；Me+ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek 气团 .偏聚机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原子容易存在；能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能，符合自然界最小自由能原理。（在没有强制外力作用下，事物总是朝着能量的方向发生。即使暂时不发生，也存在潜在的趋势。热力学：该过程是自发进行的，其驱动力是溶质原子在缺陷和晶内处的畸变能之差。=RT
10、ECC exp0影响因素缺陷处溶质浓度温度 T ： T，内吸附强烈；时间 t：偏聚需要原子扩散需要一定时间；缺陷本身：缺陷越混乱，E ，吸附也越强烈;其它元素：间接作用 : 优先吸附问题 , B与 C直接作用: 影响吸附元素D , Mn DP，使 P扩散加快，促进了钢的回火脆性；Mo则相反，是消除或减轻回火脆性的有效元素。点阵类型：bcc 点阵内吸附较fcc 强烈1.6 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
11、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。碳（氮）化物在奥氏体中的溶解度与加热温度的关系二、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 。加热阶段奥氏体化热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需要的性能。奥氏体晶粒大小、形状、空间取向以及亚结构，奥氏体化学成分以及均匀性将直接影响转变、转变产
12、物以及材料性能。奥氏体晶粒的长大直接影响材料的力学性能特别是冲击韧性。（内容回顾）奥氏体组织通常为等轴状多边形晶粒机械性能： (1)屈服强度、硬度低； (2)塑性、韧性高；(3)热强性高物理性能： (1)比容最小(2)导热性差；(3)线膨胀系数大；(4)顺磁性奥氏体的形核奥氏体晶核主要在F 和 Fe3 C的相界面形核，其次在珠光体团界、F 亚结构 (嵌镶块 )界面形核。这样能满足：(1)能量起伏；(2) 结构起伏；(3) 成分起伏三个条件。奥氏体的长大+ Fe3 C 晶体结构：体心立方复杂正交面心立方含碳量：0.0218% 6.69% 0.77%奥氏体长大过程是依靠原子扩散完成的，原子扩散包括
13、(1)Fe原子自扩散完成晶格改组；(2)C原子扩散使奥氏体晶核向相和Fe3 C相两侧推移并长大1. C 原子扩散：一旦奥氏体晶核出现，则在奥氏体内部的 C%分布就不均匀，由从图可见：C1 与 Fe3 C相接的奥氏体的C% ；C2 与 F相接的奥氏体的 C%；C3 与 Fe3 C相接的F 的 C%；C4 与奥氏体相接的F 的 C%；C4C3C2C1T1从图可以看出，在T1温度下由于C1、 C2、 C3、 C4 不同导致奥氏体晶核形成时， C原子扩散，如图示，扩散的结果破坏了T1温度下C% 的浓度平衡，迫使与奥氏体相接的F 和 Fe3 C溶解恢复T1温度下C% 的浓度平衡，如此历经 “破坏平衡 ”
14、“建立平衡 ”的反复，奥氏体晶核长大。C2C%AFe3 CFC1C4C3珠光体片间距GESPC1C2C3C4T12.奥氏体晶格改组(1)一般认为，平衡加热过热度很小时，通过Fe 原子自扩散完成晶格改组。(2)也有人认为，当过热度很大时，晶格改组通过Fe 原子切变完成。3.奥氏体晶核的长大速度奥氏体晶核向F 和 Fe3 C两侧的推移速度是不同的，研究表明相界面向F 一侧的推移速度比向Fe3 C一侧的推移速度快14.8 倍，但是通常片状珠光体的F 片厚度比Fe3 C片厚度大7倍，所以奥氏体等温形成时，总是F 先消失，Fe3 C剩余。4.残余Fe3 C 和奥氏体均匀化结束后，还有相当数量的Fe3 C
15、尚未溶解，这些Fe3 C被称为残余Fe3 C。另外在原来Fe3 C的部位， C% 较高，而原来F 部位 C%较低，必须经过适当的保温后，奥氏体中的 C%才能趋于均匀。合金元素对钢A化过程的影响合金钢加热过程的转变：奥氏体形核、碳化物和铁素体溶解、奥氏体中合金元素的均匀化、溶质元素的晶界平衡偏聚、奥氏体晶粒长大。1、 Me对奥氏体形成过程的影响Me的加入改变了S （ E）点位置（T 、 C%），使A形成条件（温度、碳浓度）发生变化； Me自身扩散困难，同时对Fe 、 C原子扩散产生影响，进而影响 A形成。1） Me对 A形成速度的影响奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。Me 对碳化物稳定性和碳扩散的影响，直接控制了A形成速度强碳化物形成元素Cr 、 Mo、 W、 V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中
