第5章碳素钢与合金钢详解.ppt

第5章 碳素钢与合金钢;碳素钢（碳钢）：含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。 合金钢：在碳钢基础上添加适量合金后形成。;按化学成份分 ;按用途分;硅：能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。硅来自炼钢时的生铁和脱氧剂硅铁。作为杂质存在时，硅的质量分数不超过0.5%，多在ωSi=0.10-0.40% 。硅在钢中是有益元素，含量不多而作为杂质元素存在时，对钢的性能影响不大。 锰：能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高渗碳体硬度，对钢有一定的强化作用。锰来自炼钢时的生铁和脱氧剂锰铁。锰在钢中作为杂质元素存在时，其含量小于0.8%，是一种有益元素。 硫：来自于炼钢时的生铁和燃料。硫在固态下不溶于铁，以FeS形式存在。FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体Fe+FeS，且分布在奥氏体晶界上。当钢在1000~1200℃进行压力加工时，由于低熔点共晶体熔化，显著减弱晶粒之间的联系，出现晶界开裂，称此种现象为热脆。因此，钢中硫的含量必须严格控制。炼钢时增加锰可消除硫所形成的热脆。Mn与S形成高熔点（1620℃）的MnS，呈颗粒状分布在晶粒内，MnS在高温时有一定塑性，可避免钢的热脆产生。; 硫虽然产生热脆，但对改善钢的切削加工性有利。如在硫的质量分数较高(ωs=0.08~0.45%)的钢中适当提高锰的质量分数（ωMn=0.7~1.55%)可形成较多的MnS，切削过程中MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性，依此特性开发出的钢称为易切削钢。这些钢主要用于标准件的生产中。 磷：炼钢时由生铁带入的杂质。磷能全部溶于铁素体，可提高铁素体的强度、硬度，但急剧降低钢在室温下的塑性和韧性，使钢变脆，称此现象为冷脆。故磷是一种有害元素，须严格控制其在钢中的含量。 磷的有害作用在一定条件下可实现转化，如在易切钢中，把磷的含量提高到ωP=0.05~0.15%，使铁素体脆化，可改善钢的切削加工性。 其它元素（O、H、N）的作用：这些元素在钢中基本上是有害的。[O]使钢的强度、塑性降低；[H]可使钢中出现白点和氢脆；[N]可使钢产生兰脆。;2.1 合金元素在钢中的存在形式; 合金碳化物有合金渗碳体和特殊碳化物两类。 合金渗碳体比渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 特殊渗碳体是与渗碳体完全不同的合金碳化物，通常由中强或强碳化物形成元素与碳所形成。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金碳化物有更高的熔点、硬度与耐磨性，并且更为稳定，不易分解。 合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布形态直接影响到钢的性能及热处理时的相变。如当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性，而不降低韧性，这有利于提高钢的使用性能。;2.2 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响;改变Fe-Fe3C相图中S、E点位置 E点是钢与铸铁的分界点。碳质量分数超过此点的钢，将出现莱氏体组织。几乎所有的合金元素均能使E点左移。其中强碳化物形成元素如W、Ti、V、Nb的作用最为强烈。对高合金钢W18Cr4V(ωC=0.7%-0.8%)，Cr12MoV(ωC=1.4%-1.7%)等，因E点的左移使其铸态组织中出现了菜氏体，故此两钢均称为菜氏体钢。 在大多数情况下，几乎所有的合金元素也都使S点左移。如ωC=0.4%的碳钢本属亚共析钢，但在加入12%铬后就成了共析钢。4Cr13、3Cr2W8V等钢的ωC也都小于0.77%，也因S点的左移，都已属过共析钢。 在退火或正火处理时，碳质量分数相同的合金钢组织中比碳钢具有更多的珠光体，故其硬度和强度较高。;2.3 合金元素对钢的热处理的影响; 2.3.3 对淬火钢回火转变的影响 提高钢的回火稳定性 钢在回火时抵抗硬度下降的能力，称为回火稳定性。淬火时溶于马氏体的合金元素回火时有阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大的作用，使硬度降低过程变缓，提高钢的回火稳定性。要得到相同的回火硬度，合金钢的回火温度要比相同碳质量分数的碳钢高，回火时间也长。当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度要比碳钢高。 产生二次硬化效应 含有较多量中强或强碳化物形成元素，如钨、钼、铬、钒等的钢，在500-600℃回火时会从马氏体中析出特殊碳化物，析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上，如W2C、Mo2C、VC等。这些碳化物硬度极高、热稳定性高且不易长大，此时钢的硬度与强度不但不降低，反而会明显升高（甚至会比淬火钢硬度还高），此即为二次硬化现象。由于特殊碳化物的析出，使残余奥氏体中碳及合金元素的浓度降低，提高Ms温度，随后冷却时会有部分残余奥氏体转变为马氏体，这两者均致产生二