第四、五章 合金元素對工藝性能的影響

第四章合金元素對鋼的強韌性和工藝性能的影響工藝性能鑄造性能冷態(tài)成型性能焊接性能熱處理工藝性機械切削加工性能§4.1鋼的強化機理與韌化途徑一、鋼的強化機制屈服強度是金屬材料的重要性能指標(biāo)，鋼的強化機制就是提高其屈服強度。屈服強度就是使塑性變形開始時，滑移系上的臨界切應(yīng)力，也就是使位錯開動，增殖并在金屬中傳播所需要的應(yīng)力。強化機理：（1）盡可能減少晶體內(nèi)的晶體缺陷，如可動位錯，使材料接近金屬晶體的理論強度。（2）盡可能增加晶體缺陷的密度，產(chǎn)生位錯交叉，阻礙位錯移動。常見的提高鋼材強度的手段有：最常用的方法有：細(xì)化晶粒強化（由晶界和堆垛層錯等面缺陷引起的強化）、晶界強化、固溶強化、析出強化及彌散強化，還有位錯強化、相變強化、形變強化。通過對這幾種方式單獨或綜合加以運用，便可以有效地提高鋼的強度。二、合金元素對鐵素體的強化作用：固溶強化和細(xì)晶強化定義：合金元素的固溶強化是指溶質(zhì)原子溶入基體金屬中形成固溶體所引起的強化。強化機制為：①，使基體的晶格發(fā)生畸變，造成一個彈性應(yīng)力場，增大了位錯運動的阻力，從而導(dǎo)致強化；②，溶質(zhì)原子還可以通過與位錯的交互作用而阻礙位錯運動。固溶原子等對鐵素體σs的影響可用下面數(shù)學(xué)式表示：其中；是1%（重量）的第i種合金元素固溶后引起的屈服強度增量的鐵素體強化系數(shù)。各合金元素的固溶強化效果可以疊加，其效果是非常顯著的。

Ci－－第i種固溶原子的固溶量（不是鋼中的含量）（重量百分濃度）；1、固溶強化的強化效果固溶強化對塑性、韌性的影響較大。一般而言：合金元素含量越多，強化效果越大，其損害韌性亦越嚴(yán)重。但是唯一例外的元素是Ni：在所有濃度的情況下，均增加鋼的韌性。2、固溶強化的韌化效果3、細(xì)晶強化晶粒大小對鋼強度的影響

Hall－Petch公式：

其中:d－晶粒直徑；σ0－為在單晶體中位錯運動的摩擦力（常數(shù)）；Ky－系數(shù)?？梢姡壕ЯＴ郊?xì)，強度越高4、細(xì)化晶粒對韌性的影響細(xì)化晶粒同時也可增加鋼的韌性晶粒越細(xì)，造成裂紋所需的應(yīng)力集中越難，裂紋擴展所消耗的能量越高，而且晶界越多，阻礙位錯運動的作用越大，韌性越高?？捎庙g脆轉(zhuǎn)化溫度Tc衡量。Tc越低，韌性越好。注意：細(xì)晶強化是唯一一種能同時提高鋼的強度和韌性的材料強化方法三、改善鋼塑性、韌性的基本途徑韌性－靜拉伸時的變形和斷裂吸收功，一般以沖擊韌性ak；平面應(yīng)變斷裂韌度KIC；韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK表示韌性是鋼的主要力學(xué)性能指標(biāo)，韌性的好壞，不僅涉及鋼的冷變形加工能力，而且還會直接影響使用安全。因此，有必要深入理解合金元素對鋼的韌性影響的機制，以便提高合理選用Me的能力。1、改善鋼韌性的途徑①、細(xì)化晶粒；②、提高基體組織的塑性，減少基體組織中固溶強化效果大的合金元素，如降低Si、Mn、P、C、N的含量；③、減少鋼中第二相的數(shù)量，特別是夾雜物數(shù)量，改善第二相粒子的性質(zhì)、尺寸、形狀和分布；④、獲得不存在粗大碳化物質(zhì)點和晶界薄膜的鋼；⑤、防止預(yù)先存在的顯微裂紋；⑥、形變熱處理。2.影響鋼塑性、韌性的因素Mn、Ni、C對鋼的韌性的影響當(dāng)鋼中含碳量低時，Mn<2%時，可細(xì)化組織，是韌化的主要元素。Ni在低溫時，可交叉滑移，改善基體本身韌性。C

是鋼中必不可少的元素，加碳雖然強化作用很高，但卻顯著降低韌性。只有在晶界形成TiC、NbC、VC時，起阻礙作用，才能細(xì)化組織，提高韌性。

§4.2合金化和強韌化機理的綜合運用由表可以看出：低碳馬氏體既有較高的強度，同時又有較好的塑、韌性。低碳馬氏體包含有哪些強化因素和韌化效應(yīng)。一、低碳馬氏體產(chǎn)生高強的原因：①、高溫奧氏體快速冷卻得到馬氏體時，馬氏體中的C含量和合金元素含量達(dá)到過飽和，產(chǎn)生固溶強化；②、在馬氏體的非擴散切變相變過程中，會產(chǎn)生大量的位錯，位錯密度隨C含量的上升而增加，產(chǎn)生明顯的位錯強化；③、位錯型馬氏體中存在大量的細(xì)小板條和板條束，其中存在大量的小角度和較大角度的晶界，產(chǎn)生晶界強化；（與前兩種強化相比，晶界強化的貢獻相對較?。?、低碳馬氏體的Ms點較高，相變后的馬氏體會產(chǎn)生自回火，析出細(xì)小的碳化物，產(chǎn)生彌散強化。二、低碳馬氏體具有較高韌性的原因（與中碳馬氏體相比）①、板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為位錯，且分布均勻，不含或少含孿晶亞結(jié)構(gòu)，而中碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶，其可用的形變系統(tǒng)少；②、板條馬氏體是平行生長的，造成顯微裂紋的機會少，孿晶馬氏體為非平行生長而相互沖突，易造成顯微裂紋；③、板條是板條馬氏體斷裂的最小單元，因為板條細(xì)小，因而韌性較好；④、板條馬氏體的相界存在連續(xù)或半連續(xù)的殘余奧氏體薄膜，它是塑性相，靠它的存在，實現(xiàn)了性能的最優(yōu)化。2～3%的殘余奧氏體沿板條相界呈薄膜分布時，可以得到最佳的強韌性的配合。三、殘余奧氏體增加韌性的機制：①、裂紋分支，增加能力消耗，使韌性上升；②、鈍化裂紋，導(dǎo)致應(yīng)力集中下降；③、相變誘生塑性，在應(yīng)力應(yīng)變的作用下，裂紋前沿的塑性區(qū)A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸，從而釋放應(yīng)力。殘余奧氏體改善韌性的有效性：隨殘余奧氏體的穩(wěn)定性的增大而增加。通常，擴大奧氏體區(qū)的元素Ni、Mn有利于得到殘余奧氏體，故有利于得到韌性高的鋼；而石墨化元素Si、Ni和Al等亦能穩(wěn)定殘余奧氏體，使鋼獲得良好的韌性。例：25Si2Mn2CrNiMoV的合金化和強韌化思路1、獲得高強度①，用C固溶強化鐵素體或馬氏體。C是強化鐵素體和馬氏體非常有效的元素，故可提高鋼中C含量，使鋼強度提高。高C帶來的不利因素是強烈損害韌性。所以兼顧強度和韌性，C含量應(yīng)有適中值。？一般為0.25%，不超過0.3%。為什么？（0.3%C是獲得位錯型馬氏體的最高C含量。一旦C含量>0.3%，將得到含較多孿晶的馬氏體）。②，其它合金元素的固溶強化鐵素體或馬氏體。由前面介紹的合金元素的固溶強化知識，應(yīng)選用能有效固溶強化鐵素體的合金元素如：Si、Mn、Mo等元素。同時為了不至于嚴(yán)重?fù)p害鋼的韌性，合金元素的合量也不宜高。為此，采用“少量多組元”的合金化原則，可同時保證強度和韌性。③、利用馬氏體的高強度。為此，選用能提高馬氏體淬透性的合金元素：Cr、Mn、Ni、Si、Mo

。保證淬火獲得馬氏體。2、獲得高韌性①、獲得低碳的位錯型板條馬氏體。如何利用合金化的方式獲得？加入縮小γ相區(qū)的合金元素如Cr、Si、Mo、V等有利于得到位錯型馬氏體；而擴大γ相區(qū)的合金元素如C、Mn、Ni等只有在低含量時才有利于獲得位錯型馬氏體，含量高將出現(xiàn)孿晶型馬氏體。故為獲得高韌性，要采用“多元少含量”的合金化原則。②、保證相界出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余奧氏體。擴大γ相區(qū)的合金元素Mn、Ni有利于穩(wěn)定殘余奧氏體。③、抑制低溫回火脆性。加入石墨化元素Ni、Si、Al等推遲Fe3C的形核和長大；真空熔煉、精選原料以減少雜質(zhì)，防止雜質(zhì)的偏聚。④其它：加Mo、V等細(xì)化晶粒；加Cr還可以提高其耐蝕性?！?.3合金元素對鋼工藝性能的影響一、對鋼的冷態(tài)成形性能的影響冷態(tài)成形的主要性能參數(shù)及要求①、形變硬化指數(shù)n：n值越大，越不易頸縮，故n宜大。②、各向塑性應(yīng)變比=εw/εt(薄板拉伸寬度真應(yīng)變比厚度真應(yīng)變），通常計算其平均值：值越大，越有利于深沖③、均勻伸長量εu值要大；④、斷裂伸長量εf值要大；⑤、低的和均勻的屈服應(yīng)力二、對鋼的切削加工性能的影響1、影響切削性能的主要因素：從化學(xué)成分的角度說，非金屬夾雜是決定鋼的切削性能的主要因素。非金屬夾雜的類型、大小、形態(tài)、分布和體積分?jǐn)?shù)不同，對切削性能的影響也不同。夾雜物滿足以下四條件時，有利于切削：①，夾雜物是應(yīng)力集中源，起到裂紋源和脆化切屑作用②，具有一定塑性，不切斷金屬的塑性流變；③，在刃具和切屑之間形成熱量傳播的障礙；④，具有光滑的表面，2、提高鋼切削性能的方法加入易切削元素，如：S（形成硫化物），P，Pb

，Bi,Se(硒）（形成硒化物）,Te(碲）（形成碲化物）等；以Ca脫氧：改變氧化物的形態(tài)；3、對切削性能有害的夾雜物Al2O3、SiO2和復(fù)雜氧化物－硅酸鹽夾雜物、氮化物或碳氮化物等三、對焊接性能的影響焊接性參量：氫誘發(fā)裂紋、焊縫金屬的凝固裂紋、熱影響區(qū)和焊縫金屬的韌性、層狀撕裂。1、氫誘發(fā)裂紋碳當(dāng)量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5小于0.35%wt時，焊接性能好。2、焊縫金屬的凝固裂紋與焊條中的C、S含量有關(guān)（C小于0.07%wt）。3、熱影響區(qū)和焊縫金屬的韌性、層狀撕裂(不成熟)四、合金元素對鋼的熱處理工藝性的影響1、對馬氏體淬透性的影響合金元素對鋼淬透性的影響Mn、Mo、Cr對增加淬透性的作用最強，Si與Ni次之。為了提高結(jié)構(gòu)鋼的淬透性，不僅要提高過冷奧氏體在珠光體區(qū)的穩(wěn)定性，而且也要提高鋼在貝氏體區(qū)的穩(wěn)定性。采用提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的強碳化物形成元素（如Cr、Mo等）與強化鐵素體的元素（如Ni、Mn、Si等）的配合，可以在很大程度上提高馬氏體的淬透性。這幾種元素同時加入鋼中的效應(yīng)，往往比單個元素的作用的總和要大好多倍。2、對貝氏體淬透性的影響在某些場合，希望獲得貝氏體組織，以適應(yīng)金屬構(gòu)件和機械制造上某些工件綜合機械性能的需要。

鋼中含0.3%Mo以上就能顯著地推遲珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響卻很小，因此要得到貝氏體，Mo是不可缺少的元素，但是為了使較大截面的鋼在空氣冷卻條件下，獲得單一的貝氏體，還必須加入能夠強烈阻止多邊形鐵素體析出，而對貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大的元素，最有效的方法是加B元素。此外，在0.5%Mo-B的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高C含量，再加進適量的Mn或Cr，還可以保證正火后得到各種不同綜合機械性能的中碳貝氏體鋼，這對于發(fā)展貝氏體型大截面用鋼，有著較大的實際意義。3、淬透性與零件受力和產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的關(guān)系考慮零件的淬透性，不僅僅是要淬透，還要與零件的受力方式和淬火后的殘余應(yīng)力聯(lián)系起來。單向拉伸的受力與應(yīng)力彎曲載荷下的受力與應(yīng)力問題：聯(lián)系失效方式，對這兩種受力情況不同的零件，有沒有必要把這兩個零件都完全淬透？為什么？對受拉、壓和彎、扭的零件，淬透性應(yīng)有不同要求。在工件表面沒有應(yīng)力集中的條件下，一般對受拉、壓的零件，淬透性要求心部獲得95%以上的馬氏體。即對受拉壓的零件，淬透性要求較高，希望盡可能使整個截面都淬透。而對彎、扭的零件，心部達(dá)到50%的馬氏體或距表面1/4R的部位達(dá)到80%的馬氏體為標(biāo)準(zhǔn)。即對受彎、扭的零件，并不要求整個截面全部淬透。淬透性與殘余應(yīng)力的關(guān)系高溫冷卻，表面先轉(zhuǎn)化M心部高溫，發(fā)生塑性變形，應(yīng)力釋放繼續(xù)冷卻，心部轉(zhuǎn)化M。表面為M，強度高，低溫下不發(fā)生塑性變形，不產(chǎn)生應(yīng)力釋放結(jié)論：對整體淬火后的零件，殘余應(yīng)力的分布是：表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，而心部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；這不利于受彎、扭載荷的零件的承載。對薄殼淬火零件，表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而心部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。這對受彎、扭載荷的零件是有利于改善其受載的。4、合金元素對淬裂性的影響影響淬裂性的主要是Ms點。Ms點越低，淬火時組織應(yīng)力大，淬裂的傾向大。與其它合金元素相比，C顯著降低Ms點，故碳鋼，尤其是高碳鋼要注意淬裂性問題。在開發(fā)新鋼種時，在保證強韌性的前提下，盡可能減少C含量。Mn、Mo、Cr、Ni也較明顯的減低Ms點，增大鋼的淬裂性合金元素對鋼鑄造性能的影響

許多元素，如Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質(zhì)點，增大鋼的粘度，降低流動性,使鑄造性能惡化。

合金元素對鋼塑性加工性能的影響合金元素溶入固溶體中,或形成碳化物(如Cr、Mo、W等)，都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂，一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。五、合金元素對鋼的其它工藝性能影響作業(yè)：從合金化和強韌化機理綜合說明25MnTiBRe（Re為稀土）鋼是如何高強度與高韌性的。第五章微量元素在鋼中的作用

§5.1微量元素與分類常用微合金化元素

B，N，T