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1、第二章 钢的合金化基础,工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳钢是指碳的质量分数为0.02182.11%的铁碳合金，并含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。为改善碳钢的组织和性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为合金钢。,第一节 钢的分类与编号 一、钢的分类1.按化学成分分类,2.按用途分类,3.按质量分类,4.按冶炼方法分类,5.按金相组织分类（1）按退火组织分类 （2）按正火组织分类,二 钢的编号我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。 （一）碳钢的编号,1.普通碳素结构钢牌号表示法：Q（屈服汉语拼音字首）+屈服点数值（最低值
2、）+质量等级（A，B，C，D）+脱氧方法（Z，F）。例如：Q235-AF 表示屈服强度大于等于235MP的A级沸腾钢。Q235-C 表示屈服强度大于等于235MP的C级镇静钢 。 常用钢种,碳素结构钢的机械性能（摘自GB/T700-1988）,2.优质碳素结构钢 牌号表示法：该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45%的钢。 钢中含Mn量高时，Wn=0.7%-1.2%在数字后附有Mn例如：65Mn 表示Wc=0.65%，并含有较多的Mn的优质碳结构钢 脱氧方法单独（F）标出，特级优质碳结构钢后标“E”（S，P小于等于0.025%） 常用
3、钢种：08F，15F，10，15，20，25，30，35，40，45，50 15Mn，35Mn，50Mn，65Mn，70Mn,3.碳素工具钢牌号表示法： T（碳）+数字组成；数字表示钢的平均含C的千分数，均为优质钢，若含S，P更低，为A如 T8钢表示平均Wc=0.8%的碳工具钢，末尾“A”表示钢中S，P含量比相同含C的碳工具钢少，如：T10A 碳素工具钢,（二） 合金钢的编号,世界各国合金钢的编号方法不一样。钢的牌号应反应其主要成分和用途。我国合金钢是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的，比较简单明了1 在牌号首部用数字标明钢的碳含量，为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数
4、字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以干分之一为单位的数字(一位数)来表示碳含量(与碳钢编号一样)，而工具钢的碳含量超过1时，碳含量不标出。高速工具钢有些牌号，即使WC1%，其牌号前也不标出数字，W18Cr4V，其WC=0.70.8%。,2 在表明碳含量的数字之后，用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后的数字标明，平均含量少于15时不标数，平均含量为15249%、25349时，相应地标以2、3 3 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如，滚珠轴承钢在钢号前标以“G”字，易切削钢以“Y”字。 4 对于高级优质钢，则在钢号的末尾加“A字表明。 5 不锈钢中WC0.03或WC0.08时，牌号分别以
5、“00”或“0”为首 6 铸钢牌号为“ZG”+最低屈服点值+最低抗拉强度值。 7 高锰耐磨钢为“ZG”+ 锰的符号+锰含量+序号。,40Cr 平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下的合金结构钢。 5CrMnMo 平均碳质量分数为0.5%, 主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下合金工具钢。 GCr15 表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例, 铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。 Y40Mn 表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。 20Cr2Ni4A 高级优质结构钢。 ZGMn13-1
6、，表示锰的平均含量为13%的1号耐磨钢 ZG340-640，表示s340MPa,、b640MPa的铸钢 0Cr18Ni11Ti钢表示WC0.08的不锈钢,第二节 钢中常存杂质与合金元素 一、杂质元素对C钢性能的影响1. Mn 有益元素，来源于炼钢材料（MnFe脱O）；改善钢的质量 （脱O，S，Mn与SMnS以减轻S的有害作用）；Mn的存在形式（大部分溶入Fe中产生固溶强化，提高钢的强度，硬度，一部分Fe3C中以形成合金渗C体）；含Mn是（0.25%-0.8%）当Mn小时 对钢性能影响不大。2. Si 有益元素，改善钢的质量：脱O（SiFe）；来源：脱氧剂SiFe，炼钢材料； 形式：-Fe中固溶
7、强化；含量：镇静钢（用SiFe，MnFe，Al完全脱氧的钢）Wsi=0.1%-0.4%沸腾钢（MnFe脱氧，不完全脱氧钢）Wsi=0.03%-0.07% 影响不大 。,3. S ： 有害元素； 来源：炼钢用的矿石和燃料； 形式：FeS形式存在于钢中，S不溶于Fe， FeS+Fe形成低Tm共晶体（985），分布晶界上。当钢在1000-1200进行加工时，热脆。控制S含量，用Mn去S。 4. P：一般有害，矿石带入；P能溶入Fe中，使硬度强度上升，低温时更严重冷脆，所以，严格控制P的含量 5. O，H，N：O有害，机械性能下降；氧化物夹杂使疲劳强度降低；H 有害，引起氢脆，白点N 有害，使强度硬度
8、增加，塑性降低（可用Al脱N，消除N的脆化效应） 总之，杂质元素对钢材的性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围内。,二、 碳钢在应用中遇到的问题,随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。1淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10 mm20 mm。 2强度和屈强比较低普通碳钢Q235钢的s为235 MPa， 低合金结构钢Q345 (16Mn)的s则为360 MPa以上。 40钢的s /b仅为0.43, 合金钢35CrNi3Mo的s /b高达0.74。,3回火稳定性
9、差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高 4不能满足某些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。常加入的合金元素有：Mn 、Si、 Cr、 Ni、 Mo、 W 、V、 Ti、 B、 Al、 Nb、 Zr、 Re,三.合金元素在钢中的主要作用 1. 合金元素与Fe的相互作用,几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体, 按其对-Fe或-Fe的作用, 可将合金元素分为扩大奥
10、氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。 1） 奥氏体形成元素 亦称奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、 Mn、Co、C、N、Cu等, 它们使A3点(向相的转变点)下降, A4点(向相的转变点)上升, 从而扩大相存在范围。 其中Ni、Mn等加入到一定量后, 可使相区扩大到室温以下, 使相区消失, 称为完全扩大相区元素。 FeMn相图所示,2）缩小相区元素 亦称铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升, N点下降(铬除外, 铬质量分数小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅速上升), 从而缩小相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。 如Fe-
11、Cr相图所示,2.合金元素与C的相互作用,合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。都溶于铁素体和奥氏体中。 碳化物形成元素：Ti、 Zr、Nb、V、 Mo、 W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列)，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。,形成碳化物的规律 1）合金渗碳体 Mn与碳的亲和力小，大部分溶入-Fe或-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、 W、 Cr少
12、量时，也形成合金渗碳体硬度比渗碳体高 2）合金碳化物中强碳化物形成元素 Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C)合金碳化物 3）特殊碳化物Ti 、V 等与碳亲和力较强时形成。特殊碳化物有高的熔点、硬度和耐磨性，当在钢中弥散分布时，将显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，且韧性不降低 。,3. 合金元素对铁碳相图临界点的影响A1、 A3 ：扩大AA1 、 A3 ；缩A A1 、 A3 S：MS左移，使共析点含C量降低，E：ME左移 使含碳量相同的碳钢与合金钢具有不同的组织和性能,a) 锰的影响 b）铬的影响 图6-2合金元素锰、铬对Fe-Fe3C相图的影响,（一） 强化机制强化就是强度增高的现象。强度一
13、般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变形是位错的运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。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,4. 合金元素对钢的强度的影响,1）固溶强化 定义：当溶质原子溶入基体中形成的固溶体能强化基体时称 机制：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。,2）晶界强化（细晶）：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。 3）
14、第二相强化：位错运动通过位于滑移面上第二相粒子时，需要消耗额外能量，使合金发生强化。 4）位错强化：交割割阶缠结位错受阻,（二） 钢的强化 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。 钢淬火形成马氏体：马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应；马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。因此淬火马氏体具有很高的硬度，但脆性较大。 淬火后回火：马氏体中析出细碳化物粒子间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍
15、具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。,5.合金元素对相变过程的影响,1）合金元素对钢加热转变的影响碳钢A化过程：形成，残余碳化物溶解，均匀化，晶粒长大. 奥氏体化过程与碳的扩散能力有关. Cr，W，Mo，V碳化物形成元素 C扩散， A形成，残余碳化物的溶解，使A均匀化的时间加长 .为加速T，t 合金钢的加热温度比碳钢高,合金元素对奥氏体晶粒长大的影响 ：Me均不同程度的影响奥氏体晶粒长大倾向 a. 强碳化物形成元素Ti，Er，Nb，V；Al 强烈阻止奥氏体长大元素；b. 中等阻碍晶
16、粒长大 Cr，Mo，W；c. 影响不大 Si，Ni，Cu；d. 促进晶粒长大 Mn，P，B Mn钢过热倾向，温度增加不易提高 ；,2）合金元素对过冷奥氏体转变的影响,对过冷稳定性的影响除Co、Al外，均使C曲线右移，增大稳定性，使孕育期增大，淬透性增加。 对C曲线形状的影响 a. 非碳化物,弱碳化物 C曲线右移；硅、镍、锰 b. 碳化物形成元素 P区和B区两区，中间一个稳定区域，铬、钨、钼,a）镍、硅、锰的影响 b）铬、钨、钼的影响图6-3合金元素对C曲线的影响,Me对马氏体相变的影响 除Co，Al例外，大多数固溶于A中的Me均等Ms，Mf下降。 Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏体量增多。 残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下), 以使其转变为马氏体; 或进行多次回火, 这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生二次淬火)。,
