合金鋼中的相組成

合金鋼中的相組成第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)鐵基固溶體第二節(jié)鋼中的碳化物第三節(jié)鋼中的氮化物第四節(jié)鋼中的金屬間化合物第五節(jié)非金屬相主要內(nèi)容第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)鐵基固溶體一、置換固溶體的形成規(guī)律決定組元在置換固溶體中的溶解條件是：(1)溶劑與溶質(zhì)的點陣相同；(2)原子尺寸因素(形成無限固溶體時，兩者之差不大于±8%)；(3)組元的電子結(jié)構(gòu)(組元在周期表中的相對位置)。Mn、Co、Ni與γ-Fe符合上述條件，可形成無限置換固溶體，V、Cr與α-Fe符合上述條件，可形成無限置換固溶體。注意：對于形成無限固溶體來說，組元的點陣相同是必須的，但不是充分的，例如：Mo（2.01?）、W（2.02?）雖然與α-Fe（1.72?）點陣相同，但原子尺寸相差較大，只能形成有限置換固溶體。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五對于鐵基固溶體來說，原子尺寸的最大偏差，可以引用下列資料：

α-Feγ-FeγMe/γFe無限固溶體0.111-0.131nm0.117-0.137nm0.92-1.08有限固溶體0.105-0.143nm0.108-0.146nm0.85-1.15例如：γNi/γFe=1.62/1.72=0.94，所以Ni在γ－Fe中能形成無限固溶體；γMo/αFe=2.01/1.72=1.17，所以Mo在α-Fe中只能形成有限固溶體。電子結(jié)構(gòu)因素對于形成無限固溶體來說同樣也是必要條件，所以與鐵在同一周期并且排列在最接近V－Ⅷ族的元素能在鐵中具有最大的溶解度。

第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五二、間隙固溶體形成規(guī)律

鐵的間隙固溶體是Fe與較小原子尺寸的間隙元素所組成的。間隙固溶體總是有限固溶體，其溶解度取決于：(1)溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)；(2)間隙元素的原子尺寸。體心立方結(jié)構(gòu)的間隙如下圖所示：第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五面心立方結(jié)構(gòu)的間隙（a）四面體間隙；（b）八面體間隙密排六方結(jié)構(gòu)的間隙（a）四面體間隙；（b）八面體間隙

第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五其中間隙類型，數(shù)量及值（rB為間隙半徑，rA為原子半徑）如下表所示：表－三種典型晶體結(jié)構(gòu)中的間隙晶體結(jié)構(gòu)間隙類型單胞中間隙數(shù)比原子數(shù)體心立方四面體間隙0.2916八面體間隙0.1543面心立方（密排六方）四面體間隙0.2252八面體間隙0.4141第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五從圖中還可以看出：密排六方的間隙類型與面心立方相同，同類間隙的形狀完全相同，僅位置不同，在原子半徑相同的條件下這兩種結(jié)構(gòu)同類間隙的大小完全相同。一般間隙原子的原子半徑如表所示：間隙元素BCNOH原子半徑(nm)0.0910.0770.0750.0650.046C、N在α-Fe中并不占據(jù)比較大的四面體間隙，而是位于八面體間隙中。（Why？）間隙原子的溶解度隨其原子尺寸的減小而增加，即按B、C、N、O和H的順序增加。第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五由于面心立方結(jié)構(gòu)的間隙大于體心立方結(jié)構(gòu)的間隙，所以，間隙原子在γ-Fe中的最大溶解度要高于其在α-Fe中的最大溶解度。例如：C原子在γ-Fe中的最大溶解度(2.11wt%C)顯著地高于α-Fe中的最大溶解度(0.0218wt%C)。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)

鋼中的碳化物一、一般特點：碳化物是鋼中的重要組成相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對鋼的性能有極重要的影響。碳化物具有高硬度和脆性，并具有高熔點。這表明它具有共價鍵特點；

碳化物具有正的電阻溫度系數(shù)，具有導(dǎo)電特性。這表明它具有金屬鍵特點；

碳化物具有金屬鍵和共價鍵的特點，以金屬鍵占優(yōu)。

第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五二、碳化物的結(jié)構(gòu)

過渡族金屬的碳化物中，金屬原子和碳原子可形成簡單點陣或復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，金屬原子處于點陣結(jié)點上，而尺寸較小的碳原子在點陣的間隙位置。

如果金屬原子間的間隙足夠大，可以容納碳原子時，碳化物就可以形成簡單密排結(jié)構(gòu)。

若這種間隙還不足容納碳原子時，就得到比簡單結(jié)構(gòu)稍有變形的復(fù)雜密排結(jié)構(gòu)。

因此碳原子半徑(γC)和過渡族金屬的原子半徑(γM)的比值(γC/γM)決定了可以形成簡單密排還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物。第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五金屬元素的γC/γM值如下：

金屬FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、當非金屬（C）與金屬（M）的原子半徑比rC/rM<0.59時，形成簡單點陣的碳化物。它們大多數(shù)具有面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)，也有少數(shù)具有體心立方或簡單六方結(jié)構(gòu)。(1)形成NaCl型簡單立方點陣的碳化物：如VC、NbC、TiC、ZrC等。注意：這種MeC相不具備嚴格的化學(xué)計算成分和化學(xué)式，一般形式將是MeCx，其中0.5≤x≤1。VC的晶體結(jié)構(gòu)如圖2－4所示：

第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五圖2－4VC晶體結(jié)構(gòu)(2)形成六方點陣的碳化物如Mo2C、W2C、MoC、WC。第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2、當γC/γM>0.59,形成復(fù)雜點陣的碳化物一般合金鋼中常出現(xiàn)的復(fù)雜點陣的碳化物為Cr，Mn，Mo，F(xiàn)e的碳化物或它們的合金碳化物，主要類型有M3C，M7C3，M23C6等。間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，現(xiàn)以結(jié)構(gòu)稍簡單的滲碳體（Fe3C）為例說明之，其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示：屬正交晶系，晶胞中共有16個原子，其中鐵原子12個，碳原子4個，符合Fe：C＝3：1關(guān)系。

第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五小結(jié)：

●Ⅳ、Ⅴ族金屬的碳化物具有簡單的點陣結(jié)構(gòu)；

●

Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金屬的碳化物具有復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五三、碳化物的穩(wěn)定性

碳化物在鋼中的相對穩(wěn)定性取決于合金元素與碳的親和力的大小，即取決于合金元素d層電子數(shù)。

金屬元素的d層電子數(shù)越少，它與碳的親和力就越大，所析出的碳化物在鋼中就越穩(wěn)定。

下面給出部分合金元素的d層電子數(shù)第四周期TiVCrMnFeCoNi3d電子數(shù)2355678第五周期ZrNbMo

4d電子數(shù)245

第六周期HfTaW

5d電子數(shù)234

第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五從第四周期合金元素來看：

與碳的親和力鈦>釩>鉻>錳,而鈷和鎳的3d層電子數(shù)比鐵多，與碳的親和力比鐵弱，故在鋼中不形成碳化物。在鋼中碳化物相對穩(wěn)定性的順序如下：

Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe鉿、鋯、鈦、鈮、釩是強碳化物形成元素，形成最穩(wěn)定的MC型碳化物；

鎢、鉬、鉻是中等強碳化物形成元素；錳、鐵是弱碳化物形成元素。第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五合金碳化物在鋼中的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān):

強碳化物形成元素所形成的碳化物比較穩(wěn)定，其溶解溫度較高，溶解速度較慢，析出和聚集長大速度也較低。弱碳化物形成元素的碳化物穩(wěn)定性較差，很容易溶解和析出，并有較大的聚集長大速度。碳化物的穩(wěn)定性可由下式來歸納表示：合金元素種類d層

電子數(shù)穩(wěn)定性溶解

溫度溶解速度聚集

長大速度強碳化物元素較少較好較高較慢較慢弱碳化物元素較多較差較低較快較快第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五四、碳化物的相互溶解鋼中往往同時存在著多種碳化物形成元素，在一種碳化物中可溶解其它元素，形成含有多種合金元素的復(fù)合碳化物。各種碳化物之間可以完全溶解或部分溶解。影響不同類型碳化物溶解度的因素是：(1)碳化物的點陣類型；(2)合金元素的尺寸因素；(3)合金元素的電化學(xué)因素。第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五1.完全互溶各種碳化物具有相同的點陣類型，并且，碳化物中的金屬原子的外層價電子結(jié)構(gòu)相近，原子半徑差<8-10%，這些碳化物彼此能夠完全互溶，（即碳化物中的金屬原子可以任意彼此互相置換）。例如：(1)Mn3C-Fe3C-(Fe,Mn)3C(2)VC-NbC-TaC-(V,Nb,Ta)C(3)Mo2C-W2C(4)Fe3W3C-Fe3Mo3C-Fe3(W,Mo)3C第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2.有限溶解：

如果三個因素中任意一個不合適，則碳化物之間就形成有限溶解。例如：Fe3C中可溶解<28%Cr,<14%Mo,<2%W,<3%V，形成合金滲碳體。各種碳化物的互溶影響了它們各自的穩(wěn)定性：強碳化物形成元素溶解于弱碳化物中，可提高弱碳化物的穩(wěn)定性；反之，則降低強碳化物的穩(wěn)定性。第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)鋼中的氮化物由于冶煉時，鋼液吸收大氣中的氮，會在鋼中形成鐵或其它合金元素的氮化物。氮化物一般都是間隙相，以金屬鍵占優(yōu)，它具有高硬度和脆性、高熔點，對鋼的性能有明顯的影響。氮原子比碳原子小，氮原子半徑γN和金屬原子半徑γM之比γN/γM均小于0.59，所以氮化物都呈簡單密排結(jié)構(gòu)。例如：(1)NaCl型簡單立方點陣：TiN，VN，CrN，F(xiàn)e4N（γ'）等(2)簡單密排立方點陣：WN，MoN，Cr2N，F(xiàn)e2-3N（ε）等氮化物的穩(wěn)定性和氮化物之間的溶解與碳化物相類似。第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)鋼中的金屬間化合物合金鋼中合金元素之間以及合金元素與鐵之間產(chǎn)生相互作用，可能形成各種金屬間化合物。通常以Mn族元素為界，將長周期表內(nèi)元素分為A及B元素，由于A與B之間的原子半徑、負電性都有一定差異，可以形成各種拓撲密堆結(jié)構(gòu)的金屬間化合物。拓撲密堆相是由大小不同的原子適當配合，得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其空間利用率和配位數(shù)均很高（12，14，15，16），稱為拓撲密堆相，簡稱TCP相。第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五一、σ相在低碳的高鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼及耐熱鋼中都出現(xiàn)σ相。例如：Cr46Fe54。σ相具有較高的硬度，在鉻鎳鋼中伴隨著σ相的出現(xiàn)，鋼的塑性和韌性顯著下降，脆性增加。二、AB2相(拉弗斯相)在含鎢、鉬、鈮、鈦復(fù)雜成分的耐熱鋼中均出現(xiàn)AB2相。例如：TiFe2(W,Mo,Nb)(Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni)2復(fù)雜相。AB2相是現(xiàn)代耐熱鋼中的一個強化相，由于具有較高的穩(wěn)定性，可使強度長時間保持在較高的水平。第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五三、AB3相(有序相)這類有序相是介于無序固溶體和化合物之間的過渡狀態(tài)。例如：Ni3Fe，F(xiàn)e3Al,Ni3Al等。AB3是耐熱鋼和耐熱合金中重要的強化相。第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)非金屬相鐵及合金生成的氧