合金钢-碳钢用途的局限性.doc

PAGE PAGE 70 合 金 钢 5.1 概述 占钢总产量80％左右的碳素钢，是基本的工业用钢。它种类齐全，生产简单，价格低廉，通过不同的热处理后，可获得不同的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但碳素钢的强度及淬透性低、热硬性差，耐磨、耐蚀和耐热等性能也都比较低。况且，工业的发展特别是国防、交通运输、石油和化工等工业的发展，对材料提出了更高的要求，因而使用领域受到限制。为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如锰、硅、铬、镍、铝、钨、钒、钛、铌、锆、稀土元素等，这类钢就称为合金钢。 5. ⑴淬透性低 一般情况下，碳钢淬火要求水冷，它水淬的最大淬透直径为15～20，因此在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。 ⑵强度和屈强比较低 强度低使工程结构和设备笨重。钢的≥240，而低合金结构钢16的≥360。屈强比低说明强度的有效利用率低。40碳钢的／为0.43，而合金钢的／可达0.74。 ⑶回火稳定性差 由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时,韧性又偏低；为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。 ⑷不能满足某些特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温、耐磨以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。 为了解决上述问题，在碳钢中特意加入合金元素，以弥补以上不足之处。 5.1 合金元素在钢中的作用非常复杂，到目前为止对它的认识还很不全面。下面着重分析合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响以及对热处理的影响规律。 5.1.2.1 合金元素与铁和碳的作用 合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物（如氧化物、氮化物、硫化物及硅酸盐等）中，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。 ⑴溶入铁中 几乎所有合金元素（除外）都可与铁形成合金铁素体或合金奥氏体。按照合金元素对或的作用，可将它们分为两大类。 ①扩大相区元素 亦称奥氏体稳定化元素，主要是、、、、、等。它们使相图中点下降，点上升，从而扩大相的存在范围。其中、等元素加入到一定量后，可使点降到室温以下，使相完全消失，它们称为完全扩大区的元素。另外一些元素如、和等，虽扩大相区，但不能将其扩大到室温，所以它们称为部分扩大区的元素。 ②缩小相区元素 亦称稳定化元素，主要有、、、、、、、、、等。它们使点上升，点下降（例外，含量小于7％时，点下降；大于7％后点迅速上升），从而缩小相存在范围，使稳定区域扩大。其中、、、、、、等元素超过一定含量时，点与点重合，使相区被封闭，这时合金在固态范围内一直处于单相相状态，它们称为完全封闭区的元素。另外一些元素，如、、等，虽然也使相区温度范围缩小，但不能使其封闭，称为部分缩小区的元素。 上述元素中，只有、、与铁形成间隙固溶体，其它均与铁形成置换固溶体。 ⑵形成碳化物 合金元素按其与钢中碳亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 常用非碳化物形成元素有；、、、、、、等。它们不与碳形成化合物，除了在少数高合金钢中可形成金属间化合物外，基本上都溶于和中。 常用碳化物形成元素有：、、、、、、、等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列）。它们都是元素周期表中位于铁左方的过渡族元素。与碳的亲合力较弱，少部分溶于渗碳体中，大部分溶于或中。与碳的亲和力较强的、、等，含量较低时基本上与铁一起形成合金渗碳体；含量较高时可形成新的合金碳化物。而与碳的亲合力很强的元素、、、等，几乎都是形成特殊碳化物。此外，总还有一部分强碳化物形成元素会溶于或中。 合金渗碳体是部分铁原子被碳化物形成元素置换后的渗碳体，如、等，其晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定些，硬度也略高些，这对提高钢的耐磨性更有利。 合金碳化物、、、等，比合金渗碳体的稳定性更高，而特殊碳化物、、、等的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物，其熔点和硬度也愈高，加热时也愈难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能和工艺性能的影响很大。 5.1.2.2 合金元素对铁碳相图的影响 合金元素对铁碳相图的影响,与对纯铁的影响类似，但更复杂一些、影响主要分两方面： ⑴对和存在范围的影响 ①扩大相区元素均扩大铁碳相图中存在的区域，其中完全扩大区的元素或的含量较多时，可使钢在室温下得到单相组织，例如高镍不锈钢和高锰耐磨钢等。 ②缩小相区元素均缩小铁碳相图中存在的区域，其中完全封闭区的元素（例如、、等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相组织，例如高铬不锈钢等。 ⑵对铁碳相图临界点（点和点）的影响 ①扩大相区的元素使铁碳合金相图中的共析转变温度下降。 ②缩小相区的元素