第八章 元素对钢组织性能的影响.docx

第八章 元素对钢组织性能的影响.docx

《第八章 元素对钢组织性能的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章 元素对钢组织性能的影响.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第八章元素对钢组织性能的影响

第八章合金元素对钢组织性能的影响

8.1合金元素在钢中的存在状态

合金元素在钢中主要以四种形式存在：

1）溶入铁素体、奥氏体、和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在；

2）形成强化相。

如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物和金属间化合物等；

3）形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物、硫化物；

4）有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在。

在高碳钢中碳有时也有自由状态（石墨）存在。

合金元素具体以那种形式存在，主要取决于合金元素的本质，即取决于它们与铁和碳的相互作用情况。

8.2合金元素与铁、碳的相互作用

8.2.1合金元素与铁的相互作用

合金元素对铁的同素异晶转变有很大影响，这一影响主要是通过合金元素在α-Fe和γ-Fe的固溶度、以及对γ-Fe存在温度区间的影响表现出来的。

而这两者又决定于合金元素与铁构成的二元合金相图的基本类型。

8.2.1.1无限扩大γ区型（图a）

合金元素使γ区扩展，与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。

它们均使A3点降低，A4点升高。

这类元素有Mn、Ni、Co等。

8.2.1.2有限扩大γ区型（图b）

合金元素使A3点降低，A4点升高，与γ-Fe、α-Fe均形成有限固溶体，这类元素有C、N、Cu、Zn等。

8.2.1.3封闭γ区、无限扩大α区型（图c）

合金元素使A3点升高，A4点下降，以至于达到某一含量时A3与A4点重合，γ区被封闭，超过此含量，则合金不再有α-γ相变，与α-Fe形成无限固溶体。

此类合金元素有Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。

但应指出，含Cr量<7%时，A3点下降，含Cr量>7%后，A3点才上升。

8.2.1.4缩小γ区，但不使γ区封闭型（图D）

合金元素使A3点升高，A4点下降，使γ区缩小，但不封闭。

这类元素有B、Nb、Ta、Zr等。

由上可知，各种合金元素对铁的同素异晶转变的影响是不同的，有的与铁相互作用扩大γ区，有的则相反。

据此可以将合金元素分为两大类：

将扩大γ区的元素称为奥氏体形成元素，将缩小或封闭γ区的元素称为铁素体形成元素。

这种分法的实际意义在于，例如欲发展具有特殊性能的奥氏体钢时，需往钢中加入Ni、Mn、N等元素，而欲发展具有特殊性能的铁素体钢时，则需朝钢中加入铁素体形成元素。

8.2.2合金元素与碳的相互作用

8.2.2.1非碳化物形成元素

Ni\Si\Co\Al\Cu等，以溶入α-Fe和γ-Fe中的形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物。

另外，硅的含量高时，可能使渗碳体分解，使碳游离呈石墨状态存在，即有所谓石墨化作用。

8.2.2.2碳化物形成元素

Ti\Nb\Zr\V\Mo\W\Cr\Mn等，它们中的一部分可以溶于奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物，各元素在这两者之间的分配，取决于它们形成碳化物的倾向的强弱程度及含量。

凡元素的原子的次d电子层越不满，和碳的亲和力越大，这种碳化物也就越稳定，不易分解。

根据碳原子半径rC与合金元素半径rM的比值，可以将碳化物分为两类：

（1）当rC/rM>0.59时，形成间隙化合物，如Cr23C6。

（2）当rC/rM<0.59时，形成间隙相，或称之为特殊碳化物，如WC\VC\TiC等，与间隙化和物相比，它们的熔点高，硬度高，很稳定，热处理时不易分解，不易溶于奥氏体中。

合金元素还可以溶于碳化物中形成多元碳化物。

8.3合金元素对相变的影响

8.3.1合金元素对Fe-C相图的影响

8.3.1.1对奥氏体相区的影响

凡是扩大γ相区的元素，如Ni/Co/Mn等均使S点左移，A3线下降；凡是缩小γ相区的元素，如Cr/W/Mo/V/Ti/Si等均使A3线上升。

大多数元素均使ES线左移，E点左移，这就意味着钢中碳的质量分数不足2%就会出现共晶莱氏体。

应用：

奥氏体钢、铁素体钢

8.3.1.2对共析温度的影响

合金元素的存在，将改变钢的共析温度。

凡是扩大γ相区的元素，如Ni/Co/Mn等均使S点左移，A3、A1下降；凡是缩小γ相区的元素，如Cr/W/Mo/V/Ti/Si等均使S点左移，A3、A1线上升。

8.3.1.3对共析点位置的影响

所有合金元素均使S点左移，就意味着钢中含碳量不足0.77%时，钢就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。

例Wc=0.4%的4Cr13已不是亚共析钢而是过共析钢。

8.3.2合金元素对钢加热转变的影响

合金钢加热热处理的目的：

一，获得成分均匀的奥氏体，希望尽可能多的合金元素溶解于奥氏体中，合金元素充分发挥其提高淬透性的目的（合金元素为何能提高淬透性?

）；二，获得细小晶粒的奥氏体组织，因为奥氏体晶粒大小决定着转变生成物的晶粒大小。

所有合金元素（Mn\P\N\C除外）都阻碍奥氏体晶粒长大，但作用强弱不同。

一些强碳化物形成元素，如Ti/V/Zr/Nb都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用，所以含有这些元素的合金钢即使在高温，也易于获得细晶粒组织。

8.3.3合金元素对奥氏体冷却转变的影响

合金元素对奥氏体冷却转变的影响集中反映在对过冷奥氏体分解曲线的影响上。

总之，除Co以外，所有合金元素均使C-曲线右移，其他碳化物形成元素还使C-曲线的形状发生变化，提高了奥氏体的稳定性，这就提高了钢的淬透性。

8.3.3.1合金元素对珠光体转变的影响

合金元素（Co/Al除外）均显著推迟奥氏体向珠光体的转变，其原因是：

合金元素扩散慢，并且使碳的扩散减慢；

扩大γ相区的元素如Ni\Mn等均降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，组织奥氏体向珠光体转变。

所以，只要合金元素能溶入奥氏体，就会或多或少地推迟奥氏体向珠光体转变，从而降低钢的临界了冷却速度，提高钢的淬透性。

8.3.3.2合金元素对贝氏体转变的影响

因为发生贝氏体转变，唯有C可以进行短距离的扩散，所以合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对γ→α转变速度和对碳扩散速度的影响上。

Cr\Mn\Ni对贝氏体转变有较大的推迟作用。

原因：

这三种元素能降低γ→α的转变温度，减少奥氏体和铁素体的自由能差，也就是减少了相变的驱动力。

Cr\Mn还阻碍碳的扩散，故推迟贝氏体转变的作用尤为强烈。

Si对贝氏体转变有强烈的阻滞作用，因为它能强烈地阻止过饱和铁素体的脱溶，而贝氏体的形成过程是与过饱和铁素体的脱溶分不开的。

强碳化物形成元素W\Mo\V\Ti使γ→α转变温度升高，这就增加了奥氏体与铁素体的自由能差，增加了转变的驱动力，但由于降低了碳原子的扩散速度，所以对贝氏体转变还是有一定的延缓作用，但比Cr\Mn要小得多。

含有这些元素的钢，贝氏体转变孕育期短，铁素体→珠光体转变孕育期长，空冷时容易得到贝氏体组织。

?

8.3.3.3合金元素对马氏体转变的影响

除Co\Al外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使Ms温度下降，其中碳的作用最强烈，其次是Mn\Co\Ni，再次为Mo\W\Si。

每1%的合金元素对Ms的影响如表所示（差表）:

钢中有多种合金元素时，对Ms点的影响可以相互促进。

下为计算一般合金结构钢Ms温度的一种经验公式：

Ms（单位℃）=535-317ωC-33ωMn-28ωCr-17ωSi-11ωMo-11ωW

8.3.4合金元素对淬火钢回火转变的影响

合金元素的主要作用是提高了钢的回火稳定性，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。

8.3.4.1合金元素对马氏体分解的影响

合金元素对马氏体分解的第一阶段（两相式分解）没有影响，马氏体在发生第二阶段分解时，ε碳化物继续生核，并从周围的马氏体中获得碳原子的供应而长大，这时碳原子要做长距离的扩散。

合金元素主要是通过影响碳的扩散而对此阶段的变化发生作用。

一般而言，碳化物形成元素（V\Nb\Cr\Mo\W）对碳有强烈亲和力，溶于马氏体中的碳化物形成元素阻碍碳从马氏体中析出，从而使马氏体分解的第二阶段减慢。

其中V\Nb作用比Cr\Mo\W更加强烈。

在碳钢中，碳从马氏体中析出的温度一般为250~300度，但是在含有碳化物形成元素的钢中，这一温度大致为400～500度。

非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但Si的影响比较比较独特，回火温度低时，Si不发生扩散，在ε碳化物和马氏体中含量相等。

由于Fe3C中完全不能溶解Si，所以ε碳化物要转化为Fe3C就必须把Si完全扩散出去，但是Si的扩散比碳要慢，所以可以显著减慢马氏体的分解速度。

例如硅含量为2%的钢，可把马氏体的分解温度提高到350度以上。

8.3.4.2合金元素对残余奥氏体转变的影响

相对于过冷奥氏体，残余奥氏体的C曲线的孕育期显著缩短。

对合金元素含量较多的钢来说，不论是过冷奥氏体还是残余奥氏体，在其C曲线上，于珠光体和贝氏体转变之间，均存在一个奥氏体中温稳定区。

合金元素大都使残余奥氏体的分解温度向高温方向推移，尤其以Cr\Mo的作用最为显著。

在含有较多W\Mo\V等元素的合金钢中，残余奥氏体中在回火过程中析出碳化物。

残余奥氏体中的碳及合金元素贫化之后，使其Ms点高于室温？

？

，因而在冷却过程中转变为马氏体。

通过这种回火后，淬火钢的硬度不但没有下降，反而有所升高，这种现象称为二次淬火（二次硬化）。

8.3.4.3合金元素对碳化物的形成、聚集和长大的影响

合金元素对ε碳化物的形成没有影响。

随着回火温度的升高，碳钢中ε碳化物于260度转变为渗碳体，合金元素中唯有Si和Al强烈推迟这一转变，使转变温度升高到320度。

此外，Cr也有使转变温度升高的作用，不过比Si和Al要弱得多。

随着回火温度的升高，合金元素能够明显的扩散时，开始在α相和渗碳体间重新分配：

碳化物形成元素向渗碳体集中，置换Fe原子，形成合金渗碳体。

非碳化物形成元素将离开渗碳体。

于此同时，将发生合金渗碳体的聚集长大，Ni对其聚集长大没有影响，而Si\V\W\Mo\Cr则对聚集长大过程起阻碍作用。

在含有强碳化物形成元素较多的钢中，在回火时可能析出特殊碳化物。

特殊碳化物的形成方式有两种，其一是原位析出，这种特殊碳化物的形成方式要求渗碳体有较高的溶解度，这样才能保证其形成。

在所有碳化物形成元素中，只有Cr在渗碳体中有较高的溶解度（最多20%），所以铬钢中合金碳化物原位形核较为常见，这种碳化物颗粒比较粗大，长大速度也较大。

特殊碳化物的另一种形成方式为离位形核，其晶核在铁素体基体上直接形成，所有的MC型碳化物均以这种方式形成，如VC\WC等等。

这种碳化物细小弥散，使钢的强度、硬度显著提高，产生二次硬化。

8.3.4.4合金元素对铁素体回复再结晶的影响

大部分合金元素均延缓铁素体的回复于再结晶过程。

其中Co\V\W\Mo\Cr显著提高α相的再结晶温度，Si\Mn的影响次之，Ni的影响不大。

8.3.4.5合金元素对回火脆性的影响

关于回火脆性的机理和合金元素的影响已经在第四章《热处理原理》中介绍。

应当重点指出的是，不可能用热处理和合金化的方法来消除第一类回火脆性，但Si\Mn等元素可将脆化温度提高350～370度。

Ni\Cr\Mn增加第二类回火脆性的倾向，而Mo\W则有抑制和减轻回火脆性的倾向。

8.4合金元素对钢强韧性的影响

金属的强度是指金属对塑性变形的抗力，在发生塑性变形时所需的应力越高，则强度也就越高。

韧性是材料可靠性的度量，提高材料的可靠性依赖于韧化。

8.4.1强化途径

固溶强化、晶界强化（根据霍尔-配奇公式，钢的强度与晶粒直径的平方根成反比）、第二相强化、位错强化

8.4.2韧化途径

8.4.2.1提高微孔聚集型断裂抗力的途径

微孔聚集断裂在宏观上有两种表现形式：

一种是宏观塑性断裂，在断裂之前有较大的塑性变形，与中、低碳钢中多见；另外一种是宏观脆性断裂，或称低应力断裂，从宏观上看，断裂之前不产生塑性变形，但从微观上看，在局部区域仍存在一定的塑性变形，在高强度钢中比较突出。

两种表现形式的断口均为孔坑形。

提高断裂抗力的途径有：

1）尽量减少钢中第二相的数量；

2）提高机体组织的塑性

3）提高组织的均匀性

8.4.2.2提高解理断裂抗力的途径

解理断裂的一个重要特征就是冷脆性。

常用冷脆转折温度tc来表示。

提高断裂抗力的途径有：

1）加入合金元素细化晶粒；

2）加入Ni，Ni具有明显降低冷脆转变温度的作用；

3）由于面心立方金属没有冷脆倾向，所以体心立方金属不能满足要求时，可以采用奥氏体钢。

8.4.2.3提高沿晶断裂抗力的途径

沿晶断裂的类型很多，例如回火脆性、过热过烧等。

造成沿晶断裂的原因有两点：

一是溶质原子在晶界处的偏聚，二是第二相沿晶界的分布。

提高断裂抗力的途径有：

防止溶质原子和第二相沿晶界析出。

如对第二类回火脆性来说，加入Mn\W对晶界偏聚有抑制作用等。

附录1（SR1）合金元素对钢的影响

合金元素对力学性能的影响

1． 溶解于铁起固溶强化作用   

 几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度、硬度进步，但塑性韧性有所下降。

使钢具有强韧性的良好配合。

 2．形成碳化物，起第二相强化、硬化作用

 按照与碳之间的相互作用不同，常用的合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。

碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，它们在钢中能与碳结合形成碳化物，如TiC、VC、WC等，这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性，假如它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则明显进步钢的强度、硬度和耐磨性。

 3．使结构钢中珠光体增加，起强化的作用

 合金元素的加进，使Fe-Fe3C相图中的共析点左移，因而，与相同含碳量的碳钢相比，亚共析成分的结构钢（一般结构钢为亚共析钢）含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数目，使合金钢的强度进步。

合金元素对工艺性能的硬性

1．对热处理的影响

（1）对加热过程奥氏体化的影响：

合金钢热处理可适当进步加热温度和延长保温时间 

合金钢中的合金渗碳体、合金碳化物稳定性高，不易溶进奥氏体；合金元素溶进奥氏体后扩散很缓慢，因此合金钢的奥氏体化速度比碳钢慢，为加速奥氏体化，要求将合金钢（锰钢除外）加热到较高的温度和保温较长的时间。

除Mn外的所有合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，尤其是Ti、V等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高，残存在奥氏体晶界上，明显地阻碍奥氏体晶粒长大。

因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。

（2）对过冷奥氏体转变的影响：

合金钢淬透性更好，可减小淬火冷速，减小淬火变形。

但残余奥氏体增多

除Co外，所有溶于奥氏体中的合金元素，都使过冷奥氏体的稳定性增大，使C曲线右移，马氏体临界冷却速度减小，淬透性进步。

这使得合金钢利用较小的冷却速度即能淬成马氏体组织，可减小淬火变形。

因此大尺寸、外形复杂或要求精度高的重要零件需要用合金钢制作。

除Co、Al外，大多数合金元素都使Ms点降低，使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多，这将对零件的淬火质量会产生不利影响。

（3）对回火转变的影响：

合金钢耐回火性好，回火后强韧性配合更好，有些钢可产生“二次硬化”

合金钢回火时马氏体不易分解，抗软化能力强，即进步了钢的耐回火性，回火后能有更好的强韧性配合。

合金元素能进步马氏体分解温度，对于含有较多Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，当加热至500～600℃回火时，直接由马氏体中析出合金碳化物，这些碳化物颗粒细小，分布弥散，使钢的硬度不仅不降低，反而升高这种现象称为“二次硬化”。

但有些合金钢应避免“回火脆性”的产生。

2．对焊接性能的影响

淬透性良好的合金钢在焊接时，轻易在接头处出现淬硬组织，使该处脆性增大，轻易出现焊接裂纹；焊接时合金元素轻易被氧化形成氧化物夹杂，使焊接质量下降，例如，在焊接不锈钢时，形成Cr2O3夹杂，使焊缝质量受到影响，同时由于铬的损失，不锈钢的耐腐蚀性下降，所以高合金钢最好采用保护作用好的氩弧焊。

3．对铸造性能的影响

由于合金元素溶进奥氏体后使变形抗力增加，使塑性变形困难，合金钢铸造需要施加更大的压力吨位；同时合金元素使钢的导热性降低、脆性加大，增大了合金钢铸造时和锻后冷却中出现变形、开裂的倾向，因此合金钢锻后一般应控制终锻温度和冷却速度。

附录2（SR2）各种元素对钢性能的影响

1、碳（C）：

钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23％超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

　　2、硅（Si）：

在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30％的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60％,硅就算合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。

在调质结构钢中加入1.0－1.2％的硅，强度可提高15－20％。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。

含硅1－4％的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

　　3、锰（Mn）：

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50％。

在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。

含锰11－14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。

锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

　　4、磷（P）：

在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。

　　5、硫（S）：

硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。

在钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

　　6、铬（Cr）：

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。

　　7、镍（Ni）：

镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

8、钼（Mo）：

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变）。

结构钢中加入钼，能提高机械性能。

还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。

在工具钢中可提高红性。

9、钛（Ti）：

钛是钢中强脱氧剂。

它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。

改善焊接性能。

在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。

　　10、钒（V）：

钒是钢的优良脱氧剂。

钢中加0.5％的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。

钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

　　11、钨（W）：

钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。

钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。

在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。

　　12、铌（Nb）：

铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。

在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。

铌可改善焊接性能。

在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。

　　13、钴（Co）：

钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。

　　14、铜（Cu）：

武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。

铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。

缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5％塑性显著降低。

当铜含量小于0.50％对焊接性无影响。

　　15、铝（Al）：

铝是钢中常用的脱氧剂。

钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。

铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。

铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

　　16、硼（B）：

钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。

　　17、氮（N）:

氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。

18、稀土（Xt）：

稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。

这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。

钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。

在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性