1.钢铁中的合金元素.doc

Chapter 1 钢铁中的合金元素几个基本概念合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素碳钢：含碳量在 0.0218-2.11%范围内的铁碳合金合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢 低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于 5%的钢 中合金钢：一般指合金元素总含量在 5～10%范围内的钢 高合金钢：一般指合金元素总含量超过 10%的钢 微合金钢：合金元素(如 V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于 0.1%，而能显著影响组织和性能的钢 1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质（1）1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）：炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的 Mn：在碳钢中的含量一般小于 0.8%可固溶，也可形成高熔点 MnS（1600℃）夹杂物 MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布 Si：在钢中的含量通常小于 0.5%可固溶，也可形成 SiO2 夹杂物 Mn 和 Si 是有益杂质，但夹杂物 MnS、SiO2 将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫（S）和磷（P ）S：在固态铁中的溶解度极小， S 和 Fe 能形成 FeS，并易于形成低熔点共晶发生热脆 (裂) P：可固溶于 α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能 S 和 P 是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能 3．氮（N） 、氢（H） 、氧（O）N：在 α-铁中可溶解，含过饱和 N 的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化 H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆 O：在钢中形成硅酸盐 2MnO•SiO2、MnO•SiO2 或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3N、H、O 是有害杂质二、碳钢的分类（1）1．按钢中的碳含量（1）按 Fe-Fe3C 相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc ≤ 0.77% 共析钢：wc =0.77% 过共析钢：0.77% ＜wc≤2.11%（2）按钢中碳含量的多少分类 低碳钢： wc ≤0.25% 中碳钢： 0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢： wc＞0.6%2．按钢的质量（品质） ，碳钢可分为 （1）普通碳素钢：wS≤0.05% ，wP≤0.045% （2）优质碳素钢：wS≤0.035% ，wP≤0.035% （3）高级优质碳素钢：wS≤0.02% ，wP≤0.03% （4）特级优质碳素钢：wS≤0.015% ，wP ≤0.025% 。

3．按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等也可用于不太重要的机件 （2）优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等 （3）碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等 （4）一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢：指脱氧不彻底的钢，代号为 F （2）镇静钢：指脱氧彻底的钢，代号为 Z （3）半镇静钢：指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为 b （4）特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为 TZ 三、碳钢的用途（1）1-普通碳素结构钢 （1）主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等） ，可供焊接、铆接、栓接等结构件使用应用量很大（钢总产量的 70%以上） （2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态用户一般不需要再进行热处理而是直接使用wC =0.06%~0.38%，当质量等级为 “A”、 “B”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。

3）普通碳素结构钢的牌号表示方法 由代表屈服点的字母（Q） 、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成 屈服点数值共分 195、215、235、255、275 五个强度等级；等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按 S、P 杂质多少来分，以A、B、 C、D 四个符号代表四个等级，其中： A 级 wS≤0.05%, wP≤0.045% B 级 wS≤0.045%, wP≤0.045% ， C 级 wS≤0.04%, wP≤0.04%， D 级 wS≤0.035%, wP≤0.035% 其中质量等级最高的是 D 级，达到了碳素结构钢的优质级， A、B、C 三个等级均属于普通级范围 脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略 （4）典型牌号、性能与用途（表 1-1） Q195、Q215：含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件Q235A、Q255A：用于农机具中的拉杆、小轴、链等。

也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235B、Q255B：用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；Q235C、Q235D：质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件Q255、Q275：强度较高，其中 Q275 属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等Chapter 1 钢铁中的合金元素 2-优质碳素结构钢 （1）用于较为重要的机械零件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能 （2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定 （3）牌号一般用两位数字表示这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍，如 20 钢、45 钢优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是 08F、10F、15F半镇静钢标“b” ，镇静钢一般不标符号 高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A ”，特级碳素结构钢加符号“E” 专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为 0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为 “20g”等优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组含锰量较高的一组在其数字的尾部加“Mn” ，如 15Mn 、45Mn 等。

注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆4）优质碳素结构钢共有 31 个钢号（表 1-2） 08F 钢：碳的质量分数低、塑性好，强度较低可用于各种冷变形加工成型件 10~25 等钢：焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等45 等中碳钢：通过适当热处理可获得良好的综合力学性能可用于如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械零件 高碳碳素结构钢：经适当热处理后可获得高的弹性极限和屈强比以及足够的韧性和耐磨性可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等3-碳素工具钢 （1）主要用于制作各种小型工具可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性可分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类 （2）牌号一般用标志性符号“T” （碳字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的千倍表示如 T10，T12 等一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字，如 T8A，T12 等3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到 0.6%，这时，在牌号的尾部标以 Mn，如T8Mn，T8MnA。

（4）典型的碳素工具钢（表 1-3） T7、T8：适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为 48~54HRC（工作部分） ；T9、T10、T11 钢：用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为 60~62HRC，T10A 钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具； T12、T13 钢：硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为 62~65 HRC T12A 也可用于制造量具 T7~T12、T7A~T12A 还可用于形状简单的塑料模具4-一般工程用铸造碳素钢（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件其碳含量一般小于 0.65% （2）牌号用符号“ZG” （铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值- 最低抗拉强度值表示如 ZG340-640 表示其屈服强度不小于 340MPa，抗拉强度不低于 640MPa 的铸钢 （3）典型的碳素铸钢（表 1-4） 1.2 钢的合金化原理1．形成铁基固溶体 （1）形成铁基置换固溶体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 具有很小的溶度 （2）形成铁基间隙固溶体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．形成合金渗碳体或碳化物（1）合金渗碳体（碳化物） (Fe,Mn)3C 、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相； (Fe,Mn)3C 、 TiN、 Ti（C 、N）等；（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其中： Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构，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。

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 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(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 二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对 γ 层错能的影响1．合金元素与铁的相互作用 （1）γ 相稳定化元素（奥氏体形成元素） 使 A3 降低，。