鋼鐵材料第一章

1、第一章第一章 鋼鐵材料基礎(chǔ)鋼鐵材料基礎(chǔ)1.1 鐵碳相圖鐵碳相圖1.2 鋼中合金元素鋼中合金元素1.3 合金元素對(duì)鋼相變的影響合金元素對(duì)鋼相變的影響1.4 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用1.5 鋼的強(qiáng)化與韌化鋼的強(qiáng)化與韌化1.6 合金鋼的分類與編號(hào)合金鋼的分類與編號(hào)1.2 鋼中合金元素鋼中合金元素 加入適當(dāng)化學(xué)元素改變金屬性能的方法叫加入適當(dāng)化學(xué)元素改變金屬性能的方法叫做做合金化合金化。為了合金化的目的而特定在鋼為了合金化的目的而特定在鋼中加入含量在一定范圍的化學(xué)元素中加入含量在一定范圍的化學(xué)元素稱為稱為合合金元素金元素。這種鋼叫。這種鋼叫合金鋼合金鋼。 金有金有六齊六齊，六分其金而錫

2、居其一，謂之鐘，六分其金而錫居其一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居其一，謂之斧斤鼎之齊；五分其金而錫居其一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居其一，謂之戈戟之之齊；四分其金而錫居其一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊錫半，謂之鑒燧之齊 -戰(zhàn)國(guó)后期（公元前世紀(jì)）戰(zhàn)國(guó)后期（公元前世紀(jì)）考工記考工記 金柔錫柔，合兩柔則剛金柔錫柔，合兩柔則剛 - （公元前年左右）（公元前年左右） 呂氏春秋呂氏春秋,別類篇?jiǎng)e類篇 鋼中常用的合金元素種類很多，鋼中常用的合金元素種類很多，不同

3、的不同的國(guó)家所使用的合金元素與各國(guó)的資源條國(guó)家所使用的合金元素與各國(guó)的資源條件有很大關(guān)系件有很大關(guān)系。例如，結(jié)構(gòu)鋼中美國(guó)多。例如，結(jié)構(gòu)鋼中美國(guó)多含含Ni元素，前蘇聯(lián)多含元素，前蘇聯(lián)多含Cr元素，西德多元素，西德多含含Cr、Mn元素，日本則多含元素，日本則多含Cr、Mn、Mo等元素。我國(guó)是有色金屬資源非常豐等元素。我國(guó)是有色金屬資源非常豐富的國(guó)家，除少數(shù)合金元素富的國(guó)家，除少數(shù)合金元素(如如Co)外，外，絕大多數(shù)有色金屬的含量都很豐富。我絕大多數(shù)有色金屬的含量都很豐富。我國(guó)目前富產(chǎn)國(guó)目前富產(chǎn)Mn、Si、Mo、W、V、B及及稀土元素等。過(guò)去認(rèn)為我國(guó)缺稀土元素等。過(guò)去認(rèn)為我國(guó)缺Cr少少Ni，但近幾年

4、已發(fā)現(xiàn)了許多但近幾年已發(fā)現(xiàn)了許多Cr、Ni礦。礦。 鋼中的合金元素總含量小于或等于鋼中的合金元素總含量小于或等于5時(shí)，時(shí)，稱為稱為低合金鋼低合金鋼。合金元素總含量在。合金元素總含量在510范圍內(nèi)稱為范圍內(nèi)稱為中合金鋼中合金鋼。合金元素總。合金元素總含量超過(guò)含量超過(guò)10的稱為的稱為高合金鋼高合金鋼。 合金元素不一定直接影響鋼性能的改善，合金元素不一定直接影響鋼性能的改善，而大部分是由于它們影響到相變的過(guò)程，而大部分是由于它們影響到相變的過(guò)程，從而間接發(fā)生作用。從而間接發(fā)生作用。 1.2.1合金元素在鋼中的分布合金元素在鋼中的分布 在鋼中常常加入的合金元素有：在鋼中常常加入的合金元素有： 第二周期

5、：第二周期：B、C、N； 第三周期：第三周期：Al、Si； 第四周期：第四周期：Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu； 第五周期：第五周期：Zr、Nb、Mo; 第六周期：第六周期：w； 第七周期：稀土元素。第七周期：稀土元素。 S、P等元素通常作為有害元素看待，但有時(shí)也可用等元素通常作為有害元素看待，但有時(shí)也可用作合金元素作合金元素(如在易切削鋼中如在易切削鋼中S被用來(lái)改善切削性能被用來(lái)改善切削性能)。 存在狀態(tài)：存在狀態(tài)：或是溶于鋼中原有的相或是溶于鋼中原有的相(鐵素體、奧氏體、鐵素體、奧氏體、滲碳體等滲碳體等)中，或是形成新相。中，或是形成新相。 概括來(lái)講，它們有如下四種存在形式：概括來(lái)

6、講，它們有如下四種存在形式： (1)溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。溶體的溶質(zhì)形式存在。 (2)形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。 (3)形成非金屬夾雜物，如合金元素與形成非金屬夾雜物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物。作用形成氧化物、氮化物和硫化物。 (4)有些元素如有些元素如Pb、Cu等既不溶于鐵，也不等既不溶于鐵，也不形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在，碳形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在，碳鋼中碳有

7、時(shí)也以自由狀態(tài)鋼中碳有時(shí)也以自由狀態(tài)(石墨石墨)存在。存在。 合金元素究竟以哪種形式存在，主合金元素究竟以哪種形式存在，主要決定于合金元素的要決定于合金元素的種類、含量、種類、含量、冶煉方法及熱處理工藝等；此外還冶煉方法及熱處理工藝等；此外還取決于合金元素本身的特性。取決于合金元素本身的特性。 合金元素的特性首先表現(xiàn)在合金元素的特性首先表現(xiàn)在與鋼中與鋼中的兩個(gè)主要元素鐵和碳的相互作用的兩個(gè)主要元素鐵和碳的相互作用上，其次還表現(xiàn)在對(duì)奧氏體層錯(cuò)能上，其次還表現(xiàn)在對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響上，的影響上，因此一般常將鋼中的合因此一般常將鋼中的合金元素按下述方法分類。金元素按下述方法分類。 1.2.2 合金元

8、素的分類合金元素的分類 1按照與鐵相互作用的特點(diǎn)分類按照與鐵相互作用的特點(diǎn)分類 (1)奧氏體形成元素，如奧氏體形成元素，如C、N、Cu、Mn、Ni、Co等；等； (2)鐵素體形成元素，如鐵素體形成元素，如Cr、V、Si、Al、Ti、Mo、W等。等。 2按照與碳相互作用的特點(diǎn)分類按照與碳相互作用的特點(diǎn)分類 (1)非碳化物形成元素，如非碳化物形成元素，如Ni、Cu、Si、Al、P等等; (2)碳化物形成元素，如碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Ti、Zr、Nb等。等。 3按照對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類按照對(duì)奧氏體層錯(cuò)能的影響分類 (1)提高奧氏體層錯(cuò)能的元素，如提高奧氏體層錯(cuò)能的元素，如Ni、Cu、

9、C等；等； (2)降低奧氏體層錯(cuò)能的元素，如降低奧氏體層錯(cuò)能的元素，如Mn、Cr、Ru（釕）、（釕）、Ir（銥）等。（銥）等。1.2.3 合金元素與鐵的相互作用合金元素與鐵的相互作用 合金元素加入鋼中之后，對(duì)鋼的合金元素加入鋼中之后，對(duì)鋼的相變、組相變、組織和性能織和性能的影響一般取決于合金元素與鐵的影響一般取決于合金元素與鐵和碳的相互作用。和碳的相互作用。 合金元素對(duì)合金元素對(duì)Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有很大的影的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有很大的影響，響，這一影響主要通過(guò)合金元素在這一影響主要通過(guò)合金元素在-Fe和和Fe中的固溶度以及對(duì)中的固溶度以及對(duì)Fe存在溫度區(qū)存在溫度區(qū)間的影響表現(xiàn)出來(lái)。而這兩者又取決于合

10、間的影響表現(xiàn)出來(lái)。而這兩者又取決于合金元素與鐵所構(gòu)成的二元合金狀態(tài)圖。為金元素與鐵所構(gòu)成的二元合金狀態(tài)圖。為此可以將合金元素分為兩大類型。此可以將合金元素分為兩大類型。 1無(wú)限擴(kuò)大無(wú)限擴(kuò)大區(qū)型區(qū)型 合金元素使區(qū)擴(kuò)展，合金元素使區(qū)擴(kuò)展，與與Fe形成無(wú)限固形成無(wú)限固溶體，與溶體，與 -Fe形成形成有限固溶體。它們均有限固溶體。它們均使使A3點(diǎn)降低，點(diǎn)降低，A4點(diǎn)點(diǎn)升高。這類元素有升高。這類元素有Mn、Ni、Co等。等。 2有限擴(kuò)大有限擴(kuò)大區(qū)型區(qū)型 合金元素使合金元素使A3 點(diǎn)降點(diǎn)降低，低， A4 點(diǎn)升高，與點(diǎn)升高，與 Fe和和 Fe均形均形成有限固溶體，這類成有限固溶體，這類元素有元素有C、N、C

11、u、Zn、Au等。等。3封閉封閉區(qū)，無(wú)限擴(kuò)大區(qū)，無(wú)限擴(kuò)大區(qū)型區(qū)型 合金元素使合金元素使A3點(diǎn)上升，點(diǎn)上升， A4點(diǎn)下降，以至達(dá)到某一含點(diǎn)下降，以至達(dá)到某一含量時(shí)，量時(shí)，A3點(diǎn)與點(diǎn)與A4點(diǎn)重合，點(diǎn)重合，區(qū)被封閉，超過(guò)此含量，區(qū)被封閉，超過(guò)此含量，合金不再有合金不再有/相變，與相變，與-Fe形成無(wú)限固溶體。這類形成無(wú)限固溶體。這類合金元素有：合金元素有：Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。但應(yīng)指出，含等。但應(yīng)指出，含Cr量小量小于于7時(shí)，時(shí)，A3點(diǎn)下降；含點(diǎn)下降；含Cr量大于量大于7時(shí)，時(shí)，A3點(diǎn)才上升。點(diǎn)才上升。 4縮小縮小區(qū)，但不使區(qū)，但不使區(qū)封閉型區(qū)封閉型 合金元素使合金元素使

12、A3點(diǎn)點(diǎn)上升，上升， A4點(diǎn)下降，點(diǎn)下降，使使區(qū)縮小但不封區(qū)縮小但不封閉。這類元素有閉。這類元素有B、Nb、Ta、Zr等。等。 應(yīng)當(dāng)指出應(yīng)當(dāng)指出: 在上述各種鐵基二元合金中，合金元素除溶于在上述各種鐵基二元合金中，合金元素除溶于Fe或或Fe以外，當(dāng)元素含量高時(shí)，還可以外，當(dāng)元素含量高時(shí)，還可能形成能形成金屬間化合物。金屬間化合物。 綜上所述，可將合金元素分為兩大類：將擴(kuò)大綜上所述，可將合金元素分為兩大類：將擴(kuò)大相區(qū)的元素稱為相區(qū)的元素稱為奧氏體形成元素奧氏體形成元素；將縮小或封；將縮小或封閉相區(qū)的元素稱為閉相區(qū)的元素稱為鐵素體形成元素鐵素體形成元素。 最后應(yīng)該指出：最后應(yīng)該指出： 同時(shí)向鋼中加

13、入兩類合金元素時(shí)，其作用往往同時(shí)向鋼中加入兩類合金元素時(shí)，其作用往往相互有所抵消。相互有所抵消。但也有例外，例如但也有例外，例如Cr是鐵素體是鐵素體形成元素，在形成元素，在Crl8與與Ni同時(shí)加入時(shí)卻促進(jìn)了同時(shí)加入時(shí)卻促進(jìn)了奧氏體的形成。奧氏體的形成。 合金元素除碳、氮和硼以外，都與鐵形成置換固洛體，它合金元素除碳、氮和硼以外，都與鐵形成置換固洛體，它們擴(kuò)大或縮小們擴(kuò)大或縮小相區(qū)的作用與該元素在周期表中的位置有相區(qū)的作用與該元素在周期表中的位置有關(guān)。有利于擴(kuò)大關(guān)。有利于擴(kuò)大相區(qū)的合金元素，其本身具有面心立方相區(qū)的合金元素，其本身具有面心立方點(diǎn)陣或在共多型性轉(zhuǎn)變中有一種面心立方點(diǎn)陣，與鐵的電點(diǎn)陣

14、或在共多型性轉(zhuǎn)變中有一種面心立方點(diǎn)陣，與鐵的電負(fù)性相近，與鐵的原于尺寸相近。在形成鐵基固溶體時(shí)，負(fù)性相近，與鐵的原于尺寸相近。在形成鐵基固溶體時(shí)，d層電子是主要參加形成固溶體金屬鍵合的電子。層電子是主要參加形成固溶體金屬鍵合的電子。 以第四周期元素為例，其中過(guò)渡族元素由鈦到銅，隨著原以第四周期元素為例，其中過(guò)渡族元素由鈦到銅，隨著原子序數(shù)的增高，元素的晶體點(diǎn)陣由體心立方向面心立方轉(zhuǎn)子序數(shù)的增高，元素的晶體點(diǎn)陣由體心立方向面心立方轉(zhuǎn)變、其中鈦、釩和鉻具有體心立方點(diǎn)陣；錳、鐵和鈷在其變、其中鈦、釩和鉻具有體心立方點(diǎn)陣；錳、鐵和鈷在其多型件轉(zhuǎn)變中都存在面心立力點(diǎn)陣。鎳和銅只有單一的面多型件轉(zhuǎn)變中都存

15、在面心立力點(diǎn)陣。鎳和銅只有單一的面心立方點(diǎn)陣。從其心立方點(diǎn)陣。從其d層電子數(shù)來(lái)看，從鈦到銅，層電子數(shù)來(lái)看，從鈦到銅，3d層電子層電子由由2個(gè)增加到個(gè)增加到10個(gè)。個(gè)。3d層電子數(shù)小于等于層電子數(shù)小于等于5的元素是縮小的元素是縮小相區(qū)的，如鈦相區(qū)的，如鈦(2個(gè)個(gè))和釩和釩(3個(gè)個(gè))；3d電子數(shù)大于等于電子數(shù)大于等于5的元素的元素是擴(kuò)大是擴(kuò)大相區(qū)的，如錳相區(qū)的，如錳(5個(gè)個(gè))、鈷、鈷(6個(gè)個(gè))、鎳、鎳(8個(gè)個(gè))和銅和銅(10個(gè)個(gè))。介于釩和錳之間的鉻。介于釩和錳之間的鉻(5個(gè)個(gè))具有過(guò)渡性，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有過(guò)渡性，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在小于在小于75時(shí)使時(shí)使A3下降，大干下降，大干7.5時(shí)又使時(shí)又使A3上

16、升。上升。Fe-Cr相圖中雖然有封閉的相圖中雖然有封閉的相區(qū)，但鉻在相區(qū)，但鉻在相中有較大的相中有較大的溶解度。溶解度。 1.2合金元素在鐵中的溶解度合金元素在鐵中的溶解度元素元素溶解度（溶解度（%）元素元素溶解度（溶解度（%）-Fe-Fe-Fe-FeCo76無(wú)限無(wú)限W33(1540)4.5(700)3.2Ni10無(wú)限無(wú)限Al361.1Mn3無(wú)限無(wú)限Si18.52Cu1（700）0.2(室溫室溫)8.5Ti7(1340)2.5(600)0.68C0.022.06P2.80.2N0.12.8Nb1.82.0Cr無(wú)限無(wú)限12.8Zr0.30.7V無(wú)限無(wú)限1.4B0.0080.0180.026Mo3

17、7.5(1450)4(室溫室溫)31.2.4 合金元素與碳的相互作用合金元素與碳的相互作用 合金元素與鋼中碳的作用主要表現(xiàn)在合金元素與鋼中碳的作用主要表現(xiàn)在是否是否易于形成碳化物，或者形成碳化物傾向性易于形成碳化物，或者形成碳化物傾向性的大小的大小。碳化物是鋼中最重要的強(qiáng)化相，碳化物是鋼中最重要的強(qiáng)化相，對(duì)于決定鋼的組織和性能具有極其重要的對(duì)于決定鋼的組織和性能具有極其重要的意義。意義。 合金元素按照它們與碳的相互作用，可分合金元素按照它們與碳的相互作用，可分為兩大類：為兩大類： 1非碳化物形成元素非碳化物形成元素 非碳化物形成元素包括非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、

18、S等。它們與碳不形成碳化物，等。它們與碳不形成碳化物，但可固溶于但可固溶于Fe中形成固溶體，或者形成其中形成固溶體，或者形成其它化合物，如氮可形成氮化物。它化合物，如氮可形成氮化物。 2碳化物形成元素碳化物形成元素 碳化物形成元素包括碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti等。它們都是過(guò)渡族等。它們都是過(guò)渡族元素。碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相元素。碳化物是鋼中主要的強(qiáng)化相 。（1）形成碳化物的規(guī)律性）形成碳化物的規(guī)律性 從周期表看從周期表看:碳化物形成元素碳化物形成元素(Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Ti、W、Mo等等)均位于均位于Fe的左側(cè)，而非的左側(cè)，而非碳化物形

19、成元素碳化物形成元素(Ni、Si、Co、Al、Cu)等均處于等均處于周期表的右側(cè)。周期表的右側(cè)。 本來(lái)本來(lái)Ni和和Co也可形成獨(dú)立的碳化物，但由于其穩(wěn)也可形成獨(dú)立的碳化物，但由于其穩(wěn)定性很差定性很差(比比Fe3C還小還小)，在鋼中不會(huì)出現(xiàn)，故通，在鋼中不會(huì)出現(xiàn)，故通常被當(dāng)作非碳化物形成元素看待。常被當(dāng)作非碳化物形成元素看待。 Mn是碳化物形成元素，但是碳化物形成元素，但Mn極易溶入滲碳體中，極易溶入滲碳體中，故鋼中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故鋼中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mn的獨(dú)立碳化物。的獨(dú)立碳化物。 d電子愈是不滿，形成碳化物的能力就愈電子愈是不滿，形成碳化物的能力就愈強(qiáng)，強(qiáng)，即與碳的親和力愈大，所形成的碳即與碳的親和力愈大

20、，所形成的碳化物也就愈穩(wěn)定?；镆簿陀€(wěn)定。 金屬元素與碳結(jié)合生成碳化物時(shí)的金屬元素與碳結(jié)合生成碳化物時(shí)的熱熱效應(yīng)亦會(huì)影響所生成的碳化物穩(wěn)定性。效應(yīng)亦會(huì)影響所生成的碳化物穩(wěn)定性。一般說(shuō)來(lái)，碳化物的生成熱愈大，其穩(wěn)一般說(shuō)來(lái)，碳化物的生成熱愈大，其穩(wěn)定性就愈高。定性就愈高。 按照碳化物形成元素所生成的碳化物按照碳化物形成元素所生成的碳化物穩(wěn)定程度由強(qiáng)到弱順序，可將這些元素穩(wěn)定程度由強(qiáng)到弱順序，可將這些元素依次排列為：依次排列為：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe。 按照碳化物晶格類型的不同，碳化物可分為兩按照碳化物晶格類型的不同，碳化物可分為兩類類 ： 當(dāng)當(dāng)rcrme0.59時(shí)，碳與

21、合金元素形成一種時(shí)，碳與合金元素形成一種復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的碳化物復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的碳化物。Cr、Mn、Fe屬于這類屬于這類元素，它們形成下列形式的碳化物；元素，它們形成下列形式的碳化物；Cr23C6、Cr7C3、Fe3C等。等。 當(dāng)當(dāng)rcrme 059時(shí)，形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化時(shí)，形成簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的碳化物物(間隙相間隙相)。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr均均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：屬于此類元素，它們形成的碳化物是： MeX型型：WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC。 Me2X型：型： W2C 、 Mo2C 、 Ta2C 。 此類碳化物此類碳化物硬度大、熔點(diǎn)高硬度大、熔點(diǎn)高(可高達(dá)可高達(dá)3

22、000)，分解溫度高分解溫度高(可高達(dá)可高達(dá)1200)； 實(shí)際上鋼中的碳化物，除上述兩種類型實(shí)際上鋼中的碳化物，除上述兩種類型以外，在某些條件下，還可出現(xiàn)以外，在某些條件下，還可出現(xiàn)下述兩下述兩種情況種情況： 一是合金滲碳體；一是合金滲碳體； 二是生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物。二是生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金碳化物。 除去含量條件以外，保證元素在鋼中的除去含量條件以外，保證元素在鋼中的擴(kuò)散擴(kuò)散也是形成碳化物的必要條件。因此，也是形成碳化物的必要條件。因此，碳化物的形成過(guò)程與熱處理工藝有著極碳化物的形成過(guò)程與熱處理工藝有著極為密切的關(guān)系。為密切的關(guān)系。 （）碳化物的特性（）碳化物的特性 如果將純金屬和

23、碳化物的硬度作比較，便如果將純金屬和碳化物的硬度作比較，便可看出碳化物的強(qiáng)化能力是很大的?？煽闯鎏蓟锏膹?qiáng)化能力是很大的。形成形成碳化物傾向性愈強(qiáng)的元素，其碳化物硬度碳化物傾向性愈強(qiáng)的元素，其碳化物硬度也愈高。也愈高。 碳化物是一種很重要的強(qiáng)化相，碳化物是一種很重要的強(qiáng)化相，形成碳形成碳化物能力愈強(qiáng)的元素，其碳化物穩(wěn)定性化物能力愈強(qiáng)的元素，其碳化物穩(wěn)定性愈高。愈高。穩(wěn)定的碳化物具有高熔點(diǎn)、高分穩(wěn)定的碳化物具有高熔點(diǎn)、高分解溫度，難于溶入固溶體，因而也難以解溫度，難于溶入固溶體，因而也難以聚集長(zhǎng)大。聚集長(zhǎng)大。 碳化物穩(wěn)定性碳化物穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的順序是：由弱到強(qiáng)的順序是：Fe3C、M23C6、M6

24、C、MC。 如果碳化物穩(wěn)定性高，則：如果碳化物穩(wěn)定性高，則： 在溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下不易聚集長(zhǎng)大，則可在溫度和應(yīng)力長(zhǎng)期作用下不易聚集長(zhǎng)大，則可大大提高材料的性能和使用壽命大大提高材料的性能和使用壽命; 碳化物和固溶體碳化物和固溶體(基體基體)之間不易在高溫下因原之間不易在高溫下因原子擴(kuò)散作用而發(fā)生合金元素的再分配子擴(kuò)散作用而發(fā)生合金元素的再分配; 碳化物的穩(wěn)定性對(duì)于鋼的碳化物的穩(wěn)定性對(duì)于鋼的熱強(qiáng)性熱強(qiáng)性也很重要。首也很重要。首先碳化物可使鋼在更高的溫度下工作并保持其先碳化物可使鋼在更高的溫度下工作并保持其較高的強(qiáng)度和硬度。較高的強(qiáng)度和硬度。 其次在達(dá)到相同硬度的條件下其次在達(dá)到相同硬度的條件下

25、,碳化物穩(wěn)定性碳化物穩(wěn)定性高的鋼可以在更高的溫度下回火，高的鋼可以在更高的溫度下回火，使鋼的塑性、使鋼的塑性、韌性更好韌性更好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼好。所以合金鋼的綜合性能比碳鋼好。 合金元素在碳化物中有一定的溶解度合金元素在碳化物中有一定的溶解度。 合金元素與碳的相互作用具有重大的實(shí)合金元素與碳的相互作用具有重大的實(shí)際意義際意義: 1 關(guān)系到所形成碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中關(guān)系到所形成碳化物的種類、性質(zhì)和在鋼中的分布。的分布。而所有這些都會(huì)直接影響到鋼的性能，而所有這些都會(huì)直接影響到鋼的性能，如鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅如鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、塑性、韌性、紅硬性和某些特殊

26、性能。硬性和某些特殊性能。 2 對(duì)鋼的熱處理亦有較大影響對(duì)鋼的熱處理亦有較大影響，如奧氏體，如奧氏體(A)化溫度和時(shí)間，化溫度和時(shí)間，A晶粒的長(zhǎng)大等。晶粒的長(zhǎng)大等。 3 合金元素與碳有著不同的親和力，合金元素與碳有著不同的親和力，對(duì)相變過(guò)對(duì)相變過(guò)程中碳的擴(kuò)散速度亦有較大影響程中碳的擴(kuò)散速度亦有較大影響；強(qiáng)碳化物形；強(qiáng)碳化物形成元素阻礙碳的擴(kuò)散，降低碳原子的擴(kuò)散速度；成元素阻礙碳的擴(kuò)散，降低碳原子的擴(kuò)散速度；弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素Mn以及大多數(shù)非碳化物形以及大多數(shù)非碳化物形成元素則無(wú)此作用，甚至某些元素如成元素則無(wú)此作用，甚至某些元素如Co還有還有增大碳原子擴(kuò)散的作用。因而合金元素與碳

27、的增大碳原子擴(kuò)散的作用。因而合金元素與碳的作用對(duì)鋼的相變有重要的影響。作用對(duì)鋼的相變有重要的影響。1.2.5 鋼中的氮化物鋼中的氮化物 由于鋼鐵治煉時(shí)吸收大氣中的氮或用氮進(jìn)行合金化由于鋼鐵治煉時(shí)吸收大氣中的氮或用氮進(jìn)行合金化，所以鋼中形成鐵或其他合金元素的氮化物；鋼表，所以鋼中形成鐵或其他合金元素的氮化物；鋼表面氮化時(shí)，也要形成各種氮化物。面氮化時(shí)，也要形成各種氮化物。 氮化物對(duì)鋼的組織和性能有極重要的影響。過(guò)渡族氮化物對(duì)鋼的組織和性能有極重要的影響。過(guò)渡族元素的氮化物都是間隙相，具有簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu)。與元素的氮化物都是間隙相，具有簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu)。與碳化物間隙相相似，氮化物化具有高的硬度、高彈碳化物

28、間隙相相似，氮化物化具有高的硬度、高彈性模量和脆性，并具有高的熔點(diǎn)和高的生成熱。性模量和脆性，并具有高的熔點(diǎn)和高的生成熱。 氮和金屬原子間有存在共價(jià)鍵的可能，但總的說(shuō)來(lái)氮和金屬原子間有存在共價(jià)鍵的可能，但總的說(shuō)來(lái)過(guò)渡族金屬的氮化物以金屬鍵占優(yōu)勢(shì)。此外，鋼液過(guò)渡族金屬的氮化物以金屬鍵占優(yōu)勢(shì)。此外，鋼液用鋁脫氧形成氮化鋁用鋁脫氧形成氮化鋁(AlN)，AlN屬于正常價(jià)非金屬屬于正常價(jià)非金屬化合物。化合物。 過(guò)渡族金屬的氮化物中，只要金屬亞點(diǎn)陣的間隙足夠大，過(guò)渡族金屬的氮化物中，只要金屬亞點(diǎn)陣的間隙足夠大，尺寸較小的氮原于處于間隙位置上。由于氮原予半徑僅尺寸較小的氮原于處于間隙位置上。由于氮原予半徑僅

29、0.71，比碳的，比碳的0.77小，所以與金屬原子的半徑比值均小，所以與金屬原子的半徑比值均小于小于0.59，其，其晶體結(jié)構(gòu)只能出現(xiàn)具有面心或密排六方的簡(jiǎn)晶體結(jié)構(gòu)只能出現(xiàn)具有面心或密排六方的簡(jiǎn)單密排結(jié)構(gòu)單密排結(jié)構(gòu)。 鋼中氮化物的穩(wěn)定性和碳化物相似、凡是鋼中氮化物的穩(wěn)定性和碳化物相似、凡是d層電子少的過(guò)層電子少的過(guò)渡族金屬，和氮的親合力就較大渡族金屬，和氮的親合力就較大。也可以用其生成熱值來(lái)。也可以用其生成熱值來(lái)比較，生成熱越大，其穩(wěn)定性也越高。首先是鈦和鋯，其比較，生成熱越大，其穩(wěn)定性也越高。首先是鈦和鋯，其次是鈮和釩，再次是鉻和鉬。鈦、鋯、鈮、釩強(qiáng)氮化物形次是鈮和釩，再次是鉻和鉬。鈦、鋯、鈮

30、、釩強(qiáng)氮化物形成元素，難溶于奧氏休。如不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、耐熱鋼和合成元素，難溶于奧氏休。如不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、耐熱鋼和合金中存在的大塊金中存在的大塊TiN夾雜物，微合金化鋼小的夾雜物，微合金化鋼小的(Ti,V)N等。等。 氮化物之間也可以互相溶解氮化物之間也可以互相溶解，形成完全互溶或有限溶解的，形成完全互溶或有限溶解的復(fù)合氮化物。氮化物和碳化物之間也可以互相溶解，形成復(fù)合氮化物。氮化物和碳化物之間也可以互相溶解，形成碳氮化物，如含氮的不銹鋼中氮原子可置換碳氮化物，如含氮的不銹鋼中氮原子可置換(Cr,Fe)23C6中部分碳原子，形成中部分碳原子，形成Cr，F(xiàn)e)23(C，N)6的碳氮化物。的碳氮化物

31、。在含釩、鈦、鈮微合金化的鋼中，可形成如在含釩、鈦、鈮微合金化的鋼中，可形成如V(C，N)、Nb(C，N)等碳氮化物。當(dāng)鋼中同時(shí)含有幾種過(guò)渡金屬元等碳氮化物。當(dāng)鋼中同時(shí)含有幾種過(guò)渡金屬元素時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氮化物、碳化物或碳氮化物并存的狀態(tài)。在素時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氮化物、碳化物或碳氮化物并存的狀態(tài)。在平衡條件下，平衡條件下，TiN可在鋼液中析出，故容易出現(xiàn)大塊可在鋼液中析出，故容易出現(xiàn)大塊TiN夾夾雜物，其他氮化物和碳化物一般都從固溶態(tài)析出。雜物，其他氮化物和碳化物一般都從固溶態(tài)析出。 鎢、鉬是中強(qiáng)氮化物形成元素，它們的氮化物在鋼中有較鎢、鉬是中強(qiáng)氮化物形成元素，它們的氮化物在鋼中有較大的穩(wěn)定性和較小的溶解度

32、。鉻、錳、鐵屬于較弱的氮化大的穩(wěn)定性和較小的溶解度。鉻、錳、鐵屬于較弱的氮化物形成元素，其氮化物可溶于奧氏體，在低溫下又可重新物形成元素，其氮化物可溶于奧氏體，在低溫下又可重新析出。析出。 在微合金化鋼中，可以利用氮比物來(lái)細(xì)化奧氏體晶粒和彌在微合金化鋼中，可以利用氮比物來(lái)細(xì)化奧氏體晶粒和彌散強(qiáng)化以提高鋼的強(qiáng)度和韌性。氮化鋼氮化后，除表面形散強(qiáng)化以提高鋼的強(qiáng)度和韌性。氮化鋼氮化后，除表面形成鐵的氮化物外，還形成合金氮化物如成鐵的氮化物外，還形成合金氮化物如Mo2N、VN和和AlN等，起彌散強(qiáng)比作用，提高鋼的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。高速等，起彌散強(qiáng)比作用，提高鋼的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。高速鋼表面氮化也可形成

33、鎢、鉬、釩、鉻等元素的氮化物，提鋼表面氮化也可形成鎢、鉬、釩、鉻等元素的氮化物，提高工具的切削速度和壽命。高工具的切削速度和壽命。 1.3 合金元素對(duì)鋼相變的影響合金元素對(duì)鋼相變的影響 由于由于FeC相圖是研究鋼中相變和對(duì)碳鋼進(jìn)行相圖是研究鋼中相變和對(duì)碳鋼進(jìn)行熱處理時(shí)選擇加熱溫度的依據(jù)，因此在研究合熱處理時(shí)選擇加熱溫度的依據(jù)，因此在研究合金元素對(duì)相變的影響之前，金元素對(duì)相變的影響之前，首先要了解合金元首先要了解合金元素對(duì)素對(duì)FeC相圖的影響相圖的影響。 在大多數(shù)合金鋼中，在大多數(shù)合金鋼中，預(yù)期性能主要是通過(guò)合金預(yù)期性能主要是通過(guò)合金元素對(duì)相變過(guò)程的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，合金元素對(duì)相變過(guò)程的作用來(lái)

34、實(shí)現(xiàn)的，因此，合金元素對(duì)相變過(guò)程的影響具有特別重要的意義元素對(duì)相變過(guò)程的影響具有特別重要的意義。 鋼中有三個(gè)基本的相變過(guò)程，即鋼中有三個(gè)基本的相變過(guò)程，即加熱時(shí)奧氏體加熱時(shí)奧氏體的形成、冷卻時(shí)過(guò)冷奧氏體的分解以及淬火馬的形成、冷卻時(shí)過(guò)冷奧氏體的分解以及淬火馬氏體回火時(shí)的轉(zhuǎn)變氏體回火時(shí)的轉(zhuǎn)變。1.3.1合金元素對(duì)合金元素對(duì)FeC相圖的影響相圖的影響 1對(duì)奧氏體相區(qū)的影響對(duì)奧氏體相區(qū)的影響 凡是擴(kuò)大相區(qū)的元素凡是擴(kuò)大相區(qū)的元素(如如Ni、Co、Mn等等)均使均使S點(diǎn)左移、點(diǎn)左移、A3線下降；凡線下降；凡是縮小相區(qū)的元素是縮小相區(qū)的元素(如如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等等)均使均使A3線上升，也

35、使線上升，也使S點(diǎn)左移。從兩圖可以看出，點(diǎn)左移。從兩圖可以看出，大多數(shù)大多數(shù)元素均使元素均使ES線左移。線左移。 E點(diǎn)左移，這就意味著鋼中碳的質(zhì)量點(diǎn)左移，這就意味著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足分?jǐn)?shù)不足2時(shí)就會(huì)出現(xiàn)共晶萊氏體。時(shí)就會(huì)出現(xiàn)共晶萊氏體。 擴(kuò)大相區(qū)的元素如擴(kuò)大相區(qū)的元素如Ni、Mn的含量足的含量足夠高時(shí)，可使相區(qū)擴(kuò)展到室溫以下，夠高時(shí)，可使相區(qū)擴(kuò)展到室溫以下，得到得到奧氏體鋼奧氏體鋼；Cr和和Si等元素則限等元素則限制相區(qū)，甚至使其完全消失，得到制相區(qū)，甚至使其完全消失，得到鐵素體鋼。鐵素體鋼。 2對(duì)共析溫度的影響對(duì)共析溫度的影響 共折反應(yīng)涉及到鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變和碳化共折反應(yīng)涉及到鐵的同素異晶

36、轉(zhuǎn)變和碳化物的析出和溶解。合金元素的存在，將改物的析出和溶解。合金元素的存在，將改變鋼的共析溫度。如擴(kuò)大變鋼的共析溫度。如擴(kuò)大相區(qū)的元素，降相區(qū)的元素，降低低A3和和A1，使，使S點(diǎn)左移；縮小點(diǎn)左移；縮小相區(qū)的元素，相區(qū)的元素，使使A3和和A1升高，也使升高，也使S點(diǎn)左移。點(diǎn)左移。 3對(duì)共析點(diǎn)位置的影響對(duì)共析點(diǎn)位置的影響 所有合金元素均使所有合金元素均使S點(diǎn)左移，這就意味著點(diǎn)左移，這就意味著鋼中含碳量不足鋼中含碳量不足077時(shí)，鋼即可變?yōu)檫^(guò)時(shí)，鋼即可變?yōu)檫^(guò)共析鋼，而析出二次滲碳體，也就是說(shuō)合共析鋼，而析出二次滲碳體，也就是說(shuō)合金元素使金元素使S點(diǎn)左移，降低了共析體中的含碳點(diǎn)左移，降低了共析體中

37、的含碳量。例如量。例如C%04的的4Crl3鋼已不是亞鋼已不是亞共析鋼，而是過(guò)共析鋼了共析鋼，而是過(guò)共析鋼了。1.3.2 合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體形成過(guò)程的影響成過(guò)程的影響合金元素的加入改變了臨界點(diǎn)的溫度、合金元素的加入改變了臨界點(diǎn)的溫度、S點(diǎn)的位置和點(diǎn)的位置和 碳在奧氏體中的溶解度，使碳在奧氏體中的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化；了變化；-熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，合金元素奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，合金元素原子不僅本身擴(kuò)散困難，而且還將影響鐵原子不僅本身擴(kuò)散困難，而且還將影響鐵和碳原子

38、的擴(kuò)散，從而影響奧氏體化過(guò)程。和碳原子的擴(kuò)散，從而影響奧氏體化過(guò)程。-動(dòng)力學(xué)條件動(dòng)力學(xué)條件 奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長(zhǎng)奧氏體的形成速度取決于奧氏體晶核的形成和長(zhǎng)大，兩者都與碳的擴(kuò)散有關(guān)。大，兩者都與碳的擴(kuò)散有關(guān)。 鈷和鎳鈷和鎳提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增大奧氏提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，增大奧氏體的形成速度。體的形成速度。 硅、鋁、錳硅、鋁、錳等對(duì)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度影響較等對(duì)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度影響較小，故對(duì)奧氏體的形成速度影響不大。小，故對(duì)奧氏體的形成速度影響不大。 碳化物形成元素碳化物形成元素與碳的親和力較大，顯著妨礙碳與碳的親和力較大，顯著妨礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散，

39、大大減慢了奧氏體的形成速在奧氏體中的擴(kuò)散，大大減慢了奧氏體的形成速度。度。 奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的奧氏體形成后，還殘留有一些穩(wěn)定性各不相同的碳化物。碳化物。穩(wěn)定性高的碳化物穩(wěn)定性高的碳化物，要使其分解并溶人，要使其分解并溶人奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過(guò)其平衡奧氏體中，必須提高加熱溫度，甚至超過(guò)其平衡臨界點(diǎn)幾十或幾百度。臨界點(diǎn)幾十或幾百度。 最初形成的奧氏體，其成分并不均勻，而且由于最初形成的奧氏體，其成分并不均勻，而且由于碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使碳化物的不斷溶入，不均勻程度更加嚴(yán)重。要使奧氏體均勻奧氏體均勻，碳和合金元素均需擴(kuò)散，由于合金，碳和合金

40、元素均需擴(kuò)散，由于合金元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對(duì)合金鋼應(yīng)采用較高的元素的擴(kuò)散很緩慢，因此對(duì)合金鋼應(yīng)采用較高的加熱溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的加熱溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，以得到比較均勻的奧氏體，從而分發(fā)揮合金元素的作用。但對(duì)需要奧氏體，從而分發(fā)揮合金元素的作用。但對(duì)需要具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用具有較多未溶碳化物的合金工具鋼，則不應(yīng)采用過(guò)高的加熱溫度和過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間。過(guò)高的加熱溫度和過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間。 合金元素對(duì)減小奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的作用也各合金元素對(duì)減小奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的作用也各不相同。不相同。Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)等強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒

41、長(zhǎng)大，起細(xì)化晶粒的作用；烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起細(xì)化晶粒的作用；W、Mo、Cr等阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用中等；非碳等阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用中等；非碳化物形成元素如化物形成元素如Ni、Si、Co等阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)等阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用輕微；而大的作用輕微；而Mn、P則有助長(zhǎng)奧氏體晶粒長(zhǎng)則有助長(zhǎng)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。大的傾向。1.3.3 合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體分解過(guò)合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體分解過(guò)程的影響程的影響 合金元素可以使鋼的合金元素可以使鋼的c曲線發(fā)生顯著變化。曲線發(fā)生顯著變化。幾乎所有的合金元素幾乎所有的合金元素(除除Co外外)都使都使C曲線向曲線向右移動(dòng)，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成右

42、移動(dòng)，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成速度。除速度。除Co、Al以外，所有的合金元素都以外，所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降，如圖，如圖110所示。所示。 C曲線右移的結(jié)果，曲線右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。高了鋼的淬透性。這對(duì)于許多合金鋼來(lái)講是非常重這對(duì)于許多合金鋼來(lái)講是非常重要的。合金元素對(duì)淬透性影響的大小取決于該元素要的。合金元素對(duì)淬透性影響的大小取決于該元素的作用強(qiáng)度及其可能的溶解量。這樣，鋼中最常用的作用強(qiáng)度及其可能的溶解量。這樣，鋼中最常用的提高淬透性的元素主要有以下六種：的提高淬透性的元素主要有以下六種： C

43、r、Mn、Mo、Si、Ni、B 前五種元素，除了有較強(qiáng)的提高淬透性的能力以外，前五種元素，除了有較強(qiáng)的提高淬透性的能力以外，還可以大量地溶入鋼中，故為提高淬透性最有效的還可以大量地溶入鋼中，故為提高淬透性最有效的元素。硼的加入量很小元素。硼的加入量很小(000800025)，但作用強(qiáng)度很大，又比較便宜，也是一種主要的提但作用強(qiáng)度很大，又比較便宜，也是一種主要的提高淬透性的元素，但目前含硼鋼的淬透性不穩(wěn)定，高淬透性的元素，但目前含硼鋼的淬透性不穩(wěn)定，淬透性帶波動(dòng)幅度較寬。淬透性帶波動(dòng)幅度較寬。Mo的價(jià)格較貴，一般不的價(jià)格較貴，一般不單純作為提高淬透性的元素使用。因此以提高淬透單純作為提高淬透性的

44、元素使用。因此以提高淬透性為目的的常用元素只有五種。性為目的的常用元素只有五種。 強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào): 合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體合金元素只有當(dāng)淬火加熱溶入奧氏體中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。含中時(shí)，才能起到提高淬透性的作用。含Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，若淬等強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，若淬火加熱溫度不高、保溫時(shí)間較短、碳化物未火加熱溫度不高、保溫時(shí)間較短、碳化物未溶解時(shí)，非但不能提高淬透性，反而會(huì)由于溶解時(shí)，非但不能提高淬透性，反而會(huì)由于末溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，末溶碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心，使淬透性下降。使淬透性下降。 鋼中加入合金元素將使鋼中加入合金元素將使M

45、s、Mf下降，而使殘余奧下降，而使殘余奧氏體增多氏體增多(見(jiàn)圖見(jiàn)圖111和圖和圖112)，因此在相同的，因此在相同的含碳量下，合金鋼中的殘余奧氏體量比碳鋼中的含碳量下，合金鋼中的殘余奧氏體量比碳鋼中的多。在許多工業(yè)用高碳、高合金鋼中，淬火鋼中多。在許多工業(yè)用高碳、高合金鋼中，淬火鋼中的殘余奧氏體量甚至可高達(dá)的殘余奧氏體量甚至可高達(dá)3040以上。這以上。這對(duì)鋼的性能將產(chǎn)生很大影響。對(duì)鋼的性能將產(chǎn)生很大影響。殘余奧氏體量過(guò)高殘余奧氏體量過(guò)高時(shí)鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。時(shí)鋼的硬度降低，疲勞抗力下降。為了將殘余奧為了將殘余奧氏體量控制在合適范圍，往往要進(jìn)行附加的處理，氏體量控制在合適范圍，往往要進(jìn)行

46、附加的處理，例如：例如：冷處理冷處理、多次回火多次回火(二次淬火二次淬火) 。 下列元素可明顯地降低鋼的下列元素可明顯地降低鋼的Ms和和Mf點(diǎn)，并增加殘點(diǎn)，并增加殘余奧氏體量，按照作用的強(qiáng)弱可列為：余奧氏體量，按照作用的強(qiáng)弱可列為： Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si1.3.4 合金元素對(duì)回火過(guò)程的影響合金元素對(duì)回火過(guò)程的影響 回火過(guò)程是使鋼獲得預(yù)期性能的關(guān)鍵工回火過(guò)程是使鋼獲得預(yù)期性能的關(guān)鍵工序，合金元素的主要作用是序，合金元素的主要作用是提高鋼的回提高鋼的回火穩(wěn)定性火穩(wěn)定性(鋼對(duì)回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵鋼對(duì)回火時(shí)發(fā)生軟化過(guò)程的抵抗能力抗能力)，使回火過(guò)程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速使回火過(guò)程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變

47、速度大大減慢，將其推向更高的溫度度大大減慢，將其推向更高的溫度 。 1對(duì)馬氏體分解的影響對(duì)馬氏體分解的影響 合金元素對(duì)馬氏體分解的第一階段沒(méi)有影響，馬合金元素對(duì)馬氏體分解的第一階段沒(méi)有影響，馬氏體在發(fā)生第二階段分解時(shí)，碳化物形成元素氏體在發(fā)生第二階段分解時(shí)，碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等對(duì)碳有較強(qiáng)的親和力，溶于等對(duì)碳有較強(qiáng)的親和力，溶于馬氏體中的碳化物形成元素阻礙碳從馬氏體中析馬氏體中的碳化物形成元素阻礙碳從馬氏體中析出，因而出，因而使馬氏體分解的第二階段減慢使馬氏體分解的第二階段減慢。在碳鋼。在碳鋼中，實(shí)際上所有的碳從馬氏體中的析出溫度都在中，實(shí)際上所有的碳從馬氏體中的析出溫度都在

48、250350左右，而在含碳化物形成元素的鋼中，左右，而在含碳化物形成元素的鋼中，可將這一過(guò)程推移到更高的溫度可將這一過(guò)程推移到更高的溫度(400500)，其中其中V、Nb的作用比的作用比Cr、W、Mo更強(qiáng)烈。更強(qiáng)烈。非碳化非碳化物形成元素對(duì)這一過(guò)程影響不大，但物形成元素對(duì)這一過(guò)程影響不大，但Si的作用比的作用比較獨(dú)特。較獨(dú)特。Si可以顯著減慢馬氏體的分解速度?？梢燥@著減慢馬氏體的分解速度。如如Si%2的鋼，可把馬氏體的分解溫度提高到的鋼，可把馬氏體的分解溫度提高到350以上。以上。 2對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響 合金元素大都使殘余奧氏體的分解溫度向合金元素大都使殘余奧氏體的分

49、解溫度向高溫方向推移高溫方向推移，其中尤以，其中尤以Cr、Mn、Si的作的作用最為顯著。在含有較多的用最為顯著。在含有較多的W、Mo、V等等元素的高合金鋼中元素的高合金鋼中(如高速鋼如高速鋼)，由于殘余，由于殘余奧氏體在回火過(guò)程中析出碳化物，造成殘奧氏體在回火過(guò)程中析出碳化物，造成殘余奧氏體中的碳及合金元素貧化，其余奧氏體中的碳及合金元素貧化，其Ms點(diǎn)點(diǎn)高于室溫，因而在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏高于室溫，因而在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；體；通過(guò)這種回火之后，淬火鋼的硬度不通過(guò)這種回火之后，淬火鋼的硬度不但沒(méi)有降低，反而有所升高，這種現(xiàn)象稱但沒(méi)有降低，反而有所升高，這種現(xiàn)象稱為為二次淬火二次淬火。3對(duì)碳

50、化物的形成、聚集和長(zhǎng)大的對(duì)碳化物的形成、聚集和長(zhǎng)大的影響影響 合金元素對(duì)合金元素對(duì)-碳化物的形成沒(méi)有影響。碳化物的形成沒(méi)有影響。隨著回火隨著回火溫度的升高，碳鋼中的溫度的升高，碳鋼中的-碳化物于碳化物于260轉(zhuǎn)變?yōu)闈B轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，合金元素中唯有碳體，合金元素中唯有Si和和Al強(qiáng)烈推遲這一轉(zhuǎn)變，強(qiáng)烈推遲這一轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)變溫度升高到使轉(zhuǎn)變溫度升高到350。此外，。此外，Cr也有使轉(zhuǎn)變也有使轉(zhuǎn)變溫度升高的作用，不過(guò)比溫度升高的作用，不過(guò)比Si和和Al作用要小得多。作用要小得多。 隨著回火溫度的升高，合金元素能夠產(chǎn)生明顯的隨著回火溫度的升高，合金元素能夠產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散，碳化物形成元素向滲碳體中富集，置換

51、擴(kuò)散，碳化物形成元素向滲碳體中富集，置換Fe原子，形成合金滲碳體。非碳化物形成元素將離原子，形成合金滲碳體。非碳化物形成元素將離開(kāi)滲碳體。與此同時(shí)，將發(fā)生合金滲碳體的聚集開(kāi)滲碳體。與此同時(shí)，將發(fā)生合金滲碳體的聚集長(zhǎng)大，長(zhǎng)大，Ni對(duì)其聚集長(zhǎng)大沒(méi)有影響，而對(duì)其聚集長(zhǎng)大沒(méi)有影響，而Si和和V、W、Mo、Cr則對(duì)其聚集長(zhǎng)大過(guò)程起阻礙作用。則對(duì)其聚集長(zhǎng)大過(guò)程起阻礙作用。 在含在含W、Mo、V較多的鋼中，回較多的鋼中，回火后的硬度隨回火溫度的升高不火后的硬度隨回火溫度的升高不是單調(diào)降低，而是是單調(diào)降低，而是在某一回火溫在某一回火溫度后，硬度反而增加，并在某一度后，硬度反而增加，并在某一溫度溫度(一般為一般

52、為550左右左右)達(dá)到峰達(dá)到峰值。值。這種在一定回火溫度下硬度這種在一定回火溫度下硬度出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象稱為出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象稱為二次硬化二次硬化。 二次硬化是由二次硬化是由高溫回火時(shí)從馬氏高溫回火時(shí)從馬氏體中析出的高度分散的合金碳化體中析出的高度分散的合金碳化物粒子所造成的物粒子所造成的。這類碳化物粒。這類碳化物粒子在高溫下非常穩(wěn)定，很不容易子在高溫下非常穩(wěn)定，很不容易聚集長(zhǎng)大，從而使鋼具有很好的聚集長(zhǎng)大，從而使鋼具有很好的高溫強(qiáng)度。這對(duì)在高溫下工作的高溫強(qiáng)度。這對(duì)在高溫下工作的鋼，特別是高速切削工具及熱變鋼，特別是高速切削工具及熱變形模具用鋼，是極為重要的。形模具用鋼，是極為重要的。 4對(duì)鐵素體回

53、復(fù)再結(jié)晶的影響對(duì)鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響 大部分合金元素均延緩鐵素體的回復(fù)與再大部分合金元素均延緩鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程，其中，其中Co、Mo、W、Cr、V顯著顯著提高提高a相的再結(jié)晶溫度，相的再結(jié)晶溫度，Si、Mn的影響次的影響次之，之，Ni的影響較小。在碳鋼中的影響較小。在碳鋼中a相高于相高于400開(kāi)始回復(fù)過(guò)程，開(kāi)始回復(fù)過(guò)程，500開(kāi)始再結(jié)晶。開(kāi)始再結(jié)晶。當(dāng)往鋼中加入當(dāng)往鋼中加入Co(2)時(shí)，可將時(shí)，可將a相的再結(jié)相的再結(jié)晶溫度升高到晶溫度升高到630，幾種元素的綜合作用，幾種元素的綜合作用可以更顯著地提高再結(jié)晶溫度?？梢愿@著地提高再結(jié)晶溫度。 5對(duì)回火脆性的影響對(duì)回火脆性的影響

54、 淬火合金鋼在一定溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，表淬火合金鋼在一定溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是回火現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是回火脆性。應(yīng)當(dāng)提出，脆性。應(yīng)當(dāng)提出，不可能用熱處理和合金不可能用熱處理和合金化的方法消除第一類回火脆性化的方法消除第一類回火脆性，但，但Mo、W、V、Al等元素可稍微減弱第一類回火脆性；等元素可稍微減弱第一類回火脆性；而而Mn、Cr則促進(jìn)這類回火脆性的發(fā)展。加則促進(jìn)這類回火脆性的發(fā)展。加入入Si、Cr等，可使回火脆性的溫度向高溫等，可使回火脆性的溫度向高溫方向推移。方向推移。 實(shí)踐證明，實(shí)踐證明，各種類型的合金鋼都有第二類回火脆性的傾向，各種類型的合金鋼

55、都有第二類回火脆性的傾向，只是程度不同而已。只是程度不同而已。根據(jù)合金元素對(duì)第二類回火脆性的作根據(jù)合金元素對(duì)第二類回火脆性的作用，可將合金元素大致分為三類：用，可將合金元素大致分為三類： (1)增加回火脆性敏感性的有增加回火脆性敏感性的有：Mn、Cr、Ni(與其它元與其它元素一起加入時(shí)素一起加入時(shí))、P、V等；等； (2)無(wú)明顯影響的有無(wú)明顯影響的有：Ti、Zr、Si、Ni(單一元素作用時(shí)單一元素作用時(shí))； (3)降低回火脆性敏感性的有降低回火脆性敏感性的有：Mo、W。 為防止第二類回火脆性，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出了下為防止第二類回火脆性，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出了下列方法：列方法： (1)

56、回火后快冷回火后快冷，一般小件用油冷，較大件用水冷。但，一般小件用油冷，較大件用水冷。但工件尺寸過(guò)大時(shí)，即使水冷也難以防止脆性產(chǎn)生；工件尺寸過(guò)大時(shí)，即使水冷也難以防止脆性產(chǎn)生； (2)加入合金元素加入合金元素W、Mo以抑制第二類回火脆以抑制第二類回火脆； (3)提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量提高冶金質(zhì)量，盡可能降低鋼中有害元素的含量。1.4 微量元素在鋼中的作用微量元素在鋼中的作用 微量元素指的是在鋼中含量較低微量元素指的是在鋼中含量較低(一般小于一般小于0.1%)的一些合金元素，包括從原材料帶的一些合金元素，包括從原材料帶入或出于一定目的而特意加入的合金元素入或出于一定目的而特意

57、加入的合金元素。微量元素在鋼中的作用既有有害的一面。微量元素在鋼中的作用既有有害的一面，也有有益的方面。特別是隨著控軋控冷，也有有益的方面。特別是隨著控軋控冷技術(shù)在現(xiàn)代鋼鐵材料中的應(yīng)用，微合金化技術(shù)在現(xiàn)代鋼鐵材料中的應(yīng)用，微合金化已成為一種獲得高性能鋼鐵材料的重要技已成為一種獲得高性能鋼鐵材料的重要技術(shù)手段術(shù)手段 1.4.1 微量元素的種類微量元素的種類 鋼中存在的微量元素可以分成以下幾類：鋼中存在的微量元素可以分成以下幾類： 常用微合金化元素：常用微合金化元素：B、N、Ti、V、Zr、Nb、稀土元素；稀土元素； 偶用微合金元素：偶用微合金元素：Ta、Hf； 為凈化、變質(zhì)和控制夾雜物形態(tài)的元素

58、：為凈化、變質(zhì)和控制夾雜物形態(tài)的元素：B、Ca、Ti、Zr、稀土元素；、稀土元素； 改善切削性的元素：改善切削性的元素：S（P）、）、Se、Te、Sn、Pb、Bi、Ca、Ti； 痕跡有害元素：痕跡有害元素：P、As、Sb、Sn、Pb、Bi。1.4.2 微量痕跡元素對(duì)鋼的性能的有微量痕跡元素對(duì)鋼的性能的有害影響害影響 一些微量元素在鋼中存在的總量約在一些微量元素在鋼中存在的總量約在0.1%左右。它們往左右。它們往往不是有意加入的，而是在煉鋼過(guò)程中由原材料（礦石、往不是有意加入的，而是在煉鋼過(guò)程中由原材料（礦石、陶瓷、合金元素、廢鋼）帶入的，影響較大的集中在周期陶瓷、合金元素、廢鋼）帶入的，影響較

59、大的集中在周期表中表中A、A和和A族的一系列金屬微量痕跡元素上。已族的一系列金屬微量痕跡元素上。已知象知象Pb、Bi、Sb和和Sn這類元素在這類元素在ppm數(shù)量范圍對(duì)鋼的熱數(shù)量范圍對(duì)鋼的熱塑性，蠕變強(qiáng)度，焊接性和耐腐蝕性等產(chǎn)生有害的影響，塑性，蠕變強(qiáng)度，焊接性和耐腐蝕性等產(chǎn)生有害的影響，并且可能導(dǎo)致鋼的不同形式的脆性（如回火馬氏體脆性和并且可能導(dǎo)致鋼的不同形式的脆性（如回火馬氏體脆性和第二類回火脆性等）。與痕跡元素相連系的有害效應(yīng)還包第二類回火脆性等）。與痕跡元素相連系的有害效應(yīng)還包括熱塑性的降低以及在淬透性、可焊性和耐蝕性上的有害括熱塑性的降低以及在淬透性、可焊性和耐蝕性上的有害效應(yīng)。效應(yīng)。

60、 由于痕跡元素往往集中存在于晶界，當(dāng)有害痕跡元素存在由于痕跡元素往往集中存在于晶界，當(dāng)有害痕跡元素存在水平高于水平高于ppm范圍時(shí)，即使在低變形下，晶界也會(huì)斷裂。范圍時(shí)，即使在低變形下，晶界也會(huì)斷裂。這些效應(yīng)可以通過(guò)完全去除有害痕跡元素或者添加一定的這些效應(yīng)可以通過(guò)完全去除有害痕跡元素或者添加一定的有益痕跡元素來(lái)抵消。有益痕跡元素來(lái)抵消。1.4.3微量元素對(duì)鋼的有益效應(yīng)微量元素對(duì)鋼的有益效應(yīng) 微量元素在鋼中的有益效應(yīng)，可以歸結(jié)為微量元素在鋼中的有益效應(yīng)，可以歸結(jié)為四個(gè)方面：四個(gè)方面：凈化作用、變質(zhì)作用、控制夾凈化作用、變質(zhì)作用、控制夾雜物形態(tài)、微合金化作用雜物形態(tài)、微合金化作用。 1 凈化作用