钢铁中的合金相思维导图

本图讲述了合金元素和Fe基二元相图、合金元素对Fe相图的影响、铁基固溶体、碳氮化物、钢中的金属间化合物、合金元素在钢中的存在形式。

钢中的合金相

• 合金元素（Me）和Fe基二元相图
  • 钢中的Me
    • 杂质元素
      • 常存杂质：冶炼残余，由脱氧剂带入。 Mn、Si、Al；S、P难清除。
      • 隐存杂质：生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。
      • 偶存杂质：与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。
      • 杂质元素的影响
        • 热脆性 ——S ——FeS(低熔点989℃)。 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）。 氢 脆 —— H —— 白点。
    • 合金元素
      • 定义：为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。
      • 常见合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。
      • 合金钢分类
        • 微合金化钢：Ti、Nb、Zr、B等，含量≤0.1%；低合金钢：≤5%； 中合金钢：5~10%； 高合金钢：超过10%。
  • Me和Fe的作用
    • γ稳定化元素（A形成元素）
      • 作用：使A3↓，A4↑，γ区扩大。
      • 1.与γ区无限固溶 —— Ni、Mn、Co开启γ区—— 量大时， 室温为γ相。 2.与γ区有限固溶 —— C、N、Cu —— 扩大γ区。
    • α稳定化元素（F形成元素）
      • 作用：使A3↑，A4↓，γ区缩小
      • 1.完全封闭γ区 — Cr、V、 W、Mo、Ti Cr、V与α-Fe完全互溶，量大时为α相 W、Mo、Ti 等部分溶解。 2.缩小γ区 —— Nb等。
• Me对Fe-C相图的影响
  • 对S、E点的影响
    • A形成元素均使S、E点向左下方移动； F形成元素使S、E点向左上方移动。
    • S点左移意味着共析C量减小； E点左移意味着出现莱氏体的C量降低。
  • 对临界点的影响
    • A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动。
    • F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动。
  • 对γ-Fe区的影响
    • A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大； 钢在室温下也为A体 — 奥氏体钢。
    • F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小； 钢在高温下仍为F体 — 铁素体钢。
• 铁基固溶体
  • 置换固溶体
    • Ni、Mn、Co与γ-Fe的点阵结构、原子 半径和电子结构相似——无限固溶
    • Cr、V与α-Fe的点阵结构、原子半径和 电子结构相似——无限固溶
    • Cu和γ-Fe点阵结构、原子半径相近， 但电子结构差别大——有限固溶
      • 决定组元在置换固溶体中的溶解 度因素是点阵结构、原子半径和电 子因素，无限固溶必须使这些因素 相同或相似.
    • 原子半径对溶解度影响： ΔR≤±8%，可以形成无限固溶； ≤±15%，形成有限固溶； >±15%，溶解度极小
  • 间隙固溶体
    • 有限固溶 C、N、B、O等
    • 溶解度
      • 溶剂金属点阵结构：同一溶剂金属不同点阵结构，溶解度是不同的——如γ-Fe与α-Fe
      • 溶质原子大小：r↓，溶解度↑。 N溶解度比C大 : RN=0.071nm， RC=0.077nm
    • 间隙位置
      • 优先占据有利间隙位置—— 畸变为最小
      • 间隙位置总是没有被填满 —— 最小自由能原理
  • 总结
    • 合金元素除C、N、B外，都与铁形成置换固溶体。它们扩大或缩小γ相区的 作用与该元素在周期表中的位置有关
    • 有利于扩大γ相区的合金元素，其本身具有面心立方点阵或在其多型性转变 中有一种面心立方点阵。与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近
    • 在形成铁基固溶体时，d层电子是主要参加形成固溶体金属键合的电子
• 碳（氮）化物
  • 钢中常见的碳化物
    • 碳化物（ K）类型、大小、形状和分布对钢 的性能有很重要的作用
    • 非K形成元素：Ni、Si、Al、Cu等
    • K形成元素： Ti、Nb、V；W、Mo、Cr；Mn、Fe （由强到弱排列）
    • 钢中常见的K类型
      • M3C：渗碳体，正交点阵 M7C3：例Cr7C3，复杂六方M23C6：例Cr23C6，复杂立方M2C：例Mo2C、W2C。密排六方MC：例VC、TiC，简单面心立方点阵 M6C：不是一种金属K。复杂六方点阵
      • K也有空位存在 ；可形成复合K , 如 (Cr,Fe,Mo，…)7C3
      • 结构特点
        • 复杂点阵结构：M23C6 、M7C3 、M3C。 特点：硬度、熔点较低，稳定性较差
        • 简单点阵结构：M2C、MC。又称间隙相。 特点：硬度高，熔点高，稳定性好
        • M6C型不属于金属型的碳化物, 复杂结构， 性能特点接近简单点阵结构
  • K形成的一般规律
    • K类型（与Me的原子半径有关）
      • 各元素的rc/rMe的值如下： Me Fe Mn Cr V Mo W Ti Nb rc/rMe 0.61 0.60 0.61 0.57 0.56 0.55 0.53 0.53
      • rc/rMe > 0.59 —复杂点阵结构，如Cr、Mn、Fe ， 形成Cr7C3、Cr23C6、Fe3C、Mn3C等形式的K
      • rc/rMe < 0.59 —简单结构相，如Mo、W、V、Ti 等，形成VC等MC型，W2C等M2C型
      • Me量少时，形成复合K，如（Cr, M）23C6型
    • 相似者相溶
      • 完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似。 如Fe3C，Mn3C →(Fe,Mn)3C；TiC ~ VC。
      • 有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合K 如Fe3C中可溶入一定量的Cr、W、V等。 最大值为 < 20%Cr，< 2%W，< 0.5%V； MC型不溶入Fe，但可溶入少量W、Mo。
      • 溶入强者,使K稳定性↑ 溶入弱者,使K稳定性↓
    • 强者先，依次成
      • K形成元素中，强者优先与C结合，随C↑，依次形成K。 如：在含Cr、W钢中，随C↑，依次形成M6C，Cr23C6 ，Cr7C3, Fe3C。
      • 如果钢中C量有限，则弱的K形成元素溶入固体。 如：在低碳含Cr、V的钢中，大部分Cr都 在基体固溶体中
    • Nm/Nc比值决定了K类型
      • 退火态: 在Cr钢中，随NM/NC ↑，先后形成顺序为：M3C→M7C3→M23C6 。
      • 回火态:基体中的NM/NC↑，则析出的K中 NM/NC也↑。如W钢回火时，析出顺序为：Fe21W2C6 → WC → Fe4W2C → W2C，Nw/Nc是不断↑。
    • 强者稳，溶解难， 析出难，聚集长大也难
• 钢中的金属间化合物
  • s相
    • 周期表中第一长周期中的第7族，第8族，第二长周期中的第8族过渡族元素与周期表中第5族和第6族过渡族元素之间能形成s相。
    • Cr-Mn，Cr-Fe，Cr-Co，Mo-Mn，Mo-Fe，Mo-Co，WFe，W-Co，V-Mn，V-Fe，V-Co，V-Ni等。
    • 形成条件： 1. 原子尺寸差别不大； 2. 钢中的“平均族数”在5.7~7.6范围内。 平均族数＝S组元的族数×组元的浓度（质量分数）
  • AB2相（拉维斯相, Laves phase）
    • 在含有W，Mo，Nb，Ti的复杂成分耐热钢和耐热合金中会形AB2相。它是现代耐热钢和合金中的一种强化相，其晶体结构是复杂立方或复杂六方点阵，主要受电子浓度决定。
    • 周期表中任何两种金属元素，只要其原子尺寸符合dA:dB＝1.2:1，都有可能形成AB2相。因此，AB2相是一种由尺寸因素起作用的金属间化合物。
  • AB3相（有序相, ordered structure）
    • 钢和合金中可以形成多种AB3型有序相，有序相不同于稳定的化合物，处于固溶体与化合物之间的过渡状态。有的有序相的有序无序转变温度较低，超过了该温度就形成无序固溶体，如Ni3Fe，Ni3Mn等。有的有序相的有序无序转变温度接近熔点，如Ni3Al，Ni3Ti，Ni3Nb等，它们类似于金属间化合物。这种有序相在复杂成分的耐热钢、耐热合金、特殊超高强度钢中被用作强化相。
• Me在钢中的存在形式
  • Me在不同状态下的分布
    • 退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成K，余量溶入基体。
    • 淬火态 Me分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。
    • 回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。
  • Me的偏聚
    • 偏聚现象:Me偏聚 → 缺陷处C> 基体平均C这种现象也称为吸附现象。
    • 偏聚机理:溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓，符合自然界最小自由能原理。
    • 影响：偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响，如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等都与此有关。