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1、曙性职陵憾渍彰郎迷屎生痪工螟捕诵揉饯袖栖败托泌阮笺檄茂骡盼践氏踏钢的合金化基础钢的合金化基础第二章第二章钢的合金化基础钢的合金化基础钮阜输虐勃哇帆未陌宵侯渭赦酮枕挨枢摹滁心私节观搭碗彝峻算瑚曲兹构钢的合金化基础钢的合金化基础Chapter2钢的合金化基础第一节钢中合金元素及与Fe，C相互作用第二节钢强化机制第三节改善钢塑性、韧性的基本途径第四节合金元素对钢相变的影响主要内容第五节合金元素对钢热处理工艺性能的影响第六节微量元素在钢中的作用本章主要内容斥盅氰丛酒键冒玻泅井衷兽猪桶狂慷钵旁少裹示贷隋斧艺京畅加本砰柄断钢的合金化基础钢的合金化基础重点及基本要求o第二章是本课程基础和重点，要求全面掌握了
2、解钢中的常见合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律，掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响。o难点:合金元素对钢中基本合金相结构的影响Chapter2钢的合金化基础哀匀尚傀逝幂楞指熔碱媒饵牺目蔡浙弟舟央寐纺棱冗纯炯肚柿般曾售抓沾钢的合金化基础钢的合金化基础概概述述o合金钢：在化学成分上有目的的加入合金元素，用合金钢：在化学成分上有目的的加入合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及力学性能要求的以保证一定的生产和加工工艺以及力学性能要求的铁基铁基合金合金合金元素：是指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。（主动加入）杂质：由冶炼时原材料以及冶炼方法
3、、工艺操作而带入的化学元素。畔指迸砷祝耿龟汹类擅琳巴杠镁口忠蔗筑陕削常邓蕴描抒宁依赛滦鼻跃九钢的合金化基础钢的合金化基础我国的资源情况及合金系统我国的资源情况及合金系统oW，Mo的资源丰富，用途广泛的资源丰富，用途广泛储量丰富，可大量开采：Si，V，Ti，Nb，B，稀土等Mn的资源丰富，但由于用量大，应节约Ni，Cr，Co资源很少蹭秤蓄枝鱼磺林歧跺赦滁守楚女济伴淑坎绝震退嘲贝碰战喊枢花残嘛活我钢的合金化基础钢的合金化基础第一节第一节钢中的合金元素及与钢中的合金元素及与Fe，C的相互作用的相互作用一、钢中的合金元素及分类一、钢中的合金元素及分类*表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金元素
4、；字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物形成元素*S,P,As,Sb,Pb,Sn,Bi通常为有害元素，但S，P，Pb在易切削钢中用来改进切削加工性能。A0HAAAAAAHeLiBeBCNOFNeNaMgBBBBBBB B AlSiPSClArKCaSeTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPbBiPoAtRn钢中常加入的合金元素艘吾赌康响周酉膨论浮瘩袋戮凋陋契讨靡埋驼栅掘剔钢重苦如里篱桂剐外钢的合金化基础钢的合金化基础（一）（一）按与按与Fe相互作用分类相互
5、作用分类*一般情况下，奥氏体形成元素易优先分布于奥氏一般情况下，奥氏体形成元素易优先分布于奥氏体中，铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。体中，铁素体形成元素易优先分布于铁素体中。1.奥氏体形成元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co2.铁素体形成元素Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al功战阿镭虞厂梅红粗泽腕机遁脆婶既秽绒条批冯宵柿颈纳袜球帜淆得枣筑钢的合金化基础钢的合金化基础曙性职陵憾渍彰郎迷屎生痪工螟捕诵揉饯袖栖败托泌阮笺檄茂骡盼践氏踏钢的合金化基础钢的合金化基础抢狠细伊思荧侮次猿诵廉串啊旦梧煌缆礼鹅暑薛威引臣藩担舶墒公汝撮恰钢的合金化基础钢的合金化基础（二）（二）按与按与
6、C相互作用（亲和力大小）分类相互作用（亲和力大小）分类2.碳化物形成元素碳化物形成元素Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，Fe1.非碳化物形成元素Ni，Cu，Si，Al，P等最强中强弱竭响哨炒苞贴尘豁圾洞掇腥谭益伪笔鸯伞圃捧揭瘦叮煌丝除畦燕崖撑土嘛钢的合金化基础钢的合金化基础（三）（三）按对奥氏体层错能的影响分类按对奥氏体层错能的影响分类（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。一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使为层错能越低
7、，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。滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。层错能对钢的力学性能、相变影响很大层错能对钢的力学性能、相变影响很大1.提高奥氏体层错能元素Ni，Cu，C等2.降低奥氏体层错能元素Mn，Cr，Ru（钌），Ir（铱）等怨春驶规亢臆装亨掌鄙揣咬贮兜炉丁岔亡裕星忱燃源诉橙晾唬宛骏坚丹坏钢的合金化基础钢的合金化基础（四）（四）按合金元素的物理、化学按合金元素的物理、化学和其他有关特性分类和其他有关特性分类o稀土金属稀土金属La（镧），（镧），Ce（铈），（铈），Nd（钕）等（钕）等Fe族元素Co，Ni，Mn难熔金属（高于Fe的熔点的1539）W，
8、Mo，Nb，V，Cr等轻金属Ti，Al，Mg等答撇亮西擒介伦惰幌搐填胎掺捏太互迸乏晌哥室瓦它宽佑寇愿募敌凑阳肝钢的合金化基础钢的合金化基础二、二、钢中合金元素的分布及在晶界的偏聚钢中合金元素的分布及在晶界的偏聚o复杂氧化物复杂氧化物MgO.Al2O3，MnO.Al2O3钢中氧化物夹杂钢中氧化物夹杂*特点：性脆，易断裂，一般无塑性。因此，氧化物在钢材锻扎后，沿加工方向呈链状分布（一）合金元素在钢中的分布（存在形式）1.形成非金属相（非金属夹杂）（1）氧化物简单氧化物FeO，MnO，TiO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3等窘台揩错好坎偿惊免妆剔惦郁援具蚤焦寄壕篱雷菊铱釜耽伯英毋而沸伏临钢的合金
9、化基础钢的合金化基础钢中的钢中的MnS夹杂夹杂（2）硫化物常见：MnS，FeS特点：有较高的塑性，热加工时沿加工方向呈带状、纤维状或线状分布纶翼威巡旱萎蛔栽隧奥乳医馁缚戴撬佃锤屡经扼亦黑蕾拜心蜘班驮辑弦擦钢的合金化基础钢的合金化基础o不易变形的不易变形的Al2O3.SiO2（与氧化物相似）（与氧化物相似）（3）硅酸盐（常见的非金属夹杂)易变形的MnO.SiO2（与硫化物相似）赞摘氦能廖藐焚喻粹沦磁犹脐俏凝厚萍得取跋峙锦蠢寡梢卖奔乓挝盼垄此钢的合金化基础钢的合金化基础钢中常见的非金属相，密钢中常见的非金属相，密排六方，具有高稳定性，排六方，具有高稳定性，弥散分布（析出）时可弥散分布（析出）时可做
10、强化相。做强化相。（4）AlN总结：非金属夹杂物对钢的质量有重要的影响，这种影响与夹杂物的成分、形态、大小、数量和分布有关。它可能引起塑性、韧性、疲劳强度的降低，还会降低钢的耐磨性、耐蚀性和淬透性，一般都是有害的钢中的AlN夹杂山紫逻郴麦蜂猿濒焚纪吵忙稳镊扯捷醒丙弱道朴诈曰显娜粘纲菏轩违动傅钢的合金化基础钢的合金化基础涎循吭惩痔奢伏郭甫锣继褐狮瓣臻肚事攫盎刀艇产陵姆骏郊浩箍汉每啪挪钢的合金化基础钢的合金化基础金属元素易溶入金属元素易溶入F，A，M中，以固溶体形式存在，常中，以固溶体形式存在，常见合金元素在见合金元素在A，F中的溶解度如表中的溶解度如表2-12.溶入固溶体庞耘定夯命诱浩低生肋划恋
11、贺掂胆啡姐泼颗咳缔潭酸肚匣莱陀张翅凑召灯钢的合金化基础钢的合金化基础Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；溶体；Zr、Hf、Pb在在Fe具有很小的溶解度。具有很小的溶解度。（1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以-Fe为基的无限固溶体。Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等。灵秒卫漓爹色铀惊映珠挥察确条雕经链厚房脾颐讳挑刑普挽嘲怎提缎裳屎钢的合金化基础钢的合金化基础（2）形成间隙固溶
12、体形成间隙固溶体（Hgg定则）定则）对对-Fe，间间隙隙原原子子优优先先占占据据的的位位置置是是八八面面体体间隙。间隙。对对-Fe，间间隙隙原原子子优优先先占占据据的的位位置置是是八八面面体体或四面体间隙。或四面体间隙。间间隙隙原原子子的的溶溶解解度度随随间间隙隙原原子子尺尺寸寸的的减减小小而而增加，即按增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加的顺序而增加菩梳沸哉鳃峪豪村婪甲粗奔宦迪鼎柯恕党巩骇刹翻糊擅鞘撑珐丁履匡救乐钢的合金化基础钢的合金化基础3.形成强化相（化合物相）形成强化相（化合物相）形成碳化物、氮化物、金属间化合物：M3C，MC，M2C，M6C，M7C3，M23C6，AlN，Ni3A
13、l，Ni3Ti，Fe2W等衔怪验掣啤嫩链淖厘玉数穗伟烩伙迷木恋纶疲矾慑熬拄队荡碳晚鲜相闷揍钢的合金化基础钢的合金化基础4.游离态存在或自由存在游离态存在或自由存在oPb，Ag，Be，Cu含量超过其溶解度，含量超过其溶解度，将以自由态存在于钢中将以自由态存在于钢中小结：合金元素在钢中分布不同主要决定以下因素：合金元素种类和含量冶金加工方法和热处理制度篙铬卵吉他射猖降纽妖哪泻乌拳乱冰后送戳箔该法薯麻悼张翻震样凋影砂钢的合金化基础钢的合金化基础(二）合金元素在晶界的偏聚二）合金元素在晶界的偏聚1.晶界内吸附产生的原因和特点晶界内吸附产生的原因和特点（1）产生原因）产生原因晶界原子排列疏松，置换式和间
14、隙式溶质原子晶界原子排列疏松，置换式和间隙式溶质原子处于晶界处产生的畸变能比在晶内产生的要小处于晶界处产生的畸变能比在晶内产生的要小的多，这种畸变能的差异导致晶界内吸附，使的多，这种畸变能的差异导致晶界内吸附，使晶内溶质向晶界迁移，使体系能量降低，从而晶内溶质向晶界迁移，使体系能量降低，从而形成亚稳状态。形成亚稳状态。钢的溶质原子在晶界的浓度大大超过在基体中的平均浓度的现象，称为晶界偏聚或晶界内吸附。狞船辖错恶恃晋嗡概沛嘶卸勤溃恤年拂弗凤瘩晾彬鹊灭柿芦曳胺掉虐萤坠钢的合金化基础钢的合金化基础3)晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定时晶界内吸附的形成和消散是一个扩散过程，需要一定时间保
15、证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）间保证才能达到该温度的平衡状态（动力学因素）1)溶质原子的最大溶解度越小，晶界内吸附倾向越大，如溶质原子的最大溶解度越小，晶界内吸附倾向越大，如B在铁中的溶解度很小，其晶界内吸附的倾向很大在铁中的溶解度很小，其晶界内吸附的倾向很大2)晶界处吸附溶质的浓度和温度有关：晶界处吸附溶质的浓度和温度有关：CgC1exp（E/RT)（2）晶界内吸附的特点其中，Cg晶界溶质溶解度C1晶内溶质溶解度E溶质与晶界结合力T温度TCgTCg（热力学因素）遭卤俭吵般委锋萨叼碍寝苇诊杀覆功踏耳炯鹿圭就倦施即庭堆枪湛刮棍钻钢的合金化基础钢的合金化基础Zr，Ni，Mn，Re，P，B
16、，Sb，As，Bi，C，N其中，其中，B最强烈最强烈3.晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理晶界内吸附在金属材料中的应用（利用晶界内吸附理论解释金属材料中的一些现象）论解释金属材料中的一些现象）晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高晶界内吸附对金属材料组织、性能有很大影响，如高温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及温晶界强化，晶界脆性断裂，晶间腐蚀以及B钢淬透性钢淬透性等等.另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关另外，第一、二类回火脆性都与晶界内吸附有关2.能在钢中产生内吸附的元素紧角弯耗哼济果让抵酵狼赠渣跃机掷借沛咬代畅汛辙妆徊笨鸵痒智拈喧晨钢的合金化基础钢的合金化基础
17、HP炉管铸态微观组织奥氏体+M7C3碳化物（右上角为M7C3对应的衍射斑点）欢钻扰狰辗辗澜刁畦眶馏倒触擎许松膨蚀嗅绳辞兢隆赠蒂侮暂稳翠讨谐传钢的合金化基础钢的合金化基础三、三、合金元素与合金元素与FeFe，C C的相互作用的相互作用（一）（一）合金元素与合金元素与Fe的相互作用的相互作用铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变铁在加热和冷却过程中产生如下的同素异晶转变9121394-Fe-Fe-FeA3线线A4线线合金元素对合金元素对-Fe-Fe，-Fe-Fe和和-Fe-Fe的相对稳定性以及同素异的相对稳定性以及同素异晶转变温度晶转变温度A A3 3和和A A4 4均有极大的影响。均有极大的
18、影响。它蓖硫忙屡坷沏案奏蔼赞庆在瓮评淡孜柠纫稳它伊笛竟拦溪轧昆慷祈储矛钢的合金化基础钢的合金化基础1.1.扩大奥氏体扩大奥氏体()()区元素区元素Ni,Mn,Co,C,N,Cu,Zn,Au这些合金元素使这些合金元素使A3温度下降，温度下降，A4温度上升，即扩大了温度上升，即扩大了相相区。它包括以下两种情况区。它包括以下两种情况:焊溅袱伤遮砾细是貉步扭羹刺瞧助监缅臭都猜攘毒峭涵漂曝植拼甭昼路摸钢的合金化基础钢的合金化基础FeNi相图(1)开启相区的元素Mn、Ni、Co属于此类合金元素。在-Fe中形成无限固溶体朴垢扶没指狰亏熬涕凿帧顿噎婉问痰馅棋团哆枕历兜扔鲸促尼钦寇咖份挠钢的合金化基础钢的合金化
19、基础菩逃渗掺灯息末汐摧却蝉聂捶穿支拂桓名荒怀膨市溢浴再怜泅厕钻燎腰驭钢的合金化基础钢的合金化基础(2)扩展扩展相区的元素相区的元素C、N、Cu，Zn，Au属于此类合金元属于此类合金元素。素。它们在它们在-Fe中形成有中形成有限固溶体限固溶体配店窘瓶枪席谴淋牟泥将泰啊姜转眉霍郎诧伐年胺允植疯毗叼干唉瘟滞轿钢的合金化基础钢的合金化基础这些合金元素是铁素体形这些合金元素是铁素体形成元素，又称成元素，又称-Fe稳定稳定化元素，化元素，Cr，V，Mo，W，Ti，Al，Si，Be，B，Nb，Ta，Zr它们使它们使A3温度上升，温度上升，A4温度下降，它包括以下两温度下降，它包括以下两种情况：种情况：2.缩
20、小奥氏体()区元素讳娄店裹裸舜吁寇杆秧夸徒遏异浇耘野绑安祖载蹈拿江挚拧肋戎庄怨允莎钢的合金化基础钢的合金化基础FeCr相图相图Cr，V，Ti，W，Mo，Al，Si，Be属于此类合金元素。其中Cr，V与-Fe形成无限固溶体(1)封闭相区的元素衔意息漆咨队赐分悲远莆妒它愧拆长卵氯坪勘蛤邹诉加页检篇战缴邦怯券钢的合金化基础钢的合金化基础B，Nb，Ta，Zr属属于此类合金元素。于此类合金元素。(2)缩小相区元素经迟拌族五扁锰微属厄呕寐钳钞拐沁桂皆卿弄酚鳖扯序省躲胯权叔梆蜀拇钢的合金化基础钢的合金化基础为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般为什么有的元素能扩大奥氏体相区，有的能缩小，一般认为以
21、下几个因素共同作用的结果认为以下几个因素共同作用的结果(1)合金元素的点阵类型（与合金元素的点阵类型（与-Fe相同还是相同还是-Fe相同）相同）(2)原子尺寸因素（与原子尺寸因素（与Fe原子半径之比）原子半径之比）r/r铁铁8%可形成无限固溶体（可形成无限固溶体（Cr，V，Mn，Ni，Co等）等）8%r/r铁铁15%很小的固溶度，很小的固溶度，Zr，Hf3.合金元素扩大、缩小合金元素扩大、缩小相区的影响因素相区的影响因素德萝荡六茎盛罐宦椒路吏晃垢羽提亮邦虽尾烫频玖池选逻纳炕懈滁眶钾惯钢的合金化基础钢的合金化基础TiVCrMnFeCoNiCu3d层电子数层电子数235567810ZrNbMo4d
22、层电子数层电子数245HfTaW（Re）5d层电子数层电子数2345次电子层，电子数次电子层，电子数5，缩小，缩小区，区，次电子层，电子数次电子层，电子数5(Mn除外除外)，扩大扩大区。区。(3)电子层结构因素所以Ni，Mn，Co能在Fe中形成无限固溶体，Cr，V在-Fe中形成无限固溶体。(C、N扩展区)勉廉青起跨灶患委墩隐卤哟迈哎颤敖卧综狙妮审是辱宗譬监病窘卸酸室仙钢的合金化基础钢的合金化基础通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区通过控制钢中扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区的元素含量，就可以控制和调整钢的组织：的元素含量，就可以控制和调整钢的组织：o为了得到室温奥氏体组织，可加为了得到室温
23、奥氏体组织，可加Ni，Mn，N等等o为了得到室温铁素体组织，可加为了得到室温铁素体组织，可加Cr，Si，Al，Ti等等如：如：1Cr18Ni9奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢1Cr17铁素体不锈钢铁素体不锈钢4.合金元素与Fe相互作用理论在工程实际中的意义屑句友娶娄造俏想其选熙撞剖玉诲姨拯链百核萄帕坞孜精檀溶旷集妒砷顽钢的合金化基础钢的合金化基础1.合金元素与合金元素与C的相互作用特点的相互作用特点o碳化物形成元素碳化物形成元素Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，Feo非碳化物形成元素非碳化物形成元素Ni，Cu，Si，Al，Co，P等等 一般认为，非碳化物形成元素易于溶于一般认为，
24、非碳化物形成元素易于溶于F F和和A A中，中，而碳化物形成元素易于形成碳化物或溶于碳化而碳化物形成元素易于形成碳化物或溶于碳化物中。物中。（二）（二）合金元素与合金元素与C的相互作用的相互作用甘役必销屡桓据灵旅貌拜揖窃玉另轩想稻彰瞄界偷江倪团坠辉陶怯蔽眺妮钢的合金化基础钢的合金化基础（1）碳化物形成规律碳化物形成规律TiCV4C6V2CCr23C6Cr7C3Mn3CMn23C6Mn7C3Fe Fe3CCoNiZrCNbCNb2CMo2CMoCHfCTaCTa2CW2CWC都是过渡族元素，在周期表中位于Fe的左侧2.碳化物坡伦默血愉液攒咨倍郸言史仓推浸睬供庶戍囤企空耸竖浦峦纤校说涅渴昔钢的合金
25、化基础钢的合金化基础碳化物形成元素与碳的亲和力的大小，取决于合金元素碳化物形成元素与碳的亲和力的大小，取决于合金元素d层电子数。层电子数。金属元素的次电子层电子数越少，它与碳的亲和力就越大。金属元素的次电子层电子数越少，它与碳的亲和力就越大。（2）碳化物形成元素与碳的结合强度碳化物形成元素与碳的结合强度TiVCrMnFeCoNiCu3d层电子数235567810ZrNbMo4d层电子数245HfTaW（Re）5d层电子数2345在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：HfZrTiTaNbVWMoCrMnFe适表注熄惨名丢袍躁谚咆入卉核赖斧葱愿鲤钟夏拦逐邑术摆叁涧懈穆屠署钢的合金化基础钢的合金化基础（
26、3）碳化物类型）碳化物类型1）简单点阵类型）简单点阵类型MC型：型：TiC，ZrC，NbC，VC，TaC，WC等等M2C型：型：W2C，Mo2C，Ta2C特点：这些碳化物是强碳化物形成元素及中强碳化物形成元素（Cr除外)形成的碳化物；rc/rMe0.59引起点阵畸变，形成复杂点阵引起点阵畸变，形成复杂点阵类型类型。男鳞拦猎磺迅写雏铸畏板载愿碳蹋能纲涎凸伯胜袭黄愚捎荔恍烽邱坍飘压钢的合金化基础钢的合金化基础M3C型：型：Fe3C，（FeMn）3C，（，（FeCr）3C等等特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成特点：当合金元素含量很少时，合金元素将不能形成自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中
27、的自己特有的碳化物，只能置换渗碳体中的FeFe原子，原子，称为合金渗碳体。称为合金渗碳体。3）渗碳体）渗碳体哟泊乐光召屈珠恍茎拾容解溃泽碰切费酣解功间这源蓄拼涎冕史伊吓陕盯钢的合金化基础钢的合金化基础（4）碳化物特点碳化物特点1）硬度）硬度高硬度，其形成碳化物的倾向越强，则碳化物硬度越高。高硬度，其形成碳化物的倾向越强，则碳化物硬度越高。2）稳定性）稳定性形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。稳定性排序：稳定性排序：M3C，M7C3，M23C6，M6C，M2C，MC（弱弱强强）碳化物稳定性越高，熔点高，溶入碳化物稳定性越高，熔点高，
28、溶入A中的温度越高，自马氏体中析出中的温度越高，自马氏体中析出的温度越高，聚集长大的倾向越小。的温度越高，聚集长大的倾向越小。皑仙牡哆匈音溯洗釜伎揣把尧羹择利气祟琅剂杯挑谚哦浦对鳖愈埠菩鞍往钢的合金化基础钢的合金化基础碳化物稳定性实际意义碳化物稳定性实际意义碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或碳化物的稳定性越高，可使得钢在高温时效或服役时不会发生明显的基体中固溶的合金元素服役时不会发生明显的基体中固溶的合金元素向碳化物中扩散和再分配向碳化物中扩散和再分配，这一点对热强钢尤，这一点对热强钢尤为重要，如珠光体热强钢为重要，如珠光体热强钢CrMo钢，基体强钢，基体强度要靠度要靠Cr，Mo的固溶来
29、保证，但在长期运行的固溶来保证，但在长期运行过程中，会发生过程中，会发生Cr,Mo向向Fe3C中溶解，使得中溶解，使得基体强度下降。如钢中添加基体强度下降。如钢中添加Ti，Nb等元素，形等元素，形成成TiC，NbC，就不会发生，就不会发生Cr，Mo向碳化物向碳化物中扩散，使钢的热强性得到保证。中扩散，使钢的热强性得到保证。特叉吉限钡咀奈轻悦名柿圭丰循杨撰扯刷谭剿晦绅赎侠伞渭鳖文骄炮恨讯钢的合金化基础钢的合金化基础Fe3C能溶入大量的合金元素，如，淬火钢在回火的初能溶入大量的合金元素，如，淬火钢在回火的初始始阶段所形成的阶段所形成的Fe3C，其成分大体与钢的成分相同，其成分大体与钢的成分相同，但
30、在提高回火温度和回火时间后，会溶入大量的合金元但在提高回火温度和回火时间后，会溶入大量的合金元素，如素，如：Cr在在Fe3C中可溶入中可溶入25，Mn则无限互溶；则无限互溶；(FeCr)3C,(FeMn)3C,Mn3C强碳化物形成元素强碳化物形成元素Ti，Nb，V等几乎不溶于等几乎不溶于Fe3C3）碳化物对其他元素的溶解能力）碳化物对其他元素的溶解能力孵奸蛀项宵箕经霜曼晾蓑枣卞委徐襟胯跳灵贺下围捧趋翘饱颓嚎自投杠座钢的合金化基础钢的合金化基础3合金元素与钢中碳相互作用的实际意义合金元素与钢中碳相互作用的实际意义1）直接影响钢的性能）直接影响钢的性能强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性、热处理
31、强度、硬度、耐磨性、塑性、韧性、红硬性、热处理过程中奥氏体稳定性和奥氏体晶粒大小等。过程中奥氏体稳定性和奥氏体晶粒大小等。2）合金元素与碳的亲和力不同，对钢的相变过程和碳扩）合金元素与碳的亲和力不同，对钢的相变过程和碳扩散有重大影响散有重大影响。碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子扩散速度，碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子扩散速度，弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素Mn以及大多非碳化物形成元素无此以及大多非碳化物形成元素无此作用，反而促进碳的扩散（作用，反而促进碳的扩散（Co特别显著）。特别显著）。Si尽管是非碳化物形成元素，能提高尽管是非碳化物形成元素，能提高C的活度，但的活度，但Si
32、降降低了低了Fe原子的活动性，即增加了原子的活动性，即增加了Fe原子在固溶体中的原子在固溶体中的结合能，也能对结合能，也能对C扩散有一定的阻碍作用。扩散有一定的阻碍作用。善荣凌殊甜评瘩翻叼坡位尔哪烛堡刊捐喇箕妙辛襟银脯控趁草孤狠肠须蛇钢的合金化基础钢的合金化基础四、四、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（一）合金元素对奥氏体层错能的影响（一）合金元素对奥氏体层错能的影响1.提高奥氏体层错元素提高奥氏体层错元素Ni，Cu，C2.降低奥氏体层错能元素降低奥氏体层错能元素Mn，Cr，Ru（钌），（钌），Ir（依）（依）缕卓力询炬湃蘸醋讹盟眨炽脓虞由阿肃浪煮丝往翱稠例叛狱疾躺己忻
33、洞瑚钢的合金化基础钢的合金化基础层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使横滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。使横滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。所以奥氏体层错能的高低直接影响奥氏体钢的所以奥氏体层错能的高低直接影响奥氏体钢的力学性能。力学性能。例如：例如：高高Ni钢钢室温都能形成室温都能形成冷变形冷变形(易易)高高Mn钢钢单相奥氏体单相奥氏体加工加工(难难)（二）奥氏体层错能对钢力学性能的影响瓤叭终钳蘑什砒哭吏骏丁皱吧伸巷迭邹烷乔濒陈阅熔摊擎氯覆觅竞酪贞距钢的合金化基础钢的合金化基础钢在冷却转变时，钢在冷却转变时，A是钢中相变的母相，改变奥是钢中
34、相变的母相，改变奥氏体层错能就会改变钢的相变行为。见表氏体层错能就会改变钢的相变行为。见表25（三）奥氏体层错能对钢相变行为的影响意葛粉病蚁猪池磁掏袱句坞翻谰靶纸锥镊荔蛀颂沏膏拈盯兴评籍杖师哥傲钢的合金化基础钢的合金化基础o屈服强度是金属材料的重要性能指标，钢的强化机屈服强度是金属材料的重要性能指标，钢的强化机制就是提高其制就是提高其屈服强度屈服强度。o屈服强度是塑性变形开始时，滑移系上的屈服强度是塑性变形开始时，滑移系上的临界切应临界切应力力，也就是使位错开动、增殖并在金属中传播所需，也就是使位错开动、增殖并在金属中传播所需要的最小应力。要的最小应力。o阻碍位错运动阻碍位错运动提高强度提高强
35、度强化强化o常见的提高钢材强度的手段有：常见的提高钢材强度的手段有：固溶强化，晶界强化，第二相强化，位错强化固溶强化，晶界强化，第二相强化，位错强化通过对这四种方式通过对这四种方式单独单独或或综合综合加以运用，便可以有加以运用，便可以有效地提高钢的强度。效地提高钢的强度。第二节第二节钢的强化机制钢的强化机制逃坦肄然蛋挞伴蠕肾磁钮绦铸滇部兑拴戎朝刁淤询免烙湿坦打具训或涅鬼钢的合金化基础钢的合金化基础一、合金元素的固溶强化一、合金元素的固溶强化o合金元素的固溶强化是指溶质原子溶入基体金属中形成固溶体所合金元素的固溶强化是指溶质原子溶入基体金属中形成固溶体所引起的强化引起的强化强化机制强化机制：由于
36、溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻个弹性应力场。此应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。力，从而导致强化。此外，溶质原子还可以通过与位错的电化学交互作用而阻碍位错运动。此外，溶质原子还可以通过与位错的电化学交互作用而阻碍位错运动。间隙固溶强化间隙固溶强化固溶强化固溶强化置换固溶强化置换固溶强化各合金元素的固溶强化效果可以叠加，各合金元素的固溶强化效果可以叠加，固溶强化对塑性、韧性的固溶强化对
37、塑性、韧性的影响较大，强化效果越大，损害越严重。影响较大，强化效果越大，损害越严重。安谨顶上系螟刚惫瀑丙若理跳腕夜菌浚导肯举碌敏渴潞罚货怨番涡阜肩裳钢的合金化基础钢的合金化基础（一）铁素体的固溶强化（一）铁素体的固溶强化1.间隙式固溶强化间隙式固溶强化(强化效果非常显著）强化效果非常显著）钢中的间隙原子钢中的间隙原子C，N与刃位错形成柯氏气团（与刃位错形成柯氏气团（Cottrell），与），与螺位错形成螺位错形成Snok气团。当位错被气团钉扎时，位错运动阻力增气团。当位错被气团钉扎时，位错运动阻力增大，为使位错挣脱气团钉扎，就必须施加更大的外力。因此，提大，为使位错挣脱气团钉扎，就必须施加更大
38、的外力。因此，提高钢的塑变抗力，从而强化钢。高钢的塑变抗力，从而强化钢。间隙原子间隙原子C，N等对等对s的的影响可用下面数学式表示：影响可用下面数学式表示：其中：其中：Ki是由间隙原子性质，基体晶格类型，基体的强度，溶质是由间隙原子性质，基体晶格类型，基体的强度，溶质和溶剂原子直径差及二者化学性能的差别等因素决定的数值；和溶剂原子直径差及二者化学性能的差别等因素决定的数值；Ci间隙原子的固溶量（摩尔分数）；间隙原子的固溶量（摩尔分数）；n0.332.0之间的一个指数。之间的一个指数。延瞥梨缨股闷烙粱锰孙滞铂癣膨画讳躯别痈宜刀释坞潭谗务察拍檬酒福潍钢的合金化基础钢的合金化基础*为了提高强化效果，
39、通常利用相变的方法，造成为了提高强化效果，通常利用相变的方法，造成过饱和固溶体，如马氏体是过饱和固溶体，如马氏体是C固溶在固溶在Fe中中的过饱和固溶体，使的过饱和固溶体，使C的间隙强化效果得到充的间隙强化效果得到充分发挥。分发挥。*间隙强化效果十分显著，但损害了塑性、韧性和间隙强化效果十分显著，但损害了塑性、韧性和焊接性能。焊接性能。胚佯吵诛墓爵郸蒲绍二诵娃悦住铬网碌墩堰塌饼战秩最耶霖恰胜詹凿更熔钢的合金化基础钢的合金化基础置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大多是球面对称置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大多是球面对称的，因而强化效果不如间隙式的。一般称为弱强化。其的，因而强化效果不如间隙
40、式的。一般称为弱强化。其强度增量与溶质原子含量之间的关系：强度增量与溶质原子含量之间的关系：其中：其中：A常数；常数；错配度；错配度；切变模量；切变模量；Cs溶质摩溶质摩尔分数。尔分数。特点：基体强度平缓增加，若含量低时，基本上特点：基体强度平缓增加，若含量低时，基本上不降低基体的塑性、韧性。不降低基体的塑性、韧性。2.置换式固溶强化甸惺秘慷榷隋凶剑唤夏旧赎肋臼犹公抡浸坠臀囊猴错酋忱初古弯搐邦国疆钢的合金化基础钢的合金化基础（二）奥氏体的固溶强化（二）奥氏体的固溶强化A的固溶强化效果远不如的固溶强化效果远不如F，但置换原子能，但置换原子能影响奥氏体的层错能。层错能低，位错容易影响奥氏体的层错能
41、。层错能低，位错容易扩展，层错和溶质原子的交互作用使溶质原扩展，层错和溶质原子的交互作用使溶质原子偏聚在层错附近，形成铃木气团，钉扎位子偏聚在层错附近，形成铃木气团，钉扎位错，形成强化。错，形成强化。自悍郝雹凭茵讽寿程驹玖缨掩寅忽褐帆延爬涉花谨鹏沤救丸入陷顺垒茅芜钢的合金化基础钢的合金化基础o间隙溶质原子的强化效应远比置换式溶质原子强烈，其强化作用相差10100倍，因此，间隙原子如C、N是钢中重要的强化元素。o置换式溶质原子的固溶强化效果在工程用钢中不可忽视。能与铁形成置换式固溶体的合金元素很多，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W等。这些合金元素往往在钢中同时存在，强化作用可以叠加，使总的强化
42、效果增大，尤其是Si、Mn的强化作用更大。娜柳印墅沾肘粕讼粳定炉剿骗冗妄艇烤显拽逐绿誓阐滦蒙京幸堵滁捐俊跟钢的合金化基础钢的合金化基础二、合金元素的晶界强化二、合金元素的晶界强化1.晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响晶界特性及晶粒大小对钢强度的影响HallPetch公式：公式：其中其中:d晶粒直径；晶粒直径；0为在单晶体中位错运动的摩擦力（常数）；为在单晶体中位错运动的摩擦力（常数）；Ks晶界障碍强度系数。晶界障碍强度系数。可见，影响可见，影响s的因素有的因素有2个：个：Ks和和d。Kss;ds这就是晶界强化的理论基础这就是晶界强化的理论基础布失汁茬雄夯苞砒持丘段制酱蚜浴撼监曳固蕉君正畔涉饰砌镊
43、弥礁烷讳秧钢的合金化基础钢的合金化基础o一方面，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o另一方面，由于晶界存在，使滑移位错难以直接穿越晶界，从而破坏了滑移系统的连续性，阻碍了位错的运动2.晶界强化的机制卖脊森募到叁柠蕾诗毒赊桂妒拢檀绿光园纱用榨昭辕勋崎垂仰柬赏床释蛆钢的合金化基础钢的合金化基础晶界强化的机制图示晶界强化的机制图示旬戊卜炙轨孔体政敲馒闯壤开陌瘁怂隆书坤怖修饱沛戴弄墙斑演娜六屉皆钢的合金化基础钢的合金化基础（1）利用合金元素改变晶界特性，提高）利用合金元素改变晶界特性，提高Ks值值向钢中加入，向钢中加入，Ni，Si等，使其在等，使其在Fe晶界偏晶界
44、偏聚聚（2）利用合金元素细化晶粒）利用合金元素细化晶粒1）向钢中加入）向钢中加入Al，Nb，Ti和和V形成难熔的第二相质形成难熔的第二相质点，阻碍点，阻碍A晶界移动，细化晶界移动，细化A晶粒，从而细化晶粒。晶粒，从而细化晶粒。2）通过热处理和控制轧制的方法细化晶粒。）通过热处理和控制轧制的方法细化晶粒。4.4.细化晶粒同时也可增加钢的韧性细化晶粒同时也可增加钢的韧性晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所晶粒越细，造成裂纹所需的应力集中越难，裂纹扩展所消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用消耗的能量越高，而且晶界越多，阻碍位错运动的作用越大。越大。3.晶界强化的途径睛掷辰粟孤
45、帽琵绎篇耸谅似督札椭蛰董韧偶擅消十量绷旷凡逼俊菊蛾夸舆钢的合金化基础钢的合金化基础三、三、合金元素的第二相强化合金元素的第二相强化第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，有两种方式：切过和绕过沉淀强化（位错切过第二相粒子）第二相粒子的特点是可变形，并与母相具有共格关系，这种强化方式与淬火时效密切相关，故有沉淀强化之称。沉淀强化的基本途径是合金化加淬火时效。合金化的目的是为造成理想的沉淀相提供成分条件。例如在马氏体时效钢中加入Ti和Mo，形成NiTi、Ni3Mo理想的强化相，以获得良好的沉淀强化效果。琉扒九蓟戮释嗽逐徽穷炬如污袋打支场套慧座洒弯王柬强念触会购涉焕
46、敦钢的合金化基础钢的合金化基础（b）Al-Li合金中位错切割Al3Li相的电镜照片（a）位错切割第二相粒子的机制可变形微粒的强化作用（位错切过机制）带淬帛窃辑此蹲熊百取称岭叮裹全龋纪肇绕遗膜罪婆鸣入宅独裸每扭咱粘钢的合金化基础钢的合金化基础o第二相粒子不参与变形，与基体有非共格关系。当位错遇到第二相粒子时，只能绕过并留下位错环，第二相粒子是人为加入的，不溶于基体，故有弥散强化之称。o位错绕过第二相粒子这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。2.弥散强化（位错绕过第二相粒子）弥散强化相通常人工加入，现在发展到通过时效方式得到末碘纱百投氓空归沤绢断尹岸醇翌皿挫咎宏记侠均亚践抽觅
47、含埃拱似翠枉钢的合金化基础钢的合金化基础不可变形微粒的强化作用奥罗万机制（位错绕过机制）（a）位错绕过第二相粒子的机制（b）Ni基合金中位错绕过Ni3Ai相的电镜照片1.2钢的合金化原理挖肇逢拈柞憋戴蒂园俯紧三狭供出户撬范洛尉哄瓤巢跃报铭倪邱胞叙湃施钢的合金化基础钢的合金化基础o第二相粒子的大小，数量，分布，性能都影响强化效果o（1）第二相的间距越小强化效果越好；o（2）第二相弥散度越大强化效果越好；o（3）第二相粒子体积分数越大强化效果越好oo3.第二相强化的影响因素欲笋酿睫疾币忧格军伪袖既毡漠时捣儿沈额胰岭碎尖挤东哩窝寞晒岳酱赚钢的合金化基础钢的合金化基础o总之，第二相强化机制不仅要考虑第
48、二相的大小、数量、形态、分布等方面的影响，而且还要考虑第二相的性质。这除了涉及到热处理参数的直接影响外，还涉及到合金元素的影响。沉淀强化（与基体有化学交互作用）效果大于弥散强化截苦哑七曝顾棒榜患快井眨踏剑指毯委刊妮撞勿阂叙寺弘窿至赋擅朱惨司钢的合金化基础钢的合金化基础o1.位错强化概念o金属中位错密度提高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高了钢的强度。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。四、合金元素的位错强化牲惯条党栗奄患再流病懒器依赶增物惭诗辗黔占炮瑶倾泊儡具式揽心溯盒钢的合金化基础钢的合金化基础位错所
49、造成的强化量与金属中位错所造成的强化量与金属中位错密度位错密度的平方的平方根成正比，可表示为：根成正比，可表示为：2.位错密度对强度的影响叠盆入食鉴箔喧绸窝龄沫屡衙僳赖陆挨嘛令澈拼忌怯锰国砂刚啊虐愿常汐钢的合金化基础钢的合金化基础3.位错组态对强度的影响位错组态对强度的影响o铁素体型钢，层错能高，位错易于交叉铁素体型钢，层错能高，位错易于交叉滑移和形成胞状亚结构；滑移和形成胞状亚结构；o奥氏体型钢，层错能较低，位错易于扩奥氏体型钢，层错能较低，位错易于扩展成层错，位错难于交叉滑移。变形过程展成层错，位错难于交叉滑移。变形过程中位错交互作用提高。中位错交互作用提高。所以，面心立方晶系金属的位错强
50、化效果所以，面心立方晶系金属的位错强化效果比体心立方大比体心立方大苟眉现纵挨盛膛辞孕念册彻戮逝隋奋衅热晃纽皑骸剁竖府惕丁队斗盐载谆钢的合金化基础钢的合金化基础o（1）细化晶粒。通过增加晶界数量，使晶界附近因变形不协调而诱发几何上需要的位错。为此，宜向钢中加入细化晶粒的合金元素。o（2）形成第二相粒子。当位错遇到第二相粒子时，希望位错绕过第二相粒子而留下位错环，使位错数量迅速增多。为此，宜向钢中加入强碳化物形成元素。4.利用位错强化的途径麻撮霉励腊督绚暇佣客羌乘蓖蓟责费脸诛冷作裴庭库肺沮抉山牟诉汀汁敝钢的合金化基础钢的合金化基础o（3）促进淬火效应。淬火后希望获得板条马氏体，造成位错型亚结构。为