第2章合金钢..doc

第二章 合金钢 由于碳钢存在着强度低、淬透性低、热硬性差和不能满足某些特殊的物理化学性能等缺点，因而其应用受到一定限制。为了提高钢的力学性能，改善工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，炼钢时有目的的向钢中加入某些合金元素，就得到了低合金钢和合金钢。习惯上把低合金钢和合金钢统称为合金钢。常加入的合金元素有：锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、硼(B)、铝(Al)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土(Re)等。 第一节 合金元素在钢中的作用 合金元素对钢的相变、组织和性能的影响取决于它们与钢中的铁或碳的相互作用。 一、合金元素对钢中基本相的影响 铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。非碳化物形成元素如镍、硅、铝、钴等及与碳亲和力较弱的碳化物形成元素如锰，主要溶于铁素体中，形成合金铁素体。碳化物形成元素如锆、铌、钛、钒、钨、钼、铬等，可以溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可以和碳直接结合形成特殊合金碳化物。 1、合金铁素体 合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。图7-1和7-2为几种合金元素对铁素体的硬度和韧性的影响。由图可见，硅、锰显著提高铁素体的硬度，当Si0.6%、Mn1.5%时，对韧性的影响不大。铬、镍这两个元素，在适当的含量范围内（Cr2%、Ni5%），不但提高铁素体的硬度，而且能提高其韧性。为此，在合金结构钢中，为了获得良好的强化效果，对铬、镍、硅、锰等合金元素要控制在一定的含量范围内。 2、形成碳化物 作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。按形成碳化物的稳定程度，可将合金元素按由强至弱的顺序排列成钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁。 锰是弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比铁强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,Mn)3C，这种碳化物的熔点较低、硬度较低、稳定性较差。 铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等，这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比渗碳体高。 铌、钒、钛是强碳化物形成元素，它们在钢中优先形成特殊碳化物，如NbC、VC、TiC等。它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。 二、合金元素对铁碳合金相图的影响 合金元素的加入对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。 合金元素会使奥氏体相区扩大或缩小。镍、锰、碳、氮等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，是奥氏体形成元素，特别以镍、锰的影响更大。图7-3a)为Mn对铁碳合金相图的影响。铬、钼、硅、钨等元素使奥氏体相区缩小，是铁素体形成元素。图7-3b)为Cr对相图的影响。 由图7-3可见，随着Mn含量的增加，共析转变温度和共析成分向低温、低碳方向移动。因此，当Mn含量相当高时，由于扩大奥氏体区的结果，又可能在室温下形成单相奥氏体钢；而随着Cr含量的增加其共析温度和共析成分向高温、低碳方向移动，因此，当含Cr量相当高时，由于缩小奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相铁素体钢。此外，由于上述合金元素的作用，而使铁碳合金相图的S点和E点的含碳量降低，从而使钢中的组织与含碳量之间的关系发生变化。 三、合金元素对钢热处理的影响 如第六章所述，合金元素对钢在加热时奥氏体化及过冷奥氏体分解过程都有着重要的影响。此外，合金元素对回火转变也产生一定的影响。 将淬火后的合金钢进行回火时，其回火过程的组织转变与碳钢相似，但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点： 1、提高钢的回火稳定性 淬火钢件在回火时，组织分解和转变快慢的程度称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降少的其回火稳定性较高。 由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢来得高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度都比碳钢高。如图7-4所示为含0.35%C的钢中加入不同的钼，经淬火后回火时的硬度变化情况。 2、产生二次硬化 当含钨、钼、钒、钛量较高的淬火钢，在500～600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，把这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。图7-4表明含Mo量大于2%的钢产生二次硬化的情况。这是因为含上述合金元素较多的合金钢，在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC、TiC等，这