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金属材料学复习资料

第三章

合金元素：

合金元素是指为了保证获得所要求的组织、结构，物理-化学性能和力学性能，而特别添加到钢中的化学元素。

杂质：

冶炼时由原料以及冶炼方法和工艺操作等带入钢中的化学元素，称为杂质。

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。

奥氏体相稳定化元素：

使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了奥氏体相区。

（1）开启γ相区用Ni和Mn合金化的重要钢种属于这一类。

如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，相保持至室温。

所以Ni和Mn可使铁的转变抑制到较低温度，即A1和A3点降低，故由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。

（2）扩大γ相区虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于固溶度不大，不能使之完全开启。

这类元素称为扩展相区的元素。

C和N是这种类型的最重要元素。

Cu、Zn和Au具有相同的影响。

区借助C及N而扩展，当C含量达到2.0%，可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），它构成了钢的整个热处理的基础。

α相稳定化元素

（1）封闭γ相区许多元素限制-Fe的形成，使相图中相区缩小到一个很小的面积，形成了相圈（图3-lc）。

这意味着这些元素促进了体心立方铁（铁素体）的形成，其结果使相与相区连成一片。

在生成相的区域内合金不能用正常热处理制度（即通过/转变区冷却进行热处理）。

Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W，Cr均属于这一类元素。

（2）缩小相区　如图3-ld所示。

这类合金元素虽然也使相区缩小，但由于固溶度小，不能使之完全封闭，故称为缩小相区元素。

B是这一类型中最有影响的元素，还有碳化物形成元素Zr、Nb、Ta均使相区显著缩小。

改变奥氏体相区的位置

Fe-C相图中的奥氏体区即NJESC区。

合金元素以下列两种方式对奥氏体区（图3-2a和b）发生影响。

Ni、Co、Mn以及其它扩大相区的元素，均使S点左移，而GS线下沉。

Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它缩小相区的元素，均使三元系中的相逐渐呈楔形，如图3-2b所示。

由图可知，大多数元素均使ES线左移，E点左移，这就意味着钢中含碳量不到2%就会出现共晶莱氏体（例如高速钢和高碳高铬模具钢的铸态组织中就可能出现合金莱氏体）。

改变了共析温度

共析反应涉及--同素异晶转变和碳化物的析出或溶解。

由于合金元素的存在，提高或降低A3，改变了GS线的斜度，例如Mn、Ni降低A3使GS线斜度变得比较平稳，S点左移，A1温度降低。

而Cr、Mo、W、V、Si等提高A3，使GS斜度增大，也使S点左移，而A1却升高。

因此，合金元素对共析温度的影响，多半与对铁的同素异晶转变温度的影响相一致，即降低A3的元素也降低A1，反之亦然。

Ni、Co、Mn、Cr与V与铁形成无限固溶体。

其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固溶体，而Cr和V则形成以-Fe为基的无限固溶体

碳化物、氮化物以及碳、氮化合物是钢中的基本强化相。

过渡族金属按其与C和N的亲和力，碳化物和氮化物的强度和稳定性可以按如下顺序排列：

Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe（Co、Ni）。

金属间化合物：

在合金钢中，金属元素之间形成的化合物称之为金属间化合物。

非金属相：

铁及合金元素生成的氧化物、硫化物、硅酸盐等一般都不具有金属性，或者金属性极弱。

正常金属生成的碳化物、氮化物也不具有金属性。

AlN也是一种非金属夹杂物，呈密排六方点阵，不属于间隙相，熔点为1870C，在钢中有高的稳定性，只有在1100C以上才大量溶于基体，在较低温度下又重新析出。

有时利用AlN的弥散析出以改善钢的性能，此时AlN不应当看做是非金属夹杂物。

合金元素对奥氏体形成的影响

加热时奥氏体的形成可以按两种相变机制进行，即晶体学无序机制和有序机制，或称无扩散和扩散机制。

当按无序机制形成奥氏体时，转变伴随着重结晶，即相新晶粒的形成相对于原始的相来说，改变了大小和取向，晶型转变通过扩散完成。

当按有序机制过渡为奥氏体时，不伴随着重结晶，只发生切变式的晶型转变，并促进了一次再结晶（晶体的形成与生长）的发生，重结晶要在较高的温度下进行。

组织遗传性:

是指对粗晶有序组织加热温度高于Ac3，可能导致形成的奥氏体晶粒与钢的原始晶粒具有相同的形状、大小和取向。

合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响主要表现在合金元素对C曲线的影响，一般分为两种类型：

非碳化物形成元素Ni、Al、Si、Cu和Co属于第一种类型。

钢中加入这些元素以后，C曲线仍然保持与碳钢相同的形式，只是位置有所改变。

Ni、Si、Cu等使转变孕育期延长，即使C曲线右移；Al、Co则相反，使C曲线左移。

Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素属于第二种类型。

钢中加入这些元素以后，不仅使C曲线位置移动，而且也使C曲线的形状改变，出现两个鼻温，甚至使珠光体区域与贝氏体区域完全分开，出现二个过冷奥氏体极端稳定的温度区间。

回火脆性一般有两种形式。

一种是在高屈服强度钢中发生的脆化，即马氏体在低温回火较短的时间后产生的，一般称为第一类回火脆性或回火马氏体脆性（TME）。

另一类脆性发生在马氏体高温回火（600-700C）后、具有低屈服强度的钢中，其中马氏体已经完全分解为铁素体+碳化物。

如果这时再经受附加的等温时效处理（接近500C）或在脆化温度范围内回火后缓慢冷却，就会发生脆化，称第二类回火脆性。

第一类回火脆性的原因：

对回火马氏体第一类回火脆性的产生，一般归结为三个基本原因：

（a）碳化物的消失和Fe3C薄膜在原奥氏体晶界和板条相界的形成；（b）板条相界残余奥氏体薄膜的失稳分解；（c）杂质元素偏聚于原奥氏体晶界和板条相界。

特别是三者的综合作用。

但对给定的钢，这种脆性不能归结于一个简单的机理。

大多数合金钢均可以用油甚至空气介质进行淬火，因而变形、开裂问题比碳钢要小得多。

合金元素与淬裂倾向的关系，主要考虑钢的MS点，如果加入钢中的C和合金元素使MS点降得太低，那么组织应力太大，即使在油中淬火也有可能造成淬裂现象。

钢中含C、Mn、Mo、Cr、Ni愈高，则MS下降愈强烈，因而设计或开发新钢种时，在保证必要的强韧水平的前提下，应该尽可能减少上述元素的含量，特别是C含量。

课后习题：

1解释铁矿石，冶金工业常用的铁矿石有那几种，每种的特征？

冶金工业常用的铁矿石有以下四种：

赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿。

赤铁矿石中的铁是以不含水的Fe2O3形式存在的，它的理论含铁量为70%。

自然界开采的赤铁矿石，实际含铁量一般在30-60%的范围内。

赤铁矿多为暗红色，也有浅灰色和黑色的，比重5.0-5.3g/cm3，质地较松，还原性很好，硫和磷的含量都很少，是最主要的工业铁矿石。

磁铁矿石中的铁是以Fe3O4的形式存在的，其理论含铁量为72.4%。

自然界开采的磁铁矿石含铁量在40-70%之间，矿石中脉石为石英和各种盐类，也有少量的粘土、黄铁矿、磷灰石、黄铜矿等，硫和磷的含量较高。

磁铁矿石最显著的特点是具有磁性，其颜色从灰色到黑色，并有较暗的金属光泽。

其比重为4.9-5.2g/cm3，组织致密，颗粒微小，质地坚实，比较难还原。

褐铁矿石中的铁是以2Fe2O3·3H2O的形式存在的，它的理论含铁量为59.8%，在自然界中分布很广，是由其它铁矿石风化而成的，很少成为富矿。

它常和粘土及石英等杂质混在一起，含铁量为37-55%，含较多的磷，有时还含有硫、砷等杂质。

褐铁矿石成黄褐色，比重3.0-4.2g/cm3，质地比较松软，易于开采，在高炉中受热后组织变得很松软，还原性好。

以上三种矿石均为含铁的氧化物，是炼铁的主要矿石

菱铁矿石中的铁是以FeCO3形式存在的，理论含铁量为48.3%，比重3.9g/cm3。

在自然界中常见的菱铁矿石坚硬，带有黄褐的灰色，杂质较多必须经过焙烧才用于炼铁。

2如何理解“炼钢就是炼渣，炼好渣一定出好钢”这句话。

高炉冶炼的目的，就是要把铁从铁矿石中还原出来，同时去除其中所含的杂质。

所以整个冶炼过程中，最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。

1比较炼铁和炼钢

炼铁：

高炉冶炼的目的，就是要把铁从铁矿石中还原出来，同时去除其中所含的杂质。

所以整个冶炼过程中，最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。

炼钢：

直接用矿石冶炼而得的生铁，含碳量较高（2.08%），而且含有许多杂质（如硅、锰、磷、硫等）。

因此，生铁缺乏塑性和韧性，力学性能差，除熔化浇铸外，无法进行压力加工，因而限制了它的用途。

为了克服生铁的这些缺点，使它在工业上能起到更大的作用，还必须在高温下利用各种来源的氧，把它里面的杂质氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性质的铁碳合金钢。

这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢

2如何改善球墨铸铁的力学性能

正火的目的是为了获得珠光体基体组织，并可使晶粒细化，组织均匀，以提高铸件的力学性能。

有时正火是为表面淬火作组织上的准备，正火工艺不完全相同，根据加热温度可分为高温正火（又称完全奥氏体化正火）和中温正火（又称不完全奥氏体化正火）。

为了提高球墨铸铁件的力学性能，挖掘球墨铸铁的内在潜力，可将这类铸铁件进行淬火和回火。

淬火是将铸件加热到Afc1以上30-50C（Afc1代表加热时由铁素体和石墨转变为奥氏体的终了温度），使铸铁基体在高温下转变为均一的奥氏体，然后淬入油中，得到马氏体组织。

回火是把淬火后的球墨铸铁件重新加热到共析温度以下某一温度，其目的是适当地降低硬度和强度，从而提高塑性和韧性，并消除淬火后的残余应力。

为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，采用表面淬火。

灰口铸铁和球墨铸铁件均可进行表面淬火。

3何为合金钢、合金元素、杂质元素、合金钢分类

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。

合金元素：

合金元素是指为了保证获得所要求的组织、结构，物理-化学性能和力学性能，而特别添加到钢中的化学元素。

杂质：

冶炼时由原料以及冶炼方法和工艺操作等带入钢中的化学元素，称为杂质。

合金钢分类：

当钢中合金元素总含量小于或等于5%时，称为低合金钢；

合金元素总含量在5-10%范围内时，称为中合金钢；

合金元素总含量超过10%时，称为高合金钢。

4奥氏体稳定化元素、铁素体稳定化元素

奥氏体化稳定性因素：

开启γ相区用Ni和Mn合金化的重要钢种属于这一类。

如果加入足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，相保持至室温。

所以Ni和Mn可使铁的转变抑制到较低温度，即A1和A3点降低，故由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。

扩大γ相区虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于固溶度不大，不能使之完全开启。

这类元素称为扩展相区的元素。

C和N是这种类型的最重要元素。

Cu、Zn和Au具有相同的影响。

区借助C及N而扩展，当C含量达到2.0%，可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），它构成了钢的整个热处理的基础。

铁素体稳定化因素：

封闭γ相区许多元素限制-Fe的形成，使相图中相区缩小到一个很小的面积，形成了相圈（图3-lc）。

这意味着这些元素促进了体心立方铁（铁素体）的形成，其结果使相与相区连成一片。

在生成相的区域内合金不能用正常热处理制度（即通过/转变区冷却进行热处理）。

Si、Al和强碳化物形成元素Ti、V、Mo、W，Cr均属于这一类元素。

缩小相区　如图3-ld所示。

这类合金元素虽然也使相区缩小，但由于固溶度小，不能使之完全封闭，故称为缩小相区元素。

B是这一类型中最有影响的元素，还有碳化物形成元素Zr、Nb、Ta均使相区显著缩小。

5Mo、Nb、Mn、W、Ti、Cr、V、Fe等形成碳化物稳定性排序（不稳定到稳定）

随着族数的增加，碳化物和氮化物中的原子结合强度降低。

或者换句话说，碳