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1、第五章 合 金 钢5.1 概述占钢总产量80左右的碳素钢，是基本的工业用钢。它种类齐全，生产简单，价格低廉，通过不同的热处理后，可获得不同的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差，耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且，工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等，这类钢就称为合金钢。5.1.1 碳钢用途的局限性淬透性低 一般情况下，碳钢淬火要求水冷，
2、它水淬的最大淬透直径为1520，因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。强度和屈强比较低 强度低使工程结构和设备笨重。钢的240，而低合金结构钢16的360。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的为0.43，而合金钢的可达0.74。回火稳定性差 由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时,韧性又偏低；为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。不能满足某些特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。为了解决上述问题，在碳钢中
3、特意加入合金元素，以弥补以上不足之处。5.1.2 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用非常复杂，到目前为止对它的认识还很不全面。下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响以及对热处理的影响规律。5.1.2.1 合金元素与铁和碳的作用合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物（如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等）中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。溶入铁中 几乎所有合金元素（除外）都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对或的作用，可将它们分为两大类。扩大相区元素 亦称奥氏体稳定化元素，主要是、等。它们使相图中点下降，点上升，从而扩大相的
4、存在范围。其中、等元素加入到一定量后，可使点降到室温以下，使相完全消失，它们称为完全扩大区的元素。另外一些元素如、和等，虽扩大相区，但不能将其扩大到室温，所以它们称为部分扩大区的元素。缩小相区元素 亦称稳定化元素，主要有、等。它们使点上升，点下降（例外，含量小于7时，点下降；大于7后点迅速上升），从而缩小相存在范围，使稳定区域扩大。其中、等元素超过一定含量时，点与点重合，使相区被封闭，这时合金在固态范围内一直处于单相相状态，它们称为完全封闭区的元素。另外一些元素，如、等，虽然也使相区温度范围缩小，但不能使其封闭，称为部分缩小区的元素。上述元素中，只有、与铁形成间隙固溶体，其它均与铁形成置换固溶
5、体。形成碳化物 合金元素按其与钢中碳亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。常用非碳化物形成元素有；、等。它们不与碳形成化合物，除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于和中。常用碳化物形成元素有：、等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列）。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。与碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于或中。与碳的亲和力较强的、等，含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体；含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素、等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一部分强碳化物形成元素会溶于或中。合金渗碳体是部分铁原子被碳
6、化物形成元素置换后的渗碳体，如、等，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定些，硬度也略高些，这对提高钢的耐磨性更有利。合金碳化物、等，比合金渗碳体的稳定性更高，而特殊碳化物、等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物，其熔点和硬度也愈高，加热时也愈难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。 5.1.2.2 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响,与对纯铁的影响类似，但更复杂一些、影响主要分两方面：对和存在范围的影响扩大相区元素均扩大铁碳相图中存在的区域，其中完全扩大区的元素或的含量较多时，可使钢在室温下得到单相组织，例如高镍不锈钢和高锰耐磨钢等。缩小相区元素均缩小铁碳相图中存
7、在的区域，其中完全封闭区的元素（例如、等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相组织，例如高铬不锈钢等。对铁碳相图临界点（点和点）的影响扩大相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。缩小相区的元素则使其上升并都使共析反应在二个温度范围内进行。合金元素还对共析点和共晶点的成分产生影响。几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。点及点的左移，使合金钢的平衡组织发生变化（不能完全用铁碳相图来分析）。例如，含0.3的热模具钢已为过共桥钢，而碳含量不超过1.0的高速钢，在铸态下已具有莱氏体组织。5.1.3 合金元素对热处理的影
8、响合金元素对热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。5.1.3.1 合金元素对加热时转变的影响合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。对奥氏体形成速度的影响、等强碳化物形成元素与碳的亲合力大，形成难溶于中的合金碳化物显著阻碍碳的扩散，大大减慢形成速度。为了加速碳化物的溶解和成分的均匀化，必须提高加热温度并保温更长的时间。、等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使的形成速度加快。、等合金元素对形成速度影响不大。对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素有阻止晶粒长大的作用，但影响程度不同。碳化物形成元素的作用最明显，因形成的碳化物在高温下较稳定，不易溶于中，能阻
9、碍其晶界外移，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响，合金元素可分为：强烈阻止晶粒长大的元素：、等。在钢中易形成高熔点、细质点，也强烈阻止晶粒长大。中等阻碍晶粒长大的元素：、。对晶粒长大影响不大的元素：、。促进晶粒长大的元素：、也略有此倾向。由于锰钢有较强的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。5.1.3.2 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响除外，几乎所有合金元素都增大过冷的稳定性，推迟类型转变，使曲线右移，即提高钢的淬透性。这是钢中加入合金元素的主要目的之一。常用提高淬透性的元素有：、等。微量（0.00050.003）即能明显提高淬透性，但其作用不稳定。的价格较贵，不单纯作提高淬透
10、性的元素使用。必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于中时才能提高淬透性，如果未完全溶解，则碳化物会成为形成的核心，反而使钢的淬透性降低。另外，两种或多种合金元素的同时加入对淬透性的影响，比单元素的影响总和还强得多，例如铬锰钢、铬镍钢等。除、外，多数合金元素使、点下降。其作用强度的次序是；、。其中的作用最强，实际上无影响。、点的下降，使钢中残余量增多，许多高碳高合金钢中的残余量可高达3040以上。残余量过多时钢的硬度和疲劳抗力下降，因此须进行冷处理（将钢冷至点以下）以使其转变为；或进行多次回火，使残余因析出合金碳化物而使、点上升，并在冷却过程中转变为或 (即发生所谓二次淬火)。此外，合金元素还影
11、响的形态，、等均增大片状形成的倾向。5.1.3.3 合金元素对回火转变的影响提高回火稳定性 合金元素在回火过程中推迟的分解和残余的转变（即将其推向较高温度）；提高的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得合金钢在相同温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢和耐热钢特别重要），或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些（对结构钢很重要）。提高回火稳定性作用较强的合金元素有；、等。 产生二次硬化 一些、含量较高的钢回火时，硬度不是随回火温度的升高单调降低，而是到某一温度（约 图5.1
12、含碳0.35%钼钢的回火400）后反而开始增大，并在另一更高温度（一般为550 温度与硬度的关系左右）达到峰值，如图5.1所示。这是回火过程的二次硬化现象，与回火析出物的性质有关。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，钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物、，使硬度重新升高，而在550左右沉淀过程完成时，硬度达到峰值。称为沉淀硬化。此类合金元素有、。二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余转变为的二次淬火所引起。产生此类二次硬化效应的合金元素有、。 图5.2镍铬钢的韧性与回火温度的关系增大回火脆性 和碳钢一样，合金钢也产生回火脆性，而且更显著，这是合金元素的不利影响。图5.
13、2为镍铬钢的韧性与回火温度的关系。250400间的第一类回火脆性，是由相变机制本身决定的，无法消除，只能避开，但加入13，可使其温区移向较高温度。450600间发生的第二类回火脆性，主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，多发生在含、等元素的合金钢中，这是一种可逆回火脆性，回火后快冷，抑制杂质元素向晶界偏聚，可防止其发生。钢中加入适当的或（0.5，1），因强烈阻碍和延迟杂质元素等往晶界的扩散偏聚，也可基本上消除这类脆性。5.1.4 合全元素对钢的性能的影响5.1.4.1 合金元素对钢的强度的影响强化机制 强化就是强度增高的现象。强度一般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变
14、形是位错运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。由前面已经阐述过的金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主要归纳为四种，因而强化机制也有四种：溶质原子-固溶强化；晶界-细晶强化；第二相粒子-第二相强化；位错-位错强化。固溶强化 合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场。此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。不同合金元素溶于中所产生的固溶强化效应不同。其中、的强化效果最大；的强化效果也很显著，但它增大钢的冷脆性；一般以、等为强化元素较适宜。细晶强化 晶界分大角度晶界（如、的晶粒边界等）和小角度晶界（如板
15、条间的界面、亚晶粒之间的界面等）两类。晶界能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。钢中常用细化晶粒的元素有、等。细化晶粒在提高钢强度的同时也改善韧性，这是其它强化机制不可能做到的。第二相强化 运动位错通过位于滑移面上的第二相粒子时，需要消耗额外的能量，使合金发生强化。位错通过第二相粒子的机制有两种：当粒子间距或粒子直径很小时，位错切割粒子而通过图5.3（），强化效应随粒子间距的增大而增强；当粒子间距大于某临界值时（例如一般工业合金的情况），位错则绕过粒子图5.3（）。因此，要求第二相粒子有很高的弥散 度。获得高弥散度粒子的方法有两种。一种是依靠热处理从过饱和固溶体中沉淀析 图5.3 位错通过第二相粒子的示意图出第二相（称为析出强化或沉淀硬化）；另一种是利用机械、化学等方法引入极细的第二相粒子（称为分散硬化）。钢中内渗碳体片所起的强化作用也属于第二相强化，其强化量与片间距的平方根成反比。片愈细，间距愈小，强化作用愈大。 位错强化 运
