热处理-合金元素在钢中的主要作用

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热处理-合金元素在钢中的主要作用

来源: | 作者:鼎言热处理 | 发布时间: 2019-10-31 | 7240 次浏览 | 分享到:

碳是钢中最基本的元素。碳素钢的性能主要取决于碳在钢中的分布形式和碳化物形态等。钢的强度随碳量的增加而增加,塑性和韧性随着含碳量的增加而下降。碳素钢中加入合金元素能改善钢的使用性能和工艺性能,使合金钢得到许多碳钢所不具备的、优良的或特殊的性质。如合金钢,具有较好的强度和韧性的配合;在低温下有较高的韧性;在高温下有较高的硬度、强度、持久强度以及抗氧化性;具有良好的耐蚀性;较好的磁性;良好的工艺性能,如冷变形性、淬透性、抗回火稳定性、可焊性等。这主要是由于各种合金元素的加入,改变了钢的内部组织和结构的缘故。合金元素加入钢中,产生了异类原子之间的相互作用,合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用,它使原来碳钢各相的自由能发生变化,改变了它们的稳定性,并产生了许多定的新相,使整个系统的自由能发生了变化,从而改变了原有的组织或形成新的组织。
合金元素与铁、碳及其他合金元素之间的相互作用是合金内部的相、组织和结构变化的基础。而这些元素之间在原子结构、原子尺寸大小及各元素晶体点阵之间的差异,则是产生这种作用的根源。如合金元素与铁相互作用,改变了a固溶体和y固溶体的相对稳定性,使在高温时才稳定存在的奥氏体组织,通过合金化可在室温甚至在零下200℃成为稳定的组织。工业纯铁即使激冷也难得到马氏体组织,而通过合金化,即使在缓冷的条件下,也可得到无碳的代位式合金马氏体组织。合金元素和碳相互作用后形成了不同类型的合金碳化物,它们在钢中的稳定性也不相同,因而对钢的性能影响也有差异。合金元素之间以及合金元素与铁之间相互作用,能形成一系列金属间化合物,它们对合金钢的强化和脆化也起很大的作用。
目前钢中常用的合金元素有十几个,分属于元素周期表中不同的周期。
第Ⅱ周期:B、C、N;第Ⅲ周期:Al、Si、P、S;第Ⅳ周期:Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu;第V周期:zr、Nb、Mo第Ⅵ周期:Ia系、Ta、W。
合金元素在钢中的分布
合金钢有较高的强度和韧性、良好的耐蚀性,在高温下具有较高的硬度和强度,良好的工艺性能,如冷变形性、淬透性、回火稳定性和可焊性等。合金钢之所以具备这些优异的性能,主要是合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用,从而改变了钢的内部组织结构的缘故。
在钢中经常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、、假、№b、zr、A、Co、B、RE等,在某种情况下,P、S、N等也可以起合金元素的作用。这些元素加入到钢中之后究竟以什么状态存在呢?一般来说,它们或是溶于碳钢原有的相(如铁素体、奥氏体、渗碳体等)中,或者是形成新相。概括来讲,它们有以下四种存在形式。
(1)溶入铁素体、奥氏体和马氏体中,以固溶体的溶质形式存在。不形成碳化物而以固溶体的溶质形式存在的元素有Si1A、Ni、Co等。形成碳化物,在含碳量较少时才溶于铁素体或奥氏体的元素有V、Zr、№b、Ti、Mo、W、Cr等。
(2)形成强化相,如溶入渗碳体形成合金渗碳体,形成特殊碳化物或金属间化合物等。
(3)形成非金属夹杂物,如合金元素与0、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。磷、硫等一般称做有害元素,但仍可利用它以达到改善钢的某些性能的目的,如适当加入硫可以提高钢的切削加工性能。
(4)有些元素,如Pb、Cu等,既不溶于铁,也不形成化合物,而是在钢中以游离状态存在。在高碳钢中,碳有时也以自由状态(石墨)存在。
在这四种可能的存在形式中,合金元素究竟以哪一种形式存在,主要取决于合金元素的本质,即取决于它们与铁和碳的相互作用情况。合金元素在钢中的存在形式见表2-18
合金元素在钢中的存在形式图

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
要了解合金元素在合金钢中的情况,应建立三元或多元状态图。但目前对三元、尤其是多元相图的研究还不完整,所以,实际上人们仍然是以Fe-C相图为基础,再考虑合金元素对它的影响,以粗略地了解合金元素的作用
1.合金元素对共析转变温度(A1)的影响
合金元素对共析转变温度的影响如图2-10所示。凡是扩大奥氏体区的元素均会降低A1线,如Ni、Mn等;凡是缩小奥氏体区的元素均能提高A1线,如W、Cr、Mo等。合金元素对A3线的影响与对A1线的影响是一致的。因此,合金钢的热处理加热温度与相同含碳量的碳钢不同。合。一图
2.合金元素对共析点含碳量的影响
如图2-10所示,合金元素只要溶入奥氏体中,都能降低钢的共析含碳量(即使S点左移),这些元素有Si、Ni、Mn、Cr、Mo、W、Ti等。由于它们的影响,会使原来为亚共析的钢变为共析或者过共析钢。如含碳量为0.3%0.4%的3C2W8V钢就是过共析钢。人
3.合金元素对奥氏体最大溶碳量的影响
Si、Cr、W、Mo、Ⅴ等元素会使奥氏体的溶碳量显著地降低(即使E点左移),而且这些元素的含量越多,使E点左移的量也越大。E点左移后,使含碳量低于2.11%的钢中可能出现莱氏体组织，例如高速钢含碳量只有0.8%左右，却属于莱氏体类钢。
合金元素（质量分数）