文档介绍：第八章工业用钢 Industry Steels
在工业用钢中除铁、碳之外,还含有其它元素。分常存元素;偶存元素;隐存元素和合金元素。常存元素有锰、硅、硫、磷。偶存元素是由于矿石产地不同(有与铁共存的共生矿混入)及以废钢为原料,在冶炼及工艺操作时带入钢中,如铜、钛、钒、稀土元素等。隐存元素是指原子半径较小的非金属元素,如氧、氢等。合金元素是指为改变成分特别添加的元素,如铬、镍、钨、钼、钒等。
第一节钢的分类 Classify of Steels
钢的种类繁多,为了便于生产、使用和研究,可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。
第二节钢中的杂质及合金元素
Impurity & Alloying Element in Steel
一、钢中的杂质元素
钢在冶炼的时候,除了必须的合金元素外,不可避免的会从原料中带入一些杂质元素。杂质元素主要有硫、磷、氮、氢、砷、锡、秘、锑等。这些杂质元素对钢组织和性能产生不利的影响。
硫易在钢中形成FeS共晶体,熔点很低,造成“热脆”。
磷使钢脆化,降低钢的塑性和韧性,产生“冷脆性”,使钢的冷加工性能和焊接性能变坏。
氧容易在钢中形成氧化物,使性能下降。
李熏首先发现,氢在钢中形成所谓“氢脆”现象,严重影响钢的塑性。钢的强度越高,脆性越大,造成的危害也越严重。
二、合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中可以两种形式存在:一是溶解于碳钢原有的相中,另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。
合金元素对钢中基本相的影响
碳钢中有三个基本相,即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时,可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。
合金元素溶于铁素体中,对位错线的移动起牵制作用,降低位错的易动性,从而提高塑变抗力,产生固溶强化效果。
合金渗碳体的晶体结构与渗碳体相同,可表达为(Fe,Me)3C(Me代表合金元素)。渗碳体中溶入碳化物形成元素后,硬度有明显增加,因而可提高钢的耐磨性。
当钢中合金元素含量超过一定限度时,可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物(如W2C、VC、TiC等)。它们熔点高、硬度高,加热时很难溶于奥氏体中,因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。
合金元素对铁碳相图的影响
合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响,加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化。加入合金元素,可使α-Fe与γ-Fe存在范围发生变化。按照对α-Fe或γ-Fe的作用,可将合金元素分为两大类。
(1)扩大奥氏体区的元素
扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等,这些元素使A1和A3温度降低,使S点、E点向左下方移动,从而使奥氏体区域扩大。其中与γ-Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时,可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%>9%的不锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。
(2)缩小奥氏体区的元素
缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等,使A1和A3温度升高,使S点、E点向左上方移动,从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了,这类钢的淬火温度也相应地提高了。图7-2表示铬对奥氏体区域位置的影响。当加入的元素超过一定含量后,则奥氏体可能完全消失,此时,钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体,通常称之为铁素体钢。如含17%~28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。
合金元素对钢的热处理的影响
合金元素主要是通过改变钢在热处理过程中的组织转变来显示其作用的。合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的相变等方面。
(1)对加热的影响
增加奥氏体化的时间,阻止奥氏体晶粒长大。
(2)对冷却转变的影响
提高过冷奥氏体的稳定性,提高钢的淬透性。
(3)对淬火钢回火转变的影响
提高回火稳定性,形成特殊碳化物。
合金元素对钢的机械和工艺性能的影响
(1)对强度的影响
固溶强化、细晶强化、弥散强化
(2)对塑性和韧性的影响
一般降低钢的塑性和韧性。
(3)对工艺性能的影响
对铸造、锻造、焊接、切削性能的影响。
根据钢中合金元素与碳的亲合力的大小,合金元素可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素。
非碳化物形成元素主要有:Ni、Si、Co、Cu、Al、N、B等,它们几乎都固溶于铁素体和奥氏体中。
碳化物形成元素与钢中的碳原子相互作用可形成各种碳化物,碳化物的种类、数量、尺寸大小以及分布等对钢的性能均起到重要的影响。
碳化物形成元素均是过渡族金属,它们与碳原子间的结合力大小,将影响到形成碳化物的难易程度以及碳化物的稳定性。结合力的大小主要取决于原子d层的电子数。d层的电子数越少,它与碳的亲合力就越大,形成的碳化物在钢中也越稳