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 合金钢是在碳钢的根底上，为了改善碳钢的力学性合金钢是在碳钢的根底上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程中参与某些元素而得到的多元合金中参与某些元素而得到的多元合金l 合金钢合金钢-为了保证一定的消费和加工工艺以及所要为了保证一定的消费和加工工艺以及所要求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元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l 锰锰Mn、硅、硅Si、铬、铬Cr、镍、镍Ni、钼钼Mo、钨、钨W、钒、钒V、钛、钛Ti、锆、锆Zr、钴、钴Co、铝、铝Al、硼、硼B及稀土及稀土RE元素等l 常见的杂质元素：常见的杂质元素：Si,Mn,S,Pl 但是假设人为参与并可改善钢的性能，这些杂质元但是假设人为参与并可改善钢的性能，这些杂质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方式二、合金元素在钢中的存在方式1构成铁基固溶体构成铁基固溶体 1构成铁基置换固溶体构成铁基置换固溶体Hume-Rothery定律定律 Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与等元素可与Fe构成无限固溶构成无限固溶体。
其中体其中Ni、Co和和Mn构成以构成以-Fe为基的无限固溶为基的无限固溶体，体，Cr和和V构成以构成以-Fe为基的无限固溶体为基的无限固溶体Mo和和W只能构成较宽溶解度的有限固溶体如只能构成较宽溶解度的有限固溶体如-Fe(Mo)和和-Fe(W)等Ti、Nb、Ta只能构成具有较窄溶解度的有限固溶只能构成具有较窄溶解度的有限固溶体；体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度具有很小的溶解度2构成铁基间隙固溶体构成铁基间隙固溶体Hgg定那么定那么 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添加，即按间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而添加，即按B、C、N、O、H的顺序而添加的顺序而添加2构成合金渗碳体与氮化物构成合金渗碳体与氮化物 1合金渗碳体碳化物合金渗碳体碳化物、氮化物和碳、氮化物间隙化、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的根本强化相合物相，是钢中的根本强化相2过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度或稳定性按以下规律递减：度或稳定性按以下规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe3在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。
渗碳体中是最不稳定的渗碳体中Fe的原子可以被假的原子可以被假设干合金元素的原子所取代如设干合金元素的原子所取代如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等l、族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵构造，如构造，如TiC、VC、TiN、TaC等；等；l、金属的碳化物与氮化物具有复杂的点金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵构造，如阵构造，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等3构成金属间化合物构成金属间化合物 1金属化合物的类型通常分为正常价化合物、金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类金属间化合物通电子化合物及间隙化合物三类金属间化合物通常仅指电子化合物常仅指电子化合物2在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高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)、(C o 7 M o 6)、P(C r 1 8 N i 4 0 M o 4 2)、R(Cr18Co51Mo31)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。
等4构成非金属相非碳化合物及非晶体相构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等非金属夹杂物普通都是有害的非金属夹杂物普通都是有害的2AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金其它有色金属合金3在特殊条件下如快速冷却凝固，可使某些在特殊条件下如快速冷却凝固，可使某些金属或合金构成非晶体相构造金属或合金构成非晶体相构造钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和实际根据和实际根据1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用 1相稳定化元素相稳定化元素 相稳定化元素使相稳定化元素使A3降低，降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体构成，升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体构成，即扩展了即扩展了相区根据根据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(无限扩展无限扩展相区相区)这类合金元素主要有这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。
假设等假设参与足够量的参与足够量的Ni或或Mn，可完全使体心立方的，可完全使体心立方的相相从相图上消逝，从相图上消逝，相坚持到室温即相坚持到室温即A1点降低，点降低，故而由故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素组织，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展扩展相区并与相区并与-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)镀镍硬币镀镍硬币开模开模低碳钢芯低碳钢芯上摸上摸下模下模电镀电镀滚镀滚镀均匀化退火均匀化退火抛光钝化抛光钝化压花压花金属镍层和内部金属镍层和内部的铁芯之间构成的铁芯之间构成一个镍铁固溶一个镍铁固溶带 或 称 分 散带 或 称 分 散层扩展扩展相区相区(有限扩展有限扩展相区相区)虽然虽然相区也随合金元素的参与而扩展，但相区也随合金元素的参与而扩展，但由于合金元素与由于合金元素与-Fe和和-Fe均构成有限固溶体，均构成有限固溶体，并且也使并且也使A3GS线降低，线降低，A4JN线升高，线升高，但最终不能使但最终不能使相区完全开启。
相区完全开启这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等相区借助相区借助C及及N而扩展，当而扩展，当C含量在含量在02.11%分量分量范围内，均可以获得均匀化的固溶体奥氏体，范围内，均可以获得均匀化的固溶体奥氏体，这构成了钢的整个热处置的根底这构成了钢的整个热处置的根底扩展扩展相区并与相区并与-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相稳定化元素相稳定化元素 合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升高，升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体构成，即减少在较宽的成分范围内，促使铁素体构成，即减少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：封锁封锁相区相区(无限扩展无限扩展相区相区)当合金元素到达某当合金元素到达某一含量时，一含量时，A3与与A4重合，其结果使重合，其结果使相与相与相区相区连成一片当合金元素超越一定含量时，合金不连成一片当合金元素超越一定含量时，合金不再有再有-相变，与相变，与-Fe构成无限固溶体这类合构成无限固溶体这类合金不能用正常的热处置制度金不能用正常的热处置制度封锁封锁相区并与相区并与-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)这类合金元素有：这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物构成元和强碳化物构成元素素Cr、W、Mo、V、Ti及及P、Be等。
但应该指等但应该指出，含出，含Cr量小于量小于7%时，时，A3下降；含下降；含Cr量大量大于于7%时，时，A3才上升减少减少相区相区(但不能使但不能使相区封锁相区封锁)图图1-4合金元素使合金元素使A3升高，升高，A4下降，使下降，使相区减少相区减少但不能使其完全封锁但不能使其完全封锁这类合金元素有：这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等减少减少相区的相区的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Nb相图相图(b)综上所述，可将合金元素分为奥氏体构成元综上所述，可将合金元素分为奥氏体构成元素和铁素体的构成元素两大类对消费实践有素和铁素体的构成元素两大类对消费实践有重要的指点意义重要的指点意义经过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢经过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织在室温下获得单相组织开展奥氏体钢时，需求往钢中参与开展奥氏体钢时，需求往钢中参与Ni、Mn、N等奥氏体构成元素；等奥氏体构成元素；开展铁素体钢时，需求往钢中参与大量的开展铁素体钢时，需求往钢中参与大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体构成元素等铁素体构成元素2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用1构成碳化物构成碳化物规律性按强弱分类规律性按强弱分类:碳化物构成元素包括碳化物构成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。
碳化物是钢中主要的强化相碳化物是钢中主要的强化相碳化物构成元素均位于碳化物构成元素均位于Fe的左侧非碳化物构成元素包括非碳化物构成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能构成碳化物，但可固溶于等，与碳不能构成碳化物，但可固溶于Fe构成固溶体，或构成其它化合物，如氮化物等构成固溶体，或构成其它化合物，如氮化物等非碳化物构成元素均处于周期表非碳化物构成元素均处于周期表Fe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合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响影响扩展扩展相区的合金元素相区的合金元素(如如Ni、Co、Mn等等)均扩均扩展铁碳相图中奥氏体存在的区域展铁碳相图中奥氏体存在的区域其中完全扩展其中完全扩展相区的合金元素相区的合金元素Ni或或Mn的含量的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和高镍奥氏体不锈钢和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减少减少相区的合金元素相区的合金元素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均减少铁碳相图中奥氏体存在的区均减少铁碳相图中奥氏体存在的区域。
其中完全封锁域其中完全封锁相区的合金元素例如相区的合金元素例如Cr、Ti、Si等超越一定含量后，可使钢在等超越一定含量后，可使钢在包括室温在内的宽广范围内获得单相铁素体包括室温在内的宽广范围内获得单相铁素体组织，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a2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扩展扩展相区的元素使相区的元素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减少减少相区的元素使相区的元素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几乎一切合金元几乎一切合金元素都是共析点碳素都是共析点碳含量降低；共晶含量降低；共晶点也有类似的规点也有类似的规律，尤其以强碳律，尤其以强碳化物构成元素的化物构成元素的作用最为剧烈。
作用最为剧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大多数合金元素均使大多数合金元素均使ES线左移E点左移，点左移，意味着钢中含碳量不到意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶就会出现共晶莱氏体；莱氏体；S点左移，意味着钢中含碳量不到点左移，意味着钢中含碳量不到0.77%时，就会出现二次渗碳体时，就会出现二次渗碳体l由此可见，要判别一个合金钢是亚共析钢还由此可见，要判别一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据是过共析钢，不能像碳钢那样根据Fe-Fe3C相图而应根据相图而应根据Fe-C-Me三元相图和多元铁三元相图和多元铁基合金系相图来进展分析基合金系相图来进展分析四、合金元素对钢的热处置的影响四、合金元素对钢的热处置的影响1Me对钢加热时奥氏体构成过程的影响对钢加热时奥氏体构成过程的影响合金元素的参与改动了临界点的温度、合金元素的参与改动了临界点的温度、S点的点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体构位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体构成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由于奥氏体的构成是一个分散过程，合金元素由于奥氏体的构成是一个分散过程，合金元素原子不仅本身分散困难，而且还将影响铁和原子不仅本身分散困难，而且还将影响铁和碳原子的分散，从而影响奥氏体化过程。
碳原子的分散，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金元素构成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏合金元素构成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能妨碍晶界长大，显著细化晶粒按照对晶粒长体中，能妨碍晶界长大，显著细化晶粒按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：大作用的影响，合金元素可分为：Ti、V、Zr、Nb等剧烈阻止奥氏体晶粒长大，等剧烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中在钢中易构成高熔点易构成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能剧烈阻止晶粒长细质点，也能剧烈阻止晶粒长大；大；W、Mo、Cr等妨碍奥氏体晶粒长大的作用中等；等妨碍奥氏体晶粒长大的作用中等；l Ni、Si、Cu、Co等妨碍奥氏体晶粒长大的作用细微；等妨碍奥氏体晶粒长大的作用细微；l Mn、P、B那么有助于奥氏体的晶粒长大那么有助于奥氏体的晶粒长大Mn钢有较钢有较剧烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较剧烈的过热倾向，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要表如今合金元素可以使钢的主要表如今合金元素可以使钢的CCT图图C曲线发生显著变化。
详细可以分为以下曲线发生显著变化详细可以分为以下几个方面：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 参与参与Me的主要目的：使钢具有更优良的主要目的：使钢具有更优良的的力学性能力学性能运用性能运用性能耐腐蚀性、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置置性性能能切切削削性性能能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位错强化位错强化经过对这四种方式单独或综合加以运用，便经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可以有效地提高钢的强度细化晶粒经过添加晶界数量，使晶界附细化晶粒经过添加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需求的位错。
近因变形不协调而诱发几何上需求的位错为此，宜向钢中参与细化晶粒的合金元素为此，宜向钢中参与细化晶粒的合金元素构成第二相粒子当位错遇到第二相粒子构成第二相粒子当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错圈，使位错数量迅速增多为此，宜向钢圈，使位错数量迅速增多为此，宜向钢中参与强碳化物构成元素中参与强碳化物构成元素合金元素强化金属资料的主要途径合金元素强化金属资料的主要途径促进淬火效应淬火后希望获得板条马氏促进淬火效应淬火后希望获得板条马氏体，呵斥位错型亚构造为此，宜向钢中体，呵斥位错型亚构造为此，宜向钢中参与提高淬透性的合金元素参与提高淬透性的合金元素降低层错能经过降低层错能，使位错易降低层错能经过降低层错能，使位错易于扩展和构成层错，添加位错交互作用，于扩展和构成层错，添加位错交互作用，防止交叉滑移为此，宜向钢中参与降低防止交叉滑移为此，宜向钢中参与降低层错能的合金元素构成第二相粒子层错能的合金元素构成第二相粒子钢淬火构成马氏体马氏体中溶有过饱钢淬火构成马氏体马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应；效应；马氏体构成时产生高密度位错，位错强马氏体构成时产生高密度位错，位错强化效应很大；化效应很大；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氏体转变为马氏体时，构成许多极细奥氏体转变为马氏体时，构成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。
强化效应淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生剧烈的析出强化效应生剧烈的析出强化效应由此可知，马氏体强化充分而合理地利用由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法最有效的强化方法l提高淬透性提高淬透性l提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳提高钢的回火稳定性，使钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微化物更细小、均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度位错坚持到较高的温度细晶粒及高密度位错坚持到较高的温度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l由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主由此可见，合金元素对钢的强度的影响，主要是经过对钢的相变过程的影响起作用的，要是经过对钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用也只需经过适当的热处合金元素的良好作用也只需经过适当的热处置才干充分发扬出来置才干充分发扬出来合金元素参与钢中的热处置工艺目的合金元素参与钢中的热处置工艺目的。