第十一章 合金钢1工业用钢

第十一章工业用钢,工业用钢：碳素钢、合金钢；碳素钢：价格低、易加工、便于冶炼、可热处理、可塑变，是应用最广泛的钢铁材料。合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素。具有较好的机械性能及使用性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和一定的特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等），但价格高。,第一节钢的分类和编号,一、钢的分类（一）按用途分类（1）结构钢：工程用钢或构件用钢：甲、乙、特及普通低合金钢；机器零件用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。（2）工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。（3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工钢。,（二）按化学成分分类（1）碳素钢：低碳钢（0.25%）中碳钢（0.250.6%)高碳钢（0.6%)；（2）合金钢：低合金钢（5%）中合金钢（510%）高合金钢（10%）；另外，根据主要合金元素种类分为：锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。,（三）按显微组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类：亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。（2）按正火组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织：铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。,（四）按品质分类（按钢中的P、S等有害杂质的含量）（1）普通钢：P含量0.045%，S含量0.055%；（2）优质钢：P含量0.040%，S含量0.040%；（3）高级优质钢:P含量0.035%，S含量0.030%；,二、钢的编号原则：国际化学元素符号和汉语拼音并用。化学元素：如Si、Mn、Cr、W、RE等。产品名称、用途、冶浇和铸炼方法：拼音。（一）普通碳素结构钢（GB700-79）甲类钢：按性能要求供货，用甲YX或AYX表示，X为0、1、2、7。数字越大含碳量越高，强度越高，塑、韧性降低。Y表示冶炼方法：如J、D，平炉钢省去“P”。另外，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢加“b”，镇静钢不加任何字母，如A3F，AJ3。乙类钢：按成分要求供货，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。特类钢：按成分和性能要求供货，用特YX或CYX表示。,新国标（GB700-88）用碳素结构钢取代普通碳素结构钢：Q195成分同B1，性能同A1；Q215A同A2，Q215B同C2；Q235AA3，Q235BC3，Q235C焊接；Q255AA4，Q255BC4；Q275不分等级C5数字表示钢的屈服强度（MPa）,（二）优质碳素结构钢两位数字（含碳量的万分之几）+合金元素符号+专门用途标记。例如：45、50Mn、20g等。（三）碳素工具钢碳（T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素(Mn)+A（表示高级优质），例如：T8、8Mn、T8A、T10MnA等。（四）合金结构钢数字（含碳量万分之几）+元素(合金元素)+数字（合金元素的百分之几）。但需注意：例如：36Mn2Si、40CrNiMo、20MnVBA等。,（五）合金工具钢含碳量+元素+数字（合金元素），含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。合金元素标其百分之几，只是含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，只标合金元素的百分之几，如W18Cr4V。W6Mo5Cr4V2等。（六）铬滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15。,(七)不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几，但Wc0.03%钢号前冠以00，Wc0.08%钢号前冠以0。第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10，0Cr18等。,第二节合金元素在钢中的作用,合金钢之所以具有较为良好的使用性能和工艺性能，是因为合金元素与铁、碳以及合金元素之间的相互作用。一、合金元素在钢中的分布在钢中经常加入的合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE；P、S、N(某些情况下)等。存在形式：（1）溶于铁素体、奥氏体、马氏体中形成固溶体。（2）形成强化相，如形成合金渗碳体，特殊碳化物或金属间化合物等。（3）形成非金属夹杂，氧化物、氮化物和硫化物等。（4）以游离状态存在，例如：Pb、Cu、石墨等。,二、合金元素与铁和碳的相互作用（一）合金元素与铁的作用（决定于合金元素与铁构成的相图类型）,1.无限扩大奥氏体区合金元素与-Fe形成无限固溶体，与-Fe形成有限固溶体。使A3点降低，A4点升高。Ni、Mn、Co。,2.有限扩大奥氏体区合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体。使A3点降低，A4点升高。C、N、Cu、Zn等。,3.封闭区、无限扩大区合金元素使A3点上升，A4点下降，达某一含量时重合，区封闭，超过此含量，则合金不再有相变，与-Fe形成无限固溶体。Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。但，WCr7%时A3点才上升。,4.缩小区，但不使区封闭型合金元素使A3上升，A4下降,区缩小,但不封闭。B、Nb、Ti、Zr。,因此，合金元素分为两类：1.扩大奥氏体区的元素奥氏体形成元素，如Ni、Mn、Co、C、N、Cu、Zn等；2.缩小或封闭奥氏体区的元素铁素体形成元素，如Cr、Si、Al、Mo、Ti等。,（二）合金元素与碳的作用,两大类：1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等，溶于-Fe或-Fe中存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。Si含量大时使渗碳体分解析出石墨。2.碳化物形成元素Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn等，一部分溶入奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物。凡次d电子层愈不满，形成碳化物的倾向愈强，碳化物愈稳定。,按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由强到弱的排列顺序为：Ti、Zr、V、Nb；W、Mo、Cr；Mn、Fe；其中：Ti、Zr、Nb、V是强碳化物形成元素，和碳有极强的亲和力，仅在缺碳时，才以原子态溶入固溶体；W、Mo、Cr是中强碳化物形成元素，含量少时，多半溶于渗碳体形成合金渗碳体，含量较高时可形成特殊碳化物。Mn是弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体形成合金渗碳体，几乎大部分溶于铁素体和奥氏体中。,碳化物分为两类：（1）当rc/rM0.59时，形成间隙化合物，如：Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C、（Fe3Mo3C、Fe3W3C）等。（2）当rc/rM0.59时，形成间隙相（特殊碳化物），如：WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等。与前者比，熔点，硬度更高，很稳定，不易分解，不易溶入奥氏体中。合金元素还可溶于碳化物中形成多元碳化物，合金元素溶于渗碳体即为合金渗碳体，常以(FeM)3C表示。,三、合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响,1.对奥氏体相区的影响Ni、Mn、Co均使S点左移、A3线下降，可扩大奥氏体相区；Cr、W、Mo、V、Ti、Si使A3线上升，可缩小奥氏体相区；大多数元素均使ES线左移，E点左移，意味着钢中含碳量小于2%时就出现共晶莱氏体，如高速钢。此外，可得到奥氏体钢、铁素体钢。,2.对共析温度和共析点位置的影响扩大区的元素降低A3和A1，使S点左移，缩小区元素升高A3和A1，也使S点左移。由于所有的合金元素均使S点左移，这就意味着钢中的含碳量不足0.77%时，钢就变为过共析钢而析出Fe3C，如4Cr13钢就是过共析钢。,（二）合金元素对钢加热转变的影响合金钢热处理加热的目的：（1）获得成分均匀的奥氏体，使合金元素尽可能多的溶入奥氏体中，提高淬透性。合金钢的奥氏体化温度高，保温时间长。（2）获得细小晶粒的奥氏体组织，所有合金元素（除Mn、P、C、N外）均阻碍奥氏体晶粒的长大，但作用的强弱不同，强碳化物形成元素的作用大。,（三）合金元素对奥氏体冷却转变的影响集中反映在冷却转变的C曲线上（除Co、Al以外，合金元素均使C曲线右移，其中碳化物形成元素还改变C曲线的形状）。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。提高钢的淬透性是合金化的主要目的之一。,1.合金元素对珠光体转变的影响除Co、Al外，合金元素均推迟奥氏体向珠光体的转变。原因：（1）合金元素扩散慢，且使得碳的扩散也减慢，使珠光体形核困难，转变速度减慢；（2）扩大奥氏体区的元素如Ni、Mn等降低奥氏体转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止转变；,（3）微量元素B在晶界上内吸附，并形成共格硼相（M23C3B3），可显著地阻止铁素体的形核，从而增加了奥氏体的稳定性。只要合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，从而降低钢的临界冷却速度，提高淬透性。多种元素的共同作用比单一元素的作用大的多。,2.合金元素对贝氏体转变的影响合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对转变速度和碳扩散速度的影响。Cr、Mn、Ni：对贝氏体的转变有较大的推迟作用。（降低转变温度，减少奥氏体与铁素体的自由能差，减少了相变驱动力；且Cr与Mn还阻碍碳的扩散，因此推迟贝氏体的转变。）Si：强烈地阻滞贝氏体转变（原因：可能与它强烈地阻止过饱和铁素体的脱溶有关）。W、Mo、V、Ti：不同于Mn、Ni，使转变温度升高，增大转变驱动力，但降低碳的扩散速度，因此对贝氏体转变还是有一定延缓作用，但作用较小。,3.合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al以外，溶入奥氏体中的合金元素均使Ms点下降，其中碳的作用最大，其次是Mn、Cr、Ni，再次是Mo、W、Si。多种元素共存时，作用更大。,（四）合金元素对淬火钢回火转变的影响,合金元素的主要作用是提高了钢的回火稳定性(回火时发生软化过程的抵抗能力)，减慢回火转变速度，将其推向更高的温度。1.对马氏体分解的影响合金元素对马氏体分解的第一阶段(两相式分解)没影响；碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等使马氏体分解的第二阶段减慢（原因：碳原子需作长距离的扩散，碳化物阻碍碳从马氏体中析出，使析出温度升高）。,碳化物形成元素V、Nb的作用比Cr、Mo、W更强烈。非碳化物形成元素的影响不大，但Si的作用比较独特。回火温度低时，Si不扩散，马氏体和-碳化物中含Si量相等。由于Fe3C中不溶Si，所以-碳化物转化为Fe3C时必须把Si全部扩散出去，但Si的扩散比碳困难，因此Si可以显著地减慢马氏体的分解，使得马氏体的分解温度升高。,2.对残余奥氏体转变的影响残余奥氏体与过冷奥氏体的C曲线形状相似，只是残余奥氏体C-曲线的孕育期显著缩短。合金元素使过冷奥氏体和残余奥氏体的C-曲线上在P和B转变之间出现一个中温稳定区。合金元素大都使奥氏体的分解温度向高温方向推移，Cr、Mn作用显著。在含有W、Mo、V等元素的高合金钢中，由于回火中碳化物的析出，使Ms点高于室温，冷却时转变为马氏体，通过这种回火，钢的硬度没有降低，反而升高，称为二次淬火或二次硬化，如图11-6,3.对碳化物的形成、聚集和长大的影响合金元素对-碳化物的形成没有影响。随回火温度的升高，-碳化物于260转变为Fe3C，合金元素中Si、Al强烈地推迟这一转变到350。Cr也使转变温度升高，但作用比Si、Al的弱的多。随回火温度的升高，合金元素进行明显的扩散，在相和Fe3C中重新分配：碳化物形成元素形成合金渗碳体，非碳化物形成元素离开渗碳体。同时合金渗碳体聚集长大，Ni对其聚集长大无影响，而Si、V、W、Mo、Cr对其聚集长大起阻碍作用。,在含碳化物形成元素较多的钢中，回火时可能析出特殊碳化物，形成方式有：（1）原位析出：要求渗碳体中溶解较多的合金元素。Cr在Fe3C中溶解度可达20%，所以铬钢中合金碳化物原位形核较常见。（2）离位析出：晶核在铁素体机体上直接形成，所有MC型碳化物均以这种方式形成，如VC、TiC、NbC、WC、MoC等，细小弥散，强度硬度显著提高，产生二次硬化。,4.对铁素体回复再结晶的影响大部分合金元素均延缓铁素体的回复再结晶过程，Co、Mo、W、Cr、V显著提高相的再结晶温度，Si、Mn影响次之，Ni的影响不大。几种元素综合作用可显著提高再结晶温度。例如：含Cr+Mo+W=1-2%，可将再结晶温度由500提高到650。,5.对回火脆性的影响不能用热处理和合金化的方法消除第一类回火脆性，但Si、Mn等元素可将脆化温度提高到350-370。Ni、Cr、Mn增加第二类回火脆性的倾向，而Mo、W有抑制和减轻第二类回火脆性的倾向。,四、合金元素对钢强韧性的影响合金元素的作用：提高强度又要保证有足够的韧性。强度塑变抗力；韧性可靠性。一对矛盾。合金元素对组织、使用性能、工艺性能也有影响。（一）强化途径：设法增大位错运动的阻力。1.固溶强化间隙原子的强化作用比置换原子大10-100倍，如C，但溶解度有限。置换原子中Si，Mn作用较大，应用广泛。固溶强化的显著特点：随溶质原子增多，强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。所以对溶质浓度应加以控制。,2.晶界强化细化晶粒不但可提高钢的强度，而且可以提高钢的塑、韧性。由霍尔-配奇公式，强度与晶粒直径的平方根的倒数呈线性关系。合金元素中Al、Ti、V、Zr、Nb等形成难溶的第二相粒子，越弥散细小、数量越多，晶粒越细小，强化效果越好。3.第二相强化第二相粒子可以阻碍位错运动。位错运动遇到第二相粒子时或切过或绕过，消耗额外的能量，需提高外加应力，造成强化。粒子越细小，弥散，间距越小，效果越好。例如：碳化物颗粒。,第二相粒子对钢的塑性有危害作用原因：断裂过程中，孔坑的萌生与第二相粒子有关，第二相数量越多孔坑形成的可能性越大。塑性还与第二相粒子的分布状态有关，沿晶界分布最有害。塑性还与第二相粒子的形状有关，球状危害较小，针状或片状危害很大。塑性还与第二相粒子的种类有关，硫化物和氧化物不利，碳化物危害较小。,当用第二相粒子强化时应采用如下的方法改善钢的塑性：（1）控制碳化物的尺寸、数量、形状和分布，希望获得均匀弥散分布的细小球状第二相粒子，如用强碳化物形成元素，采用淬火高温回火等。（2）尽可能减少夹杂物，并加入Ca、Zr、RE等与硫形成难熔的球状硫化物。（3）将片状珠光体改为粒状珠光体。,4.位错强化位错密度越高，运动时越易相互交割，形成割阶，造成位错缠结，使塑变困难，提高强度。这种用增加位错密度提