1合金化原理 1主要內容： 11.1碳鋼概論 1一、碳鋼中的常存雜質 1二、碳鋼的分類 2三、碳鋼的用途 21.2鋼的合金化原理 3一、合金元素的存在形式※ 3二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對γ層錯能的影響 4三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響 5四、合金元素對鋼的熱處理的影響 6五、合金元素對鋼性能的影響 71.3合金鋼的分類 71合金化原理主要內容：概念：⑴合金元素：特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結構、物理、化學和機械性能的化學元素。⑵雜質：冶煉時由原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學元素。⑶碳鋼：含碳量在0.0218-2.11%范圍內的鐵碳合金。⑷合金鋼：在碳鋼基礎上加入一定量合金元素的鋼。①低合金鋼：一般指合金元素總含量小于或等于5%的鋼。②中合金鋼：一般指合金元素總含量在5～10%范圍內的鋼。③高合金鋼：一般指合金元素總含量超過10%的鋼。④微合金鋼：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能顯著影響組織和性能的鋼。1.1碳鋼概論一、碳鋼中的常存雜質1.錳（Mn）和硅（Si）⑴Mn：WMn％<0.8％①固溶強化②形成高熔點MnS夾雜物（塑性夾雜物），減少鋼的熱脆（高溫晶界熔化，脆性↑）⑵Si：WSi％<0.5％①固溶強化②形成SiO2脆性夾雜物，⑶Mn和Si是有益雜質，但夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強度和塑、韌性下降。2．硫（S）和磷（P）⑴S：在固態鐵中的溶解度極小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔點共晶。發生熱脆(裂)。⑵P：可固溶于α-鐵，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。⑶S和P是有害雜質，但可以改善鋼的切削加工性能。3．氮（N）、氫（H）、氧（O）⑴N：在α-鐵中可溶解，含過飽和N的鋼析出氮化物—機械時效或應變時效（經變形，沉淀強化，強度↑，塑性韌性↓，使其力學性能改變）。N可以與釩、鈦、鈮等形成穩定的氮化物，有細化晶粒和沉淀強化。⑵H：在鋼中和應力的聯合作用將引起金屬材料產生氫脆。⑶O：在鋼中形成硅酸鹽（2MnO?SiO2、MnO?SiO2）或復合氧化物（MgO?Al2O3、MnO?Al2O3）。⑷N、H、O是有害雜質。二、碳鋼的分類1．按鋼中的碳含量⑴按Fe-Fe3C相圖分類：亞共析鋼，共析鋼（Wc=0.77%）；過共析鋼⑵※按鋼中碳含量的多少分類：低碳鋼：wc≤0.25%；中碳鋼：0.25%＜wc≤0.6%；高碳鋼：wc＞0.6%2．按鋼的質量（品質），碳鋼可分為①普通碳素鋼②優質碳素鋼③高級優質碳素鋼④特級優質碳素鋼3．按鋼的用途分類，碳鋼可分為※⑴碳素結構鋼：主要用于各種工程構件，如橋梁、船舶、建筑構件等。也可用于不太重要的機件。⑵優質碳素結構鋼：主要用于制造各種機器零件，如軸、齒輪、彈簧、連桿等。⑶碳素工具鋼：主要用于制造各種工具，如刃具、模具、量具等。⑷一般工程用鑄造碳素鋼：主要用于制造形狀復雜且需一定強度、塑性和韌性零件。4．按鋼冶煉時的脫氧程度分類，可分為⑴沸騰鋼（脫氧不徹底）代號為F。⑵鎮靜鋼（脫氧徹底）代號為Z。⑶半鎮靜鋼（脫氧程度介于F與Z之間），代號為b。⑷特殊鎮靜鋼：指進行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。三、碳鋼的用途1-普通碳素結構鋼（※不經熱處理）⑴主要用于一般工程結構和普通零件⑵熱軋后空冷是這類鋼通常的供貨狀態⑶普通碳素結構鋼的牌號表示方法：由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數值、質量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四個部分組成例：※Q235A、Q235B、Q2552-優質碳素結構鋼（亞共析鋼或共析鋼，一般經熱處理）⑴用于較為重要的機械零件⑵供貨狀態可以是熱軋后空冷，也可以是退火、正火等狀態，⑶牌號一般用兩位數字表示：※20鋼、45鋼、08F、10F、15F、20q、16MnR、①優質碳素結構鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，它們是08F、10F、15F。半鎮靜鋼標“b”，鎮靜鋼一般不標符號。②高級優質碳素結構鋼在牌號后加符號“A”，特級碳素結構鋼加符號“E”。③專用優質碳素結構鋼：※20g卻時它們從固溶體中的析出，以及熱處理過程中元素在各相間的再分配這些問題時，具重要意義②擴散激活能和擴散系數：ⅰ碳化物形成元素：提高了C在A中結合力，因而使擴散激活能升高擴散系數下降。（如Cr、Mo和W等）ⅱ非碳化物形成元素：降低了C在A中的結合力，因而使擴散激活能下降，擴散系數升高。（如Ni、Co）ⅲ需要指出的是Si是個例外（Si雖提高C的活度，但同時降低了Fe原子的活動性）ⅳ總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實際意義:它關系到所形成的碳化物的種類、性質和在鋼中的分布。同時對鋼的熱處理亦有較大的影響，如奧氏體化溫度和時間，奧氏體晶粒的長大等。3．合金元素對奧氏體層錯能的影響⑴層錯能：晶體中形成層錯時增加的能量。⑵層錯能越低，越有利于位錯擴展和形成層錯，使滑移困難，導致鋼的加工硬化趨勢增大。⑶舉例：高Mn鋼和高Ni鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢相差很大。①※高Ni鋼易于變形加工，Ni、Cu和C等元素使奧氏體層錯能提高。②※高Mn鋼則難于變形加工，Mn、Cr則降低奧氏體的層錯能。三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響1．合金元素對奧氏體、鐵素體區存在范圍的影響⑴擴大γ相區的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴大鐵碳相圖中奧氏體存在的區域。⑵縮小γ相區的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區域。2．合金元素對Fe-Fe3C相圖共析點S的影響⑴Me對共析轉變溫度的影響①擴大γ相區的元素使鐵碳合金相圖的共析轉變溫度下降；②縮小γ相區的元素使鐵碳合金相圖的共析轉變溫度上升。⑵Me對共析點（S）成分的影響①幾乎所有合金元素都使S點（圖1-9）碳含量降低，尤其以強碳化物形成元素的作用最為強烈。②共晶點E的碳含量也隨合金元素增加而降低。=3\*GB3③合金元素使得S與E點左移四、合金元素對鋼的熱處理的影響1．Me對鋼加熱時奧氏體形成過程的影響原因：①合金元素的加入改變了臨界點的溫度、S點的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發生了變化；②由于奧氏體的形成是一個擴散過程，合金元素原子不僅本身擴散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴散，從而影響奧氏體化過程。奧氏體形成過程：①奧氏體的形核②奧氏體的長大③滲碳體的溶解④奧氏體成分均勻化⑴Me對奧氏體形成速度的影響①奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長大，兩者都與碳的擴散有關。ⅰ非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奧氏體中的擴散速度，增大奧氏體的形成速度。ⅱ強碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中的擴散，大大減慢了奧氏體的形成速度。②碳化物的溶解：穩定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點幾十或幾百度。③奧氏體的成分均勻化：由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴重。要使奧氏體成分均勻化，碳和合金元素均需擴散。④注意：由于合金元素的擴散很緩慢，因此對合金鋼應采取較高的加熱溫度和較長的保溫時間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應采用過高的加熱溫度和過長的保溫時間。⑵Me對奧氏體晶粒長大傾向的影響原因：合金元素形成的碳化物在高溫下越穩定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長大，顯著細化晶粒。①Ti、Nb、V等強烈阻止奧氏體晶粒長大，Al在鋼中易形成高熔點AlN、Al2O3細質點，也能強烈阻止晶粒長大；②W、Mo、Cr等阻礙奧氏體晶粒長大的作用中等；③Ni、Si、Co、Cu等阻礙奧氏體晶粒長大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于奧氏體的晶粒長大。Mn鋼有較強烈的過熱傾向，其加熱溫度不應過高，保溫時間應較短。2．Me對鋼的過冷奧氏體分解轉變的影響主要表現在合金元素可以使鋼的C曲線發生顯著變化。※※=1\*GB3①對高溫轉變（珠光體轉變）的影響；=2\*GB3②對中溫轉變（貝氏體轉變）的影響；=3\*GB3③對低溫轉變（馬氏體轉變）的影響。⑴對珠光體轉變的影響①除Co外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（↑A穩定性）②Me的加入對鋼還有固溶強化的作用；③合金元素只有當淬火加熱溶入奧氏體中時，才能起到提高淬透性的作用。（如果淬火加熱溫度不高，保溫時間較短，由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉變的核心，使淬透性下降。）④兩種或多種合金元素同時加入對淬透性的影響要比兩單個元素影響的總和強得多∴合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。⑵對貝氏體轉變的影響原因：合金元素對貝氏體轉變的作用是通過對γ→α轉變和碳原子的擴散的影響而起作用。①合金元素還改變貝氏體轉變動力學過程，增長轉變孕育期，減慢長大速度。②B、Mo、Mn對貝氏體轉變的影響。⑶對馬氏體轉變的影響：合金元素的作用表現在對馬氏體點Ms~Mf溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細結構。①除Co、Al以外，絕大多數合金元素都使Ms和Mf下降②Ms和Mf點的下降，使得室溫下殘留奧氏體量增多（溫度差↓轉變少）3．合金元素對淬火鋼的回火轉變過程的影響主要表現在提高鋼的回火穩定性，即鋼對回火時發生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個階段的轉變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。⑴Me對馬氏體分解的影響⑵Me對殘余奧氏體轉變的影響⑶Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響⑷Me對鐵素體回復再結晶的影響⑸Me對回火脆性的影響（Mo、W、Ti、Al和稀土元素減弱回火脆性）五、合金元素對鋼性能的影響⑴⑴⑵1.3合金鋼的分類1．按化學成分分類⑴按鋼中所含合金元素的種類分，可分為：錳鋼、鉻鋼、硅鋼等⑵按鋼中合金元素總質量分數分，可分為：低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，微合金鋼。2．按鋼的用途分類⑴合金結構鋼：工程構件用鋼（低合金高強度結構鋼）和機械制造