第1章 钢的合金化概论

本章主要内容 ◆ 合金元素与铁的相互作用 ◆ 合金钢中的相组成 ◆ 合金元素在钢中的分布及偏聚 ◆ 合金钢中的相变 ◆ 合金元素对钢强韧化的影响 ◆ 合金元素对钢工艺性能的影响 ◆ 微量元素在钢中的作用 ◆ 合金钢的分类与编号 2

1.1 合金元素与铁的相互作用 3

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含C量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系 6

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（1）合金元素（alloying-element) 1.1 合金元素(Me)和Fe的作用 1.1.1 钢中的元素 （1）合金元素（alloying-element) 钢：以铁为基的合金。 合金元素：指特别添加到钢中为了保证钢获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。 常用的合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B 等. 合金化：在金属中加入适量的合金元素达到改变金属 性能的方法. 合金钢：指为了提高某些性能而添加入合金元素的钢 8

字体颜色为绿色或深蓝色的元素：钢中常见合金元素； 字体颜色为深蓝色的元素：钢中常见碳化物形成元素。 钢中常用的合金元素 字体颜色为绿色或深蓝色的元素：钢中常见合金元素； 字体颜色为深蓝色的元素：钢中常见碳化物形成元素。 9

（1）合金元素（alloying-element) 1.1 合金元素(Me)和Fe的作用 1.1.1 钢中的元素 （1）合金元素（alloying-element) 低合金钢：一般指合金元素总含量＜5%的钢。 中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围的钢 高合金钢：一般指合金元素总含量＞10%的钢。 微合金钢：合金元素(如V，Nb，Ti，Zr，B)含量 ≤0.1% (B-0.001%), 而能显著影响组织和 性能的钢。 10

1.1 合金元素(Me)和Fe的作用 1.1.1 钢中的元素 （2）杂质元素（impurity- element )：由冶炼时原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。 冶炼残余，由脱氧剂带入 —— 如Mn、Si、Al；S、P难彻底清除 常存杂质 生产过程中形成,微量元素O、H、N 隐存杂质 与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、 Sn、Pb、Cr等 偶存杂质

1.1.2 铁基二元相图 铁在加热和冷却过程中的同素异晶转变： 912℃ 1394℃ α-Fe γ-Fe δ-Fe A3点 A4点 12

1.1.2 铁基二元相图 → 纯Fe Fe-C相图的变化特点 1.相变在某一温度范围进行 2.临界点A3和A4随碳含量变化 1.1.2 铁基二元相图 纯Fe Fe-C相图的变化特点 1.相变在某一温度范围进行 2.临界点A3和A4随碳含量变化 3.出现新的相变和产物，如： γ α ＋ Fe3C 4.平衡状态下可以两相共存 → 13C

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1.1.2 铁基二元相图 15

1.1.2 铁基二元相图 合金元素对α-Fe，γ-Fe和δ-Fe的相对稳定性以及同素异晶转变温度A3和A4均有极大的影响，从而改变铁基二元相图的类型。 合金元素对二元相图的影响主要是扩大和缩小γ相区。 16

1.1.2 铁基二元相图 1、γ稳定化元素 使 A3↓，A4↑，γ相区扩大 与γ-Fe无限固溶（如 Ni、Mn、Co） — 开启γ相区 1.1.2 铁基二元相图 1、γ稳定化元素 使 A3↓，A4↑，γ相区扩大 与γ-Fe无限固溶（如 Ni、Mn、Co） — 开启γ相区 量大时，室温为γ相; 如 Ni、Mn是A不锈钢的 Me（1Cr18Ni9） b) 与γ-Fe有限固溶 （ 如 C、N、Cu ）—— 扩大γ相区

1.1.2 铁基二元相图 2、α稳定化元素 使 A3↑，A4↓，γ区缩小，α相区扩大 完全封闭 γ区 （如 Cr、 V 、 W、Mo、Ti） 1.1.2 铁基二元相图 2、α稳定化元素 使 A3↑，A4↓，γ区缩小，α相区扩大 完全封闭 γ区 （如 Cr、 V 、 W、Mo、Ti） Cr、 V 与α-Fe完全固溶，量大时，为α相（如1Cr17 F不锈钢） W、Mo、Ti等与α-Fe有限溶解 b) 缩小γ区 — B、Nb、Zr 等

稳定奥氏体（γ）相的元素— γ（A）形成元素； 稳定铁素体（α）相的元素— α（F）形成元素 1.1.2 铁基二元相图 稳定奥氏体（γ）相的元素— γ（A）形成元素； 稳定铁素体（α）相的元素— α（F）形成元素 19

1.1.2 铁基二元相图 合金元素中C、N、B与Fe形成间隙固溶体， 其它形成置换固溶体。 1.1.2 铁基二元相图 合金元素中C、N、B与Fe形成间隙固溶体， 其它形成置换固溶体。 合金元素扩大或缩小γ相区的能力与其在α-Fe和γ-Fe中的溶解度有关, 主要有3个影响因素: （1）合金元素与铁元素点阵类型的差异; （2）合金元素与铁元素电子结构的差异; （3）合金元素与铁元素原子尺寸因素的差异。 合金元素扩大或缩小γ相区的能力对合金的组织形貌、力学性能、化学性能和物理性能将产生重大的影响。 如Ni、Mn 是A不锈钢的 Me（如1Cr18Ni9）;如1Cr17 F不锈钢 20

1.1.3 Me对Fe-C相图的影响 (2)缩小γ相区元素 1.对γ相区的影响 (1)扩大γ相区元素 如 Ni、Mn、Co等 使A3↓，GS线下沉，S点、E点左移 (2)缩小γ相区元素 如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等 使A3↑，γ相区逐渐呈楔形， S点、E点左移 21

1.1.3 Me对Fe-C相图的影响 2.对临界点的影响 扩大γ相区元素Ni、Mn、Co等 使A3↓，A1↓ 缩小γ相区元素Cr、W、Mo、Si、Ti等 使A3↑，A1↑ 22

1.1.3 Me对Fe-C相图的影响 所有Me都使 共析体C%↓ 3、对S、E点的影响 A形成元素 — 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 — 意味着形成全部共析体的C含量降低（如: 4Cr13） E点左移 — 意味着形成莱氏体的C含量降低 （如: W18Cr4V）

对临界点的影响：改变Fe-C相图的共析温度 1.1.3 Me对Fe-C相图的影响 合金元素对钢的临界点和Fe-C相图的影响可归纳为： 对γ相区的影响： 扩大γ相区的元素， A3↓,GS线下沉，S点、E点左移 缩小γ相区的元素， A3↑,γ相区逐渐呈楔形，S点、E点左移 对临界点的影响：改变Fe-C相图的共析温度 扩大γ相区元素Ni、Mn、Co等，使A3↓，A1↓ 缩小γ相区元素Cr、W、Mo、Si、Ti等，使A3↑，A1↑ 对S、E点的影响： 形成全部共析体的C%↓，C%≤0.77% 形成合金莱氏体的C%↓，C%≤2.11% 24

1.1.3 Me对Fe-C相图的影响 合金元素对临界点和Fe-C相图的影响 合金元素的加入使C≤0.77%的钢中出现全部共析组织; 25

小 结 1 基本概念 合金元素、合金化、合金钢、低合金钢、中合金钢、 高合金钢、微合金钢、奥氏体（铁素体）形成元素 2 钢中的元素： 小 结 1 基本概念 合金元素、合金化、合金钢、低合金钢、中合金钢、 高合金钢、微合金钢、奥氏体（铁素体）形成元素 2 钢中的元素： 合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B 杂质元素： Mn、Si、Al；S、P、N、H、O、Cu、Sn、Pb、Cr 3 合金元素对铁基二元相图的影响 奥氏体形成元素： 开启γ相区—Ni、Mn、Co； 扩大γ相区— C、N、Cu 铁素体形成元素： 完全封闭γ区—Cr、V、W、Mo、Ti；缩小γ区—B、Nb、Zr 26

S点左移—使C≤0.77%的钢中出现全部共析组织 4 合金元素对钢的临界点和Fe-C相图的影响： 扩大γ相区元素— Ni、Mn、Co， 使 A3↓， A1↓，S点、E点左移 缩小γ相区元素— Cr、V、 W、Mo、Si、Ti， 使 A3↑， A1↑，S点、E点左移 S点左移—使C≤0.77%的钢中出现全部共析组织 E点左移—使C≤2.11%的钢中出现合金莱氏体 27

本 章 作 业 1.请说出下列钢号表示何类钢种，大致的碳含量和合金元素含量，它们的共析温度是上移还是下移（与碳钢相比）？为什么？   45     40Cr    42Mn 2.在铁碳相图中，含有0.77%C的称为共析钢，如果在此钢中添加Mn元素或者添加Cr元素，含碳量不变，那么这种Fe-C-Mn或Fe-C-Cr钢是亚共析钢还是过共析钢？为什么？ 28