鋼的組織對鋼性能的影響

1、. .求主要取決于它的組織構造。大量的生產實踐說明，鋼的組織對鋼性能的影響起著決定性的作用，而鋼的組織又主要取決于它的化學成分和加工的生產工藝過程以及相應的熱處理狀態(tài)。此外，還與鋼中氣體和非金屬夾雜物的含量及其他的冶金缺陷有關。一、合金元素對鋼力學性能的影響 由于合金鋼的種類很多，且不同鋼種的化學成分具有不同的規(guī)格范圍，而某一元素與其他元素共同配合又組成一定的相，才使鋼具有一定的力學性能。因此，孤立地分析某一元素對鋼力學性能有多大影響不僅是困難的，而且也是片面的。更何況，同一鋼種因成分有微小的變化，性能也表現(xiàn)出較大的差異?；瘜W成分的力學性能的影響如下： 1碳。碳是決定鋼力學性能的主要因素。一般

2、說來，隨著碳含量的增加，鋼的硬度升高，塑性及韌性降低。當碳含量小于0.80時，鋼的強度隨碳含量的增加而增加；當碳含量大于0.80時，隨著鋼中碳含量的增加強度反而降低。 2硅。硅能固溶于鐵素體和奧氏體中，能提高鋼的硬度和強度。在普通碳鋼中硅含量不超過0.40，這時對力學性能影響不大。當硅含量繼續(xù)增加時，鋼的強度指標，特別是屈服點有明顯提高，但塑性及韌性降低。硅能顯著提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比以及疲勞強度和疲勞比/等。此外，硅還能提高鋼的脆性轉變溫度，因而在低溫用鋼中應控制它的含量。 3錳。在一般碳鋼中，錳含量在0.70以下，對鋼的性能影響不大，錳含量增加到12時，可使強度提高、塑性降低。

3、錳鋼加熱時易使晶粒粗化。ZGMn13鋼經水韌處理后可得到單一的奧氏體組織，具有高韌性及耐磨性，在耐熱鋼中錳還可提高鋼的高溫強度，作用與鎳相似。錳對鋼的高溫瞬時強度雖有所提高，但對持久強度和蠕變強度沒有什么顯著的作用。 4鎢。單一含鎢的構造鋼的性能與碳鋼相比無多大改善，當鎢與其他元素合用時，可細化晶粒，降低回火脆性，從而提高鋼的強度。鋁能提高鋼的紅硬性及熱強性，能形成特殊碳化物，提高鋼的耐磨性。高合金鎢鋼如高速鋼由于含有大量共晶碳化物，塑性低。鎢能增大鐵的自擴散活化能，顯著提高鋼的再結晶溫度，因此也能提高鋼在高溫時對蠕變的抗力。 5鉬。鉬對鐵素體有固溶強化的作用，同時也提高碳化物的穩(wěn)定性，因此對

4、鋼的強度產生有利的影響。在冷沖模具鋼中參加鋁能改善韌性。在熱鍛模具鋼中參加鋼能使鍛模保持比較穩(wěn)定的硬度。在調質鋼中參加0.2OO.30的鉬，不僅可以提高鋼的淬透性，從而提高鋼的強度和延展性，而且可以減輕或消除因其他合金元素導致的回火脆性而大大有利于提高鋼的沖擊韌性。鋁是提高鋼熱強性最有效的合金元素之一，還能強烈地提高鋼中鐵素體對蠕變的抗力。 6釩。釩對鋼力學性能的影響主要取決于它在鋼中存在的形態(tài)。對于退火的低碳鋼，如含量低固溶于鐵素體時，將略增加鋼的強度，并稍降低塑性和韌性；如以聚集的碳化物存在時，因固定了一局部碳，反而降低鋼的強度。對于中碳鋼，無論在退火、正火或調質狀態(tài)，釩除提高鋼的強度外，

5、還改善鋼的塑性和韌性。在彈簧鋼中，與鉻或錳配合使用，增加鋼的彈性極限，并改善冶金質量。少量的釩使鋼晶粒細化，韌性增加，這對低溫用鋼是很重要的一項特性。但釩含量不宜過高。因為VC在晶內的彌散析出將導致鋼韌性的降低。與此相反，在高溫時，釩雖細化晶粒，不利于鋼的蠕變性能，但由于VC經適當的熱處理后可以高度彌散地析出，均勻分布在晶粒內部的結晶面上，又不易聚集成較大的顆粒，將增加鋼的高溫持久強度和對蠕變的抗力，降低高溫蠕變速度。釩的碳化物幾乎可以說是金屬碳化物中最硬和最耐磨的，因此在工具鋼中參加釩，使生成的VC彌散分布，將增加工具鋼的硬度和耐磨性，從而延長工具的使用壽命。 7鈦。鈦是強化鐵素體的元素，它

6、對鋼力學性能的影響取決于它在鋼中存在的狀態(tài)，因而也取決于鋼的化學成分，特別是Ti、C含量的比率以及鋼的熱處理制度等。當鋼中含有微量的鈦0.030.1并在防止碳化鈦可以較多地溶于奧氏體的溫度900正火時，與不含鈦的鋼相比較，強度，特別是屈服點和屈服比，將有所提高，同時還不影響塑性和韌性。但當鋼中鈦及碳含量的比值超過4時，強度及韌性均將急劇下降。如在較高溫度如超過1100加熱，因大局部碳化物溶于奧氏體中，在正火或淬火后，鋼的強度將大幅度地提高，而塑性和韌性卻將顯著降低。必須指出，由于細化晶粒的作用，鈦雖可在一定程度上提高鋼的強度，但對鋼的韌性，特別是低溫沖擊韌性，不一定有所改善。鈦參加鋼中能改善熱

7、強性。在碳素鋼和低合金鉻鋼鋼中參加鈦，能提高它們的持久強度和蠕變強度。 8鉻。鉻在一定含量內能提高鋼的強度和硬度，并降低斷面收縮率和延伸率。但當鉻含量超過15時，由于剩余奧氏體或相的增加而使強度和硬度下降，斷面收縮率和延伸率相應地有所提高。鉻能提高鋼的耐磨性，但它也能顯著提高鋼的脆性轉變溫度。一般說來是隨鋼中鉻含量的增加，脆性轉變溫度也跟著提高，而低溫沖擊韌性明顯下降。 9鎳。鎳對鋼力學性能的影響是通過它對鋼的相變和顯微組織的影響而產生的。一般在低碳范圍內，當鎳含量低于6以下時，鋼的顯微組織為鐵素體加珠光體。鎳強化鐵素體并細化珠光體，總的效果是提高鋼的強度，且對鋼的塑性影響不顯著。當鎳含量達7

8、 8時，鋼的組織幾乎全為細珠光體，強度增高而塑性有所降低。當鎳含量在1020時，鋼的組織為馬氏體，強度高、塑性低。當鎳含量超過2O時，出現(xiàn)奧氏體，強度逐漸降低，塑性轉而升高。當鎳含量達25時，鋼的顯微組織將為純奧氏體，強度低而塑性好。鎳降低鋼的低溫脆性轉變溫度而能提高鋼的低溫沖擊韌性。鎳不增加鋼對蠕變的抗力，但可提高鋼對疲勞的抗力。 10稀土元素。稀土元素對鋼的強度沒有明顯地提高，但對塑性和沖擊韌性卻有所提高。稀土能降低鋼的脆性轉變溫度，因此能顯著提高不同溫度下的沖擊功。在電熱合金中，稀土能降低蠕變速度，延長斷裂時間。 11磷。磷能固溶強化鐵素體和奧氏體，鋼中隨磷含量的增加，室溫時的屈服強度和

9、抗拉強度也隨著增高，而延伸率有所下降。磷能增加鋼的脆性，這一點在低溫時影響更顯著。 12硫。硫對鋼的強度影響不大，但卻降低鋼的延展性和韌性。同一鋼種因成分有微小的變化，性能也表現(xiàn)出較大的差異。為了確保鋼的機械性能合格，根據長期的生產實踐 得知，有些成分必須控制在標準中規(guī)定的更小范圍內，從而出現(xiàn)了企業(yè)內部標準。如18Cr2Ni4WA，其標準規(guī)定碳含量為O.140.21，而鎢含量為0.801.20，但為確保硬度和強度合格，碳必須控制在0.140.17，鎢必須控制在0.801.05范圍內較為適宜。又如35CrMnSiA的斷面收縮率極易不合，標準規(guī)定碳含量為O.320.39，但將碳控制在0.320.3

10、6就可確保這項指標合格。對于一些鋼種必須控制的元素及含量見表313。二、氣體含量對鋼力學性能的影響 氫溶解于鋼中能使鋼的塑性和韌性降低。特別是斷面收縮率隨氫含量的增加而急劇地降低。氫在鋼中略有剛順度的傾向，但不明顯。鋼中的氧對鋼的力學性能也有極為不利的影響。在室溫時，隨氧含量的增加，強度變化不大，但延伸率和斷面收縮率卻有較顯著的降低。在較低的溫度和氧含量極低時，強度和塑性均隨氧含量的增加而急劇降低。但到氧含量增至一定程度后，影響不再明顯。與此同時，沖擊功也是隨著氧含量的增加而逐漸地降低，脆性轉變溫度卻很快升高，脆性轉變溫度的范圍也隨著變寬。當鋼中剩余氮含量較高時，能降低鋼的延伸率和斷面收縮率。

11、在高鉻鋼中氮能使鋼的強度提高，塑性幾乎沒有什么降低，當鉻含量到達17時，鋼的沖擊韌性反能顯著地提高。在奧氏體不銹鋼中，氮能顯著地提高鋼因固溶處理或冷卻后的強度，同時還能保持有較好的塑性。三、非金屬夾雜物對鋼力學性能的影響 鋼中存在的大量的非金屬夾雜物。嚴重地降低鋼的力學性能，尤其是降低鋼的塑性和沖擊功。當鋼中的非金屬夾雜物呈網狀分布時，對塑性及沖擊韌性的影響更為顯著。對于大型材，因體積大，冶煉時被夾雜物污染的可能性大，并且鍛造比較小，不易使夾雜物破碎及分散，這樣的非金屬夾雜物對鋼力學性能的危害更不容無視。鋼中的非金屬夾雜物經壓力加工變形伸長后，使鋼產生帶狀組織，引起明顯的各向異性，這往往是軋、

12、鍛材橫向性能低于縱向性能的主要原因之一。 當鋼的強度越高，塑性越低時，非金屬夾雜物對缺口的敏感效應越明顯。在鋼中由于非金屬夾雜物能起著缺口及應力集中的作用，因此它們還降低鋼的疲勞強度，引起疲勞裂紋，從而導致鋼件過早地疲勞損壞。然而氮化物質點在晶界和晶內的彌散析出，卻能抑制鋼在高溫下的蠕變變形，因而能提高鋼的蠕變和持久強度。 四、冶金缺陷對鋼的力學性能的影響 一切冶金缺陷均將影響鋼的力學性能。嚴重的方形偏析和軸心晶間裂紋能顯著降低鋼的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性；點狀偏析的鋼之所以不堪使用的原因就是因為易在斑點處產生應力集中而導致早期疲勞斷裂；發(fā)紋也是產生應力集中的地方，也容易產生疲勞破壞；白點

13、和層狀斷口除了能降低鋼的橫向力學性能外，還降低鋼的斷面收縮率和沖擊韌性。鋼的組織中出現(xiàn)石墨碳，使鋼的強度和塑性顯著降低；亞共折鋼中的帶狀組織及魏氏組織影響鋼的橫向塑性，因此也降低鋼的沖擊韌性和斷面收縮率；液析碳化物具有高的硬度和脆性，使零件的耐磨性和疲勞壽命降低。凡此種種，不難看出，鋼的力學性能與鋼的冶金本質有密切關系。 晶粒的大小和均勻度對鋼的力學性能也有影響。低溫時晶粒越細小，金屬的屈服強度升高，脆性轉變溫度下降，且缺口敏感性也得到改善。而在高溫時，由于蠕變現(xiàn)象的出現(xiàn)，在某一變形速度下，隨著溫度的升高，晶粒和晶界強度下降。兩者相比較，在高溫下粗晶粒鋼的熱強性能要比細晶粒的好，但塑性卻降低，

14、抗疲勞能力變差。 不均勻的晶粒組織對鋼的力學性能也有極大的影響。當晶粒大小不同時，塑性和抗力也就不同，在承受載荷時就會造成變形不均勻，易使材料過早斷裂。晶粒的帶狀組織也同樣會使材料的持久性能下降。由此可見，在生產中保證鋼材得到均勻而又符合要求的晶粒度是防止鋼產生力學性能不合的又一重要方面。五、加熱與熱加工對鋼的力學性能的影響 鋼經過正確而又適宜的加熱后具有較高的塑性和較低的強度，容易延伸和變形。然而加熱溫度過低，鋼的塑性缺乏；加熱不均勻，各部位的延伸率不均勻；過熱的鋼晶粒過分長大，變?yōu)榇志ЫM織而使晶間的結合力減弱，因此也降低了鋼的可塑性。過燒的鋼不僅晶粒粗大，晶粒周圍的薄膜開場熔化，而且氧進入

15、了晶粒之間的間隙，使金屬發(fā)生氧化，導致晶粒間的彼此結合力大為降低，這樣的鋼一經加工就自行開裂，因此過燒的鋼的力學性能極壞，鋼在氧化氣氛中加熱還有一個缺陷電工硅鋼除外就是容易脫碳，脫碳對鋼力學性能的影響主要是降低強度和外表硬度，嚴重時甚至能引起疲勞裂紋。鋼經熱加工后，可使氣孔焊合，顯微縮孔壓實，材料的致密度增加，偏析可局部消除，成分也趨于均勻。另外，鋼在熱加工過程中，只要避開臨界變形程度和過高的終軋、終鍛溫度，一般都會使晶粒變細，進而使鋼的強度和塑性及沖擊韌性得到提高，所以正確的熱加工可以提高鋼的力學性能，見表314。但鋼在熱加工過程中，易出現(xiàn)纖維組織將使鋼的力學性能呈現(xiàn)各向異性，即沿著纖維伸長

16、的方向上具有較高的力學性能，而垂直于纖維伸長方向的性能較為低劣，見表315。 鋼的熱加工很重視終軋、終鍛溫度，這主要是因為它們不僅影響鋼的組織，而且也影響鋼的力學性能。終軋、終鍛溫度越高，晶粒聚集長大的傾向越大，奧氏體晶粒越粗大，鋼的力學性能超低。另外，對于過共折鋼來說，在加工后緩慢冷卻過程中，沿奧氏體晶界易析出針狀或網狀二次滲碳體，而使鋼的塑性變差。但終軋、終鍛溫度太低，對于亞共折鋼，奧氏體中要析出鐵素體，而加工后易被拉長成為纖維組織，使鋼的力學性能出現(xiàn)方向性；對于過共析鋼，低溫加工不僅塑性差，且有石墨碳析出而降低鋼的硬度。目前，軋鋼專業(yè)都在探索控制軋制。許多試驗說明，鋼材經過控制軋制生產后

17、，強度和塑性等綜合性能不僅比常規(guī)熱軋后的要好，而且也比某些經過常規(guī)熱處理的好。表316列出了36CrSi鋼經兩種工藝軋制后的力學性能。六、熱處理對鋼的力學性能的影響 熱處理是促使鋼的組織發(fā)生變化，改變鋼力學性能的重要手段。不同成分的鋼的力學性能固然不同，然而同一成分的鋼因熱處理方法不一樣，力學性能也可表現(xiàn)出巨大的差異。因此，分析鋼在熱處理后力學性能達不到預期要求的原因，也是討論鋼缺陷中的一個重要方面。鋼在熱處理后力學性能不合的原因很多，因受篇幅所限，我們不能進展全面的論述，這里僅討論熱處理工藝本身或操作不當等因素導致的鋼力學性能不合。 熱處理工藝是熱處理生產的主要依據，制定鋼的熱處理工藝必須根

18、據鋼的化學成分、要求的機械性能、鋼的幾何形狀及本單位的設備條件等進展考慮。熱處理工藝不正確時，必然會使鋼熱處理后出現(xiàn)性能不合，或發(fā)生變形、裂紋等無法補救的缺陷而成為廢品，也有的是因加熱不均或淬火、正火溫度偏低、或回火缺乏等造成鋼的力學性能不合。加熱不均使鋼力學性能不合主要表現(xiàn)在鋼材上性能差異很大，這種情況在大型鋼件熱處理時?？梢姷?，這是因為鋼件的尺寸大，而加熱溫度不易均勻。另外，也可能是爐溫不易控制、波動大而引起的。 鋼在淬火時加熱溫度偏低，易使鋼中碳化物溶解不充分，奧氏體中的碳及合金元素濃度偏低，冷卻時奧氏體的穩(wěn)定性也低，這樣既不能獲得高的淬火硬度，回火后的強度也低于要求。當未溶碳化物分布不利時，在強度不合格的同時，還伴隨著塑性及沖擊韌性的降低。如果鋼的正火加熱溫度偏低，易引起珠光體晶粒在基體中不能完全再結晶，鋼的強度和沖擊韌性也極易低于要求。調質鋼經淬火后回火缺乏，對鋼力學性能的影響有兩種情況，一是強度高于要求較多，但塑性與沖擊韌性低于要求，并且低很多，這種情況多系回火溫度偏低所致，因此對于這種情況可采用提高回火溫度的方法重新回火，在降低強度的情況下，而使塑性和沖擊韌性恢復至滿足標準要求；另一種情況是強度高于要求不多，塑性和沖擊韌性低于要求不多，這種情況多系回火時間缺乏所致，因此對于這種情況可在原回火溫度再補充回火一次，在保證原