課件工程材料基礎(chǔ)

第四章

合金鋼碳鋼的強(qiáng)度、硬度總的說來還是比較低的，雖然可以通過調(diào)節(jié)碳含量及熱處理的方法來提高其力學(xué)性能，但其淬透性及回火穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用。淬透性：表征鋼件淬火時(shí)形成Ｍ的能力。（用淬硬層深度來表示）淬硬性：以大于上臨界冷速的冷卻速度冷卻時(shí)得到的Ｍ的硬度?；鼗鸱€(wěn)定性：在高溫下保持硬度和強(qiáng)度的能力。4.1概述為提高碳鋼的力學(xué)性能、淬透性及回火穩(wěn)定性，在鋼中添加一定量的合金元素－合金鋼。常用的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化鋼是近二、三十年來鋼鐵生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只要加入極少量的（≤0.1%)的強(qiáng)碳化物形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的Al形成AlN再配合以控軋工藝，就可以制成屈服強(qiáng)度達(dá)350-550MPa，并具有良好韌性的低碳鋼。合金元素的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。一、合金元素的作用合金元素在鋼中的存在形式多樣，還會(huì)改變相圖，影響相變。所以要理解合金鋼，必須了解合金元素及其作用，雖然很難，但我們無法回避。成分—組織—性能是材料科學(xué)的主旋律。成分的復(fù)雜性對研究工作帶來困難，但同時(shí)也蘊(yùn)藏著更多的發(fā)展?jié)摿?。合金元素在鋼中的存在形式固溶體化合物游離態(tài)固溶體碳化物金屬間化合物非金屬夾雜物合金滲碳體特殊碳化物例：形成合金F

合金元素溶入F后，由于原子半徑和晶格類形的差異，必然引起Ｆ晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使Ｆ的強(qiáng)度、硬度↑，而塑、韌性略有下降。

P、Si、Mn、Ni是顯著的強(qiáng)化Ｆ元素。固溶體固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W它是合金元素溶入滲碳體中并置換部分鐵原子而形成的碳化物。

(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，硬度高，所以可以提高耐磨性。合金滲碳體如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等由中強(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶入Ａ中。特殊碳化物VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoCW2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、金屬間化合物FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W非金屬夾雜物Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS游離態(tài)如Pb、Cu等（一）合金元素改善鋼的熱處理工藝性能除Mn外，所有合金元素都阻礙鋼在加熱時(shí)A晶粒的長大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻礙晶界遷移，細(xì)化晶粒。1.細(xì)化奧氏體晶粒除Co外，固溶于A中的合金元素總是不同程度的增加Ａ穩(wěn)定性，延緩Ａ的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，淬透性提高。合金鋼可選擇油淬，高合金鋼甚至空冷即可獲得M組織。2.提高淬透性非碳化物形成元素及Mn，使C曲線右移。Mn,Ni,Cu…碳化物形成元素使C曲線右移，還改變C曲線形狀。使P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變明顯分開成兩個(gè)轉(zhuǎn)變圖。Cr使B轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使P轉(zhuǎn)變右移的作用。碳化物形成元素Mo、W等使P轉(zhuǎn)變圖右移的作用大于使B轉(zhuǎn)變右移的作用。空冷可獲得B組織。3.提高回火抗力，產(chǎn)生二次硬化，防止第二類回火脆性回火抗力是指淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性。合金元素固溶于淬火M中可減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，推遲M的分解，延緩硬度下降，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，塑韌性好。一些含Cr、Ｗ、Mo、V等合金元素較多的合金鋼，在500～600℃范圍內(nèi)回火時(shí)，由于沉淀析出這些合金元素的碳化物并呈彌散狀分布，因而對材料起到沉淀強(qiáng)化的作用。淬火鋼在較高溫度回火時(shí)，硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為二次硬化?；鼗饻囟菻RCwSi

↑回火溫度HRCwMo

↑淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250~400℃出現(xiàn)韌性下降，稱第一類回火脆性；在500~600℃回火后緩慢冷卻時(shí)韌性亦會(huì)下降，稱第二類回火脆性。回火溫度℃AK快冷300500650慢冷產(chǎn)生回火脆性的原因第一類回火脆性與M及殘余A分解時(shí)沿M針條邊界析出薄片狀Fe3C有關(guān)。目前尚無有效方法消除，只能盡量避開在此溫度范圍內(nèi)回火。第二類回火脆性，是因鋼中的雜質(zhì)S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。對小型零件可采用回火后快冷的方法；而對于大型零件則可在材料中加入Mo、W等，這些元素可阻止或延緩有害元素在晶界上的析出。防止第二類回火脆性的措施固溶強(qiáng)化第二相強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化（二）合金元素提高鋼的使用性能1.提高鋼的強(qiáng)度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，產(chǎn)生強(qiáng)化。（1）固溶強(qiáng)化硬度提高韌性降低Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等合金元素在鋼中能夠形成各種碳化物－合金碳化物。根據(jù)元素與碳親和力的強(qiáng)弱，合金元素分為強(qiáng)碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中強(qiáng)碳化物形成元素：Cr、Mo、W（２）第二相強(qiáng)化合金碳化物合金滲碳體特殊碳化物合金滲碳體它是合金元素溶入滲碳體中并置換部分鐵原子而形成的碳化物。

(Fe,Me)3CMe代表弱及中強(qiáng)碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等合金元素。合金滲碳體比一般滲碳體穩(wěn)定，加熱時(shí)難溶入A中，也不易聚集長大，可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)、硬度，提高耐磨性。一般低合金結(jié)構(gòu)鋼中主要的合金元素為：Mn、Cr、Mo等，故在此類鋼中主要形成的是合金滲碳體。特殊碳化物由中強(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高、很難溶入Ａ中。具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物

WC、Mo2C、VC、TiC具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的碳化物

Cr23C6、Cr7C3、Fe5W3C特殊碳化物的晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體不同，可分為V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是顯著細(xì)化A、F晶粒及M，提高鋼的強(qiáng)度、硬度，并能提高鋼塑性和韌性。（３）細(xì)晶強(qiáng)化鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是以降低塑、韌性為代價(jià)的。只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，又能提高鋼的塑性和韌性。合金元素固溶于鐵素體及奧氏體中，會(huì)改變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度A4、A3共析溫度A1共析成分S奧氏體中碳的最大溶解度點(diǎn)E２.使鋼獲得特殊性能合金元素加入鋼中后會(huì)改變相圖，使鋼在室溫下得到單相組織，并可形成致密的氧化膜和金屬間化合物，使鋼獲得耐蝕性及耐熱性。（１）形成單相組織特點(diǎn)：A4↑、A3↓，相區(qū)擴(kuò)大擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe形成無限固溶體的元素Ni、Mn等部分?jǐn)U大相區(qū)與-Fe形成有限固溶體的元素C、N、Cu等。①擴(kuò)大相區(qū)合金元素（Ａ穩(wěn)定元素）ESN（A4）G（A3）TwMe%CNCuTδαγLwMe%NiMnCo擴(kuò)大相區(qū)并與-Fe形成無限固溶體部分?jǐn)U大相區(qū)并與-Fe形成有限固溶體特點(diǎn)：A3↑、A4↓，相區(qū)縮小縮小并完全封閉相區(qū)的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等僅使相區(qū)部分縮小而不閉的元素Ｂ、Ｎb、Ta、Zr等。②縮小相區(qū)的元素（Ｆ穩(wěn)定元素）αγLFeMeMeTCrV縮小并完全封閉γ區(qū)并與α形成無限固溶體縮小并完全封閉γ區(qū)并與α形成有限固溶體γLFeMeMeTBNbTaZrδαβ部分縮小γ區(qū)而不封閉MeαγLFeMeTMoWTiAlSi當(dāng)鋼中wNi=9%，wMn=13%時(shí)，可使A3降低至室溫，此時(shí)鋼在室溫下為單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。當(dāng)鋼中wCr=17～28%時(shí)，可使奧氏體區(qū)消失，此時(shí)鋼在室溫下為單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有耐蝕、耐高溫等特殊性能。合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等加入鋼中后，會(huì)形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等金屬間化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo等（２）形成致密氧化膜或金屬間化合物致密的氧化膜覆蓋在鋼的表面上，可提高鋼的耐蝕性和高溫抗氧化性；金屬間化合物可阻礙位錯(cuò)在高溫下的運(yùn)動(dòng)，提高鋼的蠕變抗力，及高溫強(qiáng)度。合金元素在鋼中作用細(xì)化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大A相Ni、Mn、Cu、N擴(kuò)大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al

形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti1.按用途分合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼（一）分類二、合金鋼的分類及牌號(hào)2.按化學(xué)成分分類1）按合金元素種類分為2）按合金元素含量分為：低合金鋼ΣMe≤5%中合金鋼5%<ΣMe≤10%高合金鋼ΣMe>10%鉻鋼、錳鋼、硅錳鋼、鉻錳硅鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等；3）按質(zhì)量分普通鋼wS≤0.050%，wP≤0.055%優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.040%，wP≤0.040%高級優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.030%，wP≤0.035%4）按金相組織分珠光體鋼（包括S、T鋼）貝氏體鋼馬氏體鋼奧氏體鋼（二）編號(hào)數(shù)字＋化學(xué)元素＋數(shù)字合金元素平均含量主要合金元素符號(hào)平均含碳量1、含碳量的標(biāo)記結(jié)構(gòu)鋼：wC×10,000工具鋼：wC×1,000，為了避免與結(jié)構(gòu)鋼混淆，又規(guī)定wC≥1.0%時(shí)不予以標(biāo)注，高速鋼例外，其wC＜1.0%也不標(biāo)注。特殊性能鋼：wC×1,000

wC=0.08~0.1%，標(biāo)1

wC=0.03~0.08%，標(biāo)0

wC<0.03%，標(biāo)002、合金元素含量的標(biāo)記wMe%<1.5≥1.5≥2.5≥3.5≥4.5……標(biāo)記-2345……注：滾動(dòng)軸承鋼鉻的標(biāo)記除外(wCr×1,000)3、附加標(biāo)記高級優(yōu)質(zhì)鋼：編號(hào)后+“A”（高）特殊用途鋼：編號(hào)前+“特殊用途符號(hào)”

G—滾動(dòng)軸承鋼；C—磁鋼；

Y—易切削鋼40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%,wNi2%的合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%的高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼wCr1.5%的滾動(dòng)軸承鋼wC0.03%,wCr13%的M不銹鋼wC0.08%,wCr17%的F不銹鋼wC0.03%,wCr18%,wNi9%的A不銹鋼wW18%,wCr4%的高速鋼要點(diǎn)總結(jié)熟悉合金元素在鋼中存在的形式和作用掌握第一第二類回火脆性了解合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)及特點(diǎn)合金元素在鋼中的存在形式固熔體化合物游離態(tài)固熔于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物金屬間化合物非金屬夾雜物合金滲碳體特殊碳化物