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合金元素在钢中的作用

随着现代工业和科学技术的不断发展,在机械制造中,对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高,碳钢已不能完全满足这些要求了。
原因 :
(1)       由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则,因淬透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大淬透性。
(2)       用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金。
(3)       碳钢不能满足特殊性能的要求,如要求耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等,只有特种的合金钢才能具有这些性能。

11.1       合金元素在钢中的存在方式

11.1.1      合金元素与钢中的碳相互作用,形成碳化物存在于钢中

按合金元素在钢中与碳相互作用的情况,它们可以分为两大类:

(1)不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素),包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳的结合力比铁小,因此在钢中它们不能与碳化合,它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。

(2)形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素),根据其与碳结合力的强弱,可把碳化物形成元素分成三类。

1)弱碳化物形成元素:锰

    锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中,一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳化物称为特殊碳化物),而是溶入渗碳体中。

2)中强碳化物形成元素;铬、钼、钨

3)强碳化物形成元素:钒、铌、钛

有极高的稳定性,例如TiC在淬火加热时要到l 000C以上才开始缓慢的溶解,这些碳化物有极高的硬度,例如在高速钢中加人钒,形成V4C,使之有更高的耐磨性。

11.1.2      合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中,以固溶体形式存在于钢中

11.1.3      合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合,以氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物的形式存在于钢中

11.1.4      游离态,即不溶于铁,也不溶于化合物:铅,铜

11.2       合金元素对钢的平衡组织的影响

表现在改变铁碳合金状态图

11.2.1      合金元素对钢临界温度的影响

锰、镍、铜使A3线降低,钼、钨、硅、钒使A3线升高。同样影响A1,影响程度更大,

11.2.2      合金元素对钢共析点(S点)位置的影响

大多数合金使共析点左移,钼钨在质量分数大时使共析点右移。

11.2.3      合金元素对奥氏体相区大小的影响

11.2.3.1     扩大γ

合金元素与γ-Feα-Fe形成固溶体,常温下为奥氏体组织。Ni,Mn

11.2.3.2     减小γ

抑制FA转变,Cr

11.3       合金元素对热处理的影响

11.3.1      合金元素对奥氏体化的影响

奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核并长大;剩余碳化物的溶解;奥氏体成分

的均匀化,在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。在钢中加入合金元素对后三个过程有较大的影响。

(1)       含有碳化物形成元素的合金钢,其组织中的碳化物,是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物,因此,在奥氏体化加热时碳化物较难溶解,即需要较高的温度和较长的时间。一般来说,合金元素形成碳化物的倾向愈强,其碳化物也愈难溶解。

(2)       合金元素在奥氏体中的均匀化,也需要较长时间,因为合金元素的扩散速度,均远低于碳的扩散速度。

(3)       某些合金元素强烈地阻碍着奥氏体晶粒的粗化过程,这主要与合金碳化物很难溶解有关,未溶解的碳化物阻碍了奥氏体晶界的迁移,因此,含有较强的碳化物形成元素(如钼、钨,钒,铌、钛等)的钢,在奥氏体化加热时,易于获得细晶粒的组织。

各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响,一般可归纳如下:

1)强烈阻止晶粒粗化的元素:钛、铌、钒、铝等,其中以钛的作用最强。

2)钨、钼、铬等中强碳化物形成元素,也显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。

3)一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的粗化,但作用不明显。

4)锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。

11.3.2      合金元素对奥氏体分解转变的影响

多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减慢,即C曲线向右移,也就是提高了钢的淬透性。

合金元素对马氏体转变的影响

增加冷却时间,降低冷却速度。

另外,合金元素对马氏体开始转变温度(Ms)也有明显的影响。多数合金元素均使马氏体开始转变温度(Ms)降低,其中锰、铬、镍的作用最为强烈,只有铝、钴是提高Ms点。

11.3.3      合金元素对回火转变的影响

合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方面。

1)提高钢的回火稳定性

    这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变,提高了铁素体的再结晶温度,使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度,从而提高了钢对回火软化的抗力,即提高了钢的回火稳定性。

2)产生二次硬化

一些合金元素加入钢中,在回火时,钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的,而是在达到某一温度后,硬度开始增加,并随着回火温度的进一步提高,硬度也进一步增大,直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。图

回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质有关。当回火温度低于约450时,钢中析出渗碳体,在450以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀析出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C

VC等,使钢的硬度开始升高,而在550600左右沉淀析出过程完成,钢的硬度达到峰值。

3)增大回火脆性

    钢在回火过程中出现的第乙类回火脆性(250400C回火)t即回火马氏体脆性和第二类

回火脆性(450600~C回火),即高温回火脆性均与钢中存在的合金元素有关。

11.4       合金元素对氧化与腐蚀的影响

    一些合金元素加入钢中能在钢的表面形成一层完整的、致密而稳定的氧化保护膜,从而提  高了钢的抗氧化能力。最有效的合金元素是铬、硅和铝(参看图10-8)。但钢中硅、铝的质量分  数较多时钢材变脆,因而它们只能作为辅加元素,一般都以铬为主加元素,以提高钢的抗氧化性。

钢中加入少量的铜、磷等元素,可提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀。

11.5       合金元素对机械性能的影响

11.5.1      金属材料的强化方法

金属材料的强化途径,主要有以下几个方面;

(1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件,在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织,从而提高金属材料的性能。它包括:

1)  细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界,由于晶界具有阻碍滑移变形作用,因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性,这是其它强化机制不可能做到的。

2)  提纯强化。在浇注过程中,把液态金属充分地提纯,尽量减少夹杂物,能显著提高固态  金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中,常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法,可以获得高纯度的金属材料。

(2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后

  位错运动的阻力增加所致。

(3)固溶强化.通过合金化(加入合金元素)组成固溶体,使金属材料得到强化称为固溶强化。

(4)相变强化。合金化的金属材料,通过热处理等手段发生固态相变,获得需要的组织结构,使金属材料得到强化,称为相变强化.

相变强化可以分为两类:

1)      沉淀强化(或称弥散强化)。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素,在一定条件下,使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出,弥散地分布在组织中,从而有效地提高材料的强度,通常析出的合金化合物是碳化物相。

在低合金钢(低合金结构钢和低合金热强钢)中,沉淀相主要是各种碳化物,大致可分为三类。一是立方晶系,如TiCV4C3NbC等,二是六方晶系,如M02W2CWC等,三是正菱形,如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。

2)      马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后,可获得马氏体组织,使材料强化。但是,马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件,工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。

(5)晶界强化。晶界部位的自由能较高,而且存在着大量的缺陷和空穴,在低温时,晶界阻

碍了位错的运动,因而晶界强度高于晶粒本身;但在高温时,沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多,晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。

硼对晶界的强化作用,是由于硼偏集于晶界上,使晶界区域的晶格缺位和空穴减少,晶界自由能降低;硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程;硼能使沿晶界的析出物降低,改善了晶界状态,加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程;此外,它们还有利于碳化物相的稳定。

(6)综合强化。在实际生产上,强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化,

以充分发挥强化能力。例如:

1)固溶强化十形变强化,常用于固溶体系合金的强化。

2)结晶强化+沉淀强化,用于铸件强化。

3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳载荷的构件,常在调质处理后再进行喷

丸或滚压处理。

4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法,以提高材料的高温性能。

有时还采用硼的强化晶界作用,进一步提高材料的高温强度。    ·

11.5.2      合金元素对正火(或退火)状态钢机械性能的影响

正火状态下钢有铁素体和珠光体组织。固溶强化,结晶强化,沉淀强化。

合金元素不仅影响钢材的强度,同时也影响其韧性。

11.5.3      合金元素对调质钢机械性能的影响

    合金元素对调质钢机械性能的影响,主要是通过它们对淬透性和回火性的影响而起作用

的。主要表现于下列几方面。

(1)    由于合金元素增加了钢的淬透性,使截面较大的零件也可淬透,在调质状态下可获得综合机械性能优良的回火索氏体。

(2)    许多合金元素可使回火转变过程缓慢,因而在高温回火后,碳化物保持较细小的幂颗粒,使调质处理的合金钢能够得到较好的强度与韧性的配合。

    (3)高温回火后,钢的组织是由铁素体和碳化物组成,合金元素对铁素体的固溶强化作用可提高调质钢的强度。

11.6       合金元素对钢的工艺性能的影响

11.6.1      合金元素对焊接性能的影响   

钢的焊接性能,主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。

合金元素对钢材焊接性能的影响,可用焊接碳当量来估算。我国目前所广泛应用的普通低合金钢,其焊接碳当量可按下述经验公式计算。

公式  Cd=C+1/6Mn+1/5Cr+1/15Ni+1/4Mo+1/5V+1/24Si+1/2P+1/13Cu

    近年来,对厚度为1550mm200个钢种(从碳钢到强度等级为1000MPa级的高强度合金钢),以低氢焊条进行常温下的Y型坡口拘束焊接裂纹试验。在试验基础上,提出了一个用以估计钢材出现焊接裂纹可能性的指标,称为钢材焊接裂纹敏感性指数户.,其计算公式为

   公式  Pc=C+1/30Si+1/20Mn+1/20Cu+1/60Ni+1/20Cr+1/15Mo+1/10V+5B+1/600t+1/60H%

与碳当量公式相比增加了板厚和含氢量。

11.6.2      合金元素对切削加工的影响

金属的切削性能是指金属被切削的难易程度和加工表面的质量。

为了提高钢的切削性能,可在钢中加入一些能改善切削性能的合金元素,最常用的元素是硫,其次是铅和磷。

由于硫在钢中与锰形成球状或点状硫化锰夹杂,破坏了金属基体的连续性,使切削抗力降低,切屑易于碎断,在易切削钢中硫的质量分数可达0.08%~0.30%。

铅在钢中完全不溶,以23pm的极细质点均匀分布于钢中,使切屑易断,同时起润滑作用,改善了钢的切削性能,在易切削钢中铅的质量分数控制在0.10%~0.30%。

少量的磷溶入铁素体中,可提高其硬度和脆性,有利于获得良好的加工表面质量。

11.6.3      合金元素对塑性加工性能的影响

    钢的塑性加工分为热加工和冷加工两种。

    热加工工艺性能通常由热加工时钢的塑性和变形抗力,可加工温度范围、抗氧化能力、对锻造加热和锻后冷却的要求等来评价。合金元素溶入固溶体中,或在钢中形成碳化物,都能使钢的热变形抗力提高和塑性明显降低,容易发生锻裂现象。但有些元素(如钒+铌,钛等),其碳化物在钢中呈弥散状分布时,对钢的翅性影响不大。另外,合金元素一般都降低钢的导热性和提高钢的淬透性,因此为了防止开裂,合金钢锻造时的加热和冷却都必须缓慢。

    冷加工工艺性能主要包括钢的冷态变形能力和钢件的表面质量两方面。

    溶解在固溶体中的合金元素,一般将提高钢的冷加工硬化程度,使钢承受塑性变形后很快地变硬变脆,这对钢的冷加工是很不利的。因此,对于那些需要经受大量塑性变形加工的钢材,在冶炼时应限制其中各种残存合金元素的量,特别要严格控制硫、磷等。另一方面,碳、硅、磷、硫、镍、铬、钒、铜等元索还会使钢材的冷态压延性能恶化。

11.6.4      合金元素对铸造性能的影响

    钢的铸造性能主要由铸造时金属的流动性、收缩特点、偏析倾向等来综合评定。它们与钢的固相线和液相线温度的高低及结晶温度区间的大小有关。固、液相线的温度愈低和结晶沮度区间愈窄,铸造性能愈好。因此,合金元素的作用主要取决于其对状态图的影响.另外,一些元素如铬、钼、钒、钛、铝等,在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点,增大了钢液的粘度,降低其流动性,使铸造性能恶化。

11.7       几种常用合金元素在钢中的作用

    为了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。

11.7.1      硅在钢中的作用

(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。

(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。这是一般弹簧钢。

(3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。

缺点:(4)使钢的焊接性能恶化。

11.7.2      锰在钢中的作用

1)锰对提高钢的淬透性。

2)锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。

3)锰对钢的高温瞬时强度有所提高。

    锰钢的主要缺点是,①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;②锰有促进晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服:⑧当锰的质量分数超过1%时,会使钢的焊接性能变坏,④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

11.7.3      铬在钢中的作用

1)铬可提高钢的强度和硬度。

2)铬可提高钢的高温机械性能。

3)使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性

(4)       阻止石墨化

(5)       提高淬透性。

缺点:①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。

11.7.4      镍在钢中的作用

1)可提高钢的强度而不显著降低其韧性。

2)镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性。

3)改善钢的加工性和可焊性。       

4)镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。

11.7.5      钼在钢中的作用

1)钼对铁素体有固溶强化作用。

2)提高钢热强性

3)抗氢侵蚀的作用。

4)提高钢的淬透性。

缺点:钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。

11.7.6      钨在钢中的作用

(1) 提高强度

2)提高钢的高温强度。

3)提高钢的抗氢性能。

4)是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

11.7.7      钒在钢中的作用

(1)热强性。

2)钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

11.7.8      钛在钢中的作用

1)钛能改善钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度;

2)并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上,在珠光体低合金钢中,钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此,钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。

11.7.9      铌在钢中的作用

1)铌和碳、氮、氧都有极强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性。

(2)有极好的抗氢性能。

(3)铌能提高钢的热强性

11.7.10  硼在钢中的作用   

1)提高钢的淬透性。

2)提高钢的高温强度。强化晶界的作用。

11.7.11  铝在钢中的作用

(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,抑制低碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;

(2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究;4AI即可改变氧化皮的结构,加入6A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含铁50%一55%、铬30%一35%、铝10%一15%的合金,在1 400C高温时,仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用,近年来,常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

(3)此外,铝还能提高对硫化氢和V2O5,的抗腐蚀性。

缺点:①脱氧时如用铝量过多,将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时.其高温强度和韧性较低。





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