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固溶强化
第一章 钢的合金化原理 §1-1 钢中的合金元素及合金钢概述 一、合金元素在钢中的分布 钢是铁基合金,钢中除Fe元素外,还有以下4类元素: 常存元素:C、Si、Mn、P、S即钢中的五大元素; 偶存元素:由于矿石、废钢中含有的在冶炼及工艺操作时,带入钢中,如Cu等; 隐存元素:原子半径较小的非金属元素,如H、O、N等; 合金元素:为保证获得所要求的组织结构,物理、化学性能而特别添加到钢中的化学元素。 钢中除基本元素C以外,不是“特别添加”的元素,又称为“杂质”或“残余元素”。 同一元素既可作为杂质又可能作为添加的合金元素,一般根据其含量而定。 如P、S一般看作杂质元素,其含量≤0.05%。 易切削钢中,S含量可达0.3~0.4%,是作为改善切削性能的合金元素。 在耐蚀钢中,P含量可达0.06~0.15%,可看作是提高耐蚀性的合金元素。 目前钢铁中常用的合金元素有十几个,分属于元素周期表中不同周期: 第二周期:B、C、N 第三周期:Al、Si、P、S 第四周期:Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu 第五周期:Zr、Nb、Mo 第六周期:W、Ta 第七周期:稀土元素 元素在钢中的存在形态 (1)以溶质形式溶入固溶体,如:溶入铁素体,奥氏体和马氏体中。 (有利) (2)形成强化相,形成碳化物或金属间化合物。(有利) (3)形成非金属夹杂物,如氧化物(Al2O3、SiO2等),氮化物和硫化物(MnS、FeS等)(有害、尽量减少) (4)以游离态存在,如C以石墨状态存在(一般也有害) 元素以哪种形式存在,取决于元素的种类、含量、冶炼方法及热处理工艺等。 二、合金钢定义与分类 1、定义: 合金钢:在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。 2、分类: 在给钢产品命名时,往往把成分、质量和用途分类方法结合起来。 如:优质碳素结构钢,合金工具钢等。 三、合金钢的编号原则 GB221—2000《钢铁产品牌号表示方法》中给予了规定。一般原则为: 平均碳含量+合金元素符号+合金元素平均含量 平均碳含量 ——数字。 结构钢:两位,以 0.01%为一个单位; 工具钢:一位,以0.1%为一个单位,≥1%,不标。 合金元素符号 —— 以汉字或化学元素符号表示。 合金元素平均含量 —— 数字,以1%为一个单位,含量≤1.5%,不标出。 高级优质钢,钢号尾部加 “A”。 特级优质钢,钢号尾部加 “E”。 例:12CrNi3A、9SiCr。 滚动轴承钢的编号为特例: GCr×× “G” ——“滚”字汉语拼音的第一个字母,表示专用钢; “Cr”——合金元素铬的化学符号; “××”——铬含量,以0.1%为单位,而含碳量不标出。 例:GCr15。 §1-2 合金元素的分类及与铁和碳的相互作用 一、按与铁的相互作用分类 合金元素可以改变铁的同素异晶转变温度A3(α γ)和A4(γ δ)。 使“Fe-Me”二元相图出现扩大γ相区和缩小γ相区两个大类型。 每个大类再分为两小类,合金元素也可依此类型分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两大类。 1、奥氏体形成元素(扩大γ相区元素或γ稳定化元素) 使A3点↓,A4点↑,在较宽的成分范围内,促使奥氏体形成,即扩大了γ相区。能与γ- Fe形成固溶体,依扩大γ相区的程度可分为两小类。 a、无限扩大γ相区的元素:有Mn、Ni、Co等。与γ- Fe形成无限固溶体与α- Fe形成有限固溶体。当合金元素超过某一限量后,可在室温得到稳定的γ相。 b、有限扩大γ相区的元素,有C、N、Cu、Zn、Au。它们与γ- Fe形成有限的固溶体,与α- Fe形成更加有限的固溶体。 2、铁素体形成元素(缩小γ相区元素或α稳定化元素) 使A3点↑,A4点↓,在较宽的成分范围内,促进铁素体形成,依缩小γ相区的程度又分为两小类。 a、封闭γ相区的元素,无限扩大α相区的元素:有Cr、V(与α- Fe无限互溶)、Mo、W、Ti、Si、Al、P、Be(与α- Fe有限互溶),使γ相区缩小到一个很小的面积,形成由γ+α两相区封闭的γ相圈。 b、缩小γ相区的元素,有B、Nb、Ta、Zr等,这类元素与γ- Fe和α- Fe均形成有限固溶体,使γ相区缩小,但并未完全封闭。 3、通过控制钢中合金元素的种类和含量可获得所需的组织。 如: 欲发展奥氏体钢时,需向钢中的加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素。 欲发展铁素体钢时,需向钢中的加入Cr、Si、Al、Ti等铁素体形成元素。 二、按与碳的相互作用分类 合金元素与碳的相互作用主要表现在:是否易于形成碳化物,或者形成碳化物倾向性的大小。 碳化物是钢中最重要的强化相,对于决定
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