合金元素对钢的影响

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1、第七章合金结构钢第二节钢中各种元素对钢的影响 一、碳钢的不足： （1）淬透性低 一般情况下，碳钢水淬的 最大淬透直径只有10mm-20mm。 （2） 强度和屈强比较低 如普通碳钢 Q235钢的s为235MPa，而低合金结构钢 16Mn的s则为360MPa以上。 一、碳钢的不足： （3）不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、 耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差 ，不能满足特殊使用性能的需求。 二、合金元素在钢中的作用 常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、 钨、钒、钛、锆、钴 合金元素对钢的相变、组织和性能的影 响，一般取决于合金元素与钢中铁、碳 两种基本组元的作用 二、合金元素

2、在钢中的作用 1、合金元素在钢中的分布 形成合金铁素体 Ni、Si、Al、Co、Cu 等大多数合金元素都可或多或少地溶于 铁素体中，形成合金铁素体。其中原子 半径很小的合金元素（如氮、硼等）与 铁形成间隙固溶体；原子半径较大的合 金元素（如锰、镍、钴等）与铁形成置 换固溶体。 二、合金元素在钢中的作用 1、合金元素在钢中的分布 合金元素溶入铁素体后，凡合金元素的 原子半径与铁的原子半径相差越大，晶 格类型越不相同，必然引起铁素体晶格 畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度 、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋 势。如图。二、合金元素在钢中的作用二、合金元素在钢中的作用 1、合金元素在钢中的分布 形成

3、合金碳化物 Mn、Cr、Mo、W、V、Nb 、Zr、Ti作为碳化物形成元素，在元素周期表 中都是位于铁左边的过渡族金属元素，离铁越 远，则其与碳的亲和力越强，形成碳化物能力 越大，形成的碳化物越稳定而不易分解。 通常钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素；铬 、钼、钨为中强碳化物形成元素；锰为弱碳化 物形成元素。 如：合金渗碳体（Fe、Mn） 3 C 二、合金元素在钢中的作用 1、合金元素在钢中的分布 形成气氛氧、氮、硫的非金属夹杂物 MnS、Al2O3 形成金属间化合物 FeSi、FeCr三、 合金元素对铁碳合金相图的影响 1、 改变了奥氏体区的范围 （1） 扩大奥氏体相区 这类合金元素使A3 、

4、A1温度下降，GS线向左下方移动，这 类元素大都具有面心立方晶格，如锰、 镍、氮等。随着锰、镍含量增大，会使 相图中奥代体区一直延展到室温下。因 此，它在室温下的平衡组织是稳定的单 相奥氏体，这种钢称奥氏体钢。 三、 合金元素对铁碳合金相图的影响 （2） 缩小奥氏体相区 这类合金元素与 前者相应，使A3和A1温度升高，GS线向 左上方移动，这类元素有铝、铬、硅等 ，随着钢中这类元素含量增大，可使相 图中奥氏体区消失，此时，钢在室温下 的平衡组织是单相的铁素体，这种钢称 为铁素体钢。 三、 合金元素对铁碳合金相图的影响 2、 改变 S、E点在铁碳合金相图中位置 大多数合金元素均能使 S点、E点左

5、移， 。共析钢中碳的质量分数不是Wc0.77 ，而是Wc0.77。出现共晶组织的最低 碳的质量分数不再是Wc2.11，而是 Wc2.11。 实验证明，含 Wc0.4的碳钢原属亚共 析钢，当加入Wcr12后就成了共析钢 三、 合金元素对铁碳合金相图的影响四、 合金元素对钢的热处理影响 1、 奥氏体形成速度的影响 大多数合金元素（除钴、镍外），由于它们与 碳有较强的亲和力显著减慢了碳向奥氏体中的 的溶入与扩散速度，故大大减慢奥氏体的形成 速度。 由于合金元素的扩散速度很缓慢，因此对于 合金钢应采取较高加热温度和较长的保温时间 ，以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化， 从而充分发挥合金元素的作用。

6、四、 合金元素对钢的热处理影响 2、合金元素对奥氏体晶粒大小的影响 碳化物形成元素（如钒、铌、锆等强碳化物形 成元素），容易形成稳定的碳化物，这些特殊 碳化物在高温下比较稳定，不易溶于奥氏体， 并以细小质点的形式弥散地分布在奥氏体晶界 上，机械地阻碍奥氏体晶粒长大。 Mn、P促进A晶粒长大 合金钢的在加热时不易过热，使得钢在高温下 较长时间的加热仍能保持细晶粒组织，这是合 金钢的一个重要特点。 四、 合金元素对钢的热处理影响 3、合金元素对C曲线 、淬透性影响 除钴外，不形成和形成碳化物倾向较弱的合金 元素（Si、Ni、Cu、Mn）溶入奥氏体后降低原 子扩散速度，使奥氏体稳定性增加，从而使C

7、曲线右移 当强碳化物形成元素（Ti、V、Mo、W）溶入奥 氏体后，由于它们对推迟珠光体转变与贝低体 转变的作用不同，使C曲线出现两个鼻尖 四、 合金元素对钢的热处理影响 四、 合金元素对钢的热处理影响 3、合金元素对C曲线 、淬透性影响 由于合金元素使 C曲线右移，故降低了钢 的马氏体V k ，增大了钢的淬透性。其中 尤以碳化物形成元素的影响较为显著， 特别是钢中几种合金元素同时加入时， 要比单独加入一种合金元素对增大钢的 淬透性更有效。四、 合金元素对钢的热处理影响 4、合金元素对马氏体转变温度的影响 除钴、铝外，大多数合金元素溶入奥氏 体后，使马氏体转变Ms和M f 降低，其中 铬、镍、锰

8、作用较强。 四、 合金元素对钢的热处理影响 5、合金元素对淬火钢回火转变的影响 （1）提高淬火钢回火稳定性（耐回火性 ） 淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称 为回火稳定性。不同的钢在相同温度回 火后，强度、硬度下降也不同，下降少 的其回火稳定性较高。 四、 合金元素对钢的热处理影响 由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物 聚集长大过程。使回火的硬度降低过程 变缓。从而提高钢的回火稳定性。由于 合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要得 到相同的回火硬度时，则合金钢的回火 温度就比同样含碳量的碳钢要高，回火 时间也长。而当回火温度相同时，合金 钢的强度、硬度都比碳钢高。四、 合金元素对钢的热处理影响 （2）产

9、生二次硬化 含有钨、钼、钒的合 金钢，经高温奥氏体充分均匀化并淬火 后，在500600回火时硬度有回升的 现象，称为二次硬化 四、 合金元素对钢的热处理影响 因为含有上述合金元素较多的合金钢，在该温 度范围内回火时会从马氏体中析出特殊碳化物 ，如MO 2 C、W 2 C、VC等，析出的碳化物高度 弥散分布在马氏体基体上，并与马氏体保持共 格关系，阻碍位错运动，使钢的硬度反而有所 提高，这就形成了二次硬化。 另外，由于特殊碳化物的析出，使残余奥氏体 中碳及合金元素浓度降低，提高了M s 温度， 故在随后冷却时就会有部分残余奥氏体转变为 马氏体，这也是在回火时钢的硬度提高而产生 的二次硬化的原因。

10、 五、合金元素对钢的机械性能的影响 提高钢的强度是加入合金元素的主要目 的之一。欲提高强度, 就要设法增大位错 运动的阻力。 金属中的强化机制主要有: 1、固溶强化 2、细晶强化 3、第二相强化 4、位错强化五、合金元素对钢的机械性能的影响 1、固溶强化 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移 变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬 度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提 高的现象称为固溶强化。 固溶强化是金属强 化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显 著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有 明显降低。五、合金元素对钢的机械性能的影响 2、细

11、晶强化 在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的 强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受 到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进 行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外， 晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不 利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以 提高材料强度的方法称为细晶强化。 五、合金元素对钢的机械性能的影响 3、第二相强化复相合金与单相合金相比，除基体相以外， 还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的微 粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强 化作用。这种强化作用称为第二相强化。第二 相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用 ，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。五、合金元

12、素对钢的机械性能的影响 4、位错强化 位错强化是钢中常用的一种强化机制 ，主要着眼与位错数量与组态对钢塑变 抗力的影响。 7-3结构钢 一、低合金高强度结构钢 二、合金渗碳钢 三、合金调质钢 四、合金弹簧钢 五、滚动轴承钢 六、易切削钢一、低合金高强度结构钢 1. 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉 、高压容器、输油输气管道、大型钢结 构等。一、低合金高强度结构钢 2. 性能要求 (1) 高强度：一般其的屈服强度在300MPa以上 。(2) 高韧性：要求延伸率为15%23%，室温 冲击韧性大于60kJ/cm280kJ/cm2。对于大型 焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。 (3) 良好的焊

13、接性能和冷成型性能。 (4) 热加工性能与低碳钢接近。 (5) 良好的耐蚀性。一、低合金高强度结构钢 3. 成分特点 (1) 低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性 能的要求高，其碳含量不超过0.20%。 (2) 加入以锰为主的合金元素。 (3) 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的 铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮 化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和 提高钢的强度和韧性。一、低合金高强度结构钢 3. 成分特点 此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1% 左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少 量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材 净化，改善韧性和工艺性能。一、低合金高强度结构钢 4. 常用低合金结构钢 1

14、6Mn 是我国低合金高强钢中用量最多、 产量最大的钢种。使用状态的组织为细 晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳 素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐 蚀性能高20%38%。 一、低合金高强度结构钢 5. 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不 需要进行专门的热处理。使用状态下的 显微组织一般为铁素体+索氏体 二、合金渗碳钢 合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火及低温 回火后使用的合合金钢。 二、合金渗碳钢 1成分特点 (1)低碳 合金渗碳钢中碳的含量一般在Wc0.10 0.25之间，这是为了保证渗碳零件心部 具有良好的韧性。 (2) 加入合金元素铬(2%)、镍(4%)、锰(2%)和 硼(0

15、.004%)等可提高钢的淬透性，改善心部性 能。 (3)为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒 长大的强碳化物形成元素，如钛、钒、钼等， 它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效 地抑制渗碳时的过热现象。二、合金渗碳钢 2热处理和组织性能 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接 淬火，再低温回火。 热处理后，表面渗碳层的组织为回火马氏体+ 渗碳体+少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC 62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺 寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度 为40HRC48HRC；如末淬透则为屈氏体、回火 马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC40HRC。 心部韧性一般都高于700KJ/m2。 二、合金渗碳钢 3用途 凡是要求表面具有高的硬度和耐磨性， 心部具有较高的强度和足够韧性的零件 ，都可采用合金渗碳钢。 如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变 速箱齿轮 二、合金渗碳钢 4性能要求 合金渗碳钢的渗碳层具有优异的耐磨必、抗疲 劳性及适当的塑性和韧性 未渗碳的心部具有足够的强度及优良的韧性。 合金渗碳钢具有良好的热处理工艺性能，在渗 碳温度（900950）下奥氏体晶粒不易明显 长大。 还有良好的淬透性。二、合金渗碳钢 5常用合金渗碳钢。 按其淬透