第九章合金钢总论一、铁基固溶体α-Feγ-Feδ-Fe在常用的合金元素中，除C、N、B与铁形成间隙固溶体外，其余元素均与铁形成代位固溶体。图9-1铁碳相图(2)碳化物形成元素：碳化物形成元素都具有一个未填满的d电子层，d电子层愈是不满，形成碳化物的能力就愈强，即和碳的亲和力愈大，从而形成的碳化物也就愈稳定。据此，可将合金元素形成碳化物的能力由强至弱排列如下：Ti、Zr、V、Ta、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。一般把Ti、Zr、V、Ta、Nb算作强碳化物形成元素，W、Mo算作中强碳化物形成元素，Cr、Mn、Fe算作弱碳化物形成元素。强碳化物形成元素和碳有很强的亲和力，易于形成不同类型的碳化物，由于这些碳化物的结构不同于渗碳体，在合金钢中常称为特殊碳化物。弱碳化物形成元素，当其含量较低时，一部分进入固溶体中，另一部分进入渗碳体，取代其中部分铁原子，形成合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等。除Mn以外，当元素含量超过一定限度时，又可形成特殊碳化物，如(Fe，Cr)7C3、(Fe，W)6C、(Fe，Mo)6C等。总的来看，弱碳化物形成元素在碳化物中的浓度一般都比在固溶体中的高。按照晶体结构的不同，钢中的碳化物可分为两大类：(1)当碳原子和过渡族元素原子半径之比rc/rM<0.59时，形成晶体结构比较简单的碳化物，其结构可以是面心立方点阵、体心立方点阵、密排六方结构，或简单六方点阵。这时碳原子填入金属立方晶格或六方晶格的空隙中，并使碳化物具有金属键，因而碳化物仍保留着明显的金属特性。属于此类碳化物的有：TiC、ZrC、VC、NbC、TaC、WC等。这类碳化物的最大特点是高溶点和高硬度，它们是硬质合金、粉末高速钢、高温金属陶瓷材料的主要组成部分，也是工业用钢的重要合金相。(2)当rc/rM>0.59时，形成晶体结构比较复杂的碳化物，这类碳化物包括：Fe3C、Fe2C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C等。这类碳化物也都具有相当高的硬度，是合金钢中重要的强化相，但其熔点及硬度较前一类稍低。2.钢中的氮化物钢中氮化物的形成规律及其性能与碳化物相似，合金元素与氮亲和力的大小也与碳相似。过渡族金属的氮化物一般为简单的晶体结构。常见的氮化物有FeN、Fe2N、Fe4N、CrN、Cr2N、MnN、TiN、NbN、ZrN、VN、TaN等，以及属于正常价非金属化合物的AlN。钢中氮化物几乎不溶解于基体，故一般视为夹杂物。但在氮化钢中，却利用氮化物来提高钢的表面硬度和耐磨性，提高钢的疲劳强度。在低合金高强度钢中利用AIN来细化晶粒。应当指出，大多数碳化物与碳化物、氮化物与氮化物之间可以互相溶解，氮化物与碳化物之间也可以互相溶解，形成复合的碳氮化物，如(Cr，Fe)23(C，N)6、Ti(N，C)等，然而N并不能完全取代Fe3C中的C。三、钢中的金属化合物合金元素与铁或合金元素之间也可以相互作用形成各种金属化合物，如元素周期表中的IVB、VB、VIB、ШA族元素(设为A组元)可与Fe、Co、Ni、Mn(设为B组元)结合形成多种BxAy型金属化合物，其中常见的有Ni3Al、Ni3Ti、NiAl、Ni2AlTi、Fe7Mo6等。金属化合物中的某一组元也可被其他组元所取代，形成复合的金属化合物。利用金属化合物从固溶体中脱溶，已成为铁基、镍基、钴基耐热钢与合金以及一些合金化程度较高的合金钢的重要强化手段。§9-2合金元素在钢中的作用图9-2Fe-Mn-C三元系的奥氏体相区图9-3几种合金元素对共析温度(A1)的影响氏体相区存在的温度范围变宽，相应地δ和α相区缩小，并在一定温度范围内铁与该元素可以无限固溶。②扩大奥氏体相区的元素，如C、N、Cu等。这类合金元素的作用与①中的合金元素相似，但它们不与铁无限固溶。(2)缩小奥氏体相区的元素，如Si、Ti、Cr、Mo等。这类元素均使A4点降低，A3点和A1点升高。根据铁与合金元素组成的二元相图，通常也可以把这类合金元素细分为两种：①封闭奥氏体相区的元素，如V、Cr、Ti、W、Mo、Al、Si等。在这类元素与铁组成的二元相中，奥氏体相区被铁素体相区所封闭，形成奥氏体圈。图9-4开启奥氏体相区类型Fe-M相图示意图(a)及Fe-Ni相图(b)图9-5扩大奥氏体相区类型Fe-M相图示意图(a)及Fe-C相图(b)图9-6Fe-Si-C三元系的奥氏体相区图9-7Fe-Ti-C三元系的奥氏体相区图9-8Fe-Cr-C三元系的奥氏体相区图9-9Fe-Mo-C三元系的奥氏体相区图9-10封闭奥氏体相区类型Fe-M相图示意图(a)及Fe-Cr相图(b)②缩小奥氏体相区的元素，如B、Nb、Zr等。这类元素与封闭奥氏体相区的元素相似，但由于在一定浓度出现了金属化合物，破坏了奥氏体圈，使奥