工程材料学第1章 钢合金化基础

第二章钢的合金化基础,工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳钢是指碳的质量分数为0.02182.11%的铁碳合金，并含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。为改善碳钢的组织和性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为合金钢。,第一节钢的分类与编号一、钢的分类1.按化学成分分类,2.按用途分类,3.按质量分类,4.按冶炼方法分类,5.按金相组织分类（1）按退火组织分类（2）按正火组织分类,二钢的编号我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。（一）碳钢的编号,1.普通碳素结构钢牌号表示法：Q（屈服汉语拼音字首）+屈服点数值（最低值）+质量等级（A，B，C，D）+脱氧方法（Z，F）。例如：Q235-AF表示屈服强度大于等于235MP的A级沸腾钢。Q235-C表示屈服强度大于等于235MP的C级镇静钢。常用钢种,碳素结构钢的机械性能（摘自GB/T700-1988）,2.优质碳素结构钢牌号表示法：该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45%的钢。钢中含Mn量高时，Wn=0.7%-1.2%在数字后附有Mn例如：65Mn表示Wc=0.65%，并含有较多的Mn的优质碳结构钢脱氧方法单独（F）标出，特级优质碳结构钢后标“E”（S，P小于等于0.025%）常用钢种：08F，15F，10，15，20，25，30，35，40，45，5015Mn，35Mn，50Mn，65Mn，70Mn,3.碳素工具钢牌号表示法：T（碳）+数字组成；数字表示钢的平均含C的千分数，均为优质钢，若含S，P更低，为A如T8钢表示平均Wc=0.8%的碳工具钢，末尾“A”表示钢中S，P含量比相同含C的碳工具钢少，如：T10A碳素工具钢,（二）合金钢的编号,世界各国合金钢的编号方法不一样。钢的牌号应反应其主要成分和用途。我国合金钢是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的，比较简单明了1在牌号首部用数字标明钢的碳含量，为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以干分之一为单位的数字(一位数)来表示碳含量(与碳钢编号一样)，而工具钢的碳含量超过1时，碳含量不标出。高速工具钢有些牌号，即使WC1%，其牌号前也不标出数字，W18Cr4V，其WC=0.70.8%。,2在表明碳含量的数字之后，用元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后的数字标明，平均含量少于15时不标数，平均含量为15249%、25349时，相应地标以2、33专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如，滚珠轴承钢在钢号前标以“G”字，易切削钢以“Y”字。4对于高级优质钢，则在钢号的末尾加“A字表明。5不锈钢中WC0.03或WC0.08时，牌号分别以“00”或“0”为首6铸钢牌号为“ZG”+最低屈服点值+最低抗拉强度值。7高锰耐磨钢为“ZG”+锰的符号+锰含量+序号。,40Cr平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下的合金结构钢。5CrMnMo平均碳质量分数为0.5%,主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下合金工具钢。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。20Cr2Ni4A高级优质结构钢。ZGMn13-1，表示锰的平均含量为13%的1号耐磨钢ZG340-640，表示s340MPa,、b640MPa的铸钢0Cr18Ni11Ti钢表示WC0.08的不锈钢,第二节钢中常存杂质与合金元素一、杂质元素对C钢性能的影响1.Mn有益元素，来源于炼钢材料（MnFe脱O）；改善钢的质量（脱O，S，Mn与SMnS以减轻S的有害作用）；Mn的存在形式（大部分溶入Fe中产生固溶强化，提高钢的强度，硬度，一部分Fe3C中以形成合金渗C体）；含Mn是（0.25%-0.8%）当Mn小时对钢性能影响不大。2.Si有益元素，改善钢的质量：脱O（SiFe）；来源：脱氧剂SiFe，炼钢材料；形式：-Fe中固溶强化；含量：镇静钢（用SiFe，MnFe，Al完全脱氧的钢）Wsi=0.1%-0.4%沸腾钢（MnFe脱氧，不完全脱氧钢）Wsi=0.03%-0.07%影响不大。,3.S：有害元素；来源：炼钢用的矿石和燃料；形式：FeS形式存在于钢中，S不溶于Fe，FeS+Fe形成低Tm共晶体（985），分布晶界上。当钢在1000-1200进行加工时，热脆。控制S含量，用Mn去S。4.P：一般有害，矿石带入；P能溶入Fe中，使硬度强度上升，低温时更严重冷脆，所以，严格控制P的含量5.O，H，N：O有害，机械性能下降；氧化物夹杂使疲劳强度降低；H有害，引起氢脆，白点N有害，使强度硬度增加，塑性降低（可用Al脱N，消除N的脆化效应）总之，杂质元素对钢材的性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围内。,二、碳钢在应用中遇到的问题,随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。1淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm20mm。2强度和屈强比较低普通碳钢Q235钢的s为235MPa，低合金结构钢Q345(16Mn)的s则为360MPa以上。40钢的s/b仅为0.43,合金钢35CrNi3Mo的s/b高达0.74。,3回火稳定性差碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高4不能满足某些特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。常加入的合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、B、Al、Nb、Zr、Re,三.合金元素在钢中的主要作用1.合金元素与Fe的相互作用,几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中,形成合金铁素体或合金奥氏体,按其对-Fe或-Fe的作用,可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。1）奥氏体形成元素亦称奥氏体稳定化元素,主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等,它们使A3点(向相的转变点)下降,A4点(向相的转变点)上升,从而扩大相存在范围。其中Ni、Mn等加入到一定量后,可使相区扩大到室温以下,使相区消失,称为完全扩大相区元素。FeMn相图所示,2）缩小相区元素亦称铁素体稳定化元素,主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升,N点下降(铬除外,铬质量分数小于7%时,A3点下降;大于7%后,A3点迅速上升),从而缩小相区存在的范围,使铁素体稳定区域扩大。如Fe-Cr相图所示,2.合金元素与C的相互作用,合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小,可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。都溶于铁素体和奥氏体中。碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列)，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体,含量高时可形成新的合金碳化物。,形成碳化物的规律1）合金渗碳体Mn与碳的亲和力小，大部分溶入-Fe或-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C;Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体硬度比渗碳体高2）合金碳化物中强碳化物形成元素Mo、W、Cr含量高时，形成M6C)合金碳化物3）特殊碳化物Ti、V等与碳亲和力较强时形成。特殊碳化物有高的熔点、硬度和耐磨性，当在钢中弥散分布时，将显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，且韧性不降低。,3.合金元素对铁碳相图临界点的影响A1、A3：扩大AA1、A3；缩AA1、A3S：MS左移，使共析点含C量降低，E：ME左移使含碳量相同的碳钢与合金钢具有不同的组织和性能,a)锰的影响b）铬的影响图6-2合金元素锰、铬对Fe-Fe3C相图的影响,（一）强化机制强化就是强度增高的现象。强度一般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变形是位错的运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主要归纳为四种，因而强化机制也有四种：溶质原子固溶强化；晶界细晶强化；第二相粒子第二相强化；位错位错强化,4.合金元素对钢的强度的影响,1）固溶强化定义：当溶质原子溶入基体中形成的固溶体能强化基体时称机制：合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场，此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。,2）晶界强化（细晶）：晶界能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。3）第二相强化：位错运动通过位于滑移面上第二相粒子时，需要消耗额外能量，使合金发生强化。4）位错强化：交割割阶缠结位错受阻,（二）钢的强化提高钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。钢淬火形成马氏体：马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应；马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。因此淬火马氏体具有很高的硬度，但脆性较大。淬火后回火：马氏体中析出细碳化物粒子间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火马氏体仍具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。,5.合金元素对相变过程的影响,1）合金元素对钢加热转变的影响碳钢A化过程：形成，残余碳化物溶解，均匀化，晶粒长大.奥氏体化过程与碳的扩散能力有关.Cr，W，Mo，V碳化物形成元素C扩散，A形成，残余碳化物的溶解，使A均匀化的时间加长.为加速T，t合金钢的加热温度比碳钢高,合金元素对奥氏体晶粒长大的影响：Me均不同程度的影响奥氏体晶粒长大倾向a.强碳化物形成元素Ti，Er，Nb，V；Al强烈阻止奥氏体长大元素；b.中等阻碍晶粒长大Cr，Mo，W；c.影响不大Si，Ni，Cu；d.促进晶粒长大Mn，P，BMn钢过热倾向，温度增加不易提高；,2）合金元素对过冷奥氏体转变的影响,对过冷稳定性的影响除Co、Al外，均使C曲线右移，增大稳定性，使孕育期增大，淬透性增加。对C曲线形状的影响a.非碳化物,弱碳化物C曲线右移；硅、镍、锰b.碳化物形成元素P区和B区两区，中间一个稳定区域，铬、钨、钼,a）镍、硅、锰的影响b）铬、钨、钼的影响图6-3合金元素对C曲线的影响,Me对马氏体相变的影响除Co，Al例外，大多数固溶于A中的Me均等Ms，Mf下降。Ms和Mf点的下降,使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下),以使其转变为马氏体;或进行多次回火,这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升,并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生二次淬火)。,3）Me对淬火钢回火转变的影响,（1）提高回火稳定性淬火钢在回火时抵抗软化的能力。由于Me与C的作用，大多数C扩散，而相的回火转变又与C的扩散有关。因此，M在回火过程中：推M分解，A转变温度T，提高相的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大，而保持较大的弥散程度。因此提高了钢的回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。使得钢在相同回火T下，具有高硬度和强度；也可使回火T升高，保证强度的同时使韧性提高（结构钢）。提高回火稳定性较强的元素：V，Si，Mo，W，Ni，Mn，Co,（2）产生二次硬化含有较多铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素的合金钢，在500600回火时，将从马氏体中析出特殊碳化物，如Cr7C3、Mo2C、W2C、VC等。这类碳化物硬度高、颗粒细小、数量多、分散均匀，使钢回火后硬度有所提高，称此现象为二次硬化（Mo，W，V）钢中开始析出弥散，细小，均匀，难溶的碳化物，Mo2C，W2C，VC，使硬度，而在550时沉淀，过程完成，硬度达到峰值。,图5-4合金钢（WC=0.35%）中加入钼后对回火硬度的影响,3）回火脆性回火脆性是指工件淬火后在某些温度区间回火时出现韧性显著下降的现象，回火脆为两类。第一类回火脆性：工件淬火后在300左右回火时所产生的回火脆性。原因：250-300，片状碳化物在M边界上析出，破坏了M间的连接，使脆性，是由相变机制本身决定的，不能消除，只能避开。不可逆第二类回火脆性：在500650范围内回火时，或经更高温度回火后缓冷通过该温度区所产生的脆性。原因：450-600，杂质及合金元素在原晶界上严重偏聚（Mn，Cr，Ni钢中），降低晶界结合力，使脆性a.Mo或W（0.5%Mo，1%W）能阻止，推迟杂质往晶界偏移，可消除回火脆b.高温回火，快冷（避开此T区间，在此T停留短）；c.尽量减少杂质元素含量（S，P）；,第三节合金元素对钢的塑性、韧性的影响,塑性：是指钢对变形的抗力，塑性指标，韧性：是指材料对断裂的抗力，韧性指标ak、Tk一.材料的变形规律拉伸试验中，材料的变形由二部分组成：均匀变形+缩颈变形断裂。即T极限伸长率极限塑性变形的能力。u均匀伸长率均匀塑性变形的能力取决于材料的加工硬化率p缩颈后伸长率缩颈后的变形能力取决于微孔坑，微裂纹形成的难易程度。,二.影响钢塑性的因素,1.溶质的影响：固溶在-Fe中合金元素一般均使塑性下降，强化效果大的元素使。（1）间隙原子的影响：C，N（2）置换式原子的影响：有利于螺位交滑移，减少位错晶格阻力Ni，Mo，T不利于螺交滑，使位错只在平面滑移，u。2.晶粒大小的影响：dT原因：单位晶界上的，应力集中，推迟微孔坑，微裂纹的形成，使p。,3第二相的影响（1）使u（大多数的第二相）原因：变形时位错运动通过第二相，位错圈，强化率（2）对极限伸长率T有害因此，第二相为球状，均匀，细小对改善材料的塑性较有利，且控制非金属夹杂的数目，状态，RE合理的热处理。,4位错的影响增加，缠结应力集中使总之，四种强化机制使强度增高，但对塑性影响很大，细晶同时，塑性增加，在实际应用中，两者之间应相互协调。,三.钢的韧性1.断裂形式：韧性是指材料对断裂的抗力形成，扩大延性断裂，解理断裂，沿晶断裂。（1）延性断裂：核心孔洞长大，汇合导致断裂；（2）解理断裂：低温，高加载速度，金属塑性差；（3）沿晶断裂：晶界上元素，第二相（脆性相）；2.影响断裂形式的因素（1）温度：高强钢韧性断裂（室温以下）（2）Tk（塑脆转变温度）：不能单凭ak高低来判断材料的韧性，而是应根据Tk的高低，Tk，韧性,3.提高钢韧性的途径四种强化机制对韧性Tk的影响（1）细化晶粒：Ti，V，Nb，Al阻碍晶粒长大，使晶面积，裂纹阻力大；（2）改善基本的韧性：置换使强，韧，但Ni元素却相反，Ni置换改变位错运动的特点，使其容易绕过某些障碍，避免产生应力集中，使基体韧性，Ni13，消除Tk，低温用钢高Ni钢（Mn）（3）提高回火稳定性：间隙固溶，位应力，脆性，提高回火稳定性，（可提高T回），可以在获相