金属材料的合金化原理

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。

铅合金的冶炼原理
铅合金的冶炼原理是将铅和其他金属元素进行熔融混合，使其形成合金。

冶炼铅合金的一般过程如下：
1. 准备原料：将铅和其他金属元素作为原料，按照一定比例准备好。

2. 熔融：将准备好的原料放入熔炉中，加热使其熔融。

3. 合金化处理：在熔融状态下，在炉内加入其他必要的合金化料，如锡、钙、锑等，进行合金化处理，使原料中的金属元素充分溶解。

4. 去除杂质：在熔融状态下，通过各种物理、化学方法去除金属原料中的杂质，如氧化物、硫化物、氧化铁等。

5. 浇铸：将熔融状态下的合金注入到合金模具中进行铸造，使其冷却固化形成所需形状的铅合金产品。

冶炼铅合金的过程中，需要控制熔融温度、原料比例和合金化处理等参数，以获得所需的合金性能和产品质量。

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。

铝合金钝化铝合金是一种广泛应用于工业领域的金属材料，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点。

然而，铝合金在一定条件下容易发生腐蚀，影响其使用寿命和性能。

为了解决这个问题，人们提出了铝合金钝化的方法。

本文将详细介绍铝合金钝化的基本概念、原理和方法，并探讨其在工业生产中的应用。

第一部分：铝合金的腐蚀问题铝合金作为一种常见的金属材料，具有良好的导电性和导热性，广泛应用于汽车制造、建筑工程、航空航天等行业。

然而，铝合金在潮湿的环境中容易受到腐蚀，导致合金表面产生氧化物。

这不仅降低了合金的美观度，还可能导致结构破坏和性能下降。

第二部分：铝合金钝化的基本概念和原理1. 钝化的定义和作用钝化是指通过改变活性金属表面的化学性质，形成一层致密的氧化膜，从而提高金属的耐腐蚀性能。

钝化膜具有很高的密度和硬度，能够阻挡金属与外界环境的接触，起到保护金属的作用。

2. 钝化的原理钝化是通过在铝合金表面生成一层稳定的氧化膜来实现的。

这种氧化膜主要由Al2O3组成，具有很高的耐蚀性和耐磨性。

在腐蚀介质中，氧化膜能够与介质发生反应，形成一种稳定的含氧化合物，阻止腐蚀介质进一步侵蚀金属。

第三部分：铝合金钝化的方法1. 酸性钝化酸性钝化方法是目前应用最广泛的一种钝化方法。

它利用酸性溶液，如硫酸、磷酸等，在一定条件下处理铝合金表面，生成氧化膜。

这种方法操作简便、成本低，但需要注意酸液的浓度、温度和处理时间等条件，以获得理想的钝化效果。

2. 碱性钝化碱性钝化方法利用含碱性溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾等，对铝合金表面进行处理。

这种方法能够生成一层致密的氧化膜，具有较好的钝化效果。

碱性钝化方法适用于一些特殊场合，如医疗器械、食品加工设备等。

3. 电化学钝化电化学钝化是利用电化学原理，在特定电位和电流密度条件下，通过外加电源作用于铝合金表面，生成一层均匀致密的氧化膜。

这种方法可以控制氧化膜的厚度和质量，并且可以在不同介质中进行钝化处理。

4. 热处理钝化热处理钝化是利用高温处理的方法，在一定温度和时间条件下，使铝合金表面生成一层致密的氧化膜。

备课笔记绪论一、本课程主要内容金属材料可分为五类，即钢铁材料、非铁金属材料、金属功能材料、金属间化合物材料和金属基复合材料，本课程学习前两类金属材料，其余的金属材料在别的课程中学习。

1、钢铁材料(1)合金化原理①合金元素在钢中与Fe，C的相互作用。

②合金元素在相变中的作用。

(2)各类钢铁材料2、非铁金属材料介绍铜合金、铝合金、镁合金、钛合金的特点及应用。

二、研究思路使用条件→性能要求→组织结构→化学成分↑生产工艺1、化学成分：碳含量；合金元素种类及含量。

2、生产工艺：(1) 材料生产的全过程。

(2) 不同钢种生产过程中的特殊问题。

如工程结构钢的带状组织，轴承钢的夹杂物，高碳钢的碳化物不均匀性等。

(3) 不同钢种的热处理特点。

不同的合金元素，对淬火加热温度、冷却方式、回火温度、回火冷却方式等热处理工艺制度的不同影响。

3、金属材料的性能金属材料，尤其是钢铁材料，之所以对人类文明发挥那样重要的作用，一方面是由于它本身具有比其它材料远为优越的性能；另一方面是由于它那始终孕育着在性能方面以及数量、质量方面的巨大潜在能力，能随着日益增长的要求，不断更新、发展。

(1) 使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。

①力学性能：如强度、塑性、韧性等。

②化学性能：如抗腐蚀、抗氧化等。

③物理性能：如电磁性能等。

(2) 工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。

主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接性等。

如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。

使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。

两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。

例如，一些要求高强度、高硬度、耐高温的材料，常给铸造、压力加工、机械加工带来困难，有时甚至否定材料。

因此，一方面需要改进加工工具或加工制作方法，另一方面要改善材料的工艺性能。

如含铜时效钢06MnNiCuNb，用于制造大型舰船，采用厚板焊接，要求淬透性好，强韧性好，可焊性好，采用低碳加铜时效。

表1-1 碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自GB700-88）注：1.带“*”号处Q235-A、B级沸腾钢锰的质量分数上限为0.60%。

2.本类钢通常不进行热处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质含量，不考虑碳含量。

图1-1 扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图（2）α相稳定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。

根据铁与合金元素构成的相图的不同，又可分为如下两种情况：图1-2 扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图②缩小γ相区(但不能使γ相区封闭) 合金元素使A3升高，降，使相区缩小但不能使其完全封闭。

如图1-4。

这类合金元素有：综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大γ相区的元素称为奥相区的元素称为铁素体的形成元素。

显上述合金元素与铁的相互作用规律，通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。

如欲发展奥氏体钢时，需要往钢中加等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加等铁素体形成元素。

图1-4 缩小γ相区的Fe-Me相图(a)及Fe-Nb相图(b)最后应该指出，同时向钢中加入两类合金元素时，其作用往往相互Cr铁素体形成元素，在Cr18%与合金元素的摩尔原子浓度对1000℃时碳在奥氏体中的相对活度系数C f的影响合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响如图。

由图可知，碳化物形成元素如Cr、Mo和W等升高扩散激活能，这是由于碳化物形成元素降低了C的活度，图1-6 合金元素对C在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响图1-7 合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响四、合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响。

图1-8 合金元素对共析温度的影响图1-9 合金元素对共析含碳量的影响奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。

铝合金的精炼原理
铝合金的精炼原理可以分为两个主要步骤：氧化和还原。

1. 氧化：氧化是将原料中的杂质和非金属氧化物转化为氧化物的过程。

在铝冶炼过程中，一般使用自然富氧气氛或加氧剂（如氧化铁）来氧化炉料中的杂质。

氧化的酸碱性会影响矿渣中杂质元素的分配，同时调整矿渣与金属铝的接触和分离。

2. 还原：还原是将氧化物还原为金属的过程。

在铝合金冶炼中，一般采用电解法进行还原。

电解法的关键是通过电解池中的电流和电解质（如氟化铝熔盐）来把高温下的氧化铝还原为金属铝。

还原过程中，还可加入其他的合金元素，使得还原后的铝合金中含有所需的合金元素。

总的来说，铝合金的精炼原理是通过氧化和还原两个步骤，将原料中的杂质和非金属氧化物转化为氧化物，然后将氧化物通过电解还原为金属铝，在还原过程中加入其他的合金元素，制备出所需的铝合金材料。

合金怎样冶炼成钢的原理冶炼合金成为钢的过程被称为钢铁冶炼，它是一种将铁矿石中的铁和其他元素结合在一起以形成钢的过程。

钢是一种非常重要的金属材料，其广泛应用于建筑、制造业、汽车、航空航天等领域。

下面将详细介绍合金冶炼成钢的过程和原理。

1. 钢铁冶炼的原料钢铁冶炼的主要原料是铁矿石。

铁矿石通常包含铁氧化物和其他杂质，如硅、锰、磷和硫等。

其中最重要的是氧化铁，它主要存在于铁矿石中，如赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4）。

在冶炼过程中，还会使用一些添加剂来调整钢的成分和性质。

2. 高炉冶炼高炉是一种用于冶炼铁矿石的设备。

在高炉中，铁矿石被加热至高温，并与煤炭一起被还原为铁。

煤炭的主要作用是提供燃料和还原剂，将铁矿石中的氧气还原为铁，并产生一些副产品，如炉渣。

在高炉中，氧气在高温下与煤炭进行反应，生成一氧化碳和二氧化碳。

一氧化碳进一步与铁矿石中的氧气反应，还原出金属铁。

3. 炼铁过程在高炉冶炼过程中，金属铁被提取出来，并形成铸铁。

铸铁是含有大量碳的合金，通常含有3-4%的碳。

然而，钢的碳含量必须在0.02-2%之间。

因此，需要对铸铁进行进一步处理，以减少其碳含量并形成钢。

4. 转炉冶炼转炉冶炼是冶炼铁矿石成为钢的主要方法之一。

在转炉中，将适量的废钢和铸铁加入到炉中。

同时向炉中吹入氧气，燃烧废钢和铸铁中的杂质。

这个过程被称为氧枪喷吹。

通过氧枪喷吹，氧气会与废钢和铸铁中的碳和其他元素反应，从而将其氧化并转化为气体。

转炉冶炼可以有效地控制钢的成分和性质。

5. 钢水调整在转炉冶炼中，还要通过添加合金元素来调整钢的成分和性质。

合金元素的添加可以改变钢的硬度、韧性、强度和抗腐蚀性能。

常见的合金元素有锰、铬、镍、钼等。

通过控制合金元素的添加量和时间，可以生产出满足不同需求的各种类型的钢。

6. 过炉处理在完成钢水调整后，钢水被倒入连铸机中进行连铸。

连铸是一种将液态钢水直接浇铸成坯料的过程。

坯料冷却后形成钢锭或钢板。

合金形成方式合金是由两种或两种以上金属元素组成的固溶体，具有优良的物理和化学性质。

合金的形成方式有多种，下面将介绍几种常见的合金形成方式。

1. 熔炼法熔炼法是最常见也是最传统的合金形成方式之一。

它通过将不同比例的金属原料加热至熔化状态，然后混合搅拌，最终冷却凝固形成合金。

这种方法适用于大多数金属合金的制备，如钢、铜合金等。

熔炼法的优点是合金成分可以精确调控，可制备出多种不同性能的合金材料。

2. 粉末冶金法粉末冶金法是一种通过粉末冶炼技术制备合金的方法。

它首先将金属原料研磨成粉末，然后将粉末放入模具中，施加高温高压，使粉末颗粒相互结合，并在冷却过程中形成合金。

粉末冶金法可以制备出复杂形状的合金制品，具有高密度、低孔隙率和优良的力学性能。

3. 溶液渗透法溶液渗透法是一种在金属基体中浸渍其他金属元素以形成合金的方法。

首先将金属基体浸入含有所需合金元素的溶液中，然后通过热处理或电化学方法使合金元素渗透到金属基体内部，最终形成合金。

溶液渗透法适用于制备复杂形状的合金制品，如合金涂层。

4. 化学反应法化学反应法是一种通过化学反应形成合金的方法。

它通常是将金属原料与其他化合物在一定条件下进行反应，形成新的化合物，从而形成合金。

化学反应法可以制备出高纯度和特殊性能的合金材料，如超硬合金、磁性合金等。

5. 电化学法电化学法是利用电化学原理形成合金的方法。

它通过在电解质溶液中将两种或多种金属电极浸泡，然后施加电流，使金属离子在电极上还原并形成合金。

电化学法可以制备出具有高均匀性和细微晶粒结构的合金材料。

合金的形成方式有熔炼法、粉末冶金法、溶液渗透法、化学反应法和电化学法等。

不同的合金形成方式适用于不同的合金材料制备，可以满足各种工程和科学领域的需求。

合金的形成方式对合金的成分、结构和性能都有重要影响，因此在合金制备过程中需要选择合适的形成方式，并进行合理的工艺控制，以获得优质的合金材料。

铜锡合金氧化原理
1.铜和锡的自然组合形成粘铜锡合金。

这种合金是由铜和锡以不同比例混合而成的，具有独特的物理和化学性质。

2.当铜锡合金暴露在空气中时，铜和锡被氧化为氧化物。

铜和锡在遇到空气中的氧气时，会氧化形成氧化铜（CuO）和氧化亚锡（SnO）。

3.铜主要氧化为CuO和Cu2O，而锡主要氧化为SnO2。

在铜锡合金氧化的过程中，铜会首先氧化形成CuO，然后进一步氧化形成Cu2O。

锡则主要氧化为SnO2。

4.氧化物会形成薄膜，阻隔下层金属继续氧化。

在铜和锡氧化的过程中，形成的氧化物会形成一层薄膜，覆盖在合金的表面，阻止下层金属继续与氧气接触，从而停止进一步的氧化反应。

5.铜的氧化速度快于锡，所以表面会形成薄的铜氧化物层。

由于铜的氧化速度较快，所以在合金表面会首先形成一层薄的CuO薄膜。

这层铜氧化物薄膜可以有效阻止下层金属（主要是锡）继续氧化。

总的来说，铜锡合金的氧化过程是由暴露在空气中的氧气引发的，通过铜和锡分别氧化形成CuO、Cu2O和SnO2，并在合金表面形成一层氧化物薄膜，阻隔下层金属与氧气的接触，从而停止进一步的氧化反应。

镁合金化原理1．镁合金的合金化特点Mg 合金的合金化原则与Al 合金大致相同，固溶强化和时效硬化是主要强化手段，只是没有Al 合金那样明显而已。

因此，凡是能在Mg 中大量固溶的元素，都是强化Mg 合金的有效合金元素。

根据合金元素的作用特点和极限溶解度，可大致分成两大类：包晶反应类：Zr（3.8％），Mn（3.4％）。

包晶反应型元素的主要作用是细化晶粒，但也有净化合金（消除杂质Fe），提高抗蚀性和耐热性的作用。

共晶反应类：Ag(15.5％)，Al (12.7%)，Zn（8.4％），Li（5.7％），Th（4.5％）；稀土元素（RE）：Y（12.5％），Nd（3.6％），La（1.9％），Ce（0.85％），Pr（0.5%），混合RE（以Ce 或La 为主）。

共晶反应型元素是高强度镁合金的主要合金元素，如Mg-Al-Zn 和Mg-Zn-Zr 系合金等。

这类元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、MgZn2 和Mg23Th6 等在Mg 中有明显的溶解度变化，是Mg 合金的主要强化相，有明显的时效硬化效应。

稀土元素也多属共晶反应型元素，不仅共晶温度比Mg-Al 和Mg-Zn 系高，Mg-RE 系的α固溶体和稀土化合物（Mg9Nd，Mg9Ce 等）的耐热性也高，原子扩散速度强，有利于抗蠕变性能，故Mg-RE-Zr 和Mg-RE-Mn 系合金是耐热Mg 合金，可在150~250℃工作。

RE 除了提高耐热性外，还能降低液、固二态合金的氧化速度，改善铸造和变形性能。

Nd 的综合作用最佳，能同时提高室温和高温强化效应，Ce 和混合RE 次之，有改善耐热性的作用，但常温强化效果很弱；La 的效果更差，两方面都赶不上Nd 和Ce。

2．镁合金的沉淀过程与结构变化Mg 合金时效硬化效应没有Al 合金明显，与其结构变化特点有关。

Mg-Al 和Mg-Al-Zn 系合金缓冷试样（空冷或油淬）在150~222℃时效，先从晶界或缺陷部位发生不连续沉淀，不经GP 区阶段即直接析出片状平衡相Mg4Al3，沿一定取向往晶粒内部生长。

铸造合金熔炼原理
铸造合金熔炼原理是在高温环境下将金属原料加热至其熔点以上，使其完全熔化，并通过特定的工艺操作，将熔化金属倾注入模具中形成所需的产品。

熔炼过程中，金属原料的化学成分和物理性质经历着复杂的变化。

首先，进行合金熔炼的原料是金属块、片、粉末等，这些原料的化学成分必须经过严格的配方设计，以满足最终产品的性能要求。

通常，在配方中会加入一定比例的合金元素，如硅、锰、铜、镍等，以改善合金的机械性能、耐腐蚀性能、导热性能等。

其次，将金属原料放入特制的熔炼炉中，加热至足够高的温度。

常见的熔炼炉包括电阻炉、电弧炉、感应炉等。

加热过程中，金属原料逐渐升温至其熔点以上，固态金属逐渐转化为液态金属。

熔炼时还需控制熔炉内气氛的氧含量，通常会采用惰性气体如氮气或氩气，以避免金属被氧化。

此外，可以添加一些熔剂和脱氧剂，以促进金属熔化和去除气体杂质。

完成熔炼后，融化的金属液被倾注入预先准备好的模具中，待其冷却凝固固化。

冷却过程中，金属再次发生相变，由液态逐渐转变为固态。

在凝固过程中，还会发生固溶体相分离、晶体生长、晶界组织形成等现象，这些因素将直接影响最终产品的组织结构和性能。

最后，经过适当的冷却时间，模具打开，固化的金属零件取出，
经过后续的加工处理（如去毛刺、研磨、抛光等），即可得到最终的铸造合金产品。

总结起来，铸造合金熔炼原理是通过将金属原料熔化、倾注模具、冷却凝固等步骤，控制金属的组织结构和化学成分，制备出具有所需性能的铸造合金产品。