钢的合金化基础

第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。

2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。

3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。

2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。

ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。

★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。

第一章钢的合金化概论1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？P1P2①S和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性②P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在在冷加工过程中产生冷脆性③杂质元素S、P容易偏聚于晶界，降低晶界结合强度，导致合金钢的回火脆性2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？P12简单点阵结构：硬度较高、熔点较高、稳定性较好。

复杂点阵结构：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。

3.简述合金钢中碳化物形成规律。

P13①强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物②碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难③NM/NC比值决定了碳化物类型④当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构⑤相似者相溶：形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸和电子因素都相似,则两者的K可以完全互溶，否则有限溶解4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？P9①扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动②封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动③S点左移意味着共析C量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。

①退火态：非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。

优先形成碳化物，余量溶入基体。

②淬火态：Me的分布与淬火工艺有关。

溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。

③回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。

非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ P18Ti、Nb、V等强K形成元素好处：细化晶粒，使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？P30结构钢中，提高马氏体淬透性作用的元素从大到小排列：（B）Mn、Mo、Cr、Si、Ni等作用：①使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求②淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？P28P32提高回火稳定性的合金元素：V、Mo、W、Cr、Mn、Si①使合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度②或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？P24P34第一类回火脆性原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；杂质元素S、P、Bi等偏聚于晶界，降低了晶界的结合强度。

钢的合金化原理1.1 碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。

一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。

碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。

它们对碳钢的性能有一定的影响。

1．锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。

锰在碳钢中的含量一般小于0.8%，主要固溶于铁中。

此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的MnS 夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。

因为FeS 熔点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。

适量的锰和杂质硫形成高熔点MnS（1600℃），MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧向分布。

必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。

当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。

硅在钢中的含量通常小于0.5%。

由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。

此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。

必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。

2．硫和磷的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。

硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。

硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。

铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。

此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2 气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。

一、工程结构钢的合金化原理1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。

2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。

3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。

4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。

二、调质钢合金化特点1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。

碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。

2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。

3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。

三、轴承钢的合金化特点1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。

2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。

铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。

3、加入硅、锰、钒等提高淬透性四、渗碳钢的合金化特点（1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。

（2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。

Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。

（3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。

除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。

五、氮化钢的合金化特点1、低碳2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。

3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。

为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。

六、弹簧钢的合金化特点1、中、高碳。

一般为0.50％～0.70％。

碳质量分数过低，强度不足。

炼钢过程的物理化学基础
炼钢是将生铁或生铁合金通过冶炼、熔炼和精炼等过程，去除杂质和调整合金元素含量，制得具有一定化学成分和性能的钢材。

这个过程涉及多种物理和化学原理，其中一些重要的物理化学基础包括：
1.熔炼原理：
熔融与溶解：高温条件下金属原料被熔化，形成熔体。

在熔体中，不同金属元素能够相互溶解，形成合金体系。

相平衡与相图：钢铁冶炼中考虑不同金属之间的相平衡关系，例如铁碳相图，用于预测在不同温度下金属间的相变情况，指导生产实践。

2.去除杂质与精炼原理：
氧化还原反应：在炼钢过程中，通过氧化还原反应去除杂质。

例如，将氧气通过熔融金属，氧气与不纯净金属反应生成氧化物，再被去除，使金属中杂质减少。

渗碳原理：通过加入碳源（如石墨、焦炭等）来调整钢铁的碳含量，使其满足特定的技术要求。

3.结晶与晶体生长：
凝固过程：当熔体冷却至凝固温度以下时，金属开始凝固成晶体结构。

晶体的形成和排列方式直接影响钢材的力学性能。

晶粒粗化与细化：控制熔体冷却速率，可以影响晶粒的尺寸和形态，从而调节钢材的组织结构和性能。

4.热力学与动力学：
热力学平衡：针对炼钢过程中的温度、压力和化学反应等参数，
进行热力学平衡分析，确保炉内反应能够朝着预期的方向进行。

动力学控制：炼钢过程中，不仅需要考虑热力学平衡，还需考虑动力学控制，即控制熔体的流动和传热，以便有效地去除杂质、调整合金成分。

炼钢过程是一个复杂的物理化学过程，其中涉及多种物质相互作用和反应过程。

理解这些物理化学基础是确保钢铁冶炼过程高效、稳定和品质可控的关键。

1 合金化原理 (1)主要内容： (1)1.1 碳钢概论 (1)一、碳钢中的常存杂质 (1)二、碳钢的分类 (2)三、碳钢的用途 (2)1.2 钢的合金化原理 (3)一、合金元素的存在形式※ (3)二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 (4)三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (5)四、合金元素对钢的热处理的影响 (6)五、合金元素对钢性能的影响 (7)1.3 合金钢的分类 (7)1 合金化原理主要内容：概念：⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质1.锰〔Mn 〕和硅〔Si 〕⑴Mn：W％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物〔塑性夹杂物〕，减Mn少钢的热脆〔高温晶界熔化，脆性↑〕％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物，⑵Si：WSi⑶Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫〔S〕和磷〔P〕⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆 (裂)。

⑵P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

⑶S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮〔N〕、氢〔H〕、氧〔O〕⑴N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物—机械时效或应变时效〔经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变〕。

第一章金属材料基础知识1、什么是强度？材料强度设计的两个重要指标分别是什么？2、什么是塑性？塑性对材料的使用有何实际意义？3、绘出简化后的Fe-Fe3C相图。

4、根据Fe-Fe3C相图，说明下列现象的原因。

（1）含碳量1%的铁碳合金比含碳量0.5%的铁碳合金的硬度高。

（2）一般要把钢材加热到1000~1250℃高温下进行锻轧加工。

（3）靠近共晶成分的铁碳合金的铸造性能好。

5、随着含碳量的增加，钢的组织性能如何变化？6、铁碳相图中的几个单相分别是什么？其本质及性能如何？第二章钢的热处理原理1、何谓奥氏体？简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。

奥氏体晶粒的大小对钢热处理后的性能有何影响？2、什么是过冷奥氏体与残余奥氏体。

3、为什么相同含碳量的合金钢比碳素钢热处理的加热温度要高、保温时间要长？4、画出共析钢过冷奥氏体等温转变动力学图。

并标出：（1）各区的组织和临界点（线）代表的意义；（2）临界冷却曲线；，S，T＋M组织的冷却曲线。

（3）分别获得M、P、B下5、什么是第一类回火脆性和第二类回火脆性？如何消除？6、说明45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷却得到的室温组织：700℃，780℃，860℃，1100℃。

7、马氏体的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？8、简述随回火温度升高，淬火钢在回火过程中的组织转变过程与性能的变化趋势。

第三章钢的热处理工艺1、简述退火的种类、目的、用途。

2、什么是正火？正火有哪些应用？3、什么是淬火，淬火的主要目的是什么？4、什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？5、什么是表面淬火？表面淬火的方法有哪几种？表面淬火适应于什么钢？简述钢的表面淬火的目的及应用。

6、有一具有网状渗碳体的T12钢坯，应进行哪些热处理才能达到改善切削加工性能的目的？试说明热处理后的组织状态。

7、简述化学热处理的几个基本过程。

渗碳缓冷后和再经淬火回火后由表面到心部是由什么组织组成？8、什么是钢的淬透性和淬硬性？影响钢的淬透性的因素有哪些？如何影响？9、过共析钢一般在什么温度下淬火？为什么？10、将共析钢加热至780℃，经保温后，请回答：（1）若以图示的V1、V2、V3、V4、V5和V6的速度进行冷却，各得到什么组织？（2）如将V1冷却后的钢重新加热至530℃，经保温后冷却又将得到什么组织？力学性能有何变化？11、甲、乙两厂生产同一种零件，均选用 45 钢，硬度要求 220 ～ 250HBS 。

第一章 合金钢基础知识本章重点难点：合金元素对Fe —Fe 3C 状态图及其对钢的热处理的影响§1.1 钢的合金化碳钢：优点：价格低廉，便于获得，容易加工通过C ％的变化 改善性能缺点：淬透性低，回火抗力差，基本相软弱不能满足一些特殊性能要求 耐热、低温、腐蚀常存元素：对钢的性能影响不大或略有改善的元素合金元素：为了获得一定的组织、性能而使其使用性能和工艺性能得以提高而向钢中加入的化学元素杂质：对钢的性能起恶化作用的元素一、合金元素与铁的作用Fe 同素异构转变：α-Fe −−→−︒C 910γ-Fe −−→−︒C 1405 δ-Fe −−→−︒C 1535L bcc fcc bcc合金元素影响同素异构相在平衡状态下的稳定性，主要是通过合金元素在α-Fe 和γ-Fe 中的固溶度以及对γ-Fe 存在温度区间的影响表现出来的1、扩大A 区1）无限扩大A 区元素（Ni 、Co 、Mn ）：与γ-Fe 形成无限固溶体，与α-Fe 形成有限固溶体2）有限扩大A 区元素 （C 、N 、Cu 、Zn 、Au ）：与γ-Fe 、α-Fe 均形成有限固溶体2、缩小A 区1）封闭A区，无限扩大F区元素（Si、W、Mo、P、Cr、V、Ti、Al、Be）2）缩小A区，不封闭A区元素（B、Nb、Ta、Zr）3、影响因素：合金的点阵类型fcc→fcc bcc→bcc尺寸因素r Me-r Fe/r Fe<8% 无限（必要）8-15% 有限>20％不相溶电化学因素（电子层结构及其相互作用）对γ相区的作用同一周期 Z↑缩小→扩大3d层电子数≤5 缩小A区≥5 扩大A区通常将扩大A区元素称为A形成元素；而将缩小A区元素称为F形成元素二、合金元素与碳的作用按合金元素与C的相互作用分为两大类：1、非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu以溶入α-Fe或γ-Fe中形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al2、碳化物形成元素周期表中，铁左边的过渡族金属，离铁越远→d层电子越不满→与C作用力越强→易形成K，且稳定1)K形成元素：Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn等，既可溶于A和F中，也可与C形成K（比例取决于它们形成K的倾向的强弱程度及含量）合金元素形成K的稳定性的强弱（由强到弱）Ti V Nb W Mo Cr Mn FeTi、V、Nb 强K形成元素，只要有足够的C，在适当条件下，可形成自己特殊的K，仅在缺C的情况下，它们才会以原子状态溶入固溶体中W、Mo、Cr 中强K形成元素，在量少时，多半溶于渗碳体中形成合金渗碳体；而当量多时，可形成新的特殊KMn 弱K形成元素，少量形成合金渗碳体，大部分都溶于F或A中2)K的分类a)r C/r Me>0.59 形成间隙化合物Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C(Fe3 Mo3 C、Fe3W3 C)b)r C/r Me <0.59 形成间隙相（特殊K）：WC、VC、TiC、W2C、Mo2C简单立方结构VC、TiC 点阵中的正八面体间隙并不都有C原子，分子式一定范围内可变简单和密排六方结构W2C、Mo2C、WC、MoC密排六方简单六方热处理时不易溶解于A中，较高硬度，熔点，对二次硬化有重要影响三、合金元素对Fe－Fe3C相图的影响1、E点扩大A区元素随着％增加，E向左下移动缩小A区元素随着％增加，E向左上移动典型例子：18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体（E点的左移）。

第一章 钢的合金化基础一、合金元素（Me ）的定义合金化：加入适当元素改变金属性能的方法。

合金元素: 为合金化所加入的元素。

（主动加入）锰（Mn ） 铬（Cr ） 钼（Mo ） 钨（W ） 钒（V ） 铌（Nb ） 钛（Ti ） 镍（Ni ） 铜（Cu ） 钴（Co ） 硅（Si ） 硼（B ） 氮（N ） 铝（AL ） 稀土（RE ）碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S 、P 、Si 、Mn 、O 、H 、N ……）合金钢（合金化的钢）： Fe+C+合金元素（Me ）+杂质元素杂质元素：混入钢中的元素硫（S ） 磷（P ） 硅（Si ） 锰（Mn ） 氧（O ） 氢（H ） 氮（N ）二、合金元素的分类及性质1、分类a 、按是否形成碳化物（c’）分为：（1）碳化物（c’）形成元素：弱碳化物形成元素，Mn ——Mn 3C （固溶态）；强碳化物形成元素（Me 强）Cr 、Mo 、W 、V 、Nb 、Ti ，其中：Cr 、Mo 、W （部分固溶态，部分化合态），V 、Nb 、Ti （化合态）。

（2）非碳化物形成元素：Ni 、Si 、Al 、B 、Cu 、Co 、RE （固溶态）b 、按对Fe-Fe 3C 相图各区的影响不同分为：（1）扩大F 区元素（固溶态）：Cr 、Mo 、W 、V 、Nb 、Ti 、Al 、Si （提高A 1、A 3，使S 、E 点左上移）。

（2）扩大A 区元素：Ni 、Cu 、Mn 、C 、N （使使S 、E 点左下移）。

2、碳化物（c’）形成元素的性质a 、愈强的碳化物形成元素，形成的碳化物愈稳定。

b 、愈强的碳化物形成元素，总是优先与C 形成C’。

c 、C’中可溶其他合金元素（Me ），当溶入的Me 与C 的结合力大于原C’中的元素与C 的结合力时，溶入后所形成的新C’的稳定性增加，反之亦然。

d 、过剩型C’的强化效果低于沉淀型的C’的强化效果。

三、钢的几种强化机理（1）提高强度阻止位错运动氏气团小尺寸溶质钉扎位错柯滑移面歪扭溶质产生晶格畸变固溶强化→→⎭⎬⎫⎩⎨⎧→:（2）第二相强化：弥散均匀在基体中分布的第二相颗位阻止位错运动，提高强度。