文档介绍：第四章合金钢
11/11/2017
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合金钢是以铁和碳元素为基础,为了满足某方面的性能要求,有目的加入一些其他元素冶炼而成的钢。这种有目的加入的合金元素有铬、锰、硅、钼、钨、钒、钛、铌、硼、镍、锆、稀土等。
合金元素加入后,可以提高钢的机械性能,改善钢的机械性能。有些合金元素的含量达到一定时,还可以钢具有某些特殊的机械性能或特殊的物理化学性能。
第一节合金元素对钢的影响
一、合金元素在钢中的存在形式
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(一)合金元素溶入铁素体
几乎所有的合金元素或多或少地溶入铁素体而形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径有差异,故合金元素溶入铁素体后必然引起晶格畸变,从而产生固溶强化,使铁素体的强度和硬度升高,塑性和韧性下降,如图4-1及图4-2所示。
由图可知,合金元素加入量愈多,铁素体的硬度就愈高,以硅、锰、镍元素为最显著。由图4-2可知,硅量在1%左右,%左右,既能提高铁素体的硬度,又不降低韧性:铬元素含量在2%~5%S时,不仅能提高铁素体的硬度,又能提高韧性。
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(二)形成碳化物
按照合金元素在钢中与碳的作用不同,可以将合金元素分为两大类。
一类是不与碳作用的元素,因而不能形成碳化物,只能溶入固溶体;另一类是与碳有亲和力,能形成碳化物。
不与碳化合的元素有:镍、硅、钴、铝、铜等。能与碳化合形成合金化物的元素,按其与碳的亲和力由若到强大致可排成下列次序:锰、铁、铬、钼、钨、钒、锆、铌、钛等。
与碳亲和力较弱的元素(如锰、铬、钼、钨等)含量较少时,其中一部分以原子状态溶入固溶体,另一部分进入渗碳体而置换其中的铁原子,形成特殊的化合物,如Cr7C3或(Fe、Cr)7C3、WC或(Fe、W)6C等。
与碳的亲和力强的元素,如钒、锆、铌、钛等,只要钢中有足够的碳元素,就能形成这些元素的合金碳化物,如VC、ZrC、NbC、TiC等,只有在钢中缺少碳的情况下,这些元素才以原子状态溶入固溶体。
合金元素不同,合金碳化物的形状和尺寸也不同,强碳化物的碳化物成颗粒状,比较细碎。
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二、合金元素对铁碳合金相图的影响
合金元素对Fe-Fe3C相图的相区和S、E等临界点位置有影响。用合金元素Fe-Fe3C相图的影响来分析合金钢的组织变化规律。
常用合金元素对Fe-Fe3C相图的影响可以分为两类。一类是扩大奥氏体组织的相区,属于这一类的合金元素有锰、镍、氮等;另一类是缩小奥氏体组织的相区,属于这一类的合金元素有铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等。
锰类元素及铬类元素对Fe—Fe3C相图中奥氏体相区和S、E点的影响,如图4—3和图4—4所示。
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从图4—3和图4—4中可以看出:
若钢中加入大量的扩大奥氏体区域的合金元素,甚至会使相图中的奥氏体延至室温以下。在室温下能获得稳定的单相奥氏体组织,这种合金钢叫奥氏体钢。
若钢中加入大量的缩小奥氏体区域的合金元素,则奥氏体区域可能封闭甚至消失,铁素体区域就扩大。在固态是具有稳定的单相铁素体组织,这种合金钢称为铁素体钢。
合金元素对A3及A1温度的影响,使合金钢的热处理加热温度发生变化。
由于S点左移,使含碳量相同的碳钢与合金钢组织不同。
%的碳钢为具有铁素体与珠光体的亚共析组织;但加入14%的铬以后,则变为珠光体的共析组织。
E点左移,就意味着出现莱氏体的含碳量降低,%的合金钢中出现莱氏体组织,这种钢就称为莱氏体钢。
例如,%左右,但属于莱氏体钢。
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三、合金元素对钢热处理的影响
(一)合金元素对奥氏体化的影响
合金元素加入钢中后,改变了碳在钢中的扩散速度。除镍、钴元素外,大多数合金元素使奥氏体化过程减慢。由于合金元素造成碳在奥氏体中扩散的困难,再加上合金碳化物稳定性较高,较难溶入奥氏体,致使奥氏体被推延到较高的温度范围内进行。合金钢在奥氏体化过程中,不仅要进行碳的均匀化,而且还要进行合金元素的均匀化,因此合金钢的奥氏体的保温时间也比碳钢长。
合金元素中除锰外,几乎都能阻止奥氏体晶粒长大;尤其是与碳亲和力强的元素作用更为显著。
因为强碳化物形成元素,在钢中能形成稳定的碳化物,且以弥散质点的形式分布在奥氏体的晶界上,对奥氏体晶粒的长大起机械阻碍作用。这有利于在粗火时获得细马氏体,使钢具有较好的机械性能。
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(二)合金元素对过冷奥氏体转变的影响
合金元素中除钴外,几乎都能使C曲线右移,降低钢的临界冷却速度,提高钢的粗透性。常用合金元素对奥氏体转变的影响,如图4-5所示。
锰及非碳化物形成元素加入后仅使C曲线右移;与碳的亲和力比铁强的碳化