第5章 鋼的合金化基礎(chǔ)

第2篇金屬材料第5章鋼的合金化基礎(chǔ)合金元素——是指特別添加到鋼中為了保證獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機械性能的化學(xué)元素。合金鋼——是指為了改善鋼的某些性能而添加入合金元素的鋼。1鋼中常用的合金元素ⅠA

0H

ⅡA

ⅢA

ⅣA

ⅤA

ⅥA

ⅦA

He

LiBeBC

NOFNeNaMgⅢB

ⅣB

ⅤB

ⅥB

ⅦB

ⅧBⅠB

ⅡB

AlSiPSClArKCaSeTi

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

ZnGaGeAsSeBrKrPbSrYZr

Nb

Mo

TcRuRhPdAgCdInSnSbTeI

XeCsBaLaHf

Ta

W

ReOsIrPtAuHgTiPdBiPoAtRn5.1合金元素與鐵和碳的相互作用5.1.1合金元素及其在鋼中的分布2合金元素在鋼中的存在形式取決于：1、合金元素本身的性質(zhì)；2、合金元素的含量以及碳的含量；3、熱處理條件（加熱溫度、冷卻條件）。合金元素在鋼中的存在形式：1、合金固溶體，如-Fe(Me)2、合金滲碳體，(Fe,Me)3C3、合金碳化物，NbC、VC、TiC、WC4、非金屬夾雜，MnS，MnO，SiO2，Al2O35、以游離狀態(tài)存在，如Cu，Pb35.1.2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，從而改變Fe－Me二元相圖的類型。合金元素對鐵的二元相圖的影響，主要可以區(qū)分為擴大和縮小γ相區(qū)兩類，這兩類又可以進(jìn)一步劃分為兩個次類。

1.γ相穩(wěn)定化元素

使A3降低，A4升高，在較寬的溫度范圍內(nèi)，促使奧氏體形成，即擴大了γ相區(qū)。根據(jù)程度的不同，可以分為：4

（1）開啟γ相區(qū)α相及δ相分別處于被封閉的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)合金元素超過某一限量后，可以在室溫得到穩(wěn)定的γ相。Ni和Mn可使鐵的轉(zhuǎn)變抑制到較低的溫度，故由γ區(qū)淬火到室溫較易獲得亞穩(wěn)的奧氏體組織。Ni和Mn是不銹鋼中常用作獲得奧氏體的元素。擴大γ相區(qū)并與γ-Fe無限互溶的Fe-Me相圖5（2）擴展γ相區(qū)雖然γ相區(qū)隨著合金元素的加入而被擴大了，但是由于受到合金元素固溶度的影響而不能完全開啟。C和N是這種類型的最重要的元素；Cu、Zn和Au具有相同的影響。擴大γ相區(qū)并與γ-Fe有限互溶的Fe-Me相圖62．α相穩(wěn)定化元素使A4溫度下降，A3溫度升高，在較寬的成分范圍內(nèi)，促使鐵素體形成，即縮小γ相區(qū)。根據(jù)程度的不同，可以分為：

（1）封閉γ相區(qū)許多元素限制γ－Fe的形成，使相圖中γ區(qū)縮小到一個很小的面積，形成γ相圈，如右圖所示。從圖中可以看出α相和δ相連成一片。Si、Al和強碳化物形成元素Ti、V、Mo、W、Cr均屬于這類元素。封閉γ相區(qū)并與-Fe無限互溶的Fe-Me相圖7

（2）縮小γ相區(qū)。由于受到固溶度的限制，這類合金元素不能使γ區(qū)完全封閉，故稱為縮小γ相區(qū)元素。B是這一類中的典型元素。8小結(jié)：合金元素是否為擴大γ相區(qū)元素的條件：1.本身為面心立方點陣；2.與Fe的電負(fù)性相近；3.與Fe的原子尺寸相近。以第四周期為例：TiVCrMnFeCoNiCu3d24S23d34S23d54S13d54S23d64S23d74S23d84S23d104S1BccBccBcc多型多型多型FccFcc9以Cr為界：3d層電子數(shù)≤5時，合金元素為縮小γ相區(qū)元素；3d層電子數(shù)≥5時，合金元素為擴大γ相區(qū)元素。至于Cr是否為擴大γ相區(qū)元素，視其含量而定，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時使A3下降，大于7%時使A3上升。105.1.3合金元素與碳的相互作用按照合金元素與碳的親和力的大小分為：碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn等。非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al、N、P、S等。（1）形成碳化物的規(guī)律性碳化物在鋼中的相對穩(wěn)定性取決于合金元素與碳的親和力的大小，即取決于合金元素d層電子數(shù)。

金屬元素的d層電子數(shù)越少，它與碳的親和力就越大，所形成的碳化物就越穩(wěn)定。在鋼中碳化物相對穩(wěn)定性的順序如下：

Hf>Ti>Zr>Ta>Nb>V>Mo>W>Cr>Mn>Fe11（2）碳化物的類型碳化物中金屬原子和碳原子可形成簡單點陣或復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，金屬原子處于點陣結(jié)點上，而尺寸較小的碳原子在點陣的間隙位置。

如果金屬原子間的間隙足夠大，可以容納碳原子時，碳化物就可以形成簡單點陣結(jié)構(gòu)。

若這種間隙還不足容納碳原子時，就得到比簡單結(jié)構(gòu)稍有變形的復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)。

因此碳原子半徑(

C)和過渡族金屬的原子半徑(

Me)的比值(C/

Me)決定了可以形成簡單還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化物。

12金屬元素的

C/

Me值如下：金屬FeMnCrVMoWTiNbZrγc/γM0.610.600.610.570.560.550.530.520.481、當(dāng)C/rM0.59時，形成MC型和M2C型簡單點陣的碳化物，Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr屬于此類元素。2、當(dāng)C/

M>0.59，形成M3C，M7C3，M23C6型復(fù)雜點陣的碳化物，一般合金鋼中常出現(xiàn)的復(fù)雜點陣的碳化物為Cr，Mn，F(xiàn)e的碳化物或它們的合金碳化物。13VC晶體結(jié)構(gòu)圖Fe3C晶體結(jié)構(gòu)圖14（3）碳化物的特性相對于純金屬而言，碳化物具有高的熔點、分解溫度和硬度，其對鋼材的強化能力是很大的；與C的親和力越強的合金元素形成的碳化物越穩(wěn)定，其熔點、硬度和耐磨性也越高；碳化物的穩(wěn)定性越高，熱處理加熱時，碳化物的溶解及奧氏體的均勻化越困難。同樣在冷卻及回火過程中碳化物的析出及其聚集長大也越困難。碳化物穩(wěn)定性由弱到強的順序是：Fe3CM3CM23C6M7C3M6CM2CMC155.1.4合金元素對Fe－Fe3C相圖的影響Ni、Co、Mn以及其它擴大相區(qū)的元素，均使共析點左移而GS線下沉，如圖所示。1．合金元素對奧氏體、鐵素體區(qū)存在范圍的影響16Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它縮小相區(qū)的元素，均使三元系中的相區(qū)逐漸呈劈形，如圖所示。

由圖可知，大多數(shù)元素均使ES線左移，E點（C％＝2.11%的點）左移，意味著鋼中含碳量不到2.11%就會出現(xiàn)共晶萊氏體。

17

Ni、Mn等擴大γ相區(qū)的元素，使共析點（S點）左移，GS下沉，使得A1和A3溫度同時降低；Cr、W、Mo、V、Ti、Si以及其它縮小γ相區(qū)的元素，使γ相區(qū)呈劈形，且共析點（S點）左移，使得A1和A3溫度同時升高；因此，合金元素對共析溫度的影響基本與對鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響相一致，如圖所示：2．合金元素對Fe-Fe3C相圖共析點S和共晶點E的影響18所有合金元素均使共析點左移，說明在鋼中C％不到0.77%時，鋼就會變?yōu)檫^共析而析出二次滲碳體，從而降低了共析體中的含碳量。這樣，合金鋼加熱至略高于A1時，所得到的奧氏體的含碳量總比碳鋼低。由此可見，判斷一個合金鋼是亞共析還是過共析應(yīng)根據(jù)Fe－C－X三元相圖來進(jìn)行分析。195.2合金元素對鋼熱處理的影響5.2.1合金元素對鋼加熱時奧氏體形成過程的影響

（1）合金元素對奧氏體形成速度的影響☆Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等強碳化物形成元素與C的親和力強，形成難溶于奧氏體的合金碳化物，顯著阻礙C的擴散，大大減慢奧氏體形成速度。為了加速碳化物的溶解和奧氏體成分的均勻化，必須提高加熱溫度并保溫更長時間?！頒o、Ni等部分非碳化物形成元素能增大C的擴散速度，使奧氏體形成速度加快?！預(yù)l、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。20⑵合金元素對奧氏體晶粒大小的影響大多數(shù)合金元素，特別是強碳化物形成元素由于形成合金滲碳體和特殊碳化物，更難溶入奧氏體中，并且阻礙奧氏體晶界的移動和奧氏體晶粒的長大，起到細(xì)化晶粒的作用。V、Ti、Nb、Zr強烈阻礙A體晶粒長大。W、Cr、Mo中等阻礙A體晶粒長大。Mn、P、B促進(jìn)A體晶粒長大。215.2.2合金元素對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響⑴合金元素對C曲線的影響除Co外，幾乎所有合金元素溶入奧氏體后都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，即提高鋼的淬透性。Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、Al對淬透性作用依次由強到弱。對C曲線形狀的影響注意：加入合金元素，只有完全溶入奧氏體才能提高淬透性。兩種或多種合金元素同時加入對淬透性的影響，比單一元素的影響強得多。22合金元素對VK影響的示意圖23合金元素對C曲線影響示意圖24Si基本不影響Ms、Mf點，除Co、Al外，多數(shù)合金元素使Ms、Mf點下降，導(dǎo)致殘余奧氏體增加。（2）合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變的影響合金元素對Ms點的影響合金元素對殘余奧氏體量的影響（含1.0％的鋼在1150℃淬火）255.2.3合金元素對淬火鋼回火的影響（1）提高回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性——淬火鋼在回火時硬度下降快慢的性質(zhì)。原因：

（1）推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（即在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變）；（2）提高鐵素體的再結(jié)晶溫度。提高回火穩(wěn)定性作用較強的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。26（2）產(chǎn)生二次硬化和二次淬火二次硬化——淬火鋼在回火時隨著回火溫度的升高，硬度不下降反而升高的現(xiàn)象。產(chǎn)生二次硬化的原因：1.高溫回火時從馬氏體中析出高度分散的合金碳化物顆粒，起到了沉淀強化的作用；2.回火過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火。27（3）增大回火脆性傾向

回火脆性——在某些溫度區(qū)間回火時，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象。第一類回火脆性，對應(yīng)回火溫度范圍：250-400℃。第二類回火脆性，對應(yīng)回火溫度范圍：450-600℃。消除第二類回火脆性的方法：1.快冷；2.加入Mo或W降低回火敏感性；3.降低有害元素的含量。285.3合金元素與鋼的強韌化結(jié)構(gòu)材料的強度和韌性，常常是一對矛盾，強度是主要的使用性能，增加強度往往要犧牲韌性，或者反過來也是如此。因而當(dāng)前面臨的問題，不是片面地追求強化，而是追求強韌化。5.3.1合金元素對鋼的強度的影響金屬的強度——金屬材料對塑性變形的抗力。（1）固溶強化定義：通過加入合金元素組成固溶體使金屬材料得到強化。29在許多鋼中，鐵素體是基本組成相之一，在結(jié)構(gòu)鋼中其所占比例要≥90%。試驗指出：定量評定合金鐵素體的強化程度可以通過每個合金元素對α-Fe固溶體性能影響的疊加效果。式中：KiF是1%(重量)的第i種合金元素固溶后引起鐵素體屈服強度增量的強化系數(shù)；CiF為第i種合金元素溶于鐵素體中的重量百分濃度。30不同合金元素溶于鐵素體中的強化系數(shù)KiF值如下表所示：元素C+NPSiTiAlCuMnCrNiMoVKiF/100MPa467069085806040353030103注意：按上式評定鐵素體的強化應(yīng)該考慮合金元素溶于鐵素體的濃度，而不是這些元素在鋼中的含量。31（2）細(xì)晶強化鐵素體的屈服強度隨晶粒度的減小按Hall-Petch公式而增加，即σs=σ0+kd-0.5

其中：d為晶粒直徑；σ0為位錯移動的摩擦阻力；k為常數(shù)。實際晶粒越細(xì)，屈服強度越高，所以在加工鋼鐵材料時非常重視最終的鐵素體晶粒尺寸。320.11%C的軟鋼的屈服強度與晶粒度不同溫度下的關(guān)系如圖所示：

當(dāng)軟鋼的晶粒d=0.25mm(粗晶粒)時，屈服強度約為100Mpa；當(dāng)軟鋼的晶粒d=0.0025mm(細(xì)晶粒)時，屈服強度高達(dá)500MPa以上。33（3）第二相強化定義：在金屬基體中存在另外的一個或幾個相，這些相的存在使金屬的強度得到提高。例如：鋼材在經(jīng)淬火處理后，在回火過程中，以特殊碳化物的質(zhì)點彌散析出，這些碳化物能有效地阻礙位錯的運動，提高了鋼的屈服強度。（4）位錯強化位錯造成的強化量與位錯密度之間的關(guān)系為：=kd1/2

例如：鋼鐵在冷加工（軋制、拉拔）過程中，受力變形，使基體內(nèi)的位錯密度大大提高；鋼鐵在淬火后，基體內(nèi)的位錯密度以及缺陷密度也大幅度的增加，這都增加了鋼材的強度。345.3.2提高鋼韌性的途徑

按上述強化方式進(jìn)行強化，除細(xì)晶強化以外，一般均會發(fā)生脆化，導(dǎo)致韌性破斷的沖擊值和斷裂韌性值下降。因此，尋求高強度而同時有高韌性的材料，是重要的研究任務(wù)。1、細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒作為鋼的主要強化機制是十分重要的，它是既強化又韌化鋼材的唯一辦法。2、提高鋼的回火穩(wěn)定性

可以在相同強度水平下，提高回火溫度，提高韌性。3、改善基體韌性合金元素是通過影響基體的塑性特性，即影響位錯摩擦力、交叉滑移的難易程度而起作用。354、細(xì)化碳化物5、降低和消除鋼的回火脆性（Mo、W）6、降低含碳量7、提高冶金質(zhì)量，降低雜質(zhì)元素的含量8、通過合金化形成一定量的殘余奧氏體。365.4鋼的分類及編號按照鋼中是否加入合金元素可將鋼分為碳鋼和合金鋼。5.4.1碳鋼的分類（1）按碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類低碳鋼C%0.25%中碳鋼0.25%C%0.6%高碳鋼C%0.6%（2）按鋼的質(zhì)量分類

a、普通碳素鋼S≤0.05%P≤0.045%

b、優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.035%P≤0.035%

c、高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.02%P≤0.03%

d、特級優(yōu)質(zhì)碳素鋼S≤0.015%P≤0.025%37（3）按鋼的用途分類

a、碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要用于制備建筑、車輛、造船、橋梁、石油、化工、電站、國防等部門的工程構(gòu)件。

b、機器零件用鋼這類鋼主要用于制造機器零件，如軸、軸承、齒輪、彈簧等。

c、碳素工具鋼

這類鋼主要用于制作刃具、量具、模具。38（4）按鋼冶煉時的脫氧程度分類a、沸騰鋼（F）脫氧不徹底的鋼b、鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧徹底的鋼c、半鎮(zhèn)靜鋼（b）脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間d、特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）特殊脫氧的鋼395.4.2碳鋼的編號（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼表示方法：Q+屈服強度+質(zhì)量等級（A、B、C、D）+脫氧方法（b、Z、TZ）（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼a、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的平均含碳量用萬分之幾表示：例如：平均含碳量為0.1%的鋼表示為10。b、含錳量較高的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出。例如：平均含碳量為0.5%，錳含量0.7-1.0%表示為50錳或50Mn。c、專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，在鋼號之尾附加用途符號。例如：含碳為0.2%的鍋爐鋼表示為20鍋或20g；含碳為0.3%的橋梁鋼表示為30橋或30q。40（3）碳素工具鋼a、含碳量以千分之幾表示；

b、以“碳”字或字母“T”代表碳素工具鋼；

c、含錳量較高(0.4%－0.6%Mn)的，應(yīng)將錳元素標(biāo)出；

d、高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼在末尾加“A”字。例如：T8A

表示含碳量為0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼；T8Mn表示含碳量為0.8%，含錳量為0.4－0.6%的碳素工具鋼；T10

表示含碳量為1%的碳素工具鋼。415.4.3合金鋼的分類（1）按化學(xué)成分分類a、按鋼中所含合金元素的種類分類，如錳鋼、硅鋼等；b、按鋼中合金元素總質(zhì)量分類：低合金鋼（Me%5%）中合金鋼（5%

Me%10%）高合金鋼（Me%10%）42（2）按鋼的用途分類a、合金結(jié)構(gòu)鋼，包括工程構(gòu)件用鋼和機械零件用鋼；b、合金工具鋼，包括刃具鋼，模具鋼和量具鋼；c、特俗性能鋼，包括不銹鋼，耐熱鋼和耐磨鋼。（3）按冶金質(zhì)量分類a、普通低合金鋼b、優(yōu)質(zhì)低合金鋼c、高級優(yōu)質(zhì)合金鋼d、特高級優(yōu)質(zhì)合金鋼43（4）按金相組織分類a、按退火后的組織合金鋼可分為：亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼和萊氏體鋼；b、按正火后的組織合金鋼可分為：鐵素體鋼，珠光體鋼，貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。c、化學(xué)成分+用途結(jié)合的分類方法，如Cr不銹鋼等；正火組織+用途結(jié)合的分類方法，如奧氏體不銹鋼，鐵素體型不銹鋼，馬氏體型耐熱鋼等。445.4.4合金鋼的編號(1)合金結(jié)構(gòu)鋼a、工程結(jié)構(gòu)鋼，其編號方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。b、機器零件用鋼，其表示方法為：數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字