第一章鋼的合金化原理一、鋼中的合金元素合金鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上，為了改善碳鋼的力學(xué)性能或獲得某些特殊性能，有目的地在冶煉鋼的過程中加入某些元素而得到的多元合金。合金鋼----為了保證一定的生產(chǎn)和加工工藝以及所要求的組織與性能，在化學(xué)成分上特別添加合金元素的鐵基合金。常用的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、鎢（W）、釩（V）、鈦（Ti）、鋯（Zr）、鈷（Co）、鋁（Al）、硼（B）及稀土（RE）元素等。常見的雜質(zhì)元素：Si,Mn,S,P但是如果人為加入并可改善鋼的性能，這些雜質(zhì)元素也為合金元素。二、合金元素在鋼中的存在形式1．形成鐵基固溶體（1）形成鐵基置換固溶體（Hume-Rothery定律）①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可與Fe形成無限固溶體。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe為基的無限固溶體，Cr和V形成以α-Fe為基的無限固溶體。②Mo和W只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。

（3）在鋼中，鐵的碳化物與合金碳化物相比，是最不穩(wěn)定的。滲碳體中Fe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。Ⅳ、Ⅴ族金屬的碳化物與氮化物具有簡(jiǎn)單的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如TiC、VC、TiN、TaC等；Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金屬的碳化物與氮化物具有復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。3．形成金屬間化合物（1）金屬化合物的類型通常分為正常價(jià)化合物、電子化合物及間隙化合物三類。金屬間化合物通常僅指電子化合物。（2）在奧氏體不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼及許多高溫合金中較為重要的金屬間化合物是：

σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、μ(Co7Mo6)、P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。4．形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相（1）鋼中的非金屬相有：

FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。

非金屬夾雜物一般都是有害的。

（2）AlN和一些稀土氧化物彌散質(zhì)點(diǎn)可用來強(qiáng)化鋼或其它有色金屬合金。（3）在特殊條件下（如快速冷卻凝固），可使某些金屬或合金形成非晶體相結(jié)構(gòu)。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。擴(kuò)大γ相區(qū)并與γ-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Ni相圖(b)鍍鎳硬幣開模低碳鋼芯上摸下模電鍍（滾鍍）均勻化退火拋光鈍化壓花金屬鎳層和內(nèi)部的鐵芯之間形成一個(gè)鎳－鐵固溶帶（或稱擴(kuò)散層）。②擴(kuò)展γ相區(qū)(有限擴(kuò)大γ相區(qū))

雖然γ相區(qū)也隨合金元素的加入而擴(kuò)大，但由于合金元素與α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶體，并且也使A3（GS線）降低，A4（JN線）升高，但最終不能使γ相區(qū)完全開啟。

這類合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相區(qū)借助C及N而擴(kuò)展，當(dāng)C含量在0~2.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個(gè)熱處理的基礎(chǔ)。（2）α相穩(wěn)定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了γ相區(qū)。根據(jù)Fe-Me相圖的不同，可分為：①封閉γ相區(qū)(無限擴(kuò)大α相區(qū))當(dāng)合金元素達(dá)到某一含量時(shí)，A3與A4重合，其結(jié)果使δ相與α相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過一定含量時(shí)，合金不再有α-γ相變，與α-Fe形成無限固溶體（這類合金不能用正常的熱處理制度）。封閉γ相區(qū)并與α-Fe無限互溶的Fe-Me相圖(a)及Fe-Cr相圖(b)這類合金元素有：Si、Al和強(qiáng)碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。但應(yīng)該指出，含Cr量小于7%時(shí)，A3下降；含Cr量大于7%時(shí)，A3才上升。②縮小γ相區(qū)(但不能使γ相區(qū)封閉)（圖1-4）合金元素使A3升高，A4下降，使γ相區(qū)縮小但不能使其完全封閉。這類合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。綜上所述，可將合金元素分為奧氏體形成元素和鐵素體的形成元素兩大類對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有重要的指導(dǎo)意義。通過控制鋼中合金元素的種類和含量，使鋼在室溫下獲得單相組織。發(fā)展奧氏體鋼時(shí)，需要往鋼中加入Ni、Mn、N等奧氏體形成元素；發(fā)展鐵素體鋼時(shí)，需要往鋼中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等鐵素體形成元素。2．合金元素與碳的相互作用（1）形成碳化物規(guī)律性（按強(qiáng)弱分類）:碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相。碳化物形成元素均位于Fe的左側(cè)。非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶體，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均處于周期表Fe的右側(cè)。三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響1．合金元素對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響擴(kuò)大γ相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴(kuò)大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全擴(kuò)大γ相區(qū)的合金元素Ni或Mn的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni9高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳耐磨鋼等。合金元素Mn對(duì)Fe-Fe3C相圖中奧氏體區(qū)的影響（a）縮小γ相區(qū)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(qū)域。其中完全封閉γ相區(qū)的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。Me對(duì)Fe-Fe3C相圖中A區(qū)的影響。2．合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖共析點(diǎn)S的影響Me對(duì)共析轉(zhuǎn)變溫度的影響擴(kuò)大γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度上升。合金元素對(duì)共析溫度的影響

Me對(duì)共析點(diǎn)（S）和共晶點(diǎn)（E）成分的影響幾乎所有合金元素都是共析點(diǎn)碳含量降低；共晶點(diǎn)也有類似的規(guī)律，尤其以強(qiáng)碳化物形成元素的作用最為強(qiáng)烈。合金元素對(duì)共析含碳量的影響

Me對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的影響合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長(zhǎng)大，顯著細(xì)化晶粒。按照對(duì)晶粒長(zhǎng)大作用的影響，合金元素可分為：

①Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，Al在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈阻止晶粒長(zhǎng)大；②W、Mo、Cr等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用中等；③Ni、Si、Cu、Co等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。Mn鋼有較強(qiáng)烈的過熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時(shí)間應(yīng)較短。2．Me對(duì)鋼的過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在合金元素可以使鋼的CCT圖（C曲線）發(fā)生顯著變化。具體可以分為以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響；（2）對(duì)中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響；（3）對(duì)低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響。五、合金元素對(duì)鋼的性能的影響

加入Me的主要目的：使鋼具有更優(yōu)異的力學(xué)性能使用性能耐腐蝕性、耐熱性強(qiáng)度塑性韌性耐腐蝕性熱強(qiáng)性抗氧化性耐熱性工藝性能鑄造性能鍛壓性能焊接性能熱處理性能切削性能1．Me對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響鋼中Me的強(qiáng)化作用主要有以下四種方式：（1）固溶強(qiáng)化（2）晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）（3）第二相強(qiáng)化（4）位錯(cuò)強(qiáng)化通過對(duì)這四種方式單獨(dú)或綜合加以運(yùn)用，便可以有效地提高鋼的強(qiáng)度。①細(xì)化晶粒。通過增加晶界數(shù)量，使晶界附近因變形不協(xié)調(diào)而誘發(fā)幾何上需要的位錯(cuò)。為此，宜向鋼中加入細(xì)化晶粒的合金元素。②形成第二相粒子。當(dāng)位錯(cuò)遇到第二相粒子時(shí)，希望位錯(cuò)繞過第二相粒子而留下位錯(cuò)圈，使位錯(cuò)數(shù)量迅速增多。為此，宜向鋼中加入強(qiáng)碳化物形成元素。合金元素強(qiáng)化金屬材料的主要途徑③促進(jìn)淬火效應(yīng)。淬火后希望獲得板條馬氏體，造成位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)。為此，宜向鋼中加入提高淬透性的合金元素。④降低層錯(cuò)能。通過降低層錯(cuò)能，使位錯(cuò)易于擴(kuò)展和形成層錯(cuò)，增加位錯(cuò)交互作用，防止交叉滑移。為此，宜向鋼中加入降低層錯(cuò)能的合金元素形成第二相粒子。①鋼淬火形成馬氏體。馬氏體中溶有過飽和的碳和合金元素，產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)；②馬氏體形成時(shí)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)很大；提高鋼強(qiáng)度最重要的方法是淬火和隨后的回火③奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，形成許多極細(xì)小的、取向不同的馬氏體束，產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。④淬火后回火，馬氏體中析出細(xì)碳化物粒子，間隙固溶強(qiáng)化效應(yīng)大大減小，但產(chǎn)生強(qiáng)烈的