《金属材料学》课程教学资源（PPT课件）第五单元 钢的合金化原理

第五章：钢的合金化原理钢中的合金元素2合金元素在钢中的存在形式目录合金元素与铁和碳的相互作用合金元素对Fe-Fe3C相图的影响5合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢性能的影响

1 钢中的合金元素 2 合金元素在钢中的存在形式 3 合金元素与铁和碳的相互作用 第五章：钢的合金化原理 4 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 5 合金元素对钢的热处理的影响 6 合金元素对钢性能的影响

钢中的合金元素合金钢是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，，有自的地在浴炼钢的过程串茄父某竺完素斋得的多完答金。合金钢---为了保证一定的生产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的铁基合金。常用的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍(Ni)钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、锆(Zr)、钴（Co）、铝（AI）、硼（B）及稀土（RE）元素等。常见的杂质元素：Si,Mn,S，P但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元素也为合金元素

一、钢中的合金元素 ⚫ 合金钢是在碳钢的基础上，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 中加入某些元素而得到的多元合金。 ⚫ 合金钢-为了保证一定的生产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 的铁基合金。 ⚫ 常用的合金元素有 锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、 钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、锆 （Zr）、钴（Co）、铝（Al）、硼（B）及稀土 （RE）元素等。 ⚫ 常见的杂质元素：Si, Mn, S, P ⚫ 但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元 素也为合金元素

合金元素在钢中的存在形式二、11.形成铁基固溶体(1) 3形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以y-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和a-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度

二、合金元素在钢中的存在形式 1．形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律） ①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶 体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶 体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α- Fe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶 体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度

（2）形成铁基间隙固溶体（Hagg定则）①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。②对y-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。③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。2.形成合金渗碳体（与氮化物）（1）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe

（2）形成铁基间隙固溶体（Hägg定则） ①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。 ②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。 ③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。 2．形成合金渗碳体（与氮化物） （1）合金渗碳体（碳化物） 、氮化物和碳、氮化物间隙化 合物相，是钢中的基本强化相。 （2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强 度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe

·IV、V族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等；●VI、VI、V金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如Cr,C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)C等。(3）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Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等

（3）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Fe的原子可以被若 干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、 (Fe,Cr)23C等。 ⚫Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结 构，如TiC、VC、TiN、TaC等； ⚫Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵 结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、 Fe)6C等

3.形成金属间化合物（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。（2）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：o(Cr46Fe54)、n(TiFe2)、X(Cr21Mo17Fe62)μ(Co7Mo6)P(Cr18Ni40Mo42）R(Cr18Co51Mo31)Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)NiAL、NiTi、FeAI、(TiAI3)、Y(TiAI)、α2(Ti3Al)等

3．形成金属间化合物 （1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、 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。 （2）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： σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、 χ(Cr21Mo17Fe62)、 μ(Co7Mo6) 、 P(Cr18Ni40Mo42) 、 R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、 δ(TiAl3) 、 γ(TiAl) 、 NiAl 、 NiTi 、 FeAl 、 α2(Ti3Al)等

4：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：FeO、MnO、Ti02、Si02、AI203、Cr203 MnS、FeSMgO-AI203、MnO-A1203、2MnO.SiO2、CaO·SiO2等。非金属夹杂物一股都是有害的（2）AIN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。（3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据

4．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： FeO 、 MnO 、 TiO2 、 SiO2 、 Al2O3 、 Cr2O3 、 MgO·Al2O3 、 MnO·Al2O3 、 MnS 、 FeS 、 2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。 非金属夹杂物一般都是有害的。 （2）AlN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。 （3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些 金属或合金形成非晶体相结构。 钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验 和理论依据

三、合金元素与铁和碳的相互作用1.合金元素与铁的相互作用（1）y相稳定化元素y相稳定化元素使A3降低A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了y相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①开启y相区（无限扩大y相区）这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相从相图上消失，y相保持到室温（即A1点降低）故而由y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

1．合金元素与铁的相互作用 （1）γ相稳定化元素 γ相稳定化元素使A3降低， A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成， 即扩大了γ相区。 根据Fe-Me相图的不同，可分为： ①开启γ相区(无限扩大γ相区) 这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果 加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相 从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低）， 故而由γ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。 三、合金元素与铁和碳的相互作用

160015396140013901200110000.1910度800湘6007&+400aFeM2001Fe20406080Ni(a)(b)扩大y相区并与y-Fe无限互溶的Fe-Me相图（a）及Fe-Ni相图（b）

扩大γ相区并与γ-Fe 无限互溶的Fe-Me 相图(a)及Fe-Ni 相图(b)

镀镍硬币00上摸开模电镀（滚镀）低碳钢芯下模金属镍层和内部的铁芯之间形成一个镍一铁固溶带（或称扩散均匀化退火层）国FA氏XORODNOH张银YUAN压花抛光钝化S2005

镀镍硬币 开模 低碳钢芯 上摸 下模 电镀 （滚镀） 均匀化退火 抛光钝化 压花 金属镍层和内部 的铁芯之间形成 一个镍－铁固溶 带 （ 或 称 扩 散 层）