第2章 钢的合金化基础Word文件下载.docx
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2.1.1.5按金相组织分类
根据平衡态或退火态组织，分为亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。
按正火态组织，可有珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢。
低碳钢中：
铁素体珠光体钢、针状铁素体钢、贝氏体钢、少珠光体钢、无珠光体钢、无间隙原子钢（IF钢），高合金钢中：
铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢、双相钢。
2.1.1.6按用途分类
根据用途不同可以把钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类或者细分为：
非合金结构钢、优质非合金结构钢、低合金高强度钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、非合金工具钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢和电工用硅钢十二大类。
为了满足专门用途的需要，由上述钢类又派生出一些专门用途的钢，简成为专门钢。
它们包括：
焊接用钢、钢轨钢、铆螺钢、锚链钢、地质钻探管用钢、船用钢、汽车大梁用钢、矿用钢、压力容器用钢、桥梁用钢、锅炉用钢、焊接气瓶用钢、车辆车轴用钢、机车车辆用钢、耐候钢和管线钢等。
2.1.2钢的编号
钢的牌号应反映其主要成分和用途。
我国合金钢是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的，比较简单明了。
我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。
采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。
在牌号首部用数字标明钢的碳含量。
为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳含量（与碳钢编号一样），而工具钢的碳含量超过1%时，碳含量不标出。
在表明碳含量的数字之后，用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后的数字标明，平均含量少于1.5%时不标数，平均含量为1.5-2.49%、2.5-3.49%...时，相应地标以2、3……。
根据以上编号方法，40Cr钢为结构钢，平均碳含量为0.40%；
主要合金元素为Cr，其含量在1.5%以下。
5CrMnMo钢，为工具钢，平均碳含量为0.5%；
含有Cr、Mn、Mo三种主要合金元素，含量皆在1.5%以下。
CrWMn钢，亦为工具钢，平均碳含量大于1.0%，含有Cr、W、Mo合金元素，含量都少于1.5%。
专用钢其用途的汉语拼音字首来表明。
例如，滚珠轴承钢在钢号前标以“G”字。
GCr15表示碳含量约1.0%、铬含量约为1.5%（铬含量以千分之一为单位的数字表示！
）的滚珠轴承钢。
Y40Mn表示碳含量约0.40%、锰含量少于1.5%的易切削钢，等等。
对于高级优质钢，则在钢号的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。
要比较精确地确定钢的种类、成分及大致用途，除了解需要熟悉钢的编号方法外，还要对各类钢的碳含量及所含合金元素的特点有所了解。
另外，少数特殊用途钢的编号方法有例外，例如，属于特殊性能钢的耐热钢12Cr1MoV，其编号方法就与结构钢相同，但这种情况很少。
2.1.3钢中的杂质元素
钢铁是由矿石进过冶炼而成，难免会含有一些杂质元素。
一般有三种情况。
①常存杂质。
由冶炼工艺所残余，如Mn、Si、Al是由脱氧剂带入。
由铝脱氧产生了镇静钢，用Mn、Si脱氧的为沸腾钢。
还有S、P难以彻底去除。
这些作为杂质元素时，一般质量含量限制在：
Mn，0.3%~0.7%；
Si，0.2%~0.4%；
Al，0.01%~0.02%；
P，0.01%~0.05%；
S，0.01%~0.04%。
②隐存杂质。
钢中极其微量的O、H、N，在钢中有一定的溶解度，难以测量。
③偶存杂质。
这与炼钢过程中所使用的矿石和废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等。
杂质元素的存在，往往会影响钢的性能，所以在冶金质量中都规定了其最高允许量。
最典型的元素是S、P、H。
S容易和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，会使钢产生热脆性；
P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工过程中产生冷脆性；
H也可能留在钢中，形成所谓的白点，可导致钢的氢脆。
钢的生产原料中含有且在冶炼过程中不能完全脱除的元素（有害元素及有益元素）以及冶炼过程中为了脱氧等目的而加入钢中且保留下来的元素也称为常存元素，如Si、Mn、S、P、Al、Cu、N、H、O等。
2.1.4钢中的合金元素
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。
钢中常存元素中若其主要目的为提高钢材的某种性能且加入量超过一定限度也将成为合金元素。
2.1.4.1常用的合金元素
在钢中常加入的合金元素有：
■第二周期：
B、C、N；
■第三周期：
Al、Si；
■第四周期：
Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu；
■第五周期：
Zr、Nb、Mo；
■第六周期：
W；
■第七周期：
稀土元素。
S、P等元素通常作为有害元素看待但有时也可用作合金元素（如在易切削钢中S被用来改善切削性能）。
2.1.4.2合金元素在钢中的分布
这些元素加入钢中之后究竟以什么状态存在呢？
一般说来，它们或是溶于钢中原有的相（铁素体、奥氏体、渗碳体等）中，或是形成新相。
概括来讲，它们有如下四种存在形式：
（1）溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。
（2）形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物等。
（3）形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。
（4）有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在，碳钢中碳有时也以自由状态（石墨）存在。
合金元素究竟以哪种形式存在，主要决定于合金元素的种类、含量、冶炼方法及热处理工艺等；
此外还取决于合金元素本身的特性。
合金元素的特性首先表现在与钢中的两个主要元素铁和碳的相互作用上，其次还表现在对奥氏体层错能的影响上，因此一般常将钢中的合金元素按下述方法分类。
2.1.4.3合金元素的分类
⑴按照与铁相互作用的特点分类
①奥氏体形成元素，如C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；
②铁素体形成元素，如Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等；
一般情况下，奥氏体形成元素易于优先分布在奥氏体中，铁素体形成元素易于优先分布在铁素体中。
而合金元素的实际分布状态还与加入量和热处理条件有关。
⑵按照与碳相互作用的特点分类
①非碳化物形成元素，如Ni、Cu、Si、Al、P等；
②碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Ti、Zr、Nb等；
虽然非碳化物形成元素易溶入铁素体或奥氏体中，而碳化物形成元素易存在于碳化物中，但当加入数量较少时，碳化物形成元素也可溶入固溶体或渗碳体，当加入数量较多时，可形成特殊碳化物。
⑶按照对奥氏体层错能的影响分类
①提高奥氏体层错能的元素，如Ni、Cu、C等；
②降低奥氏体层错能的元素，如Mn、Cr、Ru、Ir等。
实际上，每种分类方法都是从不同的侧面反映了合金元素的特性。
以上三种分类方法很好地揭示了钢中合金元素三个方面的基本特性，对深入了解合金元素在钢中的基本作用有一定的指导意义。
2.2合金元素与铁的相互作用
合金元素对Fe的同素异构转变有很大的影响，这一影响主要通过合金元素在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。
而这两者又取决于合金元素与铁所构成的二元合金状态图。
为此可以将合金元素分为扩大γ相区和缩小γ相区两大类型，这两类中又可以进一步划分为两个次类。
1、无限扩大γ区型（见图2.1）
合金元素使γ区扩展，与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。
它们均使A3（912℃）点降低，A4（1394℃）点升高。
这类元素有Mn、Ni、Co等。
2、有限扩大γ区型（见图2.2）
合金元素使A3（912℃）点降低，A4（1394℃）点升高，与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，这类元素有C、N、Cu、Zn、Au等。
3、封闭γ区，无限扩大α区型（见图2.3）
合金元素使A3点上升，A4点下降，以至达到某一含量时，A3点与A4点重合，γ区被封闭，超过此含量，合金不再有α→←γ相变，与α-Fe形成无限固溶体。
这类合金元素有：
Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。
但应指出，含Cr量小于7%时，A3点下降；
含Cr量大于7%时，A3点才上升。
4、缩小γ区，但不使γ区封闭型（见图2.4）
合金元素使A3点上升，A4点下降，使γ区缩小但不封闭。
这类元素有B、Nb、Ta、Zr等。
应当指出的是，在上述各种铁基二元合金中，合金元素除溶于γ-Fe或α-Fe以外，当元素含量高时，还可能形成金属间化合物。
例如在Fe-Cr、Fe-V、Fe-Mo等体系中，当条件合适时，可能产生分子式分别相当于FeCr、FeV、FeMo等的金属间化合物，一般称之为σ相。
此问题在特殊钢中将会遇到。
图2.1扩大γ区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me状态图
图2.2扩大γ区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me状态图
综上所述，可将合金元素分为两大类：
将扩大γ相区的元素称为奥氏体形成元素；
将缩小或封闭γ相区的元素称为铁素体形成元素。
显然，这种分类法对生产实践有重要的指导意义，这在以后讲的不锈钢中将会遇到。
为保证钢具有良好的耐蚀性，需要在室温下获得单相组织，就可以运用上述合金元素与铁相互作用的规律，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，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；
欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。
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有所抵消。
但也有例外，例如Cr是铁素体形成元素，在Cr18%与Ni同时加入时却促进了奥氏体的形成。
图2.3封闭γ区并与α-Fe图2.4缩小γ区的Fe-Me状态图
无限互溶的Fe-Me状态图
2.3合金钢中的相组成
通常，合金元素加入钢中个别元素如Pb、Be以及Cu含量超过其溶解度以后，将以自由状态存在钢中以外，一般都要在钢中形成各种相。
这些相可能是固溶体和中间相（如碳化物、氮化物和金属间化合物等）也可能是非金属相——非金属夹杂物。
一般来说，非金属夹杂物，并不参与钢中的组织转变，因而对组织转变影响不大，但在相当程度上影响钢的机械性能和物理、化学性能。
钢的组织与性能主要取决于相的成分和结构以及它们在组织中的分布和本身之间的交互作用。
下面讨论合金钢中相组成的形成规律及其特性。
2.3.1置换固溶体
铁基置换固溶体的形成规律，遵循Hume-Rothery所总结的一般规律。
决定组元在置换固溶体中的溶解条件是：
溶剂与溶质的点阵结构、原子尺寸因素和电子结构。
也就是组元在元素周期表中的相对位置。
一般情况下铁有两种同素异构的晶体，即α-Fe和γ-Fe。
很显然，合金元素在α-Fe和γ-Fe中的固溶情况是不同的。
表2.1列出常用合金元素在铁中的溶解度。
表2.2列出常用第四周期合金元素的点阵结构、原子尺寸因素和电子结构。
根据表2.1和表2.2可知，Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子尺寸因素和电子结构相似，形成无限固溶体；
而Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子尺寸和电子结构相似，形成无限固溶体。
如果溶剂与溶质的点阵结构不同，则不能形成无限固溶体。
对无限固溶体来说，符合溶剂与溶质的点阵结构相同的第一个必要条件是必要的，但不是充分的。
并不是所有点阵结构相同的元素，都能形成无限固溶体。
如Cu和γ-Fe虽然点阵结构相同、原子半径也相近，但是电子因素差别大，所以也只能是有限固溶。
原子半径对溶解度的影响是比较大的，一般规律为：
△R≤±
15％，形成有限固溶体；
△R≥±
15％，溶解度极小。
如Zr的△R为26％，所以溶解度≤1％。
表2.1常用合金元素在铁中的溶解度
元素
溶解度/％
α-Fe
γ-Fe
Ni
Mn
Co
C
N
Cu
Cr
V
10
约3
76
0.02
0.095
1（700℃）
无限
2.06
2.8
8.5
12.8
约1.4
Mo
W
Al
Si
Ti
Nb
Zr
B
约4（室温）
4.5（700℃）
36
18.5
2.5（600℃）
1.8
约0.3
约0.008
3.2
1.1
约2
0.68
2.0
0.7
0.018~0.026
表2.2常用第四周期合金元素的电阵结构、原则尺寸因素和电子结构
合金元素
Fe
点阵结构
bcc
bcc/fcc
fcc/hcp
fcc
电子结构
2
3
5
6
7
8
原子半径/nm
0.145
0.136
0.128
0.131
0.127
0.126
0.124
△R/%
14.2
7.1
0.8
3.1
2.4
注：
原子半径是配位数12的值；
△R是合金元素和Fe的原则半径相对差值；
电子结构是3d层电子数。
2.3.2间隙固溶体
铁的间隙固溶体是较小原子尺寸的元素存在与Fe晶体的间隙位置所组成的固溶体。
铁基间隙固溶体的形成有以下几个特点。
间隙固溶体总是有限固溶体，其溶解度取决于溶剂金属的晶体结构和间隙元素的原子尺寸。
间隙固溶体的有限溶解度决定了它保持了溶剂的点阵结构，而间隙原子仅仅占据了溶剂点阵的八面体或四面体间隙。
而且总是有部分间隙没有被填满。
对Fe的bcc、fcc、和hcp晶体结构，其八面体间隙能容纳的最大球径分别为0.154rm、0.41rm、0.412rm，四面体间隙能容纳的最大球半径分别为0.291rm、0.22rm、0.222rm。
间隙原子在固溶体中总是优先占据有利的位置。
对α-Fe是八面体间隙，对γ-Fe是四面体或八面体间隙。
C、N原子在α-Fe中并不占据比较大的四面体间隙，而是位于八面体间隙中更为合适。
这是因为原子进入间隙位置后使相邻两个铁原子移动引起的畸变比较小。
对四面体间隙来说，有四个相邻铁原子，移动四个相邻铁原子则产生更高的应变能。
所以，四面体间隙对于C、N原子来说，并不是最有利的位置。
间隙原子的溶解度随溶质原子的尺寸的减小而增大。
显然，N元素的溶解度要比C元素大。
因为γ-Fe的晶体间隙大于α-Fe晶体，所以C、N原子在γ-Fe中的溶解度要显著高于α-Fe。
2.3.3碳化物和氮化物
2.3.3.1钢中常见的碳化物
碳化物是钢中的重要组成相之一。
碳化物的类型、大小、形状和分布对材料的性能有极其重要的影响。
碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小，即主要取决于其d层电子数，d层电子愈少，则金属元素与碳的结合强度愈大，在钢中的稳定性也愈大。
应该指出，碳化物在钢中的稳定性并不单纯由d层电子数来决定的，生成碳化物时的热效应也会影响碳化物的稳定性。
一般来说，碳化物的生成热愈大，所生成的碳化物也愈稳定。
碳化物具有高硬度、脆性的特点。
从高硬度看，碳化物具有共价键；
但是碳化物具有正的电阻温度系数，说明碳化物具有金属的特性，保持着金属键。
所以一般认为碳化物具有混合键，且金属键占优势。
根据合金元素和碳的作用可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。
按照碳化物形成能力由强到弱排列，常用的碳化物形成元素有Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。
它们都是过渡族元素。
过渡族元素可依其与碳的结合强度的大小分类。
钛（Ti）、锆（Zr）、铌（Nb）、钒（V）是强碳化物形成元素；
钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）是中等强度碳化物形成元素；
锰（Mn）和铁属于弱碳化物形成元素。
钢中常见的碳化物主要有如下几种。
M3C型：
如Fe3C、Mn3C，通常也称为渗碳体。
正交点阵结构，单位晶胞中有12个Fe（Mn）原子，4个C原子。
M7C3型：
如Cr7C3.复杂六方点阵结构，单位晶胞中有56个金属元素（M）原子，24个C原子。
可以形成复合碳化物，即（Cr，Fe、Mo，…）7C3。
M23C6型：
如Cr23C6，常出现在含Cr量较高的钢中。
复杂立方点阵结构，单位晶胞中有92个M原子，24个C原子。
一般情况下，单元的碳化物比较少，部分Cr原子可由Mn、Fe等原子替代而形成复合碳化物。
M2C型：
如Mo2C、W2C。
密排六方点阵结构，单位晶胞中有6个M原子，3个C原子。
MC型：
如VC、TiC、NbC，为简单面心点阵结构；
而MoC、WC是简单六方点阵结构。
一般情况下往往有空位，所以其一般式为MCx，x≤1，例如V4C3，x＝0.75。
M6C型：
如Fe3W3C、Fe3Mo3C、Fe4W2C等，它不是金属型的碳化物。
复杂立方点阵结构，单位晶胞中有96个M原子，16个C原子。
这类碳化物常在含W、Mo、合金元素的合金钢中出现，其一般式为（W，Mo，Fe）6C。
根据以上碳化物结构类型，可分为两大类型：
简单点阵结构和复杂点阵结构。
属于简单点阵结构的有M2C型，MC型，其特点是硬度高、熔点较高、稳定性好。
复杂点阵结构有M23C6型，M7C3型，M3C型，相对于简单结构的碳化物来说，其特点是硬度较低、熔点较低、稳定性较差。
值得指出的是M6C型碳化物，M6C型碳化物是复杂点阵结构，但是从性能上接近简单点阵结构，稳定性要比M23C6型，M7C3型好。
钢中常见碳化物的结构与性能见表2.3。
2.3.3.2碳化物形成的一般规律
⑴碳化物类型的形成形成什么样的碳化物和合金元素的原子半径有关。
常用合金元素原子半径和碳原子半径的比值rC/rM见表2.3其碳化物类型的形成规律如下：
当rC/rM＞0.59时，形成复杂点阵结构。
Cr、Mn、Fe是属于这一类的元素，它们形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的碳化物。
当rC/rM＜0.59时，形成简单点阵结构，又称为间隙相。
金属原子一般形成具有配位数12的六方晶系或立方晶系，碳原子在金属原子所形成的晶体点阵中没有固定的位置，它们填充于晶体点阵的间隙中。
属于这类型的元素有Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等，它们形成的碳化物有VC、TiC、NbC等MC型，Mo2C、W2C等M2C型。
表2.3钢中常见碳化物的结构与性能
碳化物
原子半径比rC/rM
点阵类型
单位晶胞，原子数
熔点/℃
溶解温度/℃
显微硬度（50g）
含有此类碳化物的钢种
Fe3C
0.61
正交晶系
12M+4C
1650
≥Ac1
900~1500
碳钢
（Fe,M）3C
低合金钢
Mn3C
0.60
1520
Cr7C3
复杂六方
56M+24C
1665
≥950
2100
少数高合金钢
Cr23C6
92M+24C
1550（分解）
不锈钢等
Fe3W3C
复杂立方
96M+16C
1150~1300
1200~1300
高合金工具钢，如高速钢，Cr12MoV，3Cr2W8V等
Fe3Mo3C
Mo2C
0.56
密排六方
2M+1C
2700
回火时析出，大于650℃转变为M6C
1600
W2C
0.55
2750
3000
MoC
简单六方
1M+1C
高温回火时析出
含W或Mo的钢可能存在
WC
2600（分解）
1730
VC
0.57
面心立方
4M+4C
2830
≥1100
含≥0.3％V钢
TiC
0.53
3200
在钢的一般加热过程中几乎不溶解
几乎所有含Ti、Nb、Zr的钢
NbC
3500
2055
ZrC
0.48
3550
当合金元素量比较少时，溶解于其他碳化物，形成复合碳化物，即多元合金碳化物。
如Mo、W、Cr含量少时，形成合金渗碳体（Fe，M）3C；
含量多时就形成了自己的特殊碳化物M23C6型、M2C型等。
Mn只能形成（Fe，M）3C或Mn3C。
除Mn元素外，在钢中随着合金元素含量的增加，都能形成特殊碳化物。
⑵相似者相溶碳化物也和固溶体一样，有些碳化物之间是可以互相溶解的。
分两种情况：
完全互溶和部分溶解。
如果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，则两者的碳化物可以完全互溶，否则就是有限溶解。
例如Fe3C和Mn3C，可以完全互溶
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