1、1.1 碳钢概论碳钢概论1.2 钢的合金化原理钢的合金化原理1.3 合金钢的分类与牌号合金钢的分类与牌号主主要要内内容容碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质 碳钢的分类碳钢的分类 碳钢的用途碳钢的用途Me在钢中的存在形式在钢中的存在形式 Me与铁和碳的相互作用与铁和碳的相互作用 Me对对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 Me对钢热处理的影响对钢热处理的影响 Me对钢性能的影响对钢性能的影响第一章第一章 合金化理论合金化理论重点及基本要求重点及基本要求1.了解了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握碳钢的分类碳钢的分类与应用。与应用。2.第二节是第二节是本章重点本章
2、重点。要求。要求全面掌握全面掌握合金元素合金元素在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，在钢中的存在形式，与铁和碳的相互作用，对对Fe-Fe3C相图、相图、对钢的热处理及组织与性能的对钢的热处理及组织与性能的影响规律。影响规律。3.掌握掌握合金钢的分类与牌号。合金钢的分类与牌号。合金元素：合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的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。组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。杂质：杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而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。带入的化学元素。碳钢：碳钢：含碳量在含碳量在0
3、.0218-2.11%范围内的铁碳合金。范围内的铁碳合金。合金钢：合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。低合金钢：低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。的钢。中合金钢：中合金钢：一般指合金元素总含量在一般指合金元素总含量在510%范围内的钢。范围内的钢。高合金钢：高合金钢：一般指合金元素总含量超过一般指合金元素总含量超过10%的钢。的钢。微合金钢：微合金钢：合金元素合金元素(如如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。而能显著影响组织和性能的钢。几个基本概念几
4、个基本概念1.1 碳钢概论碳钢概论 Steelmaking flowlines Steel Finishing flowlines 一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质1.锰（锰（Mn）和硅（）和硅（Si）炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中 Mn：在碳钢中的含量一般小于在碳钢中的含量一般小于0.8%。可固溶，也可。可固溶，也可形成高熔点形成高熔点MnS（1600）夹杂物。）夹杂物。MnS在高温下在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。呈条状沿轧向分布。Si：在钢中
5、的含量通常小于在钢中的含量通常小于0.5%。可固溶，也可形。可固溶，也可形成成SiO2夹杂物。夹杂物。Mn和和Si是有益杂质，但夹杂物是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。钢的疲劳强度和塑、韧性下降。2 2硫（硫（S S）和磷（）和磷（P P）S：在固态铁中的溶解度极小，在固态铁中的溶解度极小，S和和Fe能形成能形成FeS，并易于形成，并易于形成低熔点共晶。低熔点共晶。发生发生热脆热脆(裂裂)。P：可固溶于可固溶于-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为称为冷脆冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。磷可以提高
6、钢在大气中的抗腐蚀性能。S和和P是是有害杂质有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。但可以改善钢的切削加工性能。3 3氮（氮（N N）、氢（）、氢（H H）、氧（）、氧（O O）N：在在-铁中可溶解，含铁中可溶解，含过饱和过饱和N的钢的钢经受冷变形后析出氮化经受冷变形后析出氮化物物机械时效或应变时效。机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。O：在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2、MnOSiO
7、2或复合氧化物或复合氧化物MgOAl2O3、MnOAl2O3。N、H、O是是有害杂质。有害杂质。二、碳钢的分类二、碳钢的分类400 C 1400 C1200 C1000 C800 C600 C1600 CFe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgadSteelCast Iron1 1按钢中的碳含量按钢中的碳含量（1）按）按Fe-Fe3C相图分类相图分类 亚共析钢：亚共析钢：0.0218%wc0.77%共共 析析 钢：钢：wc=0.77%过共析钢：过共析钢：0.77%wc2.11%（2）按碳含量多少分类）按碳含量多少分类 低碳钢：低碳钢：wc 0.25%中碳钢：中碳钢：0.25%w
8、c0.6%高碳钢：高碳钢：wc0.6%2 2按钢的质量（品质），碳钢可分为按钢的质量（品质），碳钢可分为 （1）普通碳素钢：）普通碳素钢：wS0.05%，wP0.045%。（2）优质碳素钢：）优质碳素钢：wS0.035%，wP0.035%。（3）高级优质碳素钢：）高级优质碳素钢：wS0.02%，wP0.03%。（4）特级优质碳素钢：）特级优质碳素钢：wS0.015%，wP0.025%。3 3按钢的用途分类，碳钢可分为按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）碳素结构钢：）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。构件等。
9、也可用于不太重要的机件。（2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。弹簧、连杆等。（3）碳素工具钢：）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。等。（4）一般工程用铸造碳素钢：）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。度、塑性和韧性零件。4 4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢：）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为指脱氧不彻底的钢，代号为F。（2）镇静钢
10、：）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为指脱氧彻底的钢，代号为Z。（3）半镇静钢：）半镇静钢：指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。（4）特殊镇静钢：）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。1 1 普通碳素结构钢普通碳素结构钢（1）主要用于一般工程结构和普通零件）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大钢筋等），可供焊接、
11、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的（钢总产量的70%以上）。以上）。（2）热轧后空冷）热轧后空冷是这类钢通常的是这类钢通常的供货状态供货状态。用户一般不需要再进。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。行热处理而是直接使用。wC=0.06%0.38%，当质量等级为，当质量等级为“A”、“B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。适当调整。（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法）普通碳素结构钢的牌号表示方法 由代表屈服点的字母（由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（）、屈服点数值、质量等级符号（A、
12、B、C、D）及脱氧方法符号（）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序）等四个部分按顺序组成。组成。屈服点数值屈服点数值共分共分195、215、235、255、275五个强度等级；五个强度等级；三、碳钢的用途三、碳钢的用途（4）典型牌号、性能与用途）典型牌号、性能与用途Q195、Q215：含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。要求不高的工件。Q235A、Q255A：用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于用于农机具中的拉杆
13、、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B：用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D：质量较好，可作一些重要焊接结构件及机件。质量较好，可作一些重要焊接结构件及机件。Q255、Q275：强度较高，其中：强度较高，其中Q275属于中碳钢，可用作制造属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。摩擦离合器、刹车钢带等。2 优质碳素结构钢优质碳素结构钢（1）用于较为重要的机械零件）用于较为重要的机械零件，可以通过各种
14、热处理调整零件的，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。力学性能。（2）供货状态）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。一般随用户需要而定。（3）牌号）牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍，如量分数的万倍，如2020钢、钢、4545钢。钢。（4）优质碳素结构钢共有）优质碳素结构钢共有31个钢号。个钢号。08F钢：钢：碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。变形加工成型件。10
15、25等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。钉等。3 碳素工具钢碳素工具钢（1）主要用于）主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢和高级优质获得高的硬度和高耐磨性。可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两
16、类。碳素工具钢两类。（2）牌号）牌号一般用标志性符号一般用标志性符号“T”（碳字的汉语拼音字头）加上（碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示。如碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。一般优质碳素工具等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上再加上“A”字，如字，如T8A，T12等。等。（3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在，这时，在牌号的尾部标以牌号的尾部标以Mn，如，如T8Mn，T8MnA。（4）典型的碳素工具钢）典型的碳素工具
17、钢 T7、T8：适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为4854HRC（工作部分）；（工作部分）；T9、T10、T11钢：钢：用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为6062HRC，T10A钢钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；大的冷作模具、量具；T
18、12、T13钢：钢：硬度及耐磨性最高，但韧硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为火、低温回火后的硬度为6265 HRC。T12A也可用于制造量具。也可用于制造量具。T7T12、T7AT12A还可用于形状简单的塑料模具。还可用于形状简单的塑料模具。4 一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢（1）主要用于）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于0.65%。（2）牌
19、号）牌号用符号用符号“ZG”（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服表示其屈服强度不小于强度不小于340MPa，抗拉强度不低于，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。的铸钢。（3）典型的碳素铸钢）典型的碳素铸钢（4）其他类型的铸钢件）其他类型的铸钢件1.1 钢的合金化原理钢的合金化原理一、合金元素的存在形式一、合金元素的存在形式1 1形成铁基固溶体形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体形成铁基置换固溶体 Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与等元素可与Fe形成无限固溶形成无限
20、固溶体。其中体。其中Ni、Co和和Mn形成以形成以-Fe为基的无限固溶体，为基的无限固溶体，Cr和和V形成以形成以-Fe为基的无限固溶体。为基的无限固溶体。Mo和和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和和-Fe(W)等。等。Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。元素周期表A 0 H A A A A A A He Li Be B C N O F Ne Na Mg B B B B B B B B Al Si P S Cl Ar K Ca Se
21、 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Pb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl PbBi Po At Rn（2）形成铁基间隙固溶体形成铁基间隙固溶体 对对-Fe，间隙原子优先占据八面体间隙。，间隙原子优先占据八面体间隙。对对-Fe，间隙原子优先占据八面体或四面体间隙。，间隙原子优先占据八面体或四面体间隙。间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按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
22、、N、O、H的顺序而增加的顺序而增加2 2形成合金渗碳体形成合金渗碳体 （1）合金渗碳体（碳化物）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。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）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：强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe其中：其中：、族金属族金属的碳化物与氮化物具有的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构简单的点阵结构，如，如TiC、VC、TiN、TaC等；等；、金属金属的碳化
23、物与氮化物具有的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构复杂的点阵结构，如，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。等。在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如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。等。3 3形成金属间化合物形成金属间化合物（1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物）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。及间隙化合物三类
24、。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）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重要的金属间化合物是(Cr46Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、(Co7Mo6)、P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。等。4 4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相（1）钢中的非金属相有：）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO
25、2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金属夹杂物一般都是有害等。非金属夹杂物一般都是有害的。的。（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其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。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）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。缺乏较详细的实验和理论依据。二、合金元素与铁和碳的相互作用及其二、合金
26、元素与铁和碳的相互作用及其对对层错能的影响层错能的影响1合金元素与铁的相互作用合金元素与铁的相互作用（1）相稳定化元素（奥氏体形成元素）相稳定化元素（奥氏体形成元素）使使A3降低，降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了成，即扩大了相区。根据相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为：开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)；扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)。开启开启相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)图图1-1 这类合金元素主要有这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的等。如果加入足够量的
27、Ni或或Mn，可完全使体心立方的，可完全使体心立方的相从相图上消失，相从相图上消失，相保持到相保持到室温，故而由室温，故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，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。它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。图图1-1 扩大扩大相区并与相区并与-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Ni相图相图(b)扩展扩展相区相区(有限扩大有限扩大相区相区)（图图1-2）虽然虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与-Fe和和-Fe均形成有限固溶体，并且也使均形成
28、有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使线）升高，但最终不能使相区完全开启。相区完全开启。这类合金元素主要有这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。等。相区借助相区借助C及及N而扩展，当而扩展，当C含量在含量在02.11%（重量）范围内，均可以获得均（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。图图1-2 扩大扩大相区相区并与并与-Fe有限互有限互溶的溶的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-C相图相图(b)（2）相稳定化元素（铁素体形成元素）相稳定化元素（铁素体
29、形成元素）合金元素使合金元素使A4降低，降低，A3升高升高，在较宽成分范围内，促使铁，在较宽成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了素体形成，即缩小了相区。根据相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：相图的不同，可分为：封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)；缩小缩小相区相区(不能使不能使相区封闭相区封闭)。封闭封闭相区相区(无限扩大无限扩大相区相区)（图图1-3）当合金元素达到某一含量时，当合金元素达到某一含量时，A3与与A4重合，其结果使重合，其结果使相相与与相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有-相变，与相变，与-Fe形成无
30、限固溶体（这类合金不能用正常的热处理形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。制度）。这类合金元素有：这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元素和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti、P及及Be 等。但应该指出，含等。但应该指出，含Cr 量小于量小于7%时，时，A3 下降；含下降；含Cr 量大于量大于7%时，时，A3 才上升。才上升。缩小缩小相区相区(不能使不能使相区封闭相区封闭)合金元素使合金元素使A3 升高，升高，A4 下降，使相区缩小，下降，使相区缩小，但不能使其完全封闭。如图但不能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。等。图
31、图1-4 缩小缩小相区的相区的Fe-Me相图相图(a)及及Fe-Nb相图相图(b)2 2合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用（1）形成碳化物形成碳化物 碳化物形成元素：碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。的左侧。非碳化物形成元素非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表它化
32、合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。的右侧。碳化物的晶体结构：碳化物的晶体结构：当当rc/rMe 0.59时时，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化，碳与合金元素形成一种复杂点阵结构的碳化物。物。Cr、Mn、Fe属于这类元素，属于这类元素，Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。当当rc/rMe 0.59时时，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。，形成简单点阵的碳化物（间隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr等，等，MeX型（型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和）和Me2X型（型（W2C、Mo2C、Ta2C）。）。碳化物的特性碳化物的特性：硬度大、熔点高（可
33、高达硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达），分解温度高（可达1200）；）；间隙相碳化物虽然含有间隙相碳化物虽然含有50%60%的非金属原子，但仍具的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。等。（2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响对固溶体中碳活度及扩散系数的影响 合金元素对碳在固溶体中活度的影响合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表现在存在于固溶主要表现在存在于固溶
34、体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。碳化物形成元素碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。降低其活度。非碳化物形成元素非碳化物形成元素，相反将，相反将“推开推开”碳原子，提高其活动碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度，同时将出现碳从固溶体中析出的倾向。性，即增加碳的活度，同时将出现碳从固溶体中析出的倾向。Me对对C在在A中的扩散激活能和扩散系数的影响中的扩散激活能和扩散系数的影响 碳化物形成元素：碳化物形成元素：如如Cr、Mo和和W等降低等降低C的活度，即提高的
35、活度，即提高了了C在在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：如如Ni、Co等提高等提高C的活度，即降低了的活度，即降低了C在在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。需要指出的是需要指出的是Si是个例外是个例外，它能升高扩散激活能，降低扩，它能升高扩散激活能，降低扩散系数，造成这个例外的原因，则是由于散系数，造成这个例外的原因，则是由于Si虽提高虽提高C的活度，的活度，但同时降低了但同时降低了Fe原子的活动性，即增加了原子的活动性，即增加了Fe在固溶
36、体中的结合在固溶体中的结合能，因而得到与能，因而得到与Ni、Co相反的结果。相反的结果。总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义:它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。而所。而所有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性、有这些都会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能。同时对钢的热处理亦有塑性、韧性、红硬性和某些特殊性能。同时对钢的热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥
37、氏体晶粒的长大等。3合金元素对奥氏体层错能的影响合金元素对奥氏体层错能的影响（1）层错能的概念）层错能的概念：晶体中形成层错时增加的能量。：晶体中形成层错时增加的能量。（2）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响）奥氏体层错能对钢的组织和性能的影响：一般认为：一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。难，导致钢的加工硬化趋势增大。例如高例如高Mn钢和高钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。趋势相差很大。高高Ni钢易于变形加工，钢易于变形加工，Ni、Cu和和C等元素使
38、奥氏体等元素使奥氏体层错能提高。层错能提高。高高Mn钢则难于变形加工，钢则难于变形加工，Mn、Cr、Ru和和Ir则降低则降低奥氏体的层错能。奥氏体的层错能。三、合金元素对三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响1合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 扩大扩大相区的合金元素相区的合金元素(如如Ni、Co、Mn等等)均扩大铁碳相均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全扩大图中奥氏体存在的区域。其中完全扩大相区的合金元素相区的合金元素Ni或或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如
39、如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和高镍奥氏体不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。高锰耐磨钢等。图图1-7（a）合金元素）合金元素Mn对对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响相图中奥氏体区的影响 缩小缩小相区的合金元素相区的合金元素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全封闭其中完全封闭相区的合相区的合金元素（例如金元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如括室温在内的广大范围内获得单相铁素体组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢
40、等。高铬铁素体不锈钢等。Cr对对Fe-Fe3C相图中相图中A区的影响如图区的影响如图1-7（b）。）。图图1-7（b）合金元素）合金元素Cr对对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响相图中奥氏体区的影响2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图共析点相图共析点S的影响的影响 Me对共析转变温度的影响对共析转变温度的影响扩大扩大相区的元素相区的元素使铁碳合金使铁碳合金相图的共析转变温度下降；相图的共析转变温度下降；缩小缩小相区的元素相区的元素使铁碳合金使铁碳合金相图的共析转变温度上升。相图的共析转变温度上升。图图1-8 合金元素对共析温度的影响合金元素对共析温度的影响 Me对共析点（对共析点（S）成分
41、的影响）成分的影响 几乎所有合金元素都使几乎所有合金元素都使S点（图点（图1-9）降低，尤其降低，尤其以强碳化物形成元素的作以强碳化物形成元素的作用最为强烈。用最为强烈。共晶点共晶点E的的碳含量也随合金元素增加碳含量也随合金元素增加而降低。而降低。图图1-9 合金元素对共析含碳量的影响合金元素对共析含碳量的影响 1Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响对钢加热时奥氏体形成过程的影响 合金元素的加入改变了临界点的温度、合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；条件和碳浓度条件发生
42、了变化；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。的扩散，从而影响奥氏体化过程。奥氏体形成过程奥氏体形成过程奥氏体的形核奥氏体的形核奥氏体的长大奥氏体的长大渗碳体的溶解渗碳体的溶解奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化四、合金元素对钢的热处理的影响四、合金元素对钢的热处理的影响（1）Me对奥氏体形成速度的影响对奥氏体形成速度的影响 奥氏体的形成速度取决于奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大奥氏体晶核的形成和长大，两者都，两者都与碳的扩散有
43、关。与碳的扩散有关。非碳化物形成元素非碳化物形成元素Co和和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。强碳化物形成元素强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。碳化物的分解：碳化物的分解：奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相奥氏体形成后，还
44、残留有一些稳定性各不相同的碳化物。同的碳化物。稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。度。奥氏体的成分均匀化：奥氏体的成分均匀化：由于碳化物的不断溶入，不均匀程度由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响对奥氏体晶粒长大倾向的影响 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体合金元素形成的碳化物在高温下越稳定
45、，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：的影响，合金元素可分为：Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易在钢中易形成形成高熔点高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大；细质点，也能强烈阻止晶粒长大；W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强
46、烈的钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。2Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响对钢的过冷奥氏体分解转变的影响 主要表现在合金元素可以使钢的主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。曲线发生显著变化。具体可以分为以下几个方面：具体可以分为以下几个方面：（1）对高温转变（）对高温转变（珠光体转变珠光体转变）的影响；）的影响；（2）对中温转变（）对中温转变（贝氏体转变贝氏体转变）的影响；）的影响；（3）对低温转变（）对低温转变（马氏体转变马氏体转变）的影响。）的影响。对于合金结构钢，为了降低残余奥氏体量，需对于合金结构钢，为了降
47、低残余奥氏体量，需要进行附加的处理要进行附加的处理：p 冷处理冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得获得-70-70的低温。的低温。p 多次回火多次回火过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，降低过程中残余奥氏体发生合金碳化物的析出，降低了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的了残余奥氏体中的合金成分，使残余奥氏体的MsMs、MfMf点升高，点升高，而在回火后的冷却过程中，转变为马氏体或贝氏体（称为二而在回火后的冷却过程中，转变为马氏
48、体或贝氏体（称为二次淬火），从而使残余奥氏体量减少。次淬火），从而使残余奥氏体量减少。3合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 主要表现在主要表现在提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性，即，即钢对回火钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。具体为具体为 （1）Me对对马氏体分解马氏体分解的影响的影响（2）Me对对残余奥氏体残余奥氏体转变的影响转变的影响（3）Me对对碳化物的形成、聚集和长大碳化物的形成、聚集和长大的影响的影响（4
49、）Me对对铁素体回复再结晶铁素体回复再结晶的影响的影响（5）Me对对回火脆性回火脆性的影响的影响加入加入Me的主要目的：的主要目的：使钢具有更优异的使钢具有更优异的力学性能力学性能使用性能使用性能耐腐蚀性、耐热性耐腐蚀性、耐热性强强度度塑塑性性韧韧性性耐耐腐腐蚀蚀性性热热强强性性抗抗氧氧化化性性耐热性耐热性五、合金元素对钢性能的影响五、合金元素对钢性能的影响工艺性能工艺性能铸铸造造性性能能锻锻压压性性能能焊焊接接性性能能热热处处理理性性能能切切削削性性能能1Me对钢的强度的影响对钢的强度的影响 钢中钢中Me的强化作用主要有以下四种方式：的强化作用主要有以下四种方式：（1 1）固溶强化）固溶强化
50、 （2 2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）（3 3）第二相强化）第二相强化 （4 4）位错强化）位错强化 通过对这四种方式单独或综合加以运用，便通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。可以有效地提高钢的强度。固溶强化固溶强化 固溶强化的出发点是以合金元素作为溶质原固溶强化的出发点是以合金元素作为溶质原子阻碍位错运动子阻碍位错运动。（2 2）晶界强化（细晶强化）晶界强化（细晶强化）晶界强化的机制是：晶界强化的机制是：l由于晶界两侧晶粒变形的不协调性，在晶界附近诱发由于晶界两侧晶粒变形的不协调性，在晶界附近诱发的位错称为几何上需要的位错。的位错称为几何上需要的位错。
