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1、第一章钢的合金化原理主要内容钢中的合金元素合金钢中的相组成（重点）合金元素对相变的影响（重点）合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响§1.1钢中的合金元素一.几个概念1.合金元素特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。（常用M来表示）如：B,C,N;Al,Si,P,S;Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Cu;Y,Zr,Nb,Mo;W,Ta,La系。2.杂质元素由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。注意:同一元素既可能作为合金元
2、素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。如：当H，S，P等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：H—储氢合金；S—易切削钢；P—耐磨钢。3.合金钢在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。M<5％时，称为低合金钢；M5~10％，称为中合金钢；M>10％,称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。4.微合金元素与微合金化钢微合金元素有些合金元素如V，Nb，Ti,Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B
3、0.001%，V0.2%）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金钢加入了微合金元素,使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。二.M分类及Fe-M的类型1.合金元素M的分类铁族金属——Co,Ni,Mn。难熔金属——W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属——Ti,Al,Mg,Li稀土金属——La，Ce和Nd等贵金属元素——Au,Ag按M与C的亲和力的大小分为：碳化物形成元素：Ti,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,Mn非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,Al2.F
4、e-M二元相图的类型同素异型转变A3（910℃）A4（1390℃）α-Fe←----→γ–Fe←----→δ-Fe奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb,Ti等。按照M对Fe-M影响:扩大γ相区使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素缩小γ相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素扩大γ相区分为两类：1）开启γ相区Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶.Fe-Ni合金开启
5、γ相区示意图2）扩大γ相区有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。扩大γ相区示意图Fe-C相图缩小γ相区：也分为两类:1）封闭γ相区使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb。封闭γ相区示意图2）缩小γ相区：Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等。3.生产中的意义可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。合金元素对相图的影响，可以
6、预测合金钢的组织与性能。三.M对Fe-C相图的影响1.改变了奥氏体区的位置锰含量及钼含量对铁碳相图奥氏体区的影响2.改变了共晶温度扩大γ相区的元素使A1，A3下降；缩小γ相区的元素使A1，A3升高。当Mo>8.2%,W>12%,Ti>1.0%,V>4.5%,Si>8.5%，γ相区消失。3.改变了共析含碳量所有合金元素均使S点左移。提问：对组织与性能有何影响呢？四.M与钢中晶体缺陷的相互作用晶界内吸附1.概念合金元素或杂质元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过在
7、基体中的平均浓度，这种现象称晶界内吸附。如B,Zr,Ti,Nb,Mo,P,Sb,Re,C,N等。2.对组织与性能影响很大回火脆性：当P，As，Sn，Bi，Sb在晶界发生偏聚时----晶界脆性；淬透性：钢中加微量B时，大大提高钢的淬透性；晶界强化：耐热钢中加入B，Zr等，提高晶界强度；晶界迁移与晶界扩散晶间腐蚀优先成核：相变时晶体缺陷处优先成核。3.为什么会产生晶界内吸附？晶界层内原子排列比较稀疏，溶质原子处在晶界层产生的畸变能比处在晶内产生的畸变能要小得多，这种畸变能之差产生晶界内吸附；溶质原子与
8、晶界和晶内的静电交互作用。Cg----溶质原子在缺陷处吸附浓度Co----溶质原子在钢中的平均浓度，Q----单位溶质原子在未畸变区和进入缺陷区引起的畸变能之差，单位为cal/g当Q升高时，Cg/Co提高，说明内吸附严重；当T升高时，Cg-→Co，内吸附降低；T降低时，内吸附提高。溶质原子晶界内吸附的近似关系式：五.合金钢的分类与编号1.钢的分类按用途分类工程结构钢机械制造结构钢工具钢（刃具钢、模具钢、量具钢）特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超强钢）按金相组织分类1）按平衡状态
