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            3- litao2013合金钢1 金属材料学


            第三章 工业用钢、铸铁
            3.1钢的分类和编号 3.2 碳钢概论 ?碳钢的分类

            主 要 内 容

            ?碳钢的用途

            3.3 钢的合金化原理
            ?Me在钢中的存在形式 ?Me与铁和碳的相互作用 ?Me对Fe-Fe3C相图的影响 ?Me对钢的热处理的影响 ?Me对钢的性能的影响

            重要的金属材料: ? 碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可 塑变。 ? 合金钢:为了改善钢的性能,在碳钢的 基础上特意地加入一种或几种合金元素 所形成的钢。它具有较好机械性能(如 强度、塑性、淬透性、冲击韧性等)和 特殊性能(耐磨性、耐腐蚀性、耐高温 性、电磁性等),但价格高。

            3.1 钢的分类和编号 一、钢的分类
            (一)按用途分类 ? (1)结构钢: 工程用钢或构件用钢—碳素结构钢 (甲、乙、特类)及普通低合金钢; 机器零件用钢—渗碳钢、调质钢、 弹簧钢、滚动轴承钢。 ? (2)工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢。 ? (3)特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐 磨钢、 电工用钢等。

            (二)按化学成分分类
            ?

            (1)碳素钢—低碳钢(≤0.25%)、中碳钢 (0.25-0.6%);高碳钢(>0.6%); (2)合金钢—低合金钢( ≤5%)、中合金

            ?

            钢(5-10%)、高合金钢(>10%)合金钢 ;
            ?

            (3)锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。

            (三)按显微组织分类
            (1)按平衡组织或退火组织分类— 亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。 (2)按正火组织分类—珠光体钢、 贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。 (3)按加热冷却时有无相变和室温 时的组织—铁素体钢、奥氏体钢、复 相钢。

            (四)按品质分类
            (按钢中的P、S等有害杂质的含量) (1)普通钢— P含量≤0.040%,S含量≤0.050%; (2)优质钢— P含量≤0.025%,S含量≤0.025%; (3)高级优质钢— P含量≤0.015%,S含量≤0.025%;

            二、钢的编号
            原则—国际化学元素符号和汉语拼音并用

            化学元素—如Si、Mn、Cr、W、Re等。
            产品名称、用途、冶浇和铸炼方法—拼音。
            ?

            (一)普通碳素结构钢(GB700-79)

            甲类钢—按性能要求供货,用甲YX或AYX表示, X为0、1、 2……、7。数字越大含碳量越大,强度越高,塑、韧性降 低。Y表示冶炼方法。如J、D。如为沸腾钢最后加“F”,半 镇静钢加b,镇静钢不加,如,AJ3。平炉略P ,如A3钢 乙类钢—按成分要求供货,用乙YX或BYX表示,BD3,BJ3b。 特类钢—按成分和性能要求供货,特YX或CYX表示。

            表3-1

            ? ? ? ? ? ? ? ?

            新国标(GB700-88)

            用碳素结构钢取代普通碳素结构钢
            Q195—成分同B1,性能同A1; Q215A—同A2,Q215B—同C2; Q235A—A3,Q235B—C3,Q235C—焊接; Q255A—A4,Q255B—C4; Q275不分等级—C5 数字表示钢的屈服强度(Mpa)

            (二)优质碳素结构钢 两位数字(含碳万分之几)+合金元素 +专门用途标记。例如 20g、50Mn等。 (三)碳素工具钢 碳(T)+数字(含碳量的千分之几) +合金元素(Mn)+A(表示高级优质), 例如:T8A、T10MnA等。 ? (四)合金结构钢 数字(含碳量万分之几)+元素(化 学元素符号)+数字(合金元素的百分之 几)。例如:20MnVBA、36Mn2Si、 40CrNiMo等。

            (五)合金工具钢
            含碳量+元素+数字,含碳量 ≥1.0%时不标,<1.0%时用千分之几 表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低 时,用千分之几表示,并在数字前加0, 如Cr06。高速钢中不标含碳量,如 W18Cr4v,W6Mo5Cr4V2等。

            (六)铬滚动轴承钢
            滚或G+Cr+数字(Cr含量的千分 之几),例如:GCr15

            (七) 不锈钢与耐热钢
            数字+元素+数字 第一个数字表示含碳量的千分之 几,第二个数字表示合金元素的百分 之几。起重要作用的微量元素也要标 出。 例如:9Cr18,00Cr18Ni10( ≤ 0.03%),0Cr18(≤ 0.08%) 等。

            总结 ? C% —结构钢,万分之几; 工具钢、不锈钢,千分之几; ? Me% —一般为百分之几; 含Cr低的合金工具钢 和轴承钢,用千分之几。

            第二节 合金元素在钢中的作用
            ? 一、合金元素在钢中的分布 合金元素(见图): Cr、 Ni、 Mn 、 Si、 W、 Mo、 V、 Ti 、 Co、 Al、Cu、 Nb、 Zr、 B、RE 等。 存在形式: (1)溶于铁素体、奥氏体、马氏体中形成固溶体。 (2)形成强化相,如形成合金渗碳体,特殊碳化 物或金属间化合物等。 (3)形成非金属夹杂物,如氧化物、氮化物和硫化 物。 (4)以游离状态存在,例如:Pb、Cu、石墨等。

            ---使用性能和工艺性能

            A Ⅰ

            0
            A Ⅱ A Ⅲ A Ⅳ A Ⅴ A Ⅵ A Ⅶ
            H e

            H Li Na K Pb Cs

            Be B C B B Ⅰ Ⅱ Mg ⅢB ⅣB ⅤB ⅥB ⅦB ⅧB Al Si Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pd

            N P As Sb Bi

            O S Se Te Po

            F Cl Br I At

            Ne Ar Kr Xe Rn

            表中字体颜色为绿色或深蓝色的元素为钢中常见合金 元素; 字体颜色为深蓝色的元素为钢中常见碳化物合 金元素。

            二、合金元素与铁和碳的相互作用
            (一)合金元素与铁的作用(合金元素与铁构成的相图 类型) 1.无限扩大奥氏体区 合金元素与γ-Fe形成无限固溶体,与α-Fe形成有 限固溶体。使A3点降低,A4点升高。Mn、 Ni、 Co。 2.有限扩大奥氏体区 合金元素与γ-Fe 和α-Fe均形成有限固溶体。 使A3点降低,A4点升高。C、N、Cu、Zn等。

            图3-1

            铁-镍相图(开启γ相区 ) 图3-2

            铁-碳相图(扩展γ相区 )

            3. 封闭γ区、无限扩大α区 合金元素使A3点上升,A4点下降, 某一点时重合,γ区封闭,超过此含 量,则合金不再有γ? α相变,与 α-Fe 形成无限固溶体。Cr、 W、 Mo、 V、Ti、 Si、 P、 Al、Be等。

            4. 缩小γ区,但不使γ区封闭型 合金元素使A3上升,A4下降。B、Nb、Ti、 Zr等。 合金元素分为两类: 扩大奥氏体区的元素成为奥氏体形成元素, Mn、 Ni、Co、C、N、Cu、Zn等; 缩小奥氏体区的元素称为铁素体形成元素, Cr、 Mo、 Ti 、 Si、Al等。

            图3-3

            铁-铬相图(封闭γ相区)

            图3-4

            铁-铌相图(缩小γ相区)

            ? 总结
            ?
            ? ?

            合金元素分为两大类
            1. 扩大奥氏体区的元素-奥氏体形成元 素,如Ni、Mn、Co、C、N、Cu、Zn等; 2. 缩小或封闭奥氏体区的元素-铁素体 形成元素,如Cr、Si、Al、Mo、Ti等

            (二)合金元素与碳的作用
            ?

            两大类:
            1.非碳化物形成元素 Ni、Si、Co、Al、Cu等,以溶于γ-Fe 和α-Fe 中存在,形成非金属夹杂物和金属间化合物, 如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。Si含量 大时使渗碳体分解析出石墨。 2. 碳化物形成元素(次d电子层不满) Ti、 Zr、 Nb、 V、 W、 Mo、Cr、Mn等,一部 分溶入奥氏体和铁素体中,另一部分与碳形成 碳化物。

            碳化物形成元素在周期表中都是 位于铁元素的左边的过渡族金属元素, 它们都有一个未填满的d电子亚层,当 形成碳化物时,碳原子首先将其价电子 填入金属原子未填满的d电子亚层,使 形成的碳化物具有金属键结合的性质, 金属原子的d电子亚层愈不满(周期表 中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲 和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈 稳定,而且不易分解。

            溶于碳钢中原有的相中;形成新类型的特殊碳化物 1.溶于基体中形成合金 F 或合金 渗碳体 。 2.与碳作用形成合金碳化物。 3.单独形成特殊碳化物 。
            (1) Ti、Zr、 Nb 、 V缺碳时,才以原子态溶入固溶体。 (强)特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等, (2) W、Mo、Cr含量少时,形成合金渗碳体。如: (Fe、 Cr)3C、(Fe、Mo)3C、 (Fe、W)3C 含量多时,反 之形成特殊碳化物。(中强)Cr7C3、MoC、WC、

            (3) Mn少量溶入渗碳体-合金渗碳体,大部分仍溶于奥氏体 和铁素体中。(弱)

            碳化物分为两类:
            (1)当rc/rM>0.59时,形成间隙化合物,如Cr23C6、 Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C、(Fe3Mo3C、Fe3W3C)等。 (2)当rc/rM <0.59时,形成间隙相(特殊碳化物) 如WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等,与前者比,熔点,硬度 更高,很稳定,不易分解,不易溶入奥氏体中。 还可形成多元碳化物,如Fe4Mo2C、Fe21Mo2C6、 Fe21W2C6等,且比例常变化,还能溶入其它金属,故表示 为M6C、M23C6、(FeM)3C

            三、合金元素对相变的影响 (一)合金元素对Fe-C相图的影响
            1.对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co均使S点左移、A3线下降; Cr、W、Mo、V、Ti、Si使A3线上升; 大多数元素均使ES线左移,E点左移, 意味着钢中含碳量小于2.11%时就出现共晶 莱氏体,—高速钢、奥氏体钢、莱氏体钢。
            例如:W18Cr4V的铸态组织中已出现了莱氏体;

            2. 对共析温度和共析点位置的影 响

            扩大γ区的元素降低A3和A1,使 S点左移,缩小γ区元素升高A3和A1, 使S点左移。即含碳量小于0.77%时, 就析出二次渗碳体。如4Cr13钢(马 氏体不锈钢,就是过共析钢)。

            图3-5

            图3-6

            图3-7

            合金元素对 S 点成分的影响

            图3-8

            总结:
            当含Mn、Ni较高的钢,因扩大奥氏体相区有可能将A3降至室温 以下,此时钢在室温下保持奥氏体组织,叫做奥氏体钢; 例如:Mn13(耐磨钢)、1Cr18Ni9(不锈钢);如P122图7-1; ? 当含Cr较高的钢,因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素 体存在而成为铁素体钢; 例如:Cr17(铁素体型不锈钢);如P122图7-2; ? 由于所有的合金元素均使S点左移,这就意味着钢中的含碳量 不足0.77%时,钢就变为过共析钢而析出Fe3CⅡ; ? 例如:4Cr13(马氏体型不锈钢)就是过共析钢;
            ?

            (二)合金元素对加热转变的影响

            合金钢热处理加热的目的 (1)获得成分均匀的奥氏体,使合金元素 尽可能多的溶入奥氏体中,提高淬透性(合金 钢的奥氏体化温度高,保温时间长。) (2)获得晶粒细小的奥氏体组织,所有合 金元素(除Mn、P、C、N外)均阻碍奥氏体晶 粒的长大,但作用的强弱不同,强碳化物形成 元素的作用大。 合金钢的热处理加热温度较高,且晶粒细 小,尤其是有强碳化物形成元素的钢。

            (三) 合金元素对过冷奥氏体转变过程的影响: 除Co以外,大多数合金元素的加入(溶入奥 氏体中)均使C曲线右移,提高过冷奥氏体的 稳定性, Vk↓从而提高了钢的淬透性; ? 一些碳化物形成元素还使C曲线的形状发生改 变,如图所示; ? 除Co,Al外,所有的合金元素都使 Ms、Mf 点 下降,淬火后残余A量↑, 硬度↓ ? 合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。最常 采用的是:Cr,Mn,Si,Ni,B
            ?

            1.合金元素对珠光体转变的影响 ? 除了Co、Al外均推迟奥氏体向珠光 体的转变。 ? 原因: 珠光体转变??扩散、驱动力 ? (1)合金元素扩散慢,且使得碳的扩 散也减慢,使珠光体形核困难,转变速 度减慢; ? (2)扩大奥氏体区的元素如Ni、Mn等 降低奥氏体转变温度,从而影响到碳与 合金元素的扩散速度,阻止转变;
            ?

            (3)微量元素B在晶界上内吸附, 并形成共格硼相(M23C3B3)可显著地 阻止铁素体的核,从而增加了奥氏体 的稳定性。 合金元素溶入奥氏体中,就或多 或少地推迟珠光体转变,提高淬透性。 多种元素的共同作用比单一元素的作 用大的多。

            2.合金元素对贝氏体转变的影响 合金元素对贝氏体转变的影响主要体现 在对γ→α转变速度和碳扩散速度的影响。 Cr、Mn、Ni降低γ→α转变温度,减少奥 氏体与铁素体的自由能差,减少了相变驱动 力,且Cr与Mn还阻碍碳的扩散,因此推迟贝 氏体的转变。 Si强烈地阻止贝氏体转变(原因:强烈 地阻止过饱和铁素体的脱溶)。

            W、Mo、V、Ti不同与Mn、Ni,使 γ→α转变温度升高,增大转变驱动 力,但降低碳的扩散速度,因此推迟 贝氏体转变,但作用较小。 含有W、Mo、V、Ti的钢贝氏体转变 的孕育期短,铁素体-珠光体转变的孕 育期长,空冷时容易得到贝氏体组织, 如12Cr1MoV钢。

            3.合金元素对马氏体转变的影响 除Co、Al以外,溶入奥氏体中的合 金元素均使Ms点下降,碳的作用最大, 其次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。多种元 素共存时,作用更大。

            表3-2

            (四)合金元素对淬火钢回火转变的影响

            ---提高钢的回火稳定性(抗回火软化) 减慢回火。 1. 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)没影响;碳化物形成元 素V、Nb、Cr、Mo、W等使马氏体分解的 第二阶段减慢,原因:需碳原子长距离 的扩散…..。碳从马氏体中析出温度升 高。非碳化物形成元素影响不大。

            Si的作用比较独特。 ? 回火温度低时,Si不扩散,马氏 体和ε-碳化物中含Si量相等。由于 Fe3C中不溶Si,所以ε-碳化物转化为 Fe3C时必须把Si扩散出来,但Si的扩 散比碳慢,因此可以显著地减慢马氏 体的分解,使得马氏体的分解温度升 高。
            ?

            2. 对残余奥氏体转变的影响 残余奥氏体C-曲线的孕育期较过冷奥氏体 的显著缩短。合金元素使过冷奥氏体和残余奥 氏体的C-曲线上出现一个中温稳定区。 Cr、Mn等可使奥氏体的分解温度显著升高。 在含有W、Mo、V等元素的高合金钢,由于 500~600℃回火中碳化物的析出,使残余A中 Me% ↓ ,Ms点高于室温,随后冷却时转变为残 余A →M→马氏体,硬度升高——二次淬火或 二次硬化,如图3-9。

            图3-9

            3. 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。随回火温度的升高, 260℃ε转化为Fe3C,合金元素中唯 有Si、Al强烈地推迟这一转变到 350℃。Cr的作用比Si、Al的弱。

            随回火温度的升高,合金元素进行明 显的扩散,在α相和Fe3C中重新分配:碳 化物形成元素形成合金渗碳体,非碳化物 形成元素离开渗碳体。同时,渗碳体聚集 长大,Ni对聚集长大无影响,而Si、V、W、 Mo、Cr对其起阻碍作用。

            在含碳化物形成元素较多的钢中,回火 时可能析出特殊碳化物,形成方式有: (1)原位析出—要求渗碳体中溶解较多的合 金元素。Cr在Fe3C中可达20%,所以铬钢中 合金碳化物原位形核较多。(FeCr)7C3或 (FeCr)23C6,颗粒粗大,长大速度大; (2)离位析出—晶核在铁素体基体上析出, 如MC型碳化物,VC、TiC、NbC、WC、MoC等, 细小弥散,强度硬度升高,产生二次硬化。

            4.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再 结晶过程,Co、Mo、W、Cr、V显著提高α相 的再结晶温度,Si、Mn影响次之,Ni的影响 不大,含Cr+Mo+W=1-2%,可将再结晶温度由 500℃提高到650℃。

            5. 对回火脆性的影响
            不能用热处理和合金化的方法消除 第一类回火脆性,但Si、Mn等元素可将 脆化温度提高到350-370 ℃。Ni、Cr、 Mn增加第二类回火脆性,而Mo、W抑制 和减轻回火脆性。

            四、合金元素对钢强韧性的影响
            ? ? ?

            合金元素的作用—提高强度又要保证有足够韧性。 强度—塑变抗力,韧性—可靠性,一对矛盾。 合金元素对组织、使用性能、工艺性能也有影响。 (一)强化途径—设法增大位错运动的阻力。 1.固溶强化 间隙原子的强化作用比置换原子大10-100倍,如C, 但溶解度有限。置换原子中Si,Mn作用较大,应用广泛。 浓度越高,强度,硬度升高,而塑性和韧性下降。—— 应限量应用。

            2.晶界强化 可以提高钢的强度,且可以提高钢的塑 性和韧性。——霍尔-配奇公式。合金元素中 Al、Ti、V、Zr、Nb等形成难溶的第二相粒子, 细小、分散,阻碍奥氏体晶粒长大,强化。 相变-细晶-强化。 3.第二相强化 可以阻碍位错运动。位错运动遇到第二 相粒子消耗额外的能量,造成强化。粒子越 细小,弥散,间距越小,效果越好。例如: 碳化物颗粒。

            第二相粒子对钢的塑性有危害作用。 原因: 1.孔坑的萌生与第二相粒子有关。2.塑 性还与第二相粒子的分布有关,沿晶界分布 最有害;3.与第二相粒子的形状有关,球状 危害最小;4.与第二相粒子的种类有关,硫 化物和氧化物不利,碳化物危害较小。

            当用第二相粒子强化时应采用如下的 方法改善钢的塑性 ? (1)控制碳化物的尺寸、数量、形状和 分布,如高温回火。 ? (2)减少夹杂物并加入Ca、Zr、RE等与 硫形成难溶的球状硫化物。 ? (3)将片状珠光体改为粒状珠光体
            ?

            4.位错强化 位错密度越高,运动时易相互交割,形成 割阶,缠结,塑变困难,提高强度。 Δσ=αGbρ1/2 位错密度与变形度有关。 合金元素的作用是在塑变时使位错增殖, 合金元素细化晶粒,形成第二相和固溶体,增 加位错密度。 塑变和相变均可以增加位错密度(马氏体 相变)

            (二)韧化途径
            韧性是指材料对断裂的抗力,是可靠 性的度量,用冲击韧性αk、断裂韧性KIC 和脆性转化温度tc等表示。

            钢材的韧化,意味着减小脆化。 ? 按上述强化方式进行强化,除细晶强 化以外,一般均会发生脆化,导致韧 性破断的冲击值和断裂韧性值下降。 因此,寻求高强度而同时有高韧性的 材料,是重要的研究任务。

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            1、细化晶粒 细化晶粒作为钢的主要强化机制是十分重 要的,与此同时也改善了韧性和降低脆性转化 温度。因此,它是既强化又韧化钢材的唯一办 法。 2、降低有害元素的含量 减少钢中的P、S、N、H、O以及其它有害 元素的含量,则可减少它们在晶界的偏聚,一 方面有利于抑制回火脆性倾向,另一方面也使 延迟破坏和环境脆化的敏感性大大下降,从而 改善钢的韧性。

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            3、调整合金元素含量 合金元素抑制钢的脆性断裂倾向原因在于: ①改变显微组织 合金元素是通过控制淬透性、相变温度、析出物 形态、晶粒度等而起作用,其效果随所得组织或 随不同添加量而发生复杂的变化。 ②改善基体本身的韧性。 合金元素是通过影响基体的塑性特性,影响位错 摩擦力、交叉滑移难易程度而起作用。

            4、降低钢中的含碳量 ? 碳是钢中必不可少的元素,然而加 碳虽然强化作用很大,但却显著降低韧 性,这是普遍倾向。针对这一特性,含 碳量极低的(≤0.03%wt)、通过析出金属 间化合物来强化的马氏体时效钢,具有 高的韧性。
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            金属的断裂有:微孔积聚型断裂、解理断裂和 沿晶断裂。 改善和提高韧性的途径如下: 1.提高微孔聚集型断裂抗力的途径: 有宏观塑性断裂和脆性断裂,表现形式均 为孔坑型。 (1)尽量减少钢中第二相的数量; (2)提高基体组织的塑性-固溶元素少; (3)提高组织的均匀性-减小应力集中。

            2.提高解理断裂抗力的途径 特征-冷脆性。(tc表示)。 由解理断裂的微观机理知:晶粒越细小,裂 纹形成和扩展的阻力越大。有效的方法: (1)是细化晶粒; (2)加入Ni元素(降低tc ); (3)用面心立方组织代替体心立方。

            3.提高沿晶断裂抗力的途径
            例如:回火脆性、过热、过烧等。 原因: 一是:P、As、Sb、Sn等溶质原子沿晶界偏聚, 晶界弱化裂纹易于扩展; 二是:第二相沿晶界分布(MnS、Fe3C)使裂纹 易于在晶界上形成。 防止方法 (1)加入Mo、W等抑制晶界的偏聚; (2)减少钢中S的含量,也可加入稀土元素,形 成难溶的稀土硫化物。 (3)严格的热处理工艺,提高钢的韧性。


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