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合金元素在钢中的作用-工业信息技术网

时间:2022-01-24 18:01:59|栏目:综合能源|点击:

为了改善钢的力学性能或获得某些特殊性能,有目的地在冶炼钢的过程中加入一些元素,这些元素称为合金元素。常用的合金元素有:锰、硅、铬、镍、钨、钒、钛、锆、钴、铝、硼等。

合金元素对钢的相变、组织和性能的影响,一般取决于合金元素与钢中铁、碳两种基本组元的作用。因此,通过合金化,可以提高和改善钢的性能。

一、 合金元素在钢中存在的形式

1、 形成合金铁素体

绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中,形成合金铁素体。其中原子半径很小的合金元素(如氮、硼等)与铁形成间隙固溶体;原子半径较大的合金元素(如锰、镍、钴等)与铁形成置换固溶体。

合金元素溶入铁素体后,凡合金元素的原子半径与铁的原子半径相差越大,晶格类型越不相同,必然引起铁素体晶格畸变,产生固溶强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性都有下降趋势。 如下图 溶于铁素体的合金元素含量对铁素体硬度和韧性的影响。

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图1)

由图可见,硅、锰能显著提高铁素体强度、硬度,但当 W si >0.6%、W Mn >1.5%时,将降低其韧性。而铬、镍这两个元素,在适量范围内(Wcr≤2%、Wni≤5%),不但可提高铁素体的硬度,而且能提高其韧性。为此,在合金结构中,为了获得良好强化效果,对铬、镍、硅和锰等合金元素要控制在一定含量范围内。

2、 形成合金碳化物

作为碳化物形成元素,在元素周期表中都是位于铁左边的过渡族金属元素,离铁越远,则其与碳的亲和力越强,形成碳化物能力越大,形成的碳化物越稳定而不易分解。通常钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素;铬、钼、钨为中强碳化物形成元素;锰为弱碳化物形成元素。

钢中形成的合金碳化物的类型主要有:

(1) 合 金渗碳体 锰一般是溶入钢中渗碳体,形成合金渗碳体(Fe、Mn) 3 C;铬、钼、钨在钢中含量不大(W mo =0.5%~3%)时,形成合金渗碳体,如(Fe、Cr) 3 C、(Fe、Mo) 3 C。

合金渗碳体较渗碳体略为稳定,硬度也较高,是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

(2) 特殊碳化物 特殊碳化物是与渗碳全晶格完全不同的合金碳化物,通常是由中强或强碳化物形成元素所构成的碳化物。

强碳化物形成元素,即使含量较少,但只要钢中有足够的碳,就倾向于形成特殊碳化物,即具有简单晶格的间隙相碳化物。中强碳化物形成元素,只有当其含量较高(> 5%)时,帮倾向于形成特殊碳化物,即具有复杂晶格的碳化物。

特殊碳化物特别是间隙相碳化物,比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性,并且更为稳定,不易分解。

合金碳化物的种类、性能和在钢中分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变。例如,当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时,将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性,而不降低韧性,这对提高工具的使用性能极为有利。

二、 合金元素对铁碳合金相图的影响

1、 改变了奥氏体区的范围

(1) 扩大奥氏体相区 这类合金元素使A3、A1温度下降,GS线向左下方移动,这类元素大都具有面心立方晶格,如钢、锰、镍等。随自锰、镍含量增大,会使相图中奥代体区一直延展到室温下。因此,它在室温下的平衡组织是稳定的单相奥氏体,这种钢称奥氏体钢。 如下图所示 。

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图2)

(2) 缩小奥氏体相区 这类合金元素与前者相应,使A3和A1温度升高,GS线向左上方移动,如图所示。这类元素有铝、铬、钼等,随着钢中这类元素含量增大,可使相图中奥氏体区消失,此时,钢在室温下的平衡组织是单相的铁素体,这种钢称为铁素体钢。

2、 改变 S、E点在铁碳合金相图中位置

大多数合金元素均能使 S点、E点左移, 如图所示 。共析钢中碳的质量分数不是Wc=0.77%,而是Wc<0.77%。出现共晶组织的最低碳的质量分数不再是Wc=2.11%,而是Wc<2.11%。

实验证明,含 Wc=0.4%的碳钢原属亚共析钢,当加入Wcr=12%后就成了共析钢。又如含Wc=0.7%~0.8%的高速钢,由于大量合金元素的加入,在铸态组织中却出现合金莱氏体,这种钢称为莱氏体钢。

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图3)

三、 合金元素对钢的热处理影响

1、 合金元素对奥氏体形成的影响

(1) 奥氏体形成速度的影响 合金钢加热时奥氏体形成过程基本上与碳钢相同,但合金元素会影响奥代体的形成速度,其主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度所致。

大多数合金元素(除钴、镍外),由于它们与碳有较强的亲和力显著减慢了碳向奥氏体中的的溶入与扩散速度,故大大减慢奥氏体的形成速度。

由于合金元素的扩散速度很缓慢,因此对于合金钢应采取较高加热温度和较长的保温时间,以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化,从而充分发挥合金元素的作用。

(2) 合金元素(除锰外)阻止奥氏体晶粒长大 碳化物形成元素(如钒、铌、锆等强碳化物形成元素),容易形成稳定的碳化物,这些特殊碳化物在高温下比较稳定,不易溶于奥氏体,并以细小质点的形式弥散地分布在奥氏体晶界上,机械地阻碍奥氏体晶粒长大。因此,除锰钢处,合金钢的在加热时不易过热,使得钢在高温下较长时间的加热仍能保持细晶粒组织,这是合金钢的一个重要特点。

2、 合金元素对钢冷却转变的影响

( 1)合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响 除钴外,大多数合金元素溶入奥氏体后降低原子扩散速度,合奥代体稳定性增加,从而使C曲线右移。边些合金元素均是非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素。含有这类元素的低合金钢,其C曲线形状与碳钢相似,只有一个鼻尖,如图所示,当碳化物形成元素溶入奥氏体后,由于它们对推迟珠光体转变与贝低体转变的作用不同,使C曲线出现两个鼻尖,曲线分解成珠光体和贝氏体两个转变区,而两区之间,过冷奥氏体有很大的稳定性。 如下图所示 。

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图4)

由于合金元素使 C曲线右移,故降低了钢的马氏体V k ,增大了钢的淬透性。其中尤以碳化物形成元素的影响较为显著,特别是钢中几种合金元素同时加入时,要比单独加入一种合金元素对增大钢的淬透性更有效。

( 2)合金元素结过冷奥氏体向马氏体转变的影响 除钴、铝外,大多数合金元素溶入奥氏体后,使马氏体转变Ms和M f 降低,其中铬、镍、锰作用较台。 图 为合金元素对Ms的影响。

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图5)

实验证明,Ms越低,则淬火后钢中残余奥氏体的数量就越多。因此,凡使Ms降低的合金元素,均使残余奥氏体数量增加。图为不同的合金元素对W c =1.0%的钢,在1150℃淬火后的残余奥氏体数量的影响。一般合金钢淬火后,残余奥氏体量较碳钢多。

3、 合金元素对淬火钢回火转变的影响

( 1)提高淬火钢回火稳定性(耐回火性) 淬火钢在回火时,抵抗软化的能力称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后,强度、硬度下降也不同,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,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。图所示为 Mo元素对钢回火硬度的影响。(见图5-9)

( 2)产生二次硬化 含有钨、钼、钒的合金钢,经高温奥氏体充分均匀化并淬火后,在500~600℃回火时硬度有回升的现象,称为二次硬化,如图所示。这是因为含有上述合金元素较多的合金钢,在该温度范围内回火时会从马氏体中析出特殊碳化物,如MO 2 C、W 2 C、VC等,析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上,并与马氏体保持共格关系,阻碍位错运动,使钢的硬度反而有所提高,这就形成了二次硬化。另外,由于特殊碳化物的析出,使残余奥氏体中碳及合金元素浓度降低,提高了M s 温度,故在随后冷却时就会有部分残余奥氏体转变为马氏体,这也是在回火时钢的硬度提高而产生的二次硬化的原因。(见图5-10)

合金元素在钢中的作用-工业信息技术网(图6)

二次硬化现象对需要较高热硬怀的工具钢(如高速钢)具有重要意义。

( 3)回火时产生第二类回火脆性 含有铬、锰、镍等元素的合金钢淬火后,在脆化温度(400~500℃)区回火,或经更高回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性,称为第二类回火脆性。

产生这类回火脆性的原因,一般认为是由于锡、磷、锑、砷等有害元素沿奥氏体晶界偏聚,减弱了晶界上原子间的结合力所致。偏聚程度越大,回火脆性越严重。减轻或消除第二类回火脆性的方法有:提高钢的纯洁度,减少有害元素的含量;小截面零件在脆化温度回火后采用快冷的方法;大截面零件则采用含有钨( W w 约为1%)或钼(W mo 约为0.5%)的合金钢,即使回火后缓冷也不产生脆性。

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