合金元素对钢中的影响

2019-07-0210:40:19合金元素对钢中的影响已关闭评论

1)合金元素对钢中基本相的影响

①形成合金铁素体 大多数合金元素都能溶入铁素体中形成合金铁素体,由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异,必然会引起铁素体的晶格发生畸变,产生固溶强化,因而铁素体的强度硬度增高,塑性、韧性有所降低。合金元素对铁素体硬度和韧性的影响如图1.5.1所示。

由图1.5.1可知,锰、硅、镍元素的强化效果最为显著。但当含硅量大于0.6%,含锰量大于1.5%以上时,其韧性下降,而铬、镍在适当的含量范围内(w Cr≤2%,w Ni≤5%),在强化铁素体的同时,仍能保持良好的韧性。对大多数结构钢来说,在退火、正火、调质状态下,铁素体都是钢的主要基本相,故合金元素含量适当时,都可以使钢得到强化而不降低韧性。

②形成合金碳化物 铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛(与碳的亲和力由弱到强)都是在钢中能形成碳化物的元素。形成的碳化物可分为合金渗碳体和特殊碳化物。

锰是弱碳化物形成元素,易溶入渗碳体中,形成合金渗碳体,合金渗碳体的稳定性、硬度比渗碳体略高,是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

合金元素对钢中的影响

图1.5.1 合金元素对铁素体性能的影响

铬、钼、钨是中强碳化物形成元素,在钢中既能形成合金渗碳体,又能形成特殊碳化物,如Cr7 C3,Mo2 C,WC等。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度,耐磨性及稳定性。

钒、铌、锆、钛是强碳化物形成元素,在钢中一般形成特殊碳化物。如NbC,VC,TiC等,故常在工具钢中加入这类合金元素,以提高工具的强度、硬度及耐磨性,而不降低韧性。

2)合金元素对钢热处理的影响

①细化晶粒 除锰、磷以外,大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒作用,其中尤以强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的影响最为显著。这类合金碳化物(如TiC,VC等)的熔点高,硬度高,且很稳定,不易分解,加热时难以溶入奥氏体中,它们的存在对奥氏体晶粒长大有强烈的阻碍作用。因此,除锰钢外,合金钢加热时不易过热,有利于淬火后获得细马氏体;有利于适当提高加热温度,熔入更多的合金元素,增加钢的淬透性和力学性能。

②提高淬透性 除钴以外,大多数合金元素溶入奥氏体后均能增加过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移,降低了马氏体转变的临界冷却速度,从而提高钢的淬透性。提高钢淬透性的元素主要有铬、锰、硅、镍、硼。其中有些合金元素甚至使C曲线的形状发生变化,出现了两个鼻尖,如图1.5.2所示。

合金元素对钢中的影响

图1.5.2 合金元素对C曲线的影响

用合金钢制造大截面零件,由于加入合金元素,使淬透性提高,可以保证热处理后整个截面具有比较均匀的组织和性能。对于形状复杂的合金钢零件,可采用冷却能力较弱的淬火介质(如油等)及分级淬火,等温淬火等工艺,从而降低变形和开裂倾向。

③增加残余奥氏体的含量 除铝、钴外,大多数合金元素都能使Ms,M f下降,使钢在淬火后,组织中的残余奥氏体量增加、组织应力与变形量减小。但残余奥氏体的增加将引起钢的硬度降低,组织不稳定,也易使工件尺寸产生变化,因此,对于硬度及尺寸稳定性要求较高的刃具、模具、量具,在淬火后一般要进行冷处理或多次回火处理,以促使残余奥氏体的转变。

④提高回火稳定性 合金元素溶入马氏体后,在回火时能延缓马氏体的分解,并使碳化物的形成、析出和聚集长大的速度减缓,提高了钢回火过程中抵抗软化的能力,即提高了回火稳定性。故采用相同温度回火的条件下,合金钢的硬度比碳钢高。

含有强碳化物形成元素的合金钢,在高温回火时,将从马氏体中析出弥散分布的特殊碳化物,并且在回火后部分残余奥氏体转变为马氏体,进一步提高了钢的硬度,从而使钢在高温下保持高的硬度,即红硬性(耐热性)。这时工具钢具有十分重要的意义。

综上所述,合金元素在钢中能提高淬透性,细化晶粒、提高回火抗力等,但这些作用只有经过适当的热处理都能实现。如果热处理工艺使用不当,反而会产生第二类回火脆性(500~650℃),特别是对成分复杂的合金钢,应严格控制其处理工艺,才能充分发挥材料的优越性。

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