第二章5鋼的合金化

2.5

鋼的合金化

第2章金屬材料組織和性能的控制2.5.1合金元素與鐵、碳的作用

合金元素主要以三種形式存在鋼中：

溶于鐵中，形成固溶體；與碳化合，形成碳化物；形成金屬化合物。

1、擴(kuò)大γ相區(qū)的元素（奧氏體穩(wěn)定化元素）

Mn、Ni、Co、C、N、Cu等

使A4點(diǎn)(δγ轉(zhuǎn)變點(diǎn))上升,A3點(diǎn)(γα轉(zhuǎn)變點(diǎn))下降,擴(kuò)大γ相范圍。

一、溶于鐵中形成固溶體

溶入奧氏體中,形成合金奧氏體。溶入鐵素體中，形成合金鐵素體。

C、N、Cu等，γ相區(qū)不能擴(kuò)大到室溫，稱為部分?jǐn)U大γ相區(qū)的元素。

Ni、Mn等加入到一定量后，使γ相區(qū)擴(kuò)大到室溫，稱完全擴(kuò)大γ相區(qū)元素。(a)Fe-Cu相圖

(b)Fe-Mn相圖擴(kuò)大γ-相區(qū)的相圖

2、縮小γ相區(qū)元素（鐵素體穩(wěn)定化元素）

Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr

使A3點(diǎn)上升,A4點(diǎn)下降。縮小γ相區(qū)存在的范圍,使鐵素體區(qū)擴(kuò)大。鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時(shí),A3點(diǎn)下降。大于7%后,A3點(diǎn)迅速上升。B、Nb、Zr部分縮小γ相區(qū)的元素。

Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si完全封閉γ相區(qū)的元素。(a)Fe-Nb相圖

(b)Fe-Cr相圖縮小γ-相區(qū)的相圖

二、形成碳化物

合金元素按與鋼中碳的親和力的大小分為：碳化物形成元素、非碳化物形成元素

●碳化物形成元素：

Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn

按碳化物的穩(wěn)定性程度由強(qiáng)到弱排列。固溶于基體相中:F(Mn)、A(Cr)

形成合金滲碳體:(Fe、Cr)3C

形成合金碳化物：Cr7C3、VC、WC

●非碳化物形成元素：

Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B

都溶于鐵素體和奧氏體中。2.5.2合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響

Mn、Ni、Co、C、N、Cu擴(kuò)大γ相區(qū)，使S點(diǎn)下降；Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si縮小γ相區(qū)，使S點(diǎn)上升。

合金元素使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。幾乎所有的合金元素都使S點(diǎn)和E點(diǎn)左移,強(qiáng)碳化物形成元素作用強(qiáng)烈。Ni或Mn的含量較多時(shí),可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織。如12Cr18Ni9(1Cr18Ni9)奧氏體不銹鋼

ZGMn13高錳鋼

Cr、Ti、Si等超過一定含量時(shí),可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織。如10Cr17Mo(1Cr17Mo)高鉻鐵素體不銹鋼（括弧內(nèi)為舊牌號(hào)）

2.5.3合金元素對(duì)鋼熱處理的影響

一、合金元素對(duì)加熱時(shí)相變的影響

1、對(duì)奧氏體形成速度的影響

●Cr、Mo、W、V等與碳形成難溶于奧氏體的合金碳化物,顯著減慢奧氏體形成速度。

●Co、Ni等增大碳的擴(kuò)散速度,使奧氏體的形成速度加快。

●Al、Si、Mn等對(duì)奧氏體形成速度影響不大。

2、對(duì)奧氏體晶粒大小的影響

●強(qiáng)烈阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素：V、Ti、Nb、Zr等。

●中等阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素：W、Mo、Cr等。

●對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響不大的元素：Si、Ni、Cu等。

●促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P等。

二、合金元素對(duì)過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響

●對(duì)淬透性影響除Co外,幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性,推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變,使C曲線右移,提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素：

Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。兩種或多種合金元素同時(shí)加入(鉻錳、鉻鎳),比單個(gè)元素對(duì)淬透性的影響要強(qiáng)得多。老師提示

加入的合金元素,只有溶于奧氏體時(shí),才能提高淬透性。如果未完全溶解,則碳化物會(huì)成為珠光體的核心,反而降低鋼的淬透性。合金元素對(duì)過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響●對(duì)殘余奧氏體量的影響除Co、Al外,多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點(diǎn)下降。作用大小的次序：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。

Mn的作用最強(qiáng),Si影響很小。

Ms和Mf點(diǎn)的下降,使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。

殘余奧氏體量過多時(shí)，進(jìn)行冷處理(冷至Mf點(diǎn)以下),轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。或進(jìn)行多次回火，殘余奧氏體因析出合金碳化物會(huì)使Ms、Mf點(diǎn)上升，在回火后冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(二次淬火)。

三、合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響

1、提高回火穩(wěn)定性

鋼的回火穩(wěn)定性：鋼對(duì)回火軟化的抗力。

合金元素推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變)。合金元素提高鐵素體的再結(jié)晶溫度。合金元素使碳化物難以聚集長(zhǎng)大。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素

V、Si、Mo、W、Ni、Co

2、產(chǎn)生二次硬化

Mo、W、V含量較高的合金鋼回火時(shí),硬度不是隨回火溫度升高單調(diào)降低,到某一溫度(約400℃)后開始增大,并在更高溫度(一般為550℃左右)達(dá)到峰值。稱二次硬化現(xiàn)象。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼硬度與回火溫度的關(guān)系

(1)當(dāng)回火溫度低于450℃時(shí),鋼中析出滲碳體，硬度降低。在450℃以上滲碳體溶解,鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度升高,稱為沉淀硬化。

(2)回火時(shí)冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火也導(dǎo)致硬度升高。產(chǎn)生二次硬化的原因

3、增大回火脆性

和碳鋼一樣,合金鋼也產(chǎn)生回火脆性,而且更明顯。這是合金元素的不利影響。鉻鎳鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系

高溫回火脆性：在450℃～600℃間發(fā)生的第二類回火脆性。與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān),多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。老師提示

回火后快冷(通常用油冷)可防止回火脆性發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo,1%W)可基本上消除這類脆性。2.5.4合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響

一、合金元素對(duì)鋼熱加工性能的影響

1、對(duì)鑄造性能影響

Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點(diǎn)碳化物或氧化物質(zhì)點(diǎn),增大鋼的粘度,降低流動(dòng)性,使鑄造性能惡化。

2、對(duì)鍛造性能影響合金元素溶入固溶體中,或形成碳化物,都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降，容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工性能比碳鋼要差得多。

3、對(duì)焊接性能影響

合金元素都提高鋼的淬透性,促進(jìn)脆性組織(馬氏體)的形成,使焊接性能變壞。鋼中含有少量Ti和V,可改善鋼的焊接性能。

二、合金元素對(duì)鋼冷加工性能的影響

1、對(duì)塑性變形的影響合金元素溶于固溶體，加劇鋼的加工硬化,使鋼變硬、變脆,易開裂或難于繼續(xù)變形。2、對(duì)深沖性能的影響

Si、Ni、Cr、V、Cu等降低鋼的深沖性能,Nb、Ti、Zr和Re能改善碳化物的形態(tài),可提高鋼的沖壓性能。3、對(duì)切削性能的影響鋼適合于切削加工的硬度范圍為170HB～230HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以改善鋼的切削性能。

三、合金元素對(duì)鋼熱處理工藝性能的影響

熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向。

合金元素提高鋼的淬透性，鋼淬火時(shí)采用比較緩慢的冷卻方法，減少工件變形和開裂。

Mn、Si增大鋼的過熱敏感性。

Mn、Cr、Ni增加高溫回火脆性。

Mo、W

基本消除高溫回火脆性。

Si促進(jìn)脫碳；

Cr降低脫碳。

合金元素提高鋼的強(qiáng)度。提高強(qiáng)度,要設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。2.5.5合金元素對(duì)鋼的性能的影響一、合金元素對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響

金屬中的強(qiáng)化機(jī)制：

固溶強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化第二相(沉淀和彌散)強(qiáng)化合金元素的強(qiáng)化作用,利用了這些強(qiáng)化機(jī)制。

1、對(duì)正火狀態(tài)下鋼的力學(xué)性能的影響

合金元素降低共析點(diǎn)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（S點(diǎn)左移)，使C曲線右移,使組織中的珠光體增多,珠光體層片減薄。鋼的強(qiáng)度增加,塑性下降。

合金鋼在正火（空冷）狀態(tài)下可得到層片距離更小的珠光體,或貝氏體甚至馬氏體組織,強(qiáng)度增加。

Mn、Cr、Cu的強(qiáng)化作用較大。

2、對(duì)淬火、回火狀態(tài)下鋼的力學(xué)性能的影響

獲得馬氏體并回火是鋼的最經(jīng)濟(jì)和最有效的強(qiáng)化方法。

●回火時(shí)析出碳化物,造成強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化，同時(shí)使韌性大大改善?！裥纬晌诲e(cuò)馬氏體。●固溶強(qiáng)化鐵素體或馬氏體?！窦?xì)化晶粒。

合金元素提高淬透性，使鋼容易得到馬氏體。合金元素提高回火穩(wěn)定性,使馬氏體保持到較高溫度。合金元素在回火時(shí)析出第二相更細(xì)小、均勻和穩(wěn)定。合金鋼比碳鋼具有更高的強(qiáng)度、韌性。

二、對(duì)其他性能的影響

1、提高熱硬性W、Mo、V

鋼在高溫保持高硬度的能力。

2、提高耐蝕性Cr、Ni

3、提高耐熱性Cr、W、Mo、Al、Si4、提高耐磨性

W、Mo、V、Ti

一、碳鋼的不足

1、碳鋼的淬透性低。在制造大尺寸和形狀復(fù)雜的零件時(shí)，不能保證性能均勻和形狀不變。2.5.6合金化的工程應(yīng)用

2、碳鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比較低。

使工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備笨重。普通碳鋼Q235鋼的σs為235Mpa。低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345(16Mn)的σs為345MPa以上。

40鋼的σs/σb僅為0.43。合金鋼35CrNi3Mo的σs/σb高達(dá)0.74。3、碳鋼回火穩(wěn)定性差。在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，很難保證韌結(jié)合，綜合力學(xué)性能不高。4、碳鋼不能滿足特殊使用性能的需求?？寡趸?、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損等方面往往較差。

為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素，所獲得的鋼稱為合金鋼。

二、合金化的工程應(yīng)用實(shí)例1:

40鋼：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。調(diào)質(zhì)處理后σs最低為355MPa。只能制造強(qiáng)度、韌性要求不高的螺栓、軸類零件。

40Cr：冶煉時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)