鋼的合金化原理

1合金化原理 1主要內(nèi)容： 11.1碳鋼概論 1一、碳鋼中的常存雜質(zhì) 1二、碳鋼的分類 2三、碳鋼的用途 21.2鋼的合金化原理 3一、合金元素的存在形式※ 3二、合金元素與鐵和碳的相互作用及其對γ層錯(cuò)能的影響 4三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響 5四、合金元素對鋼的熱處理的影響 6五、合金元素對鋼性能的影響 71.3合金鋼的分類 71合金化原理主要內(nèi)容：概念：⑴合金元素：特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機(jī)械性能的化學(xué)元素。⑵雜質(zhì)：冶煉時(shí)由原材料以及冶煉方法、工藝操作而帶入的化學(xué)元素。⑶碳鋼：含碳量在0.0218-2.11%范圍內(nèi)的鐵碳合金。⑷合金鋼：在碳鋼基礎(chǔ)上加入一定量合金元素的鋼。①低合金鋼：一般指合金元素總含量小于或等于5%的鋼。②中合金鋼：一般指合金元素總含量在5～10%范圍內(nèi)的鋼。③高合金鋼：一般指合金元素總含量超過10%的鋼。④微合金鋼：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能顯著影響組織和性能的鋼。1.1碳鋼概論一、碳鋼中的常存雜質(zhì)1.錳（Mn）和硅（Si）⑴Mn：WMn％<0.8％①固溶強(qiáng)化②形成高熔點(diǎn)MnS夾雜物（塑性夾雜物），減少鋼的熱脆（高溫晶界熔化，脆性↑）⑵Si：WSi％<0.5％①固溶強(qiáng)化②形成SiO2脆性夾雜物，⑶Mn和Si是有益雜質(zhì)，但夾雜物MnS、SiO2將使鋼的疲勞強(qiáng)度和塑、韌性下降。2．硫（S）和磷（P）⑴S：在固態(tài)鐵中的溶解度極小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔點(diǎn)共晶。發(fā)生熱脆(裂)。⑵P：可固溶于α-鐵，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能。⑶S和P是有害雜質(zhì)，但可以改善鋼的切削加工性能。3．氮（N）、氫（H）、氧（O）⑴N：在α-鐵中可溶解，含過飽和N的鋼析出氮化物—機(jī)械時(shí)效或應(yīng)變時(shí)效（經(jīng)變形，沉淀強(qiáng)化，強(qiáng)度↑，塑性韌性↓，使其力學(xué)性能改變）。N可以與釩、鈦、鈮等形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。⑵H：在鋼中和應(yīng)力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。⑶O：在鋼中形成硅酸鹽（2MnO?SiO2、MnO?SiO2）或復(fù)合氧化物（MgO?Al2O3、MnO?Al2O3）。⑷N、H、O是有害雜質(zhì)。二、碳鋼的分類1．按鋼中的碳含量⑴按Fe-Fe3C相圖分類：亞共析鋼，共析鋼（Wc=0.77%）；過共析鋼⑵※按鋼中碳含量的多少分類：低碳鋼：wc≤0.25%；中碳鋼：0.25%＜wc≤0.6%；高碳鋼：wc＞0.6%2．按鋼的質(zhì)量（品質(zhì)），碳鋼可分為①普通碳素鋼②優(yōu)質(zhì)碳素鋼③高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼④特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼3．按鋼的用途分類，碳鋼可分為※⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于各種工程構(gòu)件，如橋梁、船舶、建筑構(gòu)件等。也可用于不太重要的機(jī)件。⑵優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種機(jī)器零件，如軸、齒輪、彈簧、連桿等。⑶碳素工具鋼：主要用于制造各種工具，如刃具、模具、量具等。⑷一般工程用鑄造碳素鋼：主要用于制造形狀復(fù)雜且需一定強(qiáng)度、塑性和韌性零件。4．按鋼冶煉時(shí)的脫氧程度分類，可分為⑴沸騰鋼（脫氧不徹底）代號為F。⑵鎮(zhèn)靜鋼（脫氧徹底）代號為Z。⑶半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧程度介于F與Z之間），代號為b。⑷特殊鎮(zhèn)靜鋼：指進(jìn)行特殊脫氧的鋼，代號為TZ。三、碳鋼的用途1-普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（※不經(jīng)熱處理）⑴主要用于一般工程結(jié)構(gòu)和普通零件⑵熱軋后空冷是這類鋼通常的供貨狀態(tài)⑶普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法：由代表屈服點(diǎn)的字母（Q）、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號（F、b、Z、TZ）等四個(gè)部分組成例：※Q235A、Q235B、Q2552-優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（亞共析鋼或共析鋼，一般經(jīng)熱處理）⑴用于較為重要的機(jī)械零件⑵供貨狀態(tài)可以是熱軋后空冷，也可以是退火、正火等狀態(tài)，⑶牌號一般用兩位數(shù)字表示：※20鋼、45鋼、08F、10F、15F、20q、16MnR、①優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中有三個(gè)鋼號是沸騰鋼，它們是08F、10F、15F。半鎮(zhèn)靜鋼標(biāo)“b”，鎮(zhèn)靜鋼一般不標(biāo)符號。②高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加符號“A”，特級碳素結(jié)構(gòu)鋼加符號“E”。③專用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：※20g卻時(shí)它們從固溶體中的析出，以及熱處理過程中元素在各相間的再分配這些問題時(shí)，具重要意義②擴(kuò)散激活能和擴(kuò)散系數(shù)：ⅰ碳化物形成元素：提高了C在A中結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能升高擴(kuò)散系數(shù)下降。（如Cr、Mo和W等）ⅱ非碳化物形成元素：降低了C在A中的結(jié)合力，因而使擴(kuò)散激活能下降，擴(kuò)散系數(shù)升高。（如Ni、Co）ⅲ需要指出的是Si是個(gè)例外（Si雖提高C的活度，但同時(shí)降低了Fe原子的活動性）ⅳ總之，合金元素與碳的相互作用具有重大的實(shí)際意義:它關(guān)系到所形成的碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布。同時(shí)對鋼的熱處理亦有較大的影響，如奧氏體化溫度和時(shí)間，奧氏體晶粒的長大等。3．合金元素對奧氏體層錯(cuò)能的影響⑴層錯(cuò)能：晶體中形成層錯(cuò)時(shí)增加的能量。⑵層錯(cuò)能越低，越有利于位錯(cuò)擴(kuò)展和形成層錯(cuò)，使滑移困難，導(dǎo)致鋼的加工硬化趨勢增大。⑶舉例：高M(jìn)n鋼和高Ni鋼都是奧氏體型鋼，但加工硬化趨勢相差很大。①※高Ni鋼易于變形加工，Ni、Cu和C等元素使奧氏體層錯(cuò)能提高。②※高M(jìn)n鋼則難于變形加工，Mn、Cr則降低奧氏體的層錯(cuò)能。三、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響1．合金元素對奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響⑴擴(kuò)大γ相區(qū)的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均擴(kuò)大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。⑵縮小γ相區(qū)的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域。2．合金元素對Fe-Fe3C相圖共析點(diǎn)S的影響⑴Me對共析轉(zhuǎn)變溫度的影響①擴(kuò)大γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；②縮小γ相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖的共析轉(zhuǎn)變溫度上升。⑵Me對共析點(diǎn)（S）成分的影響①幾乎所有合金元素都使S點(diǎn)（圖1-9）碳含量降低，尤其以強(qiáng)碳化物形成元素的作用最為強(qiáng)烈。②共晶點(diǎn)E的碳含量也隨合金元素增加而降低。=3\*GB3③合金元素使得S與E點(diǎn)左移四、合金元素對鋼的熱處理的影響1．Me對鋼加熱時(shí)奧氏體形成過程的影響原因：①合金元素的加入改變了臨界點(diǎn)的溫度、S點(diǎn)的位置和碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化；②由于奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散過程，合金元素原子不僅本身擴(kuò)散困難，而且還將影響鐵和碳原子的擴(kuò)散，從而影響奧氏體化過程。奧氏體形成過程：①奧氏體的形核②奧氏體的長大③滲碳體的溶解④奧氏體成分均勻化⑴Me對奧氏體形成速度的影響①奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長大，兩者都與碳的擴(kuò)散有關(guān)。ⅰ非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增大奧氏體的形成速度。ⅱ強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散，大大減慢了奧氏體的形成速度。②碳化物的溶解：穩(wěn)定性高的碳化物，要求其分解并溶入奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。③奧氏體的成分均勻化：由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體成分均勻化，碳和合金元素均需擴(kuò)散。④注意：由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對合金鋼應(yīng)采取較高的加熱溫度和較長的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的奧氏體，從而充分發(fā)揮合金元素的作用。但對需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過高的加熱溫度和過長的保溫時(shí)間。⑵Me對奧氏體晶粒長大傾向的影響原因：合金元素形成的碳化物在高溫下越穩(wěn)定，越不易溶入奧氏體中，能阻礙晶界長大，顯著細(xì)化晶粒。①Ti、Nb、V等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長大，Al在鋼中易形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)，也能強(qiáng)烈阻止晶粒長大；②W、Mo、Cr等阻礙奧氏體晶粒長大的作用中等；③Ni、Si、Co、Cu等阻礙奧氏體晶粒長大的作用輕微；④Mn、P、B則有助于奧氏體的晶粒長大。Mn鋼有較強(qiáng)烈的過熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時(shí)間應(yīng)較短。2．Me對鋼的過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響主要表現(xiàn)在合金元素可以使鋼的C曲線發(fā)生顯著變化?！?1\*GB3①對高溫轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）的影響；=2\*GB3②對中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體轉(zhuǎn)變）的影響；=3\*GB3③對低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體轉(zhuǎn)變）的影響。⑴對珠光體轉(zhuǎn)變的影響①除Co外，幾乎所有的合金元素使C曲線右移（↑A穩(wěn)定性）②Me的加入對鋼還有固溶強(qiáng)化的作用；③合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。（如果淬火加熱溫度不高，保溫時(shí)間較短，由于未溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。）④兩種或多種合金元素同時(shí)加入對淬透性的影響要比兩單個(gè)元素影響的總和強(qiáng)得多∴合金鋼采用多元少量合金化原則，可最有效地發(fā)揮各種合金元素提高鋼的淬透性的作用。⑵對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響原因：合金元素對貝氏體轉(zhuǎn)變的作用是通過對γ→α轉(zhuǎn)變和碳原子的擴(kuò)散的影響而起作用。①合金元素還改變貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)過程，增長轉(zhuǎn)變孕育期，減慢長大速度。②B、Mo、Mn對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響。⑶對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響：合金元素的作用表現(xiàn)在對馬氏體點(diǎn)Ms~Mf溫度的影響，并影響鋼中殘留奧氏體含量及馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。①除Co、Al以外，絕大多數(shù)合金元素都使Ms和Mf下降②Ms和Mf點(diǎn)的下降，使得室溫下殘留奧氏體量增多（溫度差↓轉(zhuǎn)變少）3．合金元素對淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過程的影響主要表現(xiàn)在提高鋼的回火穩(wěn)定性，即鋼對回火時(shí)發(fā)生軟化過程的抵抗能力，使回火過程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。⑴Me對馬氏體分解的影響⑵Me對殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響⑶Me對碳化物的形成、聚集和長大的影響⑷Me對鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響⑸Me對回火脆性的影響（Mo、W、Ti、Al和稀土元素減弱回火脆性）五、合金元素對鋼性能的影響⑴⑴⑵1.3合金鋼的分類1．按化學(xué)成分分類⑴按鋼中所含合金元素的種類分，可分為：錳鋼、鉻鋼、硅鋼等⑵按鋼中合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分，可分為：低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，微合金鋼。2．按鋼的用途分類⑴合金結(jié)構(gòu)鋼：工程構(gòu)件用鋼（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）和機(jī)械制造