鋼的合金化原理

1、鋼的合金化原理1.1 碳鋼概論在講授鋼的合金化原理之前，我們先介紹碳鋼中的常存雜質(zhì)及碳鋼的分類(lèi)與用途。一、碳鋼中的常存雜質(zhì)碳鋼（也稱(chēng)碳素鋼）被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，它們不僅價(jià)格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿(mǎn)足使用性能的要求。碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的元素，其中，錳、硅等常稱(chēng)為常存元素；硫、磷、氧、氮、氫等常稱(chēng)為雜質(zhì)元素。它們對(duì)碳鋼的性能有一定的影響。1錳和硅的影響錳和硅是煉鋼過(guò)程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進(jìn)入鋼中的。錳在碳鋼中的含量一般小于0.8%，主要固溶于鐵中。此外由于錳和硫的結(jié)合力比鐵和硫的結(jié)合力強(qiáng)，形成穩(wěn)定的MnS 夾雜物，這

2、對(duì)改善鋼的熱脆性有益。因?yàn)镕eS 熔點(diǎn)較低（1190），與鐵易于形成低熔共晶（989）而且沿晶界連續(xù)分布，引起鋼的熱脆性。適量的錳和雜質(zhì)硫形成高熔點(diǎn)MnS（1600），MnS 在高溫下具有一定的塑性，不會(huì)使鋼發(fā)生熱脆，在加工過(guò)程中硫化錳呈條狀沿軋向分布。必須指出的是，這些夾雜物將使鋼的疲勞強(qiáng)度和塑性、韌性下降。當(dāng)鋼中含有大量硫化物夾雜時(shí)，軋成鋼板后會(huì)造成分層。硅在鋼中的含量通常小于0.5%。由于鐵中可以溶入較多的硅，故碳鋼中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入鐵中。此外由于硅和氧的親和力很強(qiáng)，能形成穩(wěn)定的SiO2，在鋼中以?shī)A雜物形式存在而降低鋼的質(zhì)量。必須指出的是，只有固溶于鐵素體中的錳和硅才

3、可強(qiáng)化鐵素體基體。2硫和磷的影響硫是煉鋼時(shí)不能除盡的有害雜質(zhì)。硫可以大量溶于液態(tài)鋼中，而在固態(tài)鐵中的溶解度極小。硫和鐵能形成FeS，并易于形成低熔點(diǎn)共晶。當(dāng)鋼凝固結(jié)晶時(shí)低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100以上時(shí)，共晶體就將熔化，因此就引起軋制或鍛造時(shí)的晶界碎裂（熱脆）。鑄鋼件雖然不經(jīng)鍛造，但含硫量高時(shí)也會(huì)引起鑄件在鑄造應(yīng)力作用下發(fā)生熱裂。此外硫還對(duì)鋼的焊接性能有不良影響，即容易導(dǎo)致焊縫熱裂，同時(shí)在焊接過(guò)程中，硫易于氧化，生成SO2 氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。磷也是在煉鋼過(guò)程中不能除盡的元素，一般轉(zhuǎn)爐鋼中殘留較多(允許最高含量為0.09%)，堿性平爐鋼中殘

4、留較少（0.06%），而在堿性電爐和電渣熔煉的鋼中，磷可降至0.02%以下。磷在-鐵中的最大溶解度可達(dá)2.55%(1049)。隨著溫度的降低，溶解度逐漸下降。鋼中的磷一般全部固溶于鐵中，并產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱(chēng)為冷脆。此外，磷鐵合金的結(jié)晶范圍很寬，因此磷具有嚴(yán)重的偏析傾向。 磷的有害作用在一定的條件下可以加以利用。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能，特別是鋼中同時(shí)含有銅的情況下，它的作用更加顯著。例如09MnCuPTi、 10MnPNbRE 等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，在這些鋼中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、

5、Cu-P 等），并在保證取得細(xì)晶組織的條件下（如用Al 脫氧的鋼），磷的冷脆作用得以抑制。故在s、b 升高的同時(shí)，低溫韌性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷還可以改善鋼的切削加工性能。如把鋼中含磷量提高到0.08%0.15%時(shí)，可使鐵素體適當(dāng)脆化，從而提高了鋼的切削加工性。對(duì)于硫，可以利用硫化錳降低鋼的塑性，使切削易于斷裂，這樣既可以改善低碳鋼工件加工后的表面粗糙度，又節(jié)省動(dòng)力；同時(shí)這些硫化物在切削過(guò)程中，有一定的潤(rùn)滑作用，可以減少刀具與工件表面的磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。必須指出的是，這種易切削鋼主要用于自動(dòng)機(jī)床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺釘、螺母等各種標(biāo)準(zhǔn)件和一般小零件

6、等。3氮、氫、氧的影響氮是在冶煉時(shí)進(jìn)入鋼中的。氮在-鐵中的溶解度在590時(shí)達(dá)到最大，約為0.1%，在室溫時(shí)則降至0.001%以下，所以通常情況下鐵素體中溶解的氮含量處于過(guò)飽和。如果將這樣的鋼材經(jīng)受冷變形后在室溫放置或稍微加熱時(shí)，過(guò)飽和的氮將逐漸以氮化物的形式沉淀析出，這將使低碳鋼的強(qiáng)度、硬度上升，但塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為機(jī)械時(shí)效或應(yīng)變時(shí)效。顯然這對(duì)低碳鋼的性能不利。必須注意的是，當(dāng)?shù)吞间撝写嬖阝C、鈦、鈮等合金元素時(shí)，氮可以與之形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的效果。此外氮化鋼就是利用氮化物相強(qiáng)化鋼鐵材料零件的。氫在鋼中的溶解度甚微，對(duì)鋼的組織看不出什么影響。但由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用

7、將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。鋼中較常見(jiàn)的是“白點(diǎn)”和氫致延遲斷裂。鋼中含有過(guò)飽和的氫向裂紋尖端三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)形成的微孔核心及其它缺陷處擴(kuò)散聚集形成氫分子，由于微孔核心等很小，很少的氫氣便可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力，這種內(nèi)壓力大到足以通過(guò)塑性變形或解理使裂紋長(zhǎng)大或使微孔長(zhǎng)大、連接時(shí)便產(chǎn)生氫脆斷裂，呈白點(diǎn)特征。當(dāng)氫在位錯(cuò)附近偏聚形成“氣團(tuán)”時(shí)，“氫氣團(tuán)”的運(yùn)動(dòng)遇到障礙產(chǎn)生位錯(cuò)塞積的同時(shí)也就造成了氫的偏聚，當(dāng)偏聚在裂紋尖端的氫含量達(dá)到臨界值時(shí)，該區(qū)域發(fā)生脆化，裂紋向前擴(kuò)展，到一定距離后裂紋擴(kuò)展停止；當(dāng)裂紋前方的氫偏聚再次達(dá)到臨界值時(shí)裂紋再次擴(kuò)展，如此不連續(xù)式的擴(kuò)展，最后達(dá)到臨界尺寸而失穩(wěn)斷裂。氧在鋼中的溶解度很小

8、，幾乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3 等，并且往往形成復(fù)合氧化物或硅酸鹽MgOAl2O3、MnOAl2O3。這些非金屬夾雜物有易變形的，如2MnOSiO2、MnOSiO2，與硫化物相似，沿加工方向伸長(zhǎng)，呈線(xiàn)段狀；也有不易變形的，如各種氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2 和FeO等，沿加工方向呈鏈狀分布。非金屬夾雜物對(duì)鋼的質(zhì)量有重要影響，這種影響不僅和夾雜物的成分、數(shù)量有關(guān)，而且還和它的形狀、大小，特別是分布狀況有關(guān)。為了保證鋼材在使用中不出現(xiàn)問(wèn)題，鋼材生產(chǎn)廠(chǎng)都必須嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制雜質(zhì)含量和夾雜物的等級(jí)；鋼材使用單位即用戶(hù)也需對(duì)進(jìn)廠(chǎng)鋼

9、材進(jìn)行必要的化學(xué)成分及雜質(zhì)的化學(xué)分析，對(duì)組織和缺陷及夾雜物做金相分析，對(duì)力學(xué)性能作力學(xué)試驗(yàn)。1.2 鋼的合金化原理合金鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上，為了改善碳鋼的力學(xué)性能或獲得某些特殊性能，有目的地在冶煉鋼的過(guò)程中加入某些元素（稱(chēng)為合金元素）而得到的多元合金。常用的合金元素有：錳、硅、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈷、鋁、硼及稀土元素等。磷、氮等元素在某些情況下也會(huì)起到有益的作用。與碳鋼相比合金鋼的性能有顯著提高，一、合金元素在鋼中的存在形式1形成鐵基固溶體（1）形成鐵基置換固溶體 遵循Hume-Rothery 定律，形成置換固溶體的條件是：溶劑與溶質(zhì)的點(diǎn)陣相同；原子尺寸因素以及組元的電子結(jié)構(gòu)。合金元素與

10、鐵形成置換固溶體的基本規(guī)律是：Ni、Co、Mn、Cr、V 的原子尺寸與點(diǎn)陣相同的Fe 晶體的原子尺寸差小于8%，因此這些元素可與Fe 形成無(wú)限固溶體。其中Ni、Co 和Mn 形成以-Fe 為基的無(wú)限固溶體，Cr 和V 形成以-Fe 為基的無(wú)限固溶體。Mo 和W 具有的原子尺寸因素超過(guò)8%（分別為10%和11%），因此只能形成較寬溶解度的有限固溶體。如Fe-Mo 和Fe-W 等。原子半徑在尺寸因素極限（15%）附近的元素（Ti、Nb、Ta）只能形成具有較窄溶解度的有限固溶體；尺寸因素超過(guò)15%的一些元素（Zr、Hf、Pb）在Fe 具有很小的溶解度。必須指出，上述鐵基固溶體的形成規(guī)律，僅是對(duì)Fe-

11、Me 二元系統(tǒng)而言的。對(duì)多元系統(tǒng)其形成規(guī)律要復(fù)雜得多。（2）形成鐵基間隙固溶體 遵循Hägg 定則，間隙固溶體的形成條件是： 0.59 rX rMe 。間隙固溶體總是有限固溶體，并且間隙原子僅占據(jù)溶劑金屬的部分間隙位置，即總有部分間隙沒(méi)有被填滿(mǎn)。合金元素與鐵形成間隙固溶體的基本規(guī)律是：對(duì)-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體間隙；對(duì)-Fe，間隙原子優(yōu)先占據(jù)的位置是八面體或四面體間隙。間隙原子的溶解度隨間隙原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O、H 的順序而增加。2形成合金滲碳體（與氮化物）碳化物和氮化物屬于間隙化合物相，它是過(guò)渡族金屬與碳或氮作用形成的。碳化物、氮化物和碳、氮化物是

12、鋼中的基本強(qiáng)化相。過(guò)渡族金屬與碳、氮的親和力、碳化物和氮化物的強(qiáng)度（或穩(wěn)定性）按下列規(guī)律遞減：Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中、族金屬的碳化物與氮化物具有簡(jiǎn)單的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如TiC、VC、TiN、TaC 等，、金屬的碳化物與氮化物具有復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C 等。與合金碳化物相比，鐵的碳化物是最不穩(wěn)定的。滲碳體中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形成金屬間化合物金屬化合物通常分為正常價(jià)化合物、電子化合物及間隙化合物三類(lèi)。金屬間化合物通常僅指電子

13、化合物。在奧氏體不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼及許多高溫合金中較為重要的金屬間化合物是 (Cr46Fe54) 、 (Cr21Mo17Fe62) 、 (TiFe2) 、 (Co7Mo6) 、R(Cr18Co51Mo31)、P(Cr18Ni40Mo42)、Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、NiAl、NiTi、FeAl、(TiAl3)、(TiAl)、2(Ti3Al)等。4形成非金屬相（非碳化合物）及非晶體相鋼中的非金屬相主要是指鐵及其合金元素生成的氧化物（FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgO·Al2O3、MnO·Al2O3）、硫化物（MnS、FeS）

14、、硅酸鹽（2MnO·SiO2、CaO·SiO2）等。氧化物和硅酸鹽一般無(wú)塑性，在鋼進(jìn)行熱加工時(shí)可能引起發(fā)裂或其它缺陷，并使鋼的切削性能惡化；硫化物一般具有塑性，變形后增加鋼的各向異性。必須注意的是，低熔點(diǎn)的非金屬夾雜物或能生成沿晶界分布的低熔點(diǎn)共晶物（主要是FeS）時(shí)將引起鋼的熱脆性，對(duì)性能特別有害。為了防止鋼的這種熱脆性，一般通過(guò)加入適當(dāng)?shù)腻i，形成高熔點(diǎn)的硫化物MnS，并改善其分布。也有通過(guò)加入稀土元素生成稀土硫化物的辦法。非金屬夾雜物在結(jié)構(gòu)鋼中可能引起鋼的韌性、塑性和疲勞強(qiáng)度的降低，還會(huì)降低鋼的抗蝕性和耐磨性，并影響鋼的淬透性。非金屬夾雜物一般都是有害的。此外，AlN

15、也是一種非金屬夾雜物，呈密排六方點(diǎn)陣，它不屬于間隙相。熔點(diǎn)為1870，在鋼中有較高的穩(wěn)定性，有時(shí)可利用的彌散析出來(lái)改善鋼的性能，這時(shí)不應(yīng)該把它看著非金屬夾雜物，而應(yīng)該把它當(dāng)做非金屬相。與此類(lèi)似的還有一些稀土氧化物質(zhì)點(diǎn)，有時(shí)也被用來(lái)作為彌散質(zhì)點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化鋼或其它有色金屬合金。在特殊條件下（如快速冷卻凝固），可使某些金屬或合金形成非晶體相結(jié)構(gòu)。這種非晶體相具有一些特殊的性能，如各向同性，較晶體相高得多的強(qiáng)度和較高的抗腐蝕性能等。鋼中非晶體相的作用目前仍缺乏較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響合金元素加入鋼中之后，對(duì)鋼的相變、組織和性能的影響一般取決于合金元素與

16、鐵和碳的相互作用。1合金元素與鐵的相互作用合金元素對(duì)Fe 的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有很大的影響，這一影響主要是通過(guò)合金元素在-Fe 和-Fe 中的固溶度以及對(duì)-Fe 存在的溫度區(qū)間的影響表現(xiàn)出來(lái)。而這兩者又取決于合金元素與鐵所構(gòu)成的二元合金狀態(tài)圖。為此可以將合金元素分為兩大類(lèi)型，即相穩(wěn)定化元素和相穩(wěn)定化元素。（1）相穩(wěn)定化元素 相穩(wěn)定化元素使A3 降低，A4 升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了相區(qū)。根據(jù)鐵與合金元素構(gòu)成的相圖的不同，可分為如下兩種情況：開(kāi)啟相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū)) 合金元素與-Fe 形成無(wú)限固溶體，與-Fe形成有限固溶體。它們均使A3（GS 線(xiàn)）降低，A4（JN 線(xiàn)）升高。如

17、圖1-1。這類(lèi)合金元素主要有Mn、Ni、Co 等。如果加入足夠量的Ni 或Mn，可完全使體心立方的相從相圖上消失，相保持到室溫（即A1 點(diǎn)降低），故而由相區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織，它們是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。擴(kuò)展相區(qū)(有限擴(kuò)大相區(qū)) 雖然相區(qū)也隨合金元素的加入而擴(kuò)大，但由于合金元素與-Fe 和-Fe 均形成有限固溶體，并且也使A3（GS 線(xiàn)）降低，A4（JN線(xiàn)）升高，但最終不能使相區(qū)完全開(kāi)啟。如圖1-2。這類(lèi)合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au 等。相區(qū)借助C 及N 而擴(kuò)展，當(dāng)C 含量在02.11%（重量）范圍內(nèi)，均可以獲得均勻化的固溶體（奧氏體），這構(gòu)成了鋼的整個(gè)熱處

18、理的基礎(chǔ)。（2）相穩(wěn)定化元素 合金元素使A4 降低，A3 升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小了相區(qū)。根據(jù)鐵與合金元素構(gòu)成的相圖的不同，又可分為如下兩種情況：封閉相區(qū)(無(wú)限擴(kuò)大相區(qū)) 合金元素使A3 升高，A4 下降，以致達(dá)到某一含量時(shí)，A3 與A4 重合，相區(qū)被封閉，或者說(shuō)這些合金元素促進(jìn)了體心立方鐵（鐵素體）的形成，其結(jié)果使相與相區(qū)連成一片。當(dāng)合金元素超過(guò)一定含量時(shí)，合金不再有相變，與-Fe 形成無(wú)限固溶體（這類(lèi)合金不能用正常的熱處理制度）如圖1-3。這類(lèi)合金元素有：Si、Al 和強(qiáng)碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 及P、Be 等。但應(yīng)該指出，含Cr 量小于7%時(shí)，A3

19、下降；含Cr 量大于7%時(shí)，A3 才上升?？s小相區(qū)(但不能使相區(qū)封閉) 合金元素使A3 升高，A4 下降，使相區(qū)縮小但不能使其完全封閉。如圖1-4。這類(lèi)合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。綜上所述，可將合金元素分為兩大類(lèi)：將擴(kuò)大相區(qū)的元素稱(chēng)為奧氏體形成元素；將縮小或封閉相區(qū)的元素稱(chēng)為鐵素體的形成元素。顯然，這種分類(lèi)對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有重要的指導(dǎo)意義。如為了保證鋼具有良好的耐蝕性，需要在室溫下獲得單相組織，就可以運(yùn)用上述合金元素與鐵的相互作用規(guī)律，通過(guò)控制鋼中合金元素的種類(lèi)和含量，使鋼在室溫下獲得單相組織。如欲發(fā)展奧氏體鋼時(shí)，需要往鋼中加入Ni、Mn、N 等奧氏體形成元素；欲發(fā)展鐵素體鋼時(shí)，需要往鋼中

20、加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti 等鐵素最后應(yīng)該指出，同時(shí)向鋼中加入兩類(lèi)合金元素時(shí)，其作用往往相互有所抵消。但也有例外，例如是Cr 鐵素體形成元素，在Cr18%與Ni 同時(shí)加入時(shí)卻促進(jìn)了奧氏體的形成。2合金元素與碳的相互作用合金元素與鋼中碳的作用主要表現(xiàn)在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物傾向性的大小，以及合金元素對(duì)鋼中碳的活度或擴(kuò)散的影響。（1）形成碳化物 碳化物是鋼中最重要的強(qiáng)化相，對(duì)于決定鋼的組織和性能具有極其重要的意義。合金元素按照它們與碳的相互作用，可分為兩大類(lèi)：碳化物形成元素和非碳化物形成元素。碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti 等。它們都是過(guò)

21、渡族元素；非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，它們與碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe 中形成固溶體，或者形成其它化合物，如氮化物等。碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相。形成碳化物的規(guī)律性 從周期表中的位置來(lái)看，碳化物形成元素（Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、W、Mo 等）均位于Fe 的左側(cè)，而非碳化物形成元素（Ni、Si、Co、Al、Cu）等均處于周期表Fe 的右側(cè)。盡管Ni 和Co 也可形成獨(dú)立的碳化物，但由于其穩(wěn)定性很差（比Fe3C 還?。?，在鋼中不會(huì)出現(xiàn)，故通常被當(dāng)作非碳化物形成元素看待。Mn 是碳化物形成元素，但Mn 極易溶入滲碳體中，故鋼中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mn 的獨(dú)立碳化

22、物。碳化物形成元素均有一個(gè)未填滿(mǎn)的d 電子層，當(dāng)形成碳化物時(shí)，碳首先將其外層電子填入合金元素的d 電子層，從而使形成的碳化物具有金屬鍵結(jié)合的性質(zhì)。因此，具有金屬的特性。合金元素與Fe 原子比較，d 電子越是不滿(mǎn)，形成碳化物的能力就越強(qiáng)，即與碳的親和力越大，所形成的碳化物也就越穩(wěn)定。應(yīng)該指出，碳化物的穩(wěn)定性并不是單純地由d 電子層的未填滿(mǎn)程度所決定的。例如金屬元素與碳結(jié)合生成碳化物時(shí)的熱效應(yīng)亦會(huì)影響所生成的碳化物的穩(wěn)定性。一般說(shuō)來(lái)，碳化物的生成熱越大，其穩(wěn)定性就越高。按照碳化物形成元素所生成的碳化物穩(wěn)定程度由強(qiáng)到弱的順序，可將這些元素依此排列為：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe。

23、按照碳化物晶格類(lèi)型的不同，碳化物可分為兩類(lèi)：當(dāng)rC rMe >0.59（其中C r 為碳原子半徑， rMe為合金元素的原子半徑）時(shí)，碳與合金元素形成一種復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的碳化物。Cr、Mn、Fe 屬于這類(lèi)元素，它們形成下列形式的碳化物：Cr23C6、Cr7C3、Fe3C。當(dāng)rC rMe 0.59 時(shí)，形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物（間隙相）。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr 均屬于此類(lèi)元素，它們形成的碳化物是：MeX 型（WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC）和Me2X 型（W2C、Mo2C、Ta2C）。此類(lèi)碳化物具有下列特點(diǎn)：碳化物硬度大、熔點(diǎn)高（可高達(dá)3000），分解溫度高（可達(dá)1200

24、）；間隙相碳化物雖然含有50%60%的非金屬原子，但仍具有明顯的金屬特性；可以溶入各類(lèi)金屬原子，呈缺位溶入固溶體形式，在合金鋼中常遇到這類(lèi)碳化物。實(shí)際上鋼中的碳化物，除了上述兩種類(lèi)型外，在某些條件下，還可出現(xiàn)下述兩種情形：一種是當(dāng)合金元素含量很少時(shí)，合金元素將不能形成自己特有的碳化物，只能置換滲碳體中的鐵原子，常以合金滲碳體的形式出現(xiàn)，如：(FeCr)3、(FeMn)3C 等；另一種是合金元素含量有所升高，但仍不足以生成自己特有的碳化物，這時(shí)將生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C 等。除去含量條件以外，保證元素在鋼中的擴(kuò)散也是形成碳化物的必要條件。因此，

25、碳化物的形成過(guò)程與熱處理工藝有著極為密切的關(guān)系。碳化物的特性 如果將純金屬和碳化物的硬度作比較，便可看出碳化物的強(qiáng)化能力是很大的，如表1-5 所示。形成碳化物傾向性越強(qiáng)的元素，其碳化物硬度也越高。另外，碳化物是一種很重要的強(qiáng)化相，形成碳化物能力越強(qiáng)的元素，其碳化物穩(wěn)定性越高。穩(wěn)定的碳化物具有高熔點(diǎn)、高分解溫度，難于溶入固溶體，因而也難以聚集長(zhǎng)大。其碳化物穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的順序是：Fe3C、M23C6、M6C、MC。如果碳化物穩(wěn)定性高，在溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下不易聚集長(zhǎng)大，則可大大提高材料的性能和使用壽命。穩(wěn)定性的另一個(gè)含義是指碳化物和固溶體（基體）之間不易在高溫下因原子擴(kuò)散作用而發(fā)生合金元素的再分

26、配。碳化物的穩(wěn)定性對(duì)于鋼的熱強(qiáng)性也很重要。首先碳化物可使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強(qiáng)度和硬度。其次在達(dá)到相同硬度的條件下，碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、韌性更好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼的好。各種碳化物雖然像一般化合物一樣，可以寫(xiě)成元素間有一定配比的分子式，但是正因?yàn)樘蓟锞哂薪饘偬匦?，所以并不像普通的酸、堿、鹽那樣在成分上很固定，而是常常以其分子式所代表的化合物為基底，固溶入各種合金元素，即合金元素在碳化物中有一定的溶解度。例如Fe3C 能溶解大量的合金元素。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)e3C 中可溶解的Cr 量達(dá)25%。而Mn 在Fe3C 中的溶解度是無(wú)限的，即隨Mn 含量

27、的不斷增加，可由 Fe3C變?yōu)?(FeMn)3C，直到Mn3C。(FeW)3C 的成分隨W 量增加可變?yōu)?Fe4W2C。即使是間隙型碳化物的成分也不是很固定的。（2）合金元素對(duì)固溶體中碳的活度及擴(kuò)散系數(shù)的影響合金元素對(duì)碳在固溶體中活度的影響 決定C 在固溶體中行為的最完備的特性是其活度。由物理化學(xué)知識(shí)知道，組元的活度i與其原子百分濃度Ni相聯(lián)系，即 i = iNi其中i為i 組元的活度系數(shù)。組元的活度系數(shù)的特點(diǎn)是強(qiáng)烈地與其原子狀態(tài)相聯(lián)系，即與組元原子在固溶體中的可動(dòng)性、組元保留在固溶體中或從固溶體中析出為另一相的能力緊密聯(lián)系著。為了評(píng)價(jià)合金元素在合金固溶體中對(duì)碳的活M度C 的影響，在相同狀態(tài)下

28、選擇具有相同含碳量的非合金鐵中的碳的活度 C進(jìn)行比較。這時(shí)可以用碳在合金與非合金鐵中的活度系數(shù)比值CM/C 即碳本身的相對(duì)活度系數(shù)fC 來(lái)表征合金元素在Fe-C 合金中對(duì)碳的活度的影響。如果fC 1，則表明合金元素提高碳在鐵素體和奧氏體中的活度；如果fC 1，即表明合金元素降低碳在固溶體中的活度。合金元素對(duì)碳在固溶體中活度的影響主要表現(xiàn)在存在于固溶體中的合金元素，會(huì)改變金屬原子與碳的結(jié)合力或結(jié)合強(qiáng)度。碳化物形成元素增加固溶體中碳與合金元素之間的結(jié)合力，從而使處于間隙位置的碳原子向占據(jù)點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)上的碳化物形成元素相靠攏”的幾率提高，并使碳在固溶體中的活動(dòng)性降低，從而降低其活度。置換了固溶體中鐵原子

29、的非碳化物形成元素，相反將“推開(kāi)”碳原子，提高其活動(dòng)性，即增加碳的活度，同時(shí)將出現(xiàn)碳從固溶體中析出的傾向。合金元素對(duì)碳在奧氏體中相對(duì)活度系數(shù)的影響如圖1-5。由圖可見(jiàn)，合金元素形成碳化物的能力愈強(qiáng)，即在周期表中處于鐵的愈左邊的過(guò)渡族元素則將愈使fC 1。在奧氏體中的非碳化物形成元素Co、N和Si 促使fC 1。在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奧氏體中的溶解和冷卻時(shí)它們從固溶體中的析出，以及熱處理過(guò)程中元素在各相間的再分配這些問(wèn)題時(shí)，合金元素對(duì)碳在奧氏體中的活度具有很重大的意義。圖1-5 合金元素的摩爾原子濃度對(duì)1000時(shí)碳在奧氏體中的相對(duì)活度系數(shù)fC 的影響合金元素對(duì)C 在奧氏體中的擴(kuò)散激

30、活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響 合金鋼的相變問(wèn)題，除了需要考慮熱力學(xué)因素外，還必須考慮動(dòng)力學(xué)因素。在動(dòng)力學(xué)因素中，必須考慮碳在奧氏體和鐵素體中擴(kuò)散，合金元素本身在奧氏體和鐵素體中的擴(kuò)散、合金元素對(duì)碳在奧氏體和鐵素體中擴(kuò)散系數(shù)的影響以及合金元素對(duì)鐵的自擴(kuò)散的影響。我們知道，置換原子的擴(kuò)散比間隙原子的擴(kuò)散要慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)（表1-6）。另外由于 -Fe 的密排結(jié)構(gòu)；而 -Fe 排列較松弛，原子相應(yīng)更快地?zé)峒せ畈⒁子谕ㄟ^(guò)點(diǎn)陣中的空位和相鄰的溶質(zhì)原子。在所有情況下，對(duì)每一種元素，在-Fe 中擴(kuò)散的激活能必低于同一元素在 -Fe 中的擴(kuò)散激活能。所以間隙溶質(zhì)原子和置換溶質(zhì)原子在鐵素體中的擴(kuò)散比在奧氏體中快。合金元素對(duì)

31、C 在奧氏體中的擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響如圖1-6。由圖可知，碳化物形成元素如Cr、Mo 和W 等升高擴(kuò)散激活能，降低擴(kuò)散系數(shù)，這是由于碳化物形成元素降低了C 的活度，即提高了C 在奧氏體中結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能升高擴(kuò)散系數(shù)下降。而非碳化物形成元素如Ni、Co 等降低擴(kuò)散激活能，升高擴(kuò)散系數(shù)，這是由于非碳化物形成元素Ni 和Co 提高了C 的活度，即降低了C 在奧氏體中的結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能下降，擴(kuò)散系數(shù)升高。需要指出的是Si 是個(gè)例外，它能升高擴(kuò)散激活能，降低擴(kuò)散系數(shù)，造成這個(gè)例外的原因，則是由于Si 雖提高C 的活度，但同時(shí)降低了Fe 原子的活動(dòng)性，即增加了Fe 在固溶體中的結(jié)合能

32、，因而得到與Ni、Co 相反的結(jié)果?？傊?，合金元素與碳的相互作用具有重大的實(shí)際意義。一方面它關(guān)系到所形成的碳化物的種類(lèi)、性質(zhì)和在鋼中的分布。而所有這些都會(huì)直接影響到鋼的性能，如鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊性能。同時(shí)對(duì)鋼的熱處理亦有較大的影響，如奧氏體化溫度和時(shí)間，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大等。另一方面由于合金元素與碳有著不同的親和力，對(duì)相變過(guò)程中碳的擴(kuò)散速度亦有較大影響；強(qiáng)碳化物形成元素阻礙碳的擴(kuò)散，降低碳原子的擴(kuò)散速度；弱碳化物形成元素Mn 以及大多數(shù)非碳化物形成元素則無(wú)此作用，甚至某些元素如Co 還有增大碳原子擴(kuò)散的作用。因而合金元素與碳的作用對(duì)鋼的相變有重要影響（后有詳細(xì)討

33、論）。3合金元素對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響奧氏體層錯(cuò)能是一個(gè)很重要的參量。奧氏體層錯(cuò)能對(duì)于鋼的組織和性能有重大的影響。一般認(rèn)為層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成位錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢(shì)增大。例如高M(jìn)n 鋼和高Ni 鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢(shì)相差很大。高Ni 鋼易于變形加工，而高M(jìn)n 鋼則難于變形加工。造成這種性能差異的原因主要是由于Ni 和Mn 對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響不同所致。一般情況下，Ni、Cu 和C 等元素使奧氏體層錯(cuò)能提高，而Mn、Cr、Ru 和Ir 則降低奧氏體的層錯(cuò)能。三、合金元素對(duì)Fe-Fe3C 相圖的影響合金元素對(duì)Fe-Fe3C 相圖的影響與對(duì)純鐵的影響類(lèi)似，但相對(duì)

34、要復(fù)雜一些。影響主要分兩個(gè)方面：1合金元素對(duì)奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響 擴(kuò)大相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn 等)均擴(kuò)大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全擴(kuò)大相區(qū)的合金元素Ni或Mn 的含量較多時(shí)，可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，例如1Cr18Ni9 高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMn13 高錳耐磨鋼等?？s小相區(qū)的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si 等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。其中完全封閉相區(qū)的合金元素（例如Cr、Ti、Si 等）超過(guò)一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如1Cr17Ti 高鉻鐵素體不銹鋼等。合金元素對(duì)Fe-Fe3C 相圖中奧氏體

35、區(qū)的影響如圖1-7 所示。2合金元素對(duì)Fe-Fe3C 相圖共析點(diǎn)S 的影響 擴(kuò)大相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度上升，并都使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（圖1-8）。合金元素還對(duì)共析點(diǎn)（S）和共晶點(diǎn)（E）的成分產(chǎn)生影響。幾乎所有合金元素都是共析點(diǎn)碳含量降低（圖1-9）；共晶點(diǎn)也圖1-6 合金元素對(duì)C 在奧氏體中的擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)的影響有類(lèi)似的規(guī)律，尤其以強(qiáng)碳化物形成元素的作用最為強(qiáng)烈。大多數(shù)合金元素均使ES線(xiàn)左移。E 點(diǎn)左移，這就意味著鋼中含碳量不到2.11%就會(huì)出現(xiàn)共晶萊氏體，例如含碳量不超過(guò)1.0%的高速鋼，在鑄態(tài)條件下已具有萊

36、氏體組織；S 點(diǎn)左移，這就意味著鋼中含碳量不到0.77%時(shí)，鋼就會(huì)變?yōu)檫^(guò)共析鋼而析出二次滲碳體，也就是說(shuō)合金元素使S 點(diǎn)左移，減低了共析體中的含碳量，這樣一來(lái)，合金鋼加熱到略高于A(yíng)1 時(shí)，所得到的奧氏體的含碳量總比碳鋼為低。例如含碳量為0.3%的熱模具鋼已為過(guò)共析鋼。由此可見(jiàn)，要判斷一個(gè)合金鋼是亞共析鋼還是過(guò)共析鋼，不能像碳鋼那樣根據(jù)Fe-Fe3C相圖。而應(yīng)根據(jù)Fe-C-Me 三元相圖和多元鐵基合金系相圖來(lái)進(jìn)行分析。四、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響主要表現(xiàn)在對(duì)加熱、冷卻和回火過(guò)程中相變的影響。1合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響

37、在于：一方面合金元素的加入改變了臨界點(diǎn)的溫度、S 點(diǎn)的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化；另一方面，由于奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，合金元素原子不僅本身擴(kuò)散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴(kuò)散，從而影響奧氏體化過(guò)程。（1）合金元素對(duì)奧氏體形成速度的影響 奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長(zhǎng)大，兩者都與碳的擴(kuò)散有關(guān)。Co 和Ni 等非碳化物形成元素提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增大奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn 等對(duì)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度影響較小，故對(duì)奧氏體的形成速度影響不大。Cr、Mo、W、V 等強(qiáng)碳化物形成元素與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中

38、的擴(kuò)散，大大減慢了奧氏體的形成速度。奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過(guò)其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。最初形成的奧氏體，其成分并不均勻，而且由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體均勻，碳和合金元素均需擴(kuò)散。由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對(duì)合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對(duì)需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過(guò)高的加熱溫度和過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間。部分強(qiáng)碳化物在奧氏體中溶解度與溫度的關(guān)系如圖1-10。（2）合金元素對(duì)奧氏體晶粒的大小的影

39、響 合金元素對(duì)減小奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向 的作用也各不相同。合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長(zhǎng)大，顯著細(xì)化晶粒。按照對(duì)晶粒長(zhǎng)大作用的影響，合金元素可分為：Ti、V、Zr、Nb 等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，Al 在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3 細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈組織晶粒長(zhǎng)大；W、Mo、Cr 等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用中等；Ni、Si、Cu、Co 等阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用輕微；Mn、P、B 則有助于奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。Mn 鋼有較強(qiáng)烈的過(guò)熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過(guò)高，保溫時(shí)間應(yīng)較短。2合金元素對(duì)鋼的過(guò)冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響合金元素可以使鋼的C 曲線(xiàn)發(fā)生顯著變化。除Co

40、 外，幾乎所有的合金元素使C曲線(xiàn)右移（即增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變）。C 曲線(xiàn)右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。這對(duì)許多合金鋼來(lái)講是非常重要的。合金元素對(duì)淬透性影響的大小取決于該元素的作用強(qiáng)度（即單位含量對(duì)淬透性的提高量）及其可能的溶解量。這樣，鋼中最常用的提高淬透性的合金元素主要有以下六種：Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B。前五種合金元素，除了有較強(qiáng)的提高鋼的淬透性的能力以外，還可以大量地溶入鋼中（固溶強(qiáng)化），故是提高淬透性最為有效的元素。硼的加入量很?。ㄒ话阒挥?.0005%0.003%），但作用強(qiáng)度很大，又比較便宜，也是一種主要的提高淬透性的合金元素。

41、但目前含硼鋼的淬透性不穩(wěn)定，淬透性帶波動(dòng)幅度較寬。Mo 的價(jià)格較貴，一般不單純作為提高淬透性的元素使用。因此以提高淬透性為目的的常用元素只用Cr、Mn、Si、Ni、B 五種。圖1-13 為常用合金元素對(duì)奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)的影響。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。含Cr、Mo、W、V 等強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，若淬火加熱溫度不高，保溫時(shí)間較短，碳化物未溶解時(shí)，非但不能提高淬透性，反而會(huì)由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。另外，兩種或多種合金元素的同時(shí)加入對(duì)淬透性的影響要比兩單個(gè)元素影響的總和強(qiáng)得多，例如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。合金鋼采用

42、多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。合金元素的加入推遲珠光體型的轉(zhuǎn)變的同時(shí)還可在連續(xù)冷卻過(guò)程中得到貝氏體型組織的鋼。同樣合金元素的加入也影響著貝氏體型的轉(zhuǎn)變。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，除了間隙原子碳能作長(zhǎng)距離擴(kuò)散外，鐵和置換溶質(zhì)元素都不能顯著地?cái)U(kuò)散。貝氏體轉(zhuǎn)變是由單相相分解為相和碳化物兩相，相是領(lǐng)先相。合金元素的作用是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)變和碳原子的擴(kuò)散的影響而起作用。貝氏體轉(zhuǎn)變中，合金元素的作用首先表現(xiàn)在對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變上限溫度BS 點(diǎn)的影響。碳、錳、鎳、鉻、鉬、釩、鈦等元素都降低BS 點(diǎn)，使得在貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間出現(xiàn)過(guò)冷奧氏體的中溫穩(wěn)定區(qū)，形成兩個(gè)轉(zhuǎn)變的C 曲線(xiàn)。此外，合金元

43、素還改變貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過(guò)程，增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?cè)杏冢瑴p慢長(zhǎng)大速度。碳、硅、錳、鎳、鉻的作用較強(qiáng)，鎢、鉬、釩、鈦的作用較小。鋼中碳量增加不利于相的形核和長(zhǎng)大，因?yàn)橄嗟男魏吮仨氃跇O低碳區(qū)，相的長(zhǎng)大必須以碳從/相界相一側(cè)前沿?cái)U(kuò)散開(kāi)去為先決條件。轉(zhuǎn)變溫度愈低，碳的作用愈明顯。碳化物形成元素增加碳原子的擴(kuò)散激活能，減慢碳的擴(kuò)散，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變有一定延緩作用，如鎢、銅、鈦、釩等元素。硅特別強(qiáng)烈地阻礙貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)碳化物的形成，促使尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體富集碳，因而使貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏谘娱L(zhǎng)，轉(zhuǎn)變速度減慢。奧氏體形成元素鎳和錳降低BS 點(diǎn)，降低奧氏體的化學(xué)自由能，增高相的化學(xué)自由能，使貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力減小，孕育期延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變速

44、度減慢。鈷由于升高A3 點(diǎn)，降低相的化學(xué)自由能，使轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力增加，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。鉻是碳化物形成元素，也是穩(wěn)定奧氏體的元素，它與錳的作用相似，使BS 點(diǎn)下降，并使碳的擴(kuò)散減慢，有效地減慢貝氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變是無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，形核和長(zhǎng)大速度極快，所以合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)影響很小。合金元素的作用表現(xiàn)在對(duì)馬氏體點(diǎn)MsMf 溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。除Co、Al 以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms 和Mf 下降（圖1-15）。奧氏體形成元素錳、鎳、碳、氮對(duì)降低Ms 點(diǎn)，提高奧氏體穩(wěn)定溫度范圍有顯著作用。鉻使Ms 點(diǎn)下降的強(qiáng)烈作用與鉻使A3 點(diǎn)下降（鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7.

45、5）的作用是分不開(kāi)的。在低合金鋼中，一般隨鋼中合金元素增加，Ms 和Mf 點(diǎn)繼續(xù)下降，室溫下將保留更多的殘留奧氏體量，合金元素對(duì)殘余奧氏體量的影響見(jiàn)圖1-16。因此在相同的含碳量下，合金鋼中殘余奧氏體的含量甚至可高達(dá)30%40%以上。這對(duì)鋼的性能將產(chǎn)生很大影響。殘余奧氏體量過(guò)高時(shí)鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼，為了將殘余奧氏體量控制在合適的范圍，往往要進(jìn)行附加的處理，例如冷處理或多次回火。多次回火過(guò)程中殘余奧氏體發(fā)生合金碳化物的析出，使殘余奧氏體的Ms、Mf 點(diǎn)升高，而在回火后的冷卻過(guò)程中，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（稱(chēng)為二次淬火），從而使殘余奧氏體量減少。下列元素可明顯地降低鋼的Ms

46、和Mf 點(diǎn)，并增加殘余奧氏體量，按照作用的強(qiáng)弱可列為：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si對(duì)于奧氏體不銹鋼，為了要在室溫下或零溫度下獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，必須加入大量奧氏體形成元素。除在高溫得到單一相外，還要使Ms 點(diǎn)遠(yuǎn)低于室溫或零下，通常是加入鎳、錳、鉻、碳、氮等元素。此外，合金元素還影響馬氏體的形態(tài)，Ni、Cr、Mn、Mo、Co 等均增大片狀馬氏體形成的傾向。合金元素的加入也影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。馬氏體亞結(jié)構(gòu)基本有兩種，一種是具有位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的板條馬氏體。另一種是具有孿晶結(jié)構(gòu)的針狀馬氏體。合金元素的含量和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度決定鋼的滑移和孿生的臨界分切應(yīng)力，從而影響馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。當(dāng)Ms 點(diǎn)溫度較高時(shí)

47、，由于滑移的臨界分切應(yīng)力較低，在Ms 點(diǎn)以下形成位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的馬氏體；在Ms 點(diǎn)溫度較低時(shí)，孿生分切應(yīng)力低于滑移臨界分切應(yīng)力，則馬氏體相變以孿生形成孿晶結(jié)構(gòu)的馬氏體。在Fe-C 合金中，分界溫度約為200。高于200形成位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，低于200形成孿晶亞結(jié)構(gòu)。一般鋼中碳或氮w0.4的鋼都是位錯(cuò)馬氏體，w(C)0.6的鋼為孿晶馬氏體。合金元素如錳、鉻、鎳、鉬或鈷都增加形成孿晶馬氏體傾向。3合金元素對(duì)淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響回火過(guò)程是使鋼獲得預(yù)期性能的關(guān)鍵工序。合金元素的主要作用是提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對(duì)回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵抗能力，使回火過(guò)程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。（1）合

48、金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中馬氏體分解的影響 合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中馬氏體分解的第一階段（80170）沒(méi)有影響。馬氏體在發(fā)生第二階段分解時(shí)，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W 等對(duì)碳有較強(qiáng)的親和力，溶于馬氏體中的碳化物形成元素阻礙碳從馬氏體中析出，因而使馬氏體分解的第二階段減慢。在碳鋼中，實(shí)際上所有的碳從馬氏體的析出溫度都在250350左右，而在含碳化物形成元素的鋼中，可將這一過(guò)程推移到更高的溫度（400500），其中V、Nb 的作用比Cr、W、Mo 更強(qiáng)烈。含強(qiáng)碳化物形成元素的鋼中，回火時(shí)碳化物轉(zhuǎn)變的另一種機(jī)制是直接從馬氏體相中析出特殊碳化物，同時(shí)伴有滲碳體的溶解。居于這一類(lèi)的元

49、素有V、Nb、Ti 等。圖1-17 是質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3C、2.1V 鋼淬火和回火時(shí)，低于500釩仍固溶于馬氏體，強(qiáng)烈阻礙馬氏體分解，只有40的碳以Fe3C 析出，大部分碳仍保留在馬氏體基體中。當(dāng)高于500，直接從馬氏體基體相中析出VC，VC形核的有利位置是位錯(cuò)。VC 的形狀呈細(xì)片狀，約1nm 厚，與基體保持共格。VC 不斷析出，同時(shí)Fe、C 逐漸溶解。直到700，VC 已全部析出，F(xiàn)e3C 全部溶解。非碳化物形成元素對(duì)這一過(guò)程影響不大，但Si 的作用比較獨(dú)特，可以顯著減慢馬氏體的分解速度。如wSi=2%的鋼，可把馬氏體的分解溫度提高到350以上（2）合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中殘余奧氏體

50、轉(zhuǎn)變的影響 合金元素大都使殘余奧氏體的分解溫度向高溫方向推移。其中尤以Cr、Mn、Si 的作用最為顯著。在含有較多的W、Mo、V 等合金元素的高合金鋼中（如高速鋼），由于殘余奧氏體在回火過(guò)程中析出碳化物，造成殘余奧氏體中的碳及合金元素貧化，使其Ms 點(diǎn)高于室溫，因而在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。通過(guò)這種回火之后，淬火鋼的硬度不但沒(méi)有降低，反而有所升高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次淬火。（3）合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)大的影響 合金元素對(duì)-碳化物的形成沒(méi)有影響。隨著回火溫度的升高，碳鋼中的-碳化物于200轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，合金元素中唯有Si 和Al 強(qiáng)烈推遲這一轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)變溫度升高到350

51、。此外，Cr 也有使轉(zhuǎn)變溫度升高的作用，不過(guò)比Si 和Al 的作用要小得多。隨著回火溫度的升高，合金元素能夠產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散，碳化物形成元素向滲碳體中富集，置換鐵原子，形成合金滲碳體。非碳化物形成元素將離開(kāi)滲碳體。與此同時(shí)，將發(fā)生合金滲碳體的聚集長(zhǎng)大，Ni 對(duì)其聚集長(zhǎng)大沒(méi)有影響，而Si 和V、W、Mo、Cr則對(duì)其聚集長(zhǎng)大過(guò)程起阻礙作用。在含W、Mo、V 較多的鋼中，回火后的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)降低，而是在某一回火溫度后，硬度反而增加，并在某一溫度（一般為550左右）達(dá)到峰值。這種在一定回火溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象稱(chēng)為二次硬化。產(chǎn)生二次硬化的原因一方面是由于高溫回火時(shí)從馬氏體中析出的高度分

52、散的合金碳化物粒子所造成的。這類(lèi)碳化物粒子在高溫下非常穩(wěn)定，很不容易聚集長(zhǎng)大，從而使鋼具有很好的高溫強(qiáng)度；另一方面是二次淬火造成的。在高溫下工作的鋼，特別是高速切削工具及熱變形模具用鋼，二次硬化現(xiàn)象對(duì)需要較高紅硬性的工模具鋼是極為重要的。必須指出的是，不同碳化物所引起的二次硬化效果也不同，見(jiàn)圖1-18。釩鋼中VC 從馬氏體相中析出于位錯(cuò)，呈薄片狀與基體保持共格，位錯(cuò)被釘扎；鉬鋼中析出呈棒狀的Mo2C，與基體保持共格，而由原Fe3C 在原位轉(zhuǎn)變生成的(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr,Fe)23C6 及Mo2C 等由于顆粒較粗大，且不與基體共格，不能產(chǎn)生次生硬化，總的效果是隨著Mo 含量的增加，二次硬

53、化效果亦增大；鉻鋼中形成(Cr，F(xiàn)e)7C3 碳化物有一定的二次硬化效果（4）合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 大多數(shù)合金元素均延緩鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程，其中Co、Mo、W、Cr、V 顯著提高相的再結(jié)晶溫度，Si、Mn 的影響次之，Ni 的影響較小。在碳鋼中，相高于400開(kāi)始回復(fù)過(guò)程，500開(kāi)始再結(jié)晶。當(dāng)往鋼中加入Co（wCo=2%）時(shí)，可將相的再結(jié)晶溫度升高到630。幾種合金元素的綜合作用可以更顯著地提高再結(jié)晶溫度。（5）合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變過(guò)程中回火脆性的影響 淬火合金鋼在一定溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是回火脆性。250400間的第一類(lèi)回

54、火脆性，是由相變機(jī)制本身決定的，是一種不可逆回火脆性，不可能用熱處理和合金化的方法消除，只能避開(kāi)。但Mo、W、V、Al 等元素可稍微減弱這類(lèi)回火脆性；而Mn、Cr 則促進(jìn)這類(lèi)回火脆性的發(fā)展。加入Si、Cr 等可使這類(lèi)回火脆性的溫度向高溫方向推移。450600間發(fā)生的第二類(lèi)回火脆性主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān)，這類(lèi)回火脆性在各類(lèi)合金鋼中均有發(fā)生，只是程度不同而已，這是一種可逆回火脆性。根據(jù)合金元素對(duì)第二類(lèi)回火脆性的作用，可將合金元素分為三類(lèi)：增加回火脆性敏感性的元素有：Mn、Cr、Ni（與其它元素一起加入時(shí)）、P、V 等；無(wú)明顯影響的元素有：Ti、Zr、Si、

55、Ni（單一元素作用時(shí)）；降低回火脆性敏感性的元素有：Mo、W。為防止合金鋼中第二類(lèi)回火脆性，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出了下列方法：回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過(guò)大時(shí)，即使水冷也難防止脆性產(chǎn)生；加入合金元素Mo、W 以抑制第二類(lèi)回火脆性；提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。五、合金元素對(duì)鋼的性能的影響鋼中加入合金元素的主要目的是使鋼具有更優(yōu)異的性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來(lái)說(shuō)，首先是提高其機(jī)械性能（力學(xué)性能），即既要有高的強(qiáng)度，又要保證鋼具有足夠的韌性。然而材料的強(qiáng)度和韌性常常是一對(duì)矛盾，增加強(qiáng)度往往要犧牲鋼的一部分塑性和韌性，反之亦然。因此各種鋼鐵材料在其發(fā)展過(guò)程中均受這一

56、矛盾因素的制約。其次，在腐蝕介質(zhì)及高溫條件下使用的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料，還要具備相當(dāng)?shù)哪透g性、熱強(qiáng)性和抗氧化性。最后，鋼鐵材料還要滿(mǎn)足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)、加工，因此還必須具備合適的工藝性能。1合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響使金屬?gòu)?qiáng)度（主要是屈服強(qiáng)度）增大的過(guò)程稱(chēng)為強(qiáng)化。金屬的強(qiáng)度一般是指金屬 材料對(duì)塑性變形的抗力，發(fā)生塑性變形所需要的應(yīng)力越高，強(qiáng)度也就越高。由于鋼鐵材料的實(shí)際強(qiáng)度與大量的位錯(cuò)密切相關(guān)，其力學(xué)本質(zhì)是塑變抗力。為了提高鋼鐵材料的強(qiáng)度，要把著眼點(diǎn)放在提高塑變抗力上，阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。鋼的強(qiáng)化機(jī)制的基本出發(fā)點(diǎn)是造成障礙，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。從這一基本點(diǎn)出發(fā)，鋼中合金元素的強(qiáng)化作用主要有以下四種方式：固溶強(qiáng)化、

57、晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）、第二相強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化。通過(guò)對(duì)這四種方式單獨(dú)或綜合加以運(yùn)用，便可以有效地提高鋼的強(qiáng)度。（1）固溶強(qiáng)化 固溶強(qiáng)化的出發(fā)點(diǎn)是以合金元素作為溶質(zhì)原子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。其 強(qiáng)化機(jī)制為：由于溶質(zhì)原子與基體金屬原子大小不同，因而使基體的晶格發(fā)生畸變，造成一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)。此應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)本身的彈性應(yīng)力場(chǎng)交互作用，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而導(dǎo)致強(qiáng)化。此外，溶質(zhì)原子還可以通過(guò)與位錯(cuò)的電、化學(xué)交互作用而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。固溶強(qiáng)化的強(qiáng)化量（屈服強(qiáng)度的增量） s與溶質(zhì)原子的濃度有關(guān)。對(duì)置換式固溶體，置換溶質(zhì)原子如Cr、Mn、Ni、Si 等所造成的強(qiáng)化量ss 與溶質(zhì)濃度Cs近似有：ss = KsCs式中， Ks為比例系數(shù)， Cs為置換式固溶體溶質(zhì)原子的百分濃度。對(duì)間隙式固溶體，間隙溶質(zhì)原子如鋼中的C、N 等所造成的強(qiáng)化量si 與間隙原子濃度Ci近似有：si = KiCi1/2式中， Ki 為比例系數(shù)， Ci為間隙式固溶體溶質(zhì)原子的百分濃度。一般認(rèn)為間隙溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效應(yīng)遠(yuǎn)比置換式溶質(zhì)原子強(qiáng)烈，其強(qiáng)化作用相差10100 倍，因此，間隙原子如C、N 是鋼中重要的強(qiáng)化元素。然而在室溫下，它們?cè)阼F素體中的溶解度十分有限，因此，其固溶