金属材料学--钢铁材料的合金化原

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1、金属材料学四、钢铁材料的合金化原理-合金元素在钢中的存在方式合金化的作用纯金属中只能采用位错强化和晶粒细化强化，且强化效果受到一定限制金属结构材料广泛采用合金化，合金化后增加了固溶强化和第二相强化方式，同时使强化技术与工艺丰富多彩传统认为合金化主要作用是提高钢材淬透性，但实际合金化的作用已远不止这一作用Fe-C合金钢铁材料实质上是Fe-C合金Fe-C合金发现的偶然性C的间隙固溶强化的经济有效性C形成各种碳化物（最典型的是Fe3C）C的加入使铁的固态相变复杂多变，由此导致钢的性能变化范围大幅度扩大热处理技术的发展成分与相合金元素加入后，使钢的基体化学成分发生变化，同

2、时还会产生新相具有在一定程度内变化的化学成分、具有不同的晶体结构因而不同性能和性质、用相界面与其他相分隔的部分物质被称为相成分分析，元素与含量相分析，晶体结构（衍射晶面间距）与量（衍射强度）和尺寸组织分析，形貌（成分与相相同时有可能形貌不同，如珠光体、索氏体、托氏体）钢中基础相α-铁，室温稳定，体心立方点阵，点阵产生0.286645±1nm，由此计算出的最小原子间距为0.248240nm，配位数为12时的原子直径为0.25715nm，理论摩尔体积为0.709165×10-5m3/mol，理论密度为7.875Mg/m3，通常采用的实际测定密度7.870Mg/m3，室

3、温线胀系数11.8×10-6/K。合金化后称为铁素体钢中基础相γ-铁,912—1394℃稳定,面心立方点阵,912℃点阵常数0.36468nm,计算最小原子间距（即配位数12时原子直径）0.25787nm，理论摩尔体积0.730163×10-5m3/mol，理论密度7.649Mg/m3，实测密度为7.694Mg/m3。α→γ相变时体积变化约-0.66%。室温下γ铁点阵常数0.35782nm，计算最小原子间距（即配位数12时原子直径）0.25302nm,理论摩尔体积0.689728×10-5m3/mol，理论密度为8.097Mg/m3。合金化后称为奥氏体合金元素在钢

4、中的存在方式固溶于铁基体，使其热力学行为和相变行为发生明显改变，产生固溶强化形成第二相，各种类型的第二相将产生显著不同的作用仅固溶的元素：周期表铁右边如Co、Ni、Si；但金属性较强元素会形成单质第二相如Cu；非金属性较强元素与金属形成化合物如C、N、O、S、P大多数合金元素即可固溶也可形成第二相钢中第二相种类碳化物氮化物硼化物金属间化合物非金属化合物（夹杂物）单质如铜、石墨固溶合金元素对相图的影响1扩大γ相区的奥氏体形成元素（使Α3温度降低，Α4温度升高）：－开启γ相区：主要有锰、钴和镍三种元素－扩大γ相区：主要有碳、氮、铜、金、锌等元素开启γ相区相图温度Feγ

5、αA4A3δ锰对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响15001400130012001100100090080070060000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0温度，℃碳含量，%0.35Mn2.5Mn4Mn9Mn6.5Mn开启γ相区相图的特点合金元素在γ-Fe中可以无限固溶，因而使γ相区存在的温度范围显著变宽，使δ和α相区明显缩小，当固溶度较大时甚至在室温温度也仍可使钢保持为单相奥氏体。奥氏体形成元素如镍，本身就具有面心立方点阵；而锰和钴的多型性固态相变晶型中，在一定温度范围内存在着面心立方点阵。钴的特殊性，它开启γ相区，但却使Α3温度略微升

6、高，这使钴产生了一些反常的行为（如降低钢的淬透性）。扩大γ相区相图温度FeγαδA4A3A1扩大γ相区相图的特点合金元素在γ-Fe中有限固溶，当合金元素含量超过溶解度限时，则将出现石墨、ε-铜等单质相或Fe3C、Fe4N等化合物相。低于Α3温度的A1温度出现共析相变：γ→α＋第二相，该温度下合金元素在γ-Fe中的固溶度大于在α-Fe中的固溶度γ相区的右端点一般连接一共晶相变固溶合金元素对相图的影响2缩小γ相区的铁素体形成元素（使Α3温度升高、Α4温度降低）：－封闭γ相区：形成γ相圈，主要有钒、铬、钛、钼、钨、铝、硅、磷、锡、锑、砷等，其中钒和铬在α-Fe中无限固溶

7、－缩小γ相区：出现了金属间化合物，破坏了γ圈的完整性，使得α-Fe相区与δ-Fe相区被分割开，主要有硼、锆、铌、钽、硫、铈封闭γ相区相图温度FeγαA4A3封闭与开启γ相区相图的对称性温度γαA4A3ΔH<0温度γαA4A3ΔH>0钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响15001400130012001100100090080070060000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0温度，℃碳含量，%7Mo4Mo2Mo0Mo铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响15001400130012001100100090080070060000.20.40.

8、60.81