机械工程材料课程 第六章 合金钢

发布日期:[13-02-10 16:18:00] 浏览人次:[]

第七章 合金钢

随着现代科学技术和工业生产的不断发展,人们对钢铁材料提出了愈来愈高的要求。例如,要求优良的综合机械性能,较高的淬透性,良好的耐腐蚀,抗氧化性,以及较高的耐磨性和红硬性等。碳钢虽然冶炼方便,价格低廉,使用广泛,但性能上已不能满足上述各种要求,因而必须采用合金钢。

为了提高钢的力学性能、工艺性能或物理、化学性能,在冶炼时特意在钢中加入一些合金元素,这种钢就称为合金钢。

在合金钢中,经常加入的合金元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土元素(Re)等。

通过本章的学习,要求从合金化原理出发,了解金属材料的成分与其热处理特点,组织、性能之间的关系,以达到能够依据服役条件合理选用材料的目的。

第一节 合金元素在钢中的作用

一、合金元素对钢中基本相的影响

铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相。合金元素加入后,主要是通过对这些基本相的影响而发挥作用。因而研究合金元素对铁素体与渗碳体的影响,乃是了解合金钢性能及其变化的根本所在。

(一)合金元素对铁素体的影响

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(a) (b)

图7-l 合金元素对铁素体性能的影响(退火状态)

(a)对硬度的影响; (b)对韧性的影响

合金元素溶入铁素体中形成合金铁素体,由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变,产生固溶强化效应。但是各种合金元素对铁素体的强化效果是不同的。一般表现出如下的规律:合金元素的晶格类型、原子半径与铁相差愈大,则固溶强化作用愈强烈。由图7—l(a)可见,Mn、Si、 Ni等强化铁素体的作用比Cr、W、Mo等要大。合金元素对铁素体韧性的影响,不易得出简单的规律,总的趋势是随合金元素含量的增加而韧性降低,但是从图7-1(b)可见,Si的含量在0.6%以下,Mn的含量在1.5%以下时,其Ak不降低,当超过此值时才有下降趋势。而Cr、Ni在适当的含量范围内(≤2%Cr、≤5%Ni)还能提高铁素体的韧性。为此,合金结构钢中各种合金元素的含量范围都有一定限度。

(二)合金元素与碳的作用

作为碳化物形成元素如Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr等,依据它们与碳的亲一般分为两类:①非碳化物形成元素:如Ni、Si、Al、Co等。它们不与碳形成化合物,基本上都溶于铁素体内,以合金铁素体形式存在;②碳化物形成元素:如Cr、W、Mo、V、Nb等,基本上是置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C。Mn是与碳亲和力较弱的碳化物形成元素,它只有一小部分溶于渗碳体,而大部分则溶于铁素体内。

由于渗碳体中Fe和C的亲和力弱,因此渗碳体的稳定性差。当合金元素溶于渗碳体而形成合金渗碳体,增强了Fe与C的亲合力,从而可提高其稳定性。

在高碳高合金元素的钢中,除合金渗碳体外,还经常出现稳定性更高的合金碳化物(如Mn3C、Cr7C3、Cr23C6等)和稳定性特高的特殊合金碳化物(如WC、MoC、VC、TiC等)。碳化物的稳定性愈高,愈难溶于奥氏体,也愈难聚集长大,从而使其熔点和硬度愈高。通常随着碳化物数量的增多,将使钢的强度、硬度增大,耐磨性增加,而塑性、韧性降低。

二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

不同的合金元素对Fe-Fe3C相图的影响不同,一些合金元素如Ni、Mn、Co、C、N、Cu等,使相图中A1,A3、和Acm。线下降,从而引起奥氏体区扩大,如图7-2所示。当钢中加入大量这类元素时,甚至可使A1、A3、和Acm线降至室温以下,从而获得在室温下只有单相奥氏体存在的所谓奥氏体钢。如含13%Mn的Mnl3耐磨钢,含9%Ni的1Crl8Ni9不锈钢均属奥氏体钢。另一些合金元素如Cr、V、Mo、W、Ti、Al等,使相图中A1、A3和Acm线上升,从而引起奥氏体区缩小,如图7-3所示。当钢中这类元素含量很高时,甚至可使奥氏体区消失,有可能获得在室温下只有单相铁素体存在的所谓

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