钢的合金化原理介绍

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1、第一章钢的合金化原理一、钢中的合金元素合金钢是在碳钢的基础上，为了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程中加入某些元素而得到的多元合金。合金钢----为了保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能，在化学成分上特别添加合金元素的铁基合金。常用的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、锆（Zr）、钴（Co）、铝（Al）、硼（B）及稀土（RE）元素等。常见的杂质元素：Si,Mn,S,P但是如果人为加入并可改善钢的性能，这些杂质元素也为合金元素。二、合金元素在

2、钢中的存在形式1．形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体（Hume-Rothery定律）①Ni、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γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。（2）形成铁基间隙固溶体（Hägg定则）①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体

3、或四面体间隙。③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、N、O、H的顺序而增加。2．形成合金渗碳体（与氮化物）（1）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe（3）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族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构

4、，如TiC、VC、TiN、TaC等；Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等。3．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、电子化合物及间隙化合物三类。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重要的金属间化合物是：σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、μ(Co7Mo6)、P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(

5、Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。4．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：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3、MnS、FeS、2MnO·SiO2、CaO·SiO2等。非金属夹杂物一般都是有害的。（2）AlN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。（3）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缺乏较详细的实验和理论依据。1．

6、合金元素与铁的相互作用（1）γ相稳定化元素γ相稳定化元素使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①开启γ相区(无限扩大γ相区)这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的α相从相图上消失，γ相保持到室温（即A1点降低），故而由γ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。三、合金元素与铁和碳的相互作用扩大γ相区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-Ni相图(b)镀镍硬币开模低碳钢芯上摸下模

7、电镀（滚镀）均匀化退火抛光钝化压花金属镍层和内部的铁芯之间形成一个镍－铁固溶带（或称扩散层）。②扩展γ相区(有限扩大γ相区)虽然γ相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使γ相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。γ相区借助C及N而扩展，当C含量在0~2.11%（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。扩大γ相区并与γ-Fe有限互溶的Fe-Me相图(a)及Fe-C相图(b)（2）α相

8、稳定化元素合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：①封闭γ相区(无限扩大α相区)当合金元素达到某一含量