合金鋼中的殘余奧氏體比碳鋼多課件

1、2.5 鋼的合金化2.5.1 合金元素與鐵、碳的相互作用合金元素在鋼中的存在形態(tài):（1）溶入鐵素缽，奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。有利（2）形式強(qiáng)化相，形式碳化物或金屬間化合物。有利（3）形成非金屬夾雜物，如氧化物（Apw3、SiO2等），氮化物和硫化物（MnS、FeS等）（有害、盡量減少）（4）以游離態(tài)存在，如C以石墨狀態(tài)存在（一般也有害） 元素以哪種形式存在，取決于元素的種類，含量，冶煉方法，及熱處理工藝等。合金元素的分類及與鐵和碳的相互作用合金元素與鐵的相互作用合金元素可以改變鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度A3（ ）和A4（ ），從而使“Fe-Me”二元相圖出現(xiàn)擴(kuò)大相區(qū)和縮小相區(qū)兩個(gè)大

2、類型，每個(gè)大類再分為兩小類，合金元素也可依此類型分為奧氏體形成元素和鐵素體形成元素兩大類。奧氏體穩(wěn)定化元素它們使A3點(diǎn)降低，A4點(diǎn)升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴(kuò)大了相區(qū)，這類合金元素都有能與- Fe形成固溶體，依擴(kuò)大相區(qū)的程度可分為兩小類。a、無限擴(kuò)大相區(qū)的元素：有錳、鎳、鈷等。它們與- Fe形成無限固溶體與- Fe形成有限固溶體。當(dāng)合金元素超過某一限量后，可在室溫得到穩(wěn)定的相。b、有限擴(kuò)大相區(qū)的元素，有碳、氮、銅、鋅、金、它們與- Fe形成有限的固溶體，與- Fe形成更加有限的固溶體。 鐵素體穩(wěn)定化元素它們使A3點(diǎn)升高，A4點(diǎn)降低，在較寬的成分范圍內(nèi)，促進(jìn)鐵素體形成，依縮小相

3、區(qū)的程度又分為兩小類。a、封閉相區(qū)，無限擴(kuò)大a相區(qū)的元素：有Cr、V（與- Fe無限互溶）銅、鎢、鈦、硅、鋁、磷、鈹（與- Fe有限互溶），使相區(qū)縮小到一個(gè)很小的面積，形成由+兩相區(qū)封閉的相圈。b、縮小相區(qū)的元素，有硼、鈮、鉭、鋯等，這類元素與- Fe和- Fe均形成有限固溶體，使相區(qū)縮小，但并未完全封閉。合金元素與碳的相互作用合金元素與碳鋼的相互作用主要在現(xiàn)在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物傾向性的大小，碳化特是鋼中最重要的強(qiáng)化相，對于決定鋼的組織和性能具有極其重要的意義。合金元素按照與C的相互作用，可分為兩大類：1、非碳化物形成元素：包括Ni，Co、Al、Cu、Si、N、P、S等。它們不

4、能與碳相互作用而形成碳化物，但可溶入Fe中形成固溶體，或者形成金屬間化合物等其它化合物，其中硅反而能起促進(jìn)碳化物化解（石墨化）的作用。2、碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Er、Wb、Ti、Ta等。它們均可與碳作用在鋼中形成C化物，它們均屬于元素周期表中的過渡族元素。碳化物形成元素在元素周期表中的位置IV V VI 第四周期 Ti V Cr Mn Fe Co Ni 第五周期 Zr Nb Mo第六周期 Hf Ta W按照C化物形成元素所一成的碳化物穩(wěn)定程度由強(qiáng)到弱排序?yàn)椋篐f，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，F(xiàn)e,Zr，Ti，Nb，V強(qiáng)碳化物形成元素。W，Mo，C

5、r中等強(qiáng)度碳化物形成元素。Mn，F(xiàn)e弱碳化物形成元素，但Mn極易溶入Fe3C中，無獨(dú)立碳化物出現(xiàn)。 碳化物的特性（1）硬度高比相應(yīng)的純金屬高出數(shù)十倍上百倍。（2）熔點(diǎn)高：特別是MeX型和Me2X型碳化物，熔點(diǎn)約3000左右。碳化物硬高愈高，熔點(diǎn)愈高，穩(wěn)定性愈強(qiáng)，碳化物的穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的順序是：Fe3C，M23C6，M6C，M2C，MC 純金屬與碳化物的硬度及熔點(diǎn)純金屬TiNbZrVMoWCr- Fe硬度（HV）23030030014035040022080碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度（HV）3200205528402094148017301650860熔點(diǎn)（

6、）314034803350283024102755158016502.5.2 合金元素對Fe - Fe3C相圖的影響Fe - Fe3C相圖是對碳素鋼進(jìn)行熱處理時(shí)選擇加熱溫度的依據(jù)。合金鋼實(shí)質(zhì)上是三元或多元合金，應(yīng)建立三元或多元合金相圖，作為研究合金鋼中相和組織轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)，但是三元合金相圖，尤其是多元合金相圖研究得很少。實(shí)際上，仍以“Fe C”二元合金相圖為基礎(chǔ)，考慮合金元素對Fe - Fe3C相圖的影響。對奧氏體相區(qū)的影響1）奧氏體形成元素（Ni、Co、Mn）：隨其含量的增加，使F - Fe3C相圖中的E點(diǎn)和S點(diǎn)向左下方移動，GS線下沉，即使相區(qū)向左下方移動。即降低了A3和A1溫度。 Ni，M

7、n含量足夠高時(shí)，可使相擴(kuò)展到室溫以下，得到奧氏體鋼。2）鐵素體形成元素（Cr、W、Mo、V、Ti、Si等）：隨其含量的增加，使F - Fe3C相圖中的E點(diǎn)和S點(diǎn)向左、上方移動，GS線上移，使相區(qū)向左上方縮小。即提高了A3和A1溫度。 Cr，Si含量足夠時(shí)，可使相區(qū)消失，得到F鋼。對共析溫度的影響1）奧氏體形成元素使GS線下沉，即降低A3點(diǎn)，同時(shí)也使共析溫度A1點(diǎn)降低。2）鐵素體形成元素使GS線上移，即提高A3點(diǎn)同時(shí)也使A1點(diǎn)提高。對共析點(diǎn)碳濃度的影響所有合金元素均使S點(diǎn)左移，這意味著共析點(diǎn)的碳濃度移向低碳方向，使共析體中的含碳量降低，即合金鋼中含碳量不到0.77%，就屬于過共析鋼，而有Fe3C

8、析出，例如Wc=0.4%的4Cr13鋼已不是亞共析鋼，而是過共析鋼了。共析體中的含碳量降低還表明，合金鋼加熱至略高于AC1點(diǎn)時(shí)，所得到的奧氏體中的含碳量總比碳鋼低。對共晶產(chǎn)物碳濃度的影響所有的合金元素也均使E點(diǎn)左移，這意味著出現(xiàn)共晶產(chǎn)物一菜氏體的含碳量從2.11% ，向低碳方向移動，合金鋼中含碳量不到2%，就會出現(xiàn)共晶菜氏體。例如：高速鋼和鉻模具鋼的鑄態(tài)組織中，就出現(xiàn)了合金菜氏體，W18Cr4V的Wc=0.7%-0.8%。2.5.3 合金元素對鋼熱處理的影響合金元素對鋼熱處理的影響主要表現(xiàn)在對加熱、冷卻和回火過程中相變的影響。1. 合金元素對加熱時(shí)組織轉(zhuǎn)變的影響合金元素將影響加熱時(shí)奧氏體的形成

9、速度和奧氏體晶粒的大小。（1）對奧氏體形成速度的影響1）奧氏體形成元素，Ni，Mn，Cu等降低A1點(diǎn)，相對增加了過熱度，也就增大了奧氏體形成速度。2）鐵素體形成元素Cr，Mo，Ti，Si，Al，W，V等升高A1點(diǎn)，則相對減慢了奧氏體的形成速度。3）另一方面碳化物形成元素，降低DcA，減慢A形成速度，非碳化物形成元素Ni，Co增大DcA，增大奧氏體形成速度。（2）對奧氏體晶粒大小的影響奧氏體晶粒易長大的鋼，其過熱敏感性就強(qiáng)。熱處理時(shí)，加熱溫度就難掌握，晶粒粗大的鋼，其機(jī)械性能不良，塑性、韌性較低，一般鋼產(chǎn)品希望得到細(xì)晶粒。碳化物形成元素能阻礙奧氏體晶粒的長大，在同樣的加熱條件下，合金鋼的組織較細(xì)

10、，性能較高。非碳化物形成元素影響不大，Mn能促進(jìn)A晶粒長大。合金元素對奧氏體晶粒長大的影響可歸納為強(qiáng)烈阻止晶粒長大的元素：V、Ti、Nb、Zr、Al（少量）；中等阻礙晶粒長大的元素：W、Mo、Cr；對晶粒長大影響不大的元素：Si、Ni、Cu；促進(jìn)A晶粒長大的元素：Mn、P、B、N。 2. 合金元素對過冷奧氏體分解的影響對C曲線的影響（TTT圖，等溫轉(zhuǎn)變圖）1）非碳化物形成元素，只改變C曲線的位置，不改變C曲線的形狀，Ni，Si，Cu使C曲線右移，Al，Co使C曲線左移。2）碳化物形成元素，既改變C曲線的位置，也改變C曲線的形狀。使珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變分開，有五種類型。對珠光體及氏體轉(zhuǎn)變的影響

11、合金元素，除Co，Al外均延遲珠光體和氏體轉(zhuǎn)變。1）對珠光體相變作用的排序（單個(gè)元素）2）對氏體轉(zhuǎn)變的影響3）意義：推遲珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變（C曲線右移），即提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的滲透性。4）合金元素只有溶入奧氏體中才能起上述作用，否則未溶碳化物或夾雜物將起非均質(zhì)晶核的作用，促進(jìn)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變，使C曲線左移。Mn、Cr、Ni、Si、Mo、W、V、Cu Al、Co強(qiáng) 推遲貝氏體轉(zhuǎn)變作用 弱 弱 加速 強(qiáng)B、 Mo、 Mn、 W、 Cr、Ni、 Cu 、 Si、V Al、Co強(qiáng) 推遲貝氏體轉(zhuǎn)變作用 弱 弱 加速 強(qiáng)對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響除Co，Al外 ，大多數(shù)固溶于

12、奧氏體的合金元素均使MS和Mf點(diǎn)降低，按其影響程度由強(qiáng)到弱排序?yàn)椋?C，Mn，Cr，Ni，Mo，W，Si意義：Ms點(diǎn)越低，淬火鋼中馬氏體的轉(zhuǎn)變量越少，殘余奧氏體數(shù)量越多，相同含碳量下，合金鋼中的殘余奧氏體比碳鋼多。殘余奧氏體過多，鋼的硬度下降，減少殘余奧氏體的方法：冷處理（冷至Mf點(diǎn)以下）或多次回火。3. 對淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響(1)提高回火穩(wěn)定性：含碳化物形成元素的合金鋼，在相同溫度回火，硬度下降較慢，即具有較高的回火硬度；保持相同的硬度，此類合金鋼需在較高溫度下回火，內(nèi)應(yīng)力消除較徹底，其塑、韌性較碳鋼高。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的元素：V、Si、Mo、W、Ni、Mn等。(2)二次硬化：鋼在回

13、火時(shí)出現(xiàn)硬度回升的現(xiàn)象。原因1：特殊碳化物的析出：含有較多強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，在500600回火時(shí)，從M中析出了高度彌散分布的特殊碳化物，如WC、W2C、VC等，實(shí)質(zhì)是彌散硬化；原因2：殘余A的轉(zhuǎn)變：隨特殊碳化物的析出，殘余A中碳和合金元素的濃度降低，提高了Ms點(diǎn)，隨后冷卻時(shí)部分轉(zhuǎn)變?yōu)镸。產(chǎn)生二次硬化作用顯著的元素：W、Mo、V。(3)增大回火脆性：原因：Si、Mn、Ni、Cr等促進(jìn)P、Sn、Te等雜質(zhì)元素在原A晶界偏聚，使鋼在450600范圍回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)高溫回火脆性。防止和減輕措施：小件快冷；大截面零件，加W、Mo等合金元素（W、Mo、Ti等能阻礙雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散，削弱它們在晶界處的偏聚，

14、減輕回火脆性）。2.5.4 合金元素對鋼的機(jī)械性能的影響1、鋼的強(qiáng)化機(jī)制：位錯(cuò)運(yùn)動的阻力增大，金屬的強(qiáng)度提高。有4種機(jī)制.固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子集聚在位錯(cuò)線周圍，對位錯(cuò)有“釘扎”作用，使位錯(cuò)運(yùn)動的阻力增大。細(xì)晶強(qiáng)化（界面強(qiáng)化）：晶界、亞晶界、相界面等都能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，使位錯(cuò)運(yùn)動的阻力增大。第二相強(qiáng)化（彌散強(qiáng)化、析出強(qiáng)化）：位錯(cuò)運(yùn)動遇到微小的第二相顆粒時(shí)，必須繞過或切過它們，而使位錯(cuò)運(yùn)動的阻力增大。位錯(cuò)強(qiáng)化（加工強(qiáng)化）：位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)運(yùn)動遇到其它位錯(cuò)時(shí)，要發(fā)生相互交割，產(chǎn)生位錯(cuò)割階、固定位錯(cuò)等，使位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動的阻力增大。2、合金強(qiáng)化Fe單晶s=28MPa，F(xiàn)e多晶s=140MPa，低碳鋼s=1

15、80340MPa，b=320600MPa，普通低合金鋼b1600MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼 b=25003000MPa。合金化提高強(qiáng)度的機(jī)制：對基體（鐵素體）：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化；對第二相：析出強(qiáng)化(顆粒狀)，細(xì)晶強(qiáng)化(層片狀).對鐵素體固溶強(qiáng)化作用明顯的元素：C、N、Si、Mn、Cr、Ni、Mo。但固溶強(qiáng)化效果越大，塑、韌性下降越多，溶質(zhì)原子的濃度應(yīng)控制，“少量多元”比“單元大量”效果好.對鐵素體細(xì)晶強(qiáng)化作用明顯的元素：Al、Nb、V、Ti等，形成難溶細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)，阻礙A晶界移動，可細(xì)化F晶粒。正火、反復(fù)快速A化及控制軋制等方法也可細(xì)化F晶粒.對鋼的析出強(qiáng)化作用明顯的元素：V、Ti、W、Mo、

16、Nb等：在淬火回火時(shí)析出彌散分布的特殊碳化物質(zhì)點(diǎn)，使鋼的強(qiáng)度明顯提高。對第二相細(xì)晶強(qiáng)化作用明顯的元素：Cr、Mn、Mo、W、V等，增加過冷A穩(wěn)定性，使C曲線右移，在同樣冷卻條件下，可得細(xì)片狀P，達(dá)到強(qiáng)化目的。對退火狀態(tài)下的鋼：合金元素可細(xì)化鐵素體和珠光體，但作用不明顯。對正火狀態(tài)下的鋼：合金元素可珠光鐵素體和細(xì)化體，但作用明顯增強(qiáng)。對淬火、回火狀態(tài)下的鋼：4種強(qiáng)化機(jī)制均有作用，強(qiáng)度明顯提高。淬火形成M時(shí)，位錯(cuò)密度增高；M形成時(shí)，產(chǎn)生了相當(dāng)于晶粒細(xì)化的作用；M中的合金元素也有固溶強(qiáng)化作用；回火析出的碳化物有析出強(qiáng)化作用。2.5.5 合金元素對鋼的工藝性能的影響 1、對鑄造性能的影響Cr、Mo、V

17、、Ti、Al等在鋼中形成高熔點(diǎn)碳化物或氧化物質(zhì)點(diǎn)，增大鋼的粘度，降低流動性，使鑄造性能惡化。2、對塑性加工性能的影響熱加工：合金元素溶入固溶體中，或在鋼中形成碳化物（Cr、W、Mo），都使鋼的熱變形抗力提高，熱塑性明顯下降。若碳化物彌散分布，對塑性影響不大（Nb、Ti、V）。合金元素一般降低鋼的導(dǎo)熱性和使鋼的淬透性，增加鋼熱加工時(shí)的開裂傾向。總的說來，合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多，熱加工時(shí)加熱和冷卻都變形緩慢進(jìn)行。冷加工：合金元素溶入固溶體中，都提高鋼的冷加工硬化率，使鋼變硬、變脆，易開裂或難于繼續(xù)變形。碳含量的增高，使鋼的延伸性能變壞，所以，冷沖壓鋼都是低碳鋼。Si、Cr、V、Cu等

18、降低鋼的深沖性能，Nb、Ti、Zr和Re因能改善碳化物的形態(tài)，從而可提高鋼的沖壓性能。3、對焊接性能的影響焊接性能是指鋼的可焊性和焊接區(qū)的使用性能，主要由焊后開裂的敏感性和焊接區(qū)的硬度來評判。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鋼的焊接性能影響最大。焊接性能好的鋼都是低碳鋼。合金元素都提高鋼的淬透性，促進(jìn)脆性組織（馬氏體）的形成，使焊接性能變壞。合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，焊接性能愈差。但鋼中含有少量TI和V，形成穩(wěn)定的碳化物，使晶粒細(xì)化并降低淬透性，可改善鋼的焊接性能。4、對切削性能的影響切削性能主要表示鋼被切削加工的難易程度和加工表面的質(zhì)量好壞，通常由切削抗力大小、刀具壽命、表面光潔度和斷屑性等因素來衡量。切削性能與鋼的硬度密