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1、在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,2018年10月21日,第六章 金属材料应用和热处理,第一节 工业用钢,一、钢中合金元素,（一）合金元素在钢中的存在形式,钢中常加入的金属合金元素有Cr 、Mn、Ni、Mo、W、V、Ti 、Nb、Zr、Ta、Al、Co、Cu、Re等；常加入的非金属合金元素有C、N、B、Si，有时P、S也可起合金元素作用。,合金元素加入钢中，在钢中的主要存在形式有四种：,例如，Pb、Cu即不固溶也不形成化合物，所以常以游离态存在。,1）以固溶形式存在。,例如，非碳化物形成元素
2、可固溶于铁素体、奥氏体或马氏体中；,2）形成强化相。,例如，对于碳化物形成元素可形成特殊碳化物或溶入渗碳体形成合金渗碳体；,4）游离态存在。,3）形成夹杂物。,例如，合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物、硫化物。,（二）合金元素与铁、碳的相互作用,1. 合金元素与铁的相互作用,合金元素的加入，使铁的同素异构转变点A3、A4发生变化。其改变规律可由Fe-Me二元相图表现出来。,图6-1 扩大区的Fe-Me二元相图 a) 无限扩大区的Fe-Mn相图 b）有限扩大区的Fe-Cu相图,图6-2 缩小区的Fe-Me二元相图 封闭区的Fe-Cr二元相图 b）缩小区的Fe-Nb二元相图,2. 合金元素
3、与碳的相互作用,合金元素加入钢中，由于不同的合金元素与碳的亲合力不同。根据与碳相互作用情况可将钢中合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe为碳化物形成元素，它们与碳的亲和力按由Fe到Ti的顺序逐渐增强。其中Ti、Zr、V、Nb为强碳化物形成元素，W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，Mn、Fe为弱碳化物形成元素。合金元素与碳的亲合力越强，形成的碳化物越稳定，在钢中的溶解度也越小。碳化物具有高熔点、高硬度、脆性大等特点，是钢铁中的重要组成相。碳化物的成分、类型、数量、尺寸及分布对钢的性能有极重要影响。,（三）合金元素对铁碳相图的影响,图6-
4、3 合金元素对钢的临界点的影响 a）扩大区元素Mn的影响 b）缩小区元素Cr的影响,合金元素加入钢中，使钢的临界点的温度和含碳量发生改变，这使合金钢的热处理制度不同于碳钢。,钢的加热转变属于扩散相变，包括奥氏体生核、奥氏体晶核长大、残余碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。合金元素的加入对碳化物的溶解、碳和铁原子的扩散均有影响，所以必定对合金钢的奥氏体过程有重要影响。,首先合金元素的加入会对碳化物的溶解过程产生影响。 强碳化物形成元素加入钢中，与碳相互作用可形成稳定性更高的特殊碳化物，如TiC、NbC、VC等； 中碳化物形成元素与碳相互作用可形成稳定性较高的特殊碳化物如M23C6、M7C3、M2C、M
5、C等。 这些合金碳化物的稳定性高于渗碳体，要使这些合金碳化物溶入奥氏体，必须加热到更高温度，保温更长时间。故强碳化物形成元素与中碳化物形成元素加入钢中，阻碍碳化物溶解。钢中加入弱碳化物形成元素Mn，可降低强碳化物的稳定性，促进稳定性高的碳化物的溶解。碳化物形成元素的加入提高了碳在奥氏体中的扩散激活能，这对奥氏体形成有一定阻碍作用。非碳化物形成元素镍、钴降低碳在奥氏体中的扩散激活能，对奥氏体形成有一定促进作用。此外，残余碳化物的溶解完成后，还有奥氏体的均匀化过程，由于合金元素扩散缓慢，所以对于合金钢特别是高合金钢奥氏体的均匀化所需时间更长。 合金元素对奥氏体晶粒长大的影响因合金元素的不同而异。强
6、烈阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素有Al、Ti、Nb、V、Zr等，中等阻止的有W、Mo、Cr等，促进奥氏体晶粒长大的有P、C、Mn（高碳时），影响不大的有Si、Ni、Co、Cu等。,（四）合金元素对加热转变的影响,（五）合金元素对过冷奥氏体转变的影响,合金元素对过冷奥氏体转变的影响主要表现在对过冷奥氏体等温转变曲线的影响。由钢的冷却转变一节，我们知道除Co使C曲线左移外，所有合金元素溶入奥氏体，都增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,图6-4 强碳化物形成元素对C曲线的影响,Ti、Nb、V 、W、Mo等强、中碳化物形成元素升高珠光体转变温度范围，降低贝氏体转变温度范围，将C曲线变为“双鼻子”。它
7、们强烈推迟珠光体转变，但推迟贝氏体转变作用较弱。,图6-5 中、弱碳化物形成元素Cr、Mn对C曲线的影响,中碳化物形成元素Cr强烈推迟贝氏体转变，而对珠光体转变推迟作用较弱，对C曲线形状的影响如图6-5。,图6-6 非碳化物形成元素Al、 Si、对C曲线的影响,一般认为非碳化物形成元素Ni、Mn、Si、Co、Al、Cu只改变C曲线位置，但不改变形状。但很多文献报道Si、Al推迟贝氏体转变更强烈，其C曲线形状如图6-6。,（六）合金元素对回火转变的影响,合金元素加入钢中可提高钢的回火稳定性，使回火转变的各阶段的转变速度大大减缓，将其推到更高的温度范围。,1合金元素对马氏体分解的影响,固溶于马氏体
8、中的碳化物形成元素与碳的亲和力强，阻碍回火过程中碳的偏聚、亚稳碳化物和稳定碳化物的析出，推迟马氏体分解过程，可将碳钢马氏体分解完毕的温度由260左右提高到500左右。其中V、Nb提高钢的回火稳定性作用比W、Mo、Cr更强烈。,2合金元素对回火过程中残余奥氏体转变的影响,淬火钢中残余奥氏体的转变基本遵循过冷奥氏体等温分解规律。大多数合金元素的加入都增加奥氏体的稳定性，使淬火钢中残余奥氏体量增加，并使残余奥氏体分解温度升高。例如，含碳化物形成元素多的高合金钢淬火后，在500600温度加热，残余奥氏体并不分解，而是在随后冷却时发生残余奥氏体向马氏体的转变，这称为“二次淬火”。,3合金元素对回火过程中
9、碳化物析出的影响,Si、Al能抑制-Fe2.4C溶解和Fe3C析出，使碳钢马氏体分解完毕的温度由260左右提高到300以上，Cr也具有较弱的推迟作用。随回火温度升高，合金元素通过扩散重新分布，非碳化物形成元素将离开渗碳体，碳化物形成元素向渗碳体富集形成合金渗碳体，与此同时要发生合金渗碳体的粗化。非碳化物形成元素Si、Al和强、中碳化物形成元素对合金渗碳体的粗化起阻碍作用。,4合金元素对相的回复与再结晶的影响,大部分合金元素的加入均延缓了回火过程中的相的回复与再结晶过程。其主要原因有二个，其一是合金元素溶入钢的基体中，提高固溶原子的结合力，阻碍了原子扩散过程。其二是强、中碳化物形成元素还可形成高
10、度弥散分布的特殊碳化物钉扎位错，延缓相的回复与再结晶过程。其中Co、Mo、W、Cr、V显著提高相的再结晶温度，Si、Mn影响次之，Ni影响较小。,二、工程结构钢,工程结构钢包括碳素工程结构钢和低合金高强度钢。碳素工程结构钢冶炼容易，成本低廉，虽然含有较多有害杂质，但也能满足一般工程结构使用性能要求，因而应用较广，用量很大，约占工程结构钢的70%。在碳素工程结构钢基础上，加入少量合金元素所获得低合金高强度钢具有更高的强度，更低的韧脆转化温度，更高的抗大气腐蚀能力，可用于制作要求自重轻、承载大、力学性能要求高的重要的工程构件。,（一）碳素工程结构钢,按GB/T700-1998规定碳素工程结构钢按屈
11、服强度等级分为五级，即Q195、Q215、Q235 、Q255 、Q275。其中汉语拼音字母Q表示屈服强度，其后的数字表示屈服强度数值，单位MPa。其中Q195 与Q275未分等级；Q215与Q255只有A、B两个等级，Q235分A、B、C、D四个等级。等级的划分主要以有害元素硫、磷含量来划分。,其中A级不做冲击实验、B级做V型缺口常温冲击实验，C、D级做U型缺口常温或20冲击实验。碳素工程结构钢因冶炼脱氧方法不同可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢。用F表示沸腾钢，用b表示半镇静钢。碳素工程结构钢的等级及脱氧方法标注在钢牌号的屈服强度数值的后面，,（二）低合金高强度结构钢,Q390D质量等级 s
12、= 420MPa屈服点中“屈”字的汉语拼音第一个字母,10MnPNbREwRE=0.020.2%wNb=0.0150.05%wP=0.060.12%wMn=0.81.2%wC0.14%,表6-1低合金高强度结构钢新旧标准对照及用途,（三）提高低合金高强度结构钢力学性能的途径,1 控制轧制的应用,将含Nb、Ti的低合金高强度结构钢加热到12501350，使Nb、Ti的碳、氮化合物部分溶入奥氏体中，以便在随后的轧制过程中析出，抑制再结晶和限制奥氏体晶粒的长大，在轧后的冷却过程中弥散析出特殊碳化物和氮化物起到强化作用。,2 发展低碳贝氏体钢,钢中加入推迟先共析铁素体和珠光体转变作用强烈，推迟贝氏体转
13、变作用较弱的合金元素Mo、B，再加入Mn、Cr等元素进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使贝氏体转变开始点BS下降，在轧后空冷或正火状态下，可获得下贝氏体。下贝氏体具有优良的强韧性，更低的韧脆转折温度。,3 低碳马氏体钢,对于淬透性好的低合金高强度结构钢，如Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳马氏体钢可采用锻后直接淬火、自回火工艺，所获得的低碳马氏体具有高强度、高韧性和高疲劳极限，可达到合金调质钢的水平。,三、机械制造结构钢,机械制造结构钢又称机器零件用钢。用于制造各种机械零件，如轴类、齿轮、弹簧、轴承、紧固件和高强度结构等。机器零件在工作时可能呈受拉、压、弯、扭、冲击、摩擦等复杂应力作用，这些
14、应力可以是单向或交变的，工作环境可能是高温或在腐蚀介质条件下工作，零件破坏方式多种多样，所以要求机机械制造结构钢有优良的使用性能。,（一）调质钢,调质钢的碳含量为wC=0.30.5%之间，以保证调质后，碳化物有足够的体积分数，通过弥散硬化获得所需要的强度，但碳含量也不宜过高，防止塑性与韧性指标的下降。为了增加淬透性，调质钢中常加入Cr、Mn、Si、Ni和微量B以提高淬透性。此外，Mn、Si、Ni固溶于铁素体中还可起到固溶强化作用。为获得细化的铁素体晶粒，必须防止加热时奥氏体晶粒过分长大，所以常加入中、强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti、Nb等细化奥氏体晶粒。此外，合金调质钢有较大“回脆”倾向，
15、W、Mo的加入也可抑制“第二类回火脆性”的发生。,调质钢是根据淬透性高低进行分级的，也就是根据合金元素含量多少来分级。同一级别的调质钢在应用时可互换。,1调质钢的化学成分,2调质钢的热处理,表6-2常用调质钢的热处理工艺及力学性能,调质钢在热加工后，必须经过预备热处理降低硬度，以利于切削加工；预备热处理还可消除热加工缺陷，改善组织为淬火做好准备。对合金含量较低的钢，可采用正火或完全退火。对合金含量较高的钢采用正火加高温回火作为预备热处理。高温回火可使正火处理所得到的马氏体转变为粒状珠光体。,（二）渗碳钢与氮化钢,1 渗碳钢,表6-3常用的渗碳钢热处理工艺及力学性能,渗碳钢均为低碳钢，wC=0.
16、10.25%，个别钢种可到0.3%。低碳是保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性。为了增加淬透性加入Cr、Mn、Ni、Si、B；为了获得本质细晶粒钢加入少量W、Mo、Ti、V、Nb等中、强碳化物元素，防止渗碳温度下奥氏体晶粒粗化，以便实现渗碳直淬工艺，同时还可形成合金碳化物增加渗层耐磨性。,2 氮化钢,为了提高齿轮、曲轴、汽缸套、阀杆等零件的耐磨性和疲劳强度常采用表面强化渗氮。普通气体渗氮以氨气为渗剂，氮化温度一般为480570。为保证渗氮后心部组织有比较好的综合力学性能，渗氮钢多采用中碳合金钢，渗氮前要经过调质处理。钢中加入氮化物形成元素Al、Mo、Cr、V等可形成与基体共格的弥散分布的合金氮化物可显著提高氮化层的硬度和耐磨性。氮原子的渗入可显著提高了零件表面残余压应力，使工件疲劳强度与接触疲劳强度显著增高。最典型的氮化钢为38CrMoAlA钢，氮化后表面硬度可达HV9001000。不含Al的调质钢35CrMo、40Cr、40CrV等也可用于氮化，氮化后表面硬度也可达到HV500800，硬度梯度比38CrMoAlA要平缓。 所要说明的是不同碳含量的碳钢、合金钢、铸铁均可进行表面抗蚀氮化。抗蚀氮化能提高表面抗蚀性的原因是表面生成了致密的-Fe2-3N。此外，不锈钢也可通过固溶氮化实现不锈钢表面氮合金化，提高不锈钢抗局部腐蚀能力。,
