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1、第一章第一章钢的合金化原理钢的合金化原理一、钢中的合金元素一、钢中的合金元素l合合金金钢钢是是在在碳碳钢钢的的基基础础上上，为为了了改改善善碳碳钢钢的的力力学学性性能能或或获获得得某某些些特特殊殊性性能能，有有目目的的地地在在冶冶炼炼钢钢的的过过程程中加入某些元素而得到的多元合金。中加入某些元素而得到的多元合金。l合合金金钢钢-为为了了保保证证一一定定的的生生产产和和加加工工工工艺艺以以及及所所要要求求的的组组织织与与性性能能，在在化化学学成成分分上上特特别别添添加加合合金金元元素素的铁基合金。的铁基合金。l常用的合金元素有常用的合金元素有 锰锰（Mn）、硅硅（Si）、铬铬（Cr）、镍镍（Ni
2、）、钼钼（Mo）、钨钨（W）、钒钒（V）、钛钛（Ti）、锆锆（Zr）、钴钴（Co）、铝铝（Al）、硼硼（B）及及稀稀土土（RE）元素等。）元素等。l常见的杂质元素：常见的杂质元素：Si, Mn, S, Pl但但是是如如果果人人为为加加入入并并可可改改善善钢钢的的性性能能，这这些些杂杂质质元元素也为合金元素。素也为合金元素。二、合金元素在钢中的存在形式二、合金元素在钢中的存在形式1形成铁基固溶体形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体（）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）定律） Ni、Co、Mn、Cr、V等等元元素素可可与与Fe形形成成无无限限固固溶溶体体。其其中中Ni、Co和和
3、Mn形形成成以以-Fe为为基基的的无无限限固固溶溶体，体，Cr和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。 Mo和和W只只能能形形成成较较宽宽溶溶解解度度的的有有限限固固溶溶体体。如如-Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。 Ti、Nb、Ta只只能能形形成成具具有有较较窄窄溶溶解解度度的的有有限限固固溶溶体；体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。 （2）形成铁基间隙固溶体（）形成铁基间隙固溶体（Hgg定则）定则） 对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 对对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙
4、。，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。的顺序而增加。2形成合金渗碳体（与氮化物）形成合金渗碳体（与氮化物） （1）合合金金渗渗碳碳体体（碳碳化化物物） 、氮氮化化物物和和碳碳、氮氮化化物物间间隙隙化化合物相，是钢中的基本强化相。合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过过渡渡族族金金属属与与碳碳、氮氮的的亲亲和和力力、碳碳化化物物和和氮氮化化物物的的强强度（或稳定性）按下列规律递减：度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr
5、、Mn、Fe（3）在在钢钢中中，铁铁的的碳碳化化物物与与合合金金碳碳化化物物相相比比，是是最最不不稳稳定定的的。渗渗碳碳体体中中Fe的的原原子子可可以以被被若若干干合合金金元元素素的的原原子子所所取取代代。如如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。等。 l、族族金金属属的的碳碳化化物物与与氮氮化化物物具具有有简简单单的的点点阵阵结结构构，如，如TiC、VC、TiN、TaC等；等；l、金金属属的的碳碳化化物物与与氮氮化化物物具具有有复复杂杂的的点点阵阵结结构构，如如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。等。3形成金属间化合物形成金属间化合物 （1）金金属属化
6、化合合物物的的类类型型通通常常分分为为正正常常价价化化合合物物、电电子子化化合合物物及及间间隙隙化化合合物物三三类类。金金属属间间化化合合物物通通常常仅指电子化合物。仅指电子化合物。 （2）在在奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、马马氏氏体体时时效效钢钢及及许许多多高高温温合金中较为重要的金属间化合物是：合金中较为重要的金属间化合物是： (Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、 (TiAl)、 NiAl、 NiTi、 FeAl、2
7、(Ti3Al)等。等。4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：）钢中的非金属相有： FeO、 MnO、 TiO2、 SiO2、 Al2O3、 Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。等。 非金属夹杂物一般都是有害的非金属夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN和和一一些些稀稀土土氧氧化化物物弥弥散散质质点点可可用用来来强强化化钢钢或或其它有色金属合金。其它有色金属合金。（3）在在特特殊殊条条件件下下（如如快快速速冷冷却却凝凝固固），可可使使某某些些金属或合金形成非晶体相结构。金属
8、或合金形成非晶体相结构。 钢钢中中非非晶晶体体相相的的作作用用目目前前仍仍缺缺乏乏较较详详细细的的实实验验和理论依据。和理论依据。1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 （1）相相稳稳定定化化元元素素 相相稳稳定定化化元元素素使使A3降降低低，A4升升高高，在在较较宽宽的的成成分分范范围围内内，促促使使奥奥氏氏体体形形成成，即扩大了即扩大了相区。相区。根据根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为： 开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区) 这这类类合合金金元元素素主主要要有有Mn、Ni、Co等等。如如果果加加入入足足够够量量的的Ni或或Mn，可可完完全全使使体体心心立立
9、方方的的相相从从相相图图上上消消失失，相相保保持持到到室室温温（即即A1点点降降低低），故故而而由由相相区区淬淬火火到到室室温温较较易易获获得得亚亚稳稳的的奥奥氏氏体体组组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。三、合金元素与铁和碳的相互作用三、合金元素与铁和碳的相互作用扩大扩大相区并与相区并与-Fe 无限互溶的无限互溶的Fe-Me 相图相图(a)及及Fe-Ni 相图相图(b)镀镍硬币镀镍硬币电镀电镀（滚镀）（滚镀）金金属属镍镍层层和和内内部部的的铁铁芯芯之之间间形形成成一一个个镍镍铁铁固固溶溶带带（或或称称扩扩散散层层）。 扩展扩展相区相区(有限扩
10、大有限扩大相区相区) 虽虽然然相相区区也也随随合合金金元元素素的的加加入入而而扩扩大大，但但由由于于合合金金元元素素与与-Fe和和-Fe均均形形成成有有限限固固溶溶体体，并并且且也也使使A3（GS线线）降降低低，A4（JN线线）升升高高，但最终不能使但最终不能使相区完全开启。相区完全开启。 l这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。l相相区区借借助助C及及N而而扩扩展展，当当C含含量量在在02.11%（重重量量）范范围围内内，均均可可以以获获得得均均匀匀化化的的固固溶溶体体（奥奥氏氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。体），这构成了钢的整个热处理的基础。扩大扩大相区
11、并与相区并与-Fe 有限互溶的有限互溶的Fe-Me 相图相图(a)及及Fe-C 相图相图(b)（2）相相稳稳定定化化元元素素 合合金金元元素素使使A4降降低低，A3升升高高，在在较较宽宽的的成成分分范范围围内内，促促使使铁铁素素体体形形成成，即即缩缩小小了了相区。根据相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为： 封封闭闭相相区区(无无限限扩扩大大相相区区) 当当合合金金元元素素达达到到某某一一含含量量时时，A3与与A4重重合合，其其结结果果使使相相与与相相区区连连成成一一片片。当当合合金金元元素素超超过过一一定定含含量量时时，合合金金不不再再有有-相相变变，与与-Fe形形成成无
12、无限限固固溶溶体体（这这类类合合金金不能用正常的热处理制度）。不能用正常的热处理制度）。封闭封闭相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Cr相图相图(b)这这类类合合金金元元素素有有：Si、Al 和和强强碳碳化化物物形形成成元元素素Cr、W、Mo、V、Ti及及P、Be等等。但但应应该该指指出出，含含Cr量量小小于于7%时时，A3下下降降；含含Cr量量大大于于7%时，时，A3才上升。才上升。缩小缩小相区相区(但不能使但不能使相区封闭相区封闭)（图（图1-4）合合金金元元素素使使A3升升高高，A4下下降降，使使相相区区缩缩小小但不能使其完全封闭。但不能使其完全封
13、闭。这类合金元素有：这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。等。 缩小缩小相区的相区的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Nb相图相图(b)综综上上所所述述，可可将将合合金金元元素素分分为为奥奥氏氏体体形形成成元元素素和和铁铁素素体体的的形形成成元元素素两两大大类类对对生生产产实实际际有有重要的指导意义。重要的指导意义。l通通过过控控制制钢钢中中合合金金元元素素的的种种类类和和含含量量，使使钢在室温下获得单相组织。钢在室温下获得单相组织。l发发展展奥奥氏氏体体钢钢时时，需需要要往往钢钢中中加加入入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；等奥氏体形成元素；l发发展展铁铁素素体体钢钢时时，需需要要往往钢钢中
14、中加加入入大大量量的的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。等铁素体形成元素。2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用（1）形成碳化物形成碳化物规律性律性（按强弱分类）（按强弱分类）:l碳碳化化物物形形成成元元素素包包括括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等等。碳碳化化物物是是钢钢中中主主要要的的强强化化相相。碳碳化物形成元素均位于化物形成元素均位于Fe的左侧。的左侧。l非非碳碳化化物物形形成成元元素素包包括括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等等，与与碳碳不不能能形形成成碳碳化化物物，但但可可固固溶溶于于Fe形形成成固固溶溶体体，或或形形成成其其它它化化合合
15、物物，如如氮氮化化物物等等。非非碳化物形成元素均处于周期表碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。的右侧。 Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe三、合金元素对三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响1合合金金元元素素对对奥奥氏氏体体、铁铁素素体体区区存存在在范范围围的的影响影响扩扩大大相相区区的的合合金金元元素素(如如Ni、Co、Mn等等)均均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。l其其中中完完全全扩扩大大相相区区的的合合金金元元素素Ni或或Mn的的含含量量较较多多时时，可可使使钢钢在在室室温温下下得得到到单单相相奥奥氏氏体体组组织织，例
16、例如如1Cr18Ni9高高镍镍奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢和和ZGMn13高锰耐磨钢等。高锰耐磨钢等。合金元素合金元素Mn对对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响（相图中奥氏体区的影响（a）缩缩小小相相区区的的合合金金元元素素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均均缩缩小小铁铁碳碳相相图图中中奥奥氏氏体体存存在在的的区区域域。其其中中完完全全封封闭闭相相区区的的合合金金元元素素（例例如如Cr、Ti、Si等等）超超过过一一定定含含量量后后，可可使使钢钢在在包包括括室室温温在在内内的的广广大大范范围围内内获获得得单单相相铁铁素素体体组织，例如组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。高铬铁素体不
17、锈钢等。Me对对Fe-Fe3C相图中相图中A区的影响。区的影响。合金元素合金元素Cr对对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响（相图中奥氏体区的影响（a）2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图共析点相图共析点S的影响的影响Me对共析转变温度的影响对共析转变温度的影响l扩大扩大相区的元素相区的元素使使铁碳合金相图的共析铁碳合金相图的共析转变温度下降；转变温度下降；l缩小缩小相区的元素相区的元素使使铁碳合金相图的共析铁碳合金相图的共析转变温度上升。转变温度上升。合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 Me对共析点（对共析点（S）和共晶点（）和共晶点（E）成分的影响）成分的影响l几几乎乎所所
18、有有合合金金元元素素都都是是共共析析点点碳碳含含量量降降低低；共共晶晶点点也也有有类类似似的的规规律律，尤尤其其以以强强碳碳化化物物形形成成元元素素的的作用最为强烈。作用最为强烈。合金元素对共析含碳量的影响合金元素对共析含碳量的影响 l大大多多数数合合金金元元素素均均使使ES线线左左移移。E点点左左移移，意意味味着着钢钢中中含含碳碳量量不不到到2.11%就就会会出出现现共共晶晶莱莱氏氏体体；S点点左左移移，意意味味着着钢钢中中含含碳碳量量不不到到0.77%时，就会出现二次渗碳体。时，就会出现二次渗碳体。l由由此此可可见见，要要判判断断一一个个合合金金钢钢是是亚亚共共析析钢钢还还是是过过共共析析
19、钢钢，不不能能像像碳碳钢钢那那样样根根据据Fe-Fe3C相相图图。而而应应根根据据Fe-C-Me三三元元相相图图和和多多元元铁铁基合金系相图来进行分析。基合金系相图来进行分析。 四、合金元素对钢的热处理的影响四、合金元素对钢的热处理的影响1Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响对钢加热时奥氏体形成过程的影响合合金金元元素素的的加加入入改改变变了了临临界界点点的的温温度度、S点点的的位位置置和和碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的溶溶解解度度，使使奥奥氏氏体体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由由于于奥奥氏氏体体的的形形成成是是一一个个扩扩散散过过程程，合合金金元元
20、素素原原子子不不仅仅本本身身扩扩散散困困难难，而而且且还还将将影影响响铁铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。 Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响对奥氏体晶粒长大倾向的影响合合金金元元素素形形成成的的碳碳化化物物在在高高温温下下越越稳稳定定，越越不不易易溶溶入入奥奥氏氏体体中中，能能阻阻碍碍晶晶界界长长大大，显显著著细细化化晶晶粒粒。按按照照对对晶晶粒粒长长大作用的影响，合金元素可分为：大作用的影响，合金元素可分为： lTi、V、Zr、Nb等等强强烈烈阻阻止止奥奥氏氏体体晶晶粒粒长长大大，Al在在钢钢中中易易形形成成高高熔熔点点AlN、Al2O3细细质质点点
21、，也也能能强强烈烈阻阻止止晶晶粒粒长大；长大；lW、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；lNi、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；lMn、P、B则则有有助助于于奥奥氏氏体体的的晶晶粒粒长长大大。Mn钢钢有有较较强强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。 2Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响对钢的过冷奥氏体分解转变的影响主主要要表表现现在在合合金金元元素素可可以以使使钢钢的的CCT图图（C曲曲线线）发发生生显显著著变变化化。具具体体可可以以分分为为以以
22、下下几个方面：几个方面：（1）对高温转变（珠光体转变）的影响；）对高温转变（珠光体转变）的影响；（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响；）对中温转变（贝氏体转变）的影响；（3）对低温转变（马氏体转变）的影响。）对低温转变（马氏体转变）的影响。五、合金元素对钢的性能的影响五、合金元素对钢的性能的影响 加入加入Me的主要目的：的主要目的：使钢具有更优异的使钢具有更优异的力学性能力学性能使用性能使用性能耐腐蚀性、耐热性耐腐蚀性、耐热性强强度度塑塑性性韧韧性性耐耐腐腐蚀蚀性性热热强强性性抗抗氧氧化化性性耐热性耐热性工艺性能工艺性能铸铸造造性性能能锻锻压压性性能能焊焊接接性性能能热热处处理理性性能能切切削
23、削性性能能1Me对钢的强度的影响对钢的强度的影响钢中钢中Me的强化作用主要有以下四种方式：的强化作用主要有以下四种方式：（1）固溶强化固溶强化（2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）（3）第二相强化第二相强化（4）位错强化位错强化通过对这四种方式单独或综合加以运用，通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。便可以有效地提高钢的强度。 细细化化晶晶粒粒。通通过过增增加加晶晶界界数数量量，使使晶晶界界附附近近因因变变形形不不协协调调而而诱诱发发几几何何上上需需要要的的位位错错。为此，为此，宜向钢中加入细化晶粒的合金元素宜向钢中加入细化晶粒的合金元素。形形成成第第二二相相粒
24、粒子子。当当位位错错遇遇到到第第二二相相粒粒子子时时，希希望望位位错错绕绕过过第第二二相相粒粒子子而而留留下下位位错错圈圈，使使位位错错数数量量迅迅速速增增多多。为为此此，宜宜向向钢钢中加入强碳化物形成元素中加入强碳化物形成元素。合金元素强化金属材料的主要途径合金元素强化金属材料的主要途径促进淬火效应促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构。为此，体，造成位错型亚结构。为此，宜向钢中宜向钢中加入提高淬透性的合金元素加入提高淬透性的合金元素。降低层错能降低层错能。通过降低层错能，使位错易。通过降低层错能，使位错易于扩展和形成层错，增加位错交互作用，于扩展和
25、形成层错，增加位错交互作用，防止交叉滑移。为此，防止交叉滑移。为此，宜向钢中加入降低宜向钢中加入降低层错能的合金元素形成第二相粒子层错能的合金元素形成第二相粒子。钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化固溶强化效应效应；马氏体形成时产生高密度位错，马氏体形成时产生高密度位错，位错强化位错强化效应很大效应很大；提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火奥奥氏氏体体转转变变为为马马氏氏体体时时，形形成成许许多多极极细细小小的的、取取向向不不同同的的马马氏氏体体束束，产产
26、生生细细晶晶强强化效应化效应。淬淬火火后后回回火火，马马氏氏体体中中析析出出细细碳碳化化物物粒粒子子，间间隙隙固固溶溶强强化化效效应应大大大大减减小小，但但产产生生强烈的强烈的析出强化效应析出强化效应。|由由此此可可知知，马马氏氏体体强强化化充充分分而而合合理理地地利利用用了了全全部部四四种种强强化化机机制制，是是钢钢的的最最经经济济和和最最有效的强化方法。有效的强化方法。 l提高淬透性提高淬透性。l提提高高钢钢的的回回火火稳稳定定性性，使使钢钢回回火火时时析析出出的的碳碳化化物物更更细细小小、均均匀匀和和稳稳定定；并并使使马马氏氏体体的的微微细晶粒及高密度位错保持到较高的温度。细晶粒及高密度位错保持到较高的温度。l使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能使钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。|由由此此可可见见，合合金金元元素素对对钢钢的的强强度度的的影影响响，主主要要是是通通过过对对钢钢的的相相变变过过程程的的影影响响起起作作用用的的，合合金金元元素素的的良良好好作作用用也也只只有有经经过过适适当当的的热热处处理才能充分发挥出来理才能充分发挥出来。 合金元素加入钢中的热处理工艺目的合金元素加入钢中的热处理工艺目的
