合金元素对钢的热处理的影响

1、对钢材性能产生影响的元素 钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。 （1）碳：含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差。 （2）硫：是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性 （3）磷：能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性。在优质钢中，硫和磷要严格控制，但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的。 （4）锰：能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能。 （5）硅

2、：它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能。 （6）钨：能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性。 （7）铬：能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用。 （8）钒：能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性。 （9）钼：可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力。 （10）钛：能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象。 （11）镍：能提高钢的强度和韧性，提高淬透性含量高时，

3、可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力。 （12）硼：当钢中含有微量的（0.0010.005）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高。 （13）铝：能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等。 （14）铜：它的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明显。 11.3 合金元素对热处理的影响11.3.1 合金元素对奥氏体化的影响奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核并长大；剩余碳化物的溶解；奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。在钢中加入合金元素对后三个过程有较大的影响。（1）

4、含有碳化物形成元素的合金钢，其组织中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度和较长的时间。一般来说，合金元素形成碳化物的倾向愈强，其碳化物也愈难溶解。（2） 合金元素在奥氏体中的均匀化，也需要较长时间，因为合金元素的扩散速度，均远低于碳的扩散速度。（3） 某些合金元素强烈地阻碍着奥氏体晶粒的粗化过程，这主要与合金碳化物很难溶解有关，未溶解的碳化物阻碍了奥氏体晶界的迁移，因此，含有较强的碳化物形成元素(如钼、钨，钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热时，易于获得细晶粒的组织。各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响，一般可归纳如下：1）强

5、烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、铝等，其中以钛的作用最强。2）钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。3）一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的粗化，但作用不明显。4）锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。11.3.2 合金元素对奥氏体分解转变的影响多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减慢，即c曲线向右移，也就是提高了钢的淬透性。合金元素对马氏体转变的影响：增加冷却时间，降低冷却速度。另外，合金元素对马氏体开始转变温度(ms点)也有明显的影响。多数合金元素均使马氏体开始转变温度(ms点)降低，其中锰、铬、镍的作用最为强烈，只有铝、钴是提高ms点。11.3.3 合金元素对回火转变

6、的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方面。（1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。（2）产生二次硬化一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高，硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。图回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质有关。当回火温度低于约450时，钢中析出渗碳体，在450以上渗碳

7、体溶解，钢中开始沉淀析出弥散稳定的难熔碳化物mo2c、vc等，使钢的硬度开始升高，而在550600左右沉淀析出过程完成，钢的硬度达到峰值。（3）增大回火脆性 钢在回火过程中出现的第乙类回火脆性(250400c回火)t即回火马氏体脆性和第二类回火脆性(450600c回火)，即高温回火脆性均与钢中存在的合金元素有关。11.7 几种常用合金元素在钢中的作用 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。11.7.1 硅在钢中的作用(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极

8、限和屈强比。这是一般弹簧钢。(3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15一20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层sio2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。11.7.2 锰在钢中的作用（1）锰对提高钢的淬透性。（2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 锰钢的主要缺点是，含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀

9、性能降低。11.7.3 铬在钢中的作用（1）铬可提高钢的强度和硬度。（2）铬可提高钢的高温机械性能。（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性（4） 阻止石墨化（5） 提高淬透性。缺点：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。11.7.4 镍在钢中的作用（1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。（3）改善钢的加工性和可焊性。（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。11.7.5 钼在钢中的作用（1）钼对铁素体有固溶强化作用。（2）提高钢热强性（3）抗氢侵蚀的作用。（4）提高钢的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它

10、能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。11.7.6 钨在钢中的作用(1) 提高强度（2）提高钢的高温强度。（3）提高钢的抗氢性能。（4）是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。11.7.7 钒在钢中的作用(1)热强性。（2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。11.7.8 钛在钢中的作用（1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；（2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。11.7.9 铌在钢中的作用（1）铌和碳、氮、

11、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。(2)有极好的抗氢性能。(3)铌能提高钢的热强性11.7.10 硼在钢中的作用 ；（1）提高钢的淬透性。（2）提高钢的高温强度。强化晶界的作用。11.7.11 铝在钢中的作用(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；(2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4ai即可改变氧化皮的结构，加入6a1可使钢在980c以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50一55、铬30一3

12、5、铝10一15的合金，在1 400c高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。(3)此外，铝还能提高对硫化氢和v2o5，的抗腐蚀性。缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低。第三章 合金钢一,合金元素在钢中的作用1,合金元素对钢中的基本相的影响合金钢中常用的合金元素很多,按照其与碳结合的倾向大小,可分 非碳化物形成元素(co,ni,si,cu,b等)，碳化物形成元素(ti,v,w,mo,cr,mn等)。合金元素在钢中的存在形式有:1）溶解于钢中的基本相(铁素体,奥氏体和渗碳体)2）形成特殊碳化物(如vc,

13、tic,cr23c6等)3）非碳化物形成元素和大部分的锰基本上都溶解于铁素体(或奥氏体)中而形成合金铁素体(或合金奥氏体),并产生固溶强化的作用,使合金铁素体的强度,硬度升高,塑性和韧性下降(cr,ni,mn含量少时略有上升).其中,si,mn,ni的强化作用较大.4）碳化物形成元素(除锰外),当含量较低时,主要是溶入fe3c中而形成合金渗碳体.合金元素的溶入大大地提高了渗碳体的稳定性.当一些强碳化物形成元素如cr ,ti,v,w,mo等的含量较高时,它们还会形成新的稳定性较高或很高的特殊碳化物,如cr23c6,wc,vc,tic等.这一类特殊碳化物的特点是高熔点,高硬度.是钢中常用的强化相,

14、对提高钢的强度,硬度和耐磨性有十分重要的意义.2,合金元素对fefe3c相图的影响 a.合金元素的影响主要表现在扩大或缩小 相区.一些合金元素如mn,ni,等将扩大 相区使as线下降,而另一些合金元素如cr,mo,w,v, b.ti,si,等则缩小 相区并导致as线上升. c.扩大或缩小 相区的结果,必然使fefe3c相图中的s点,e点和c点的成分和温度发生变化.几乎所有的合金元素都使铁碳相图中s点,e点左移,其中以强碳化物形成元素的作用最为显著.3,合金元素对热处理相变过程的影响 a.合金元素对热处理相变过程的影响主要在于对额奥氏体形成速度和奥氏体晶粒长大的影响. b.合金元素对过冷奥氏体转

15、变的最突出的作用是使c曲线向右移(除钴外),增加过冷奥氏体的稳定性,因而,提高了钢的淬透性.常用的元素有:cr,mn,si,ni和b. c.合金元素对回火转变过程的影响表现在三个方面: aa.提高回火稳定性. bb.产生二次硬化,提高钢的红硬性和高温强度.常用的元素有w,mo, v. cc.使回火脆倾向增大,但一些元素如w,mn能减弱或防止第二类脆性.二,合金钢的分类合金钢的分类有三种:a.按成分按合金元素的总含量分:低(5%以下)中(510%)高 b.按所含主加合金元素种类来分:锰钢,硅钢,铬镍钢,c.按正火后组织分:奥氏体钢,铁素体钢,珠光体钢,马氏体钢d.按用途来分: 合金结构钢:普通低

16、合金钢,渗碳钢,调质钢等e.合金工具钢:刃具钢,模具钢,量具钢f.特殊性能钢:不锈钢,耐热钢,耐磨钢第四章 有色金属一,铝及合金1,铝及合金的性能特点(1)密度小 (2)比强度高 (3)电导性,热导性好(4)抗大气腐蚀能力强 (5)加工工艺性能好2,铝合金的固溶时效强化方法 由于铝合金在故态下没有同素异构转变,故无法通过马氏体转变来进行强化.但一些铝合金在故态下具有随温度下降溶解度明显减小的特点,可通过固溶时效强化方法进行强化.固溶时效强化一般有两个阶段.一是固溶处理,即将铝合金加热到使溶解度达到或接近最大值温度,形成单相固溶体,并通过急冷而获得过饱和的固溶体.第二阶段便是时效,将不稳定的过饱

17、和固溶体长时间搁置二使之分解过度到稳定的固溶体,出现了强度和硬度的升高.时效类型分为自然时效和人工时效.3,常用铝及铝合金的分类,性能特点和用途防锈铝合金、变形铝合金、 硬铝合金、超硬铝合金、锻造铝合金、铝硅合金(是最重要,最常用的铸造铝合金)、铸造铝合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金详见表41和42二,铜及铜合金1,铜及铜合金的性能特点(1)优异的电导性,热导性.(2)良好的耐蚀性.(3)独具的机械性能.(耐磨性和减摩性)(4)良好的加工性能2,常用铜合金的分类,性能和用途分为黄铜,青铜和白铜.黄铜应用最广泛.详见表43,44和45三,钛及钛合金的性能特点,组织及用途 钛及钛合金具有良好的综

18、合机械性能.其突出的特点是比强度很高.且具有较高的耐热性和优良的耐蚀性.钛合金广泛用于航天,航空和热能,化工工业.钛合金常分为 钛合金, 钛合金和 + 钛合金三种.常用钛合金和 + 钛合金.四,轴承合金的性能特点,组织及用途 轴承合金主要是制造滑动轴承及轴瓦及轴衬.对轴承合金的性能要求是:有一定的承载能力和疲劳抗力;有足够的塑性和韧性;良好的磨合性和小的磨檫系数;良好的抗蚀性和热导性;较小的膨胀系数. 轴承合金的组织特点是在软基体上均匀分布着硬质点或者在硬基体上均匀分布着软质点.常用的轴承合金有锡基,铅基,铝基和铜基轴承合金.广泛用于轴承的轴瓦和内衬.第五章 其它材料 粉末冶金材料,陶瓷材料,

19、塑料,复合材料和磁性材料大部分都属于非金属材料的范畴具有许多不同于金属材料的特殊性能,如高硬度,高耐磨性,高弹性,优良的化学稳定性等.一,粉末冶金的特点,工艺及常用材料1,粉末冶金的特点 粉末冶金是一种把金属粉末(或非金属粉末)混合并压制成形,再经过烧结来制取金属材料的特殊冶金方法.它与传统方式不同的是,它不需要熔炼和铸造,其突出的特点是:(1)烧结温度低;(2)成分均匀性好;(3)多孔性2,粉末冶金的工艺 其一般流程为:制粉,混合,成型,烧结和后处理.3,常用的粉末冶金材料 有:含油轴承材料,铁基结构材料,硬质合金等.二,陶瓷材料的分类,性能特点及应用 陶瓷包括整个硅酸盐材料和氧化物材料,是

20、无机非金属材料的统称.陶瓷可分为普通陶瓷,特种陶瓷和金属陶瓷. 陶瓷材料的性能特点是:极高的耐热性和化学稳定性,很高的硬度和良好的抗压能力,较高的耐磨性和良好的减摩性,优异的绝缘性和不老化性,比可燃性.但脆性很大,温度急变抗力很低,抗拉,抗弯能力较差,加工困难. 常用的特种陶瓷和金属陶瓷有:氧化物陶瓷,氮化物陶瓷,碳化物陶瓷.它们广泛用于切削工具,耐磨耐蚀零件,耐热材料,绝缘材料和高温构件.三,塑料的分类,性能特点及其应用 塑料是高分子材料,它的主要成分是树脂,其次是填料,另外还有一些其他的添加剂. 热塑性塑料1,塑料的分类 按其热性能常用的分类有两种: 热固性塑料、通用塑料按使用范围 工程塑

21、料、耐热塑料 2,塑料的性能特点塑料具有比强度高,良好的耐蚀性,电绝缘性,耐磨性,减摩性和成型工艺性,较小的介电损耗,但强度,硬度较低,耐热性差和易蠕变.第六章 材料的选用一,选材的三项基本原则1,根据使用性能要求选材(1)按综合机械性能为主选材.这类零件有:轴类,连杆,螺栓及低速轻载齿轮等,常选用中碳钢或中碳合金钢经调质处理后使用.(2)按疲劳强度为主选材.这类零件有:曲轴,弹簧,滚动轴承等,常选用中碳钢或中碳合金钢经调质(或淬火和中温回火)处理后使用或选用低碳钢,低碳合金钢经渗碳及淬火,回火后使用.(3)按磨损为主选材.这类零件有:各种量具,刀具,模具和齿轮等.材料常选用经淬火和低温回火的

22、碳素工具钢或合金工具钢,或选用经渗碳及淬火,回火后使用渗碳纲.2,根据工艺性能要求选材工艺性能是指材料加工的难易程度,包括:铸造,压力加工,焊接,切削加工和热处理的工艺性能.3,考虑经济性选材(1)考虑材料价格因素.原则上在满足使用性能和工艺性能之外,应选用价格低廉的材料.(2)应注意加工成本因素,包括热处理的费用.二,典型零件,工具的选材齿轮类、轴类、箱体,底座类、冷冲压模具类合金元素在钢中的作用 随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中，对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全满足这些要求了。原因 ： （1） 由碳钢制成的零件尺寸不

23、能太大。否则，因淬透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大淬透性。（2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金。（3）碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。11.1合金元素在钢中的存在方式11.1.1合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物存在于钢中按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可以分为两大类：(1)不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)，包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合，它们对钢中碳化物的结构也

24、无明显的影响。(2)形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素)，根据其与碳结合力的强弱，可把碳化物形成元素分成三类。1）弱碳化物形成元素：锰 锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中，一般不形成特殊碳化物(结构与fe3c不同的碳化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛有极高的稳定性，例如tic在淬火加热时要到l 000c以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成v4c，使之有更高的耐磨性。11.1.2 合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以固溶体形式存在于钢中11.1.3合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以

25、氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物的形式存在于钢中11.1.4游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物：铅，铜11.2合金元素对钢的平衡组织的影响表现在改变铁碳合金状态图11.2.1 合金元素对钢临界温度的影响锰、镍、铜使a3线降低，钼、钨、硅、钒使a3线升高。同样影响a1，影响程度更大，11.2.2 合金元素对钢共析点（s点）位置的影响大多数合金使共析点左移，钼钨在质量分数大时使共析点右移。11.2.3 合金元素对奥氏体相区大小的影响11.2.3.1 扩大区合金元素与-fe-fe形成固溶体，常温下为奥氏体组织。ni，mn11.2.3.2 减小区抑制f向a转变，cr11.3 合金元素对热处

26、理的影响11.3.1 合金元素对奥氏体化的影响奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核并长大；剩余碳化物的溶解；奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。在钢中加入合金元素对后三个过程有较大的影响。（1） 含有碳化物形成元素的合金钢，其组织中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度和较长的时间。一般来说，合金元素形成碳化物的倾向愈强，其碳化物也愈难溶解。（2） 合金元素在奥氏体中的均匀化，也需要较长时间，因为合金元素的扩散速度，均远低于碳的扩散速度。（3） 某些合金元素强烈地阻碍着奥氏体晶粒的粗化过程，这主要与合金

27、碳化物很难溶解有关，未溶解的碳化物阻碍了奥氏体晶界的迁移，因此，含有较强的碳化物形成元素(如钼、钨，钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热时，易于获得细晶粒的组织。各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响，一般可归纳如下：1）强烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、铝等，其中以钛的作用最强。2）钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。3）一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的粗化，但作用不明显。4）锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。11.3.2 合金元素对奥氏体分解转变的影响多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减慢，即c曲线向右移，也就是提高了钢的淬透性。合金元素对马氏体转变的影响:增加

28、冷却时间，降低冷却速度。另外，合金元素对马氏体开始转变温度(ms点)也有明显的影响。多数合金元素均使马氏体开始转变温度(ms点)降低，其中锰、铬、镍的作用最为强烈，只有铝、钴是提高ms点。11.3.3 合金元素对回火转变的影响合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方面。（1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。（2）产生二次硬化一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温

29、度后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高，硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。图回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质有关。当回火温度低于约450时，钢中析出渗碳体，在450以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀析出弥散稳定的难熔碳化物mo2c、vc等，使钢的硬度开始升高，而在550600左右沉淀析出过程完成，钢的硬度达到峰值。（3）增大回火脆性 钢在回火过程中出现的第乙类回火脆性(250400c回火)t即回火马氏体脆性和第二类回火脆性(450600c回火)，即高温回火脆性均与钢中存在的合金元素有关。11.4 合金元素对氧化与腐蚀的影响 一些合金元素加入钢中能在钢的

30、表面形成一层完整的、致密而稳定的氧化保护膜，从而提 高了钢的抗氧化能力。最有效的合金元素是铬、硅和铝(参看图10-8)。但钢中硅、铝的质量分 数较多时钢材变脆，因而它们只能作为辅加元素，一般都以铬为主加元素，以提高钢的抗氧化性。钢中加入少量的铜、磷等元素，可提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀。11.5 合金元素对机械性能的影响11.5.1 金属材料的强化方法金属材料的强化途径，主要有以下几个方面；(1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：1） 细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作

31、用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。2） 提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态 金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。(2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后 位错运动的阻力增加所致。(3)固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。(4)相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强

32、化相变强化可以分为两类：1) 沉淀强化(或称弥散强化)。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢(低合金结构钢和低合金热强钢)中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如tic、v4c3，nbc等，二是六方晶系，如m02、w2c、wc等，三是正菱形，如fe3c。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。2) 马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高

33、的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。(5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。(6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时

34、采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如：1）固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。2）结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。3）马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。4）固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。 11.5.2 合金元素对正火(或退火)状态钢机械性能的影响正火状态下钢有铁素体和珠光体组织。固溶强化，结晶强化，沉淀强化。合金元素不仅影响钢材的强度，同时也影响其韧性。11.5.3 合金元素对调质钢机械性能的影响 合金元素对调质钢机

35、械性能的影响，主要是通过它们对淬透性和回火性的影响而起作用的。主要表现于下列几方面。(1) 由于合金元素增加了钢的淬透性，使截面较大的零件也可淬透，在调质状态下可获得综合机械性能优良的回火索氏体。(2) 许多合金元素可使回火转变过程缓慢，因而在高温回火后，碳化物保持较细小的幂颗粒，使调质处理的合金钢能够得到较好的强度与韧性的配合。 (3)高温回火后，钢的组织是由铁素体和碳化物组成，合金元素对铁素体的固溶强化作用可提高调质钢的强度。11.6 合金元素对钢的工艺性能的影响11.6.1 合金元素对焊接性能的影响 ：钢的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。合金元素对钢材焊接性能的影响

36、，可用焊接碳当量来估算。我国目前所广泛应用的普通低合金钢，其焊接碳当量可按下述经验公式计算。公式 cd=c+1/6mn+1/5cr+1/15ni+1/4mo+1/5v+1/24si+1/2p+1/13cu 近年来，对厚度为15、50mm的200个钢种(从碳钢到强度等级为1000mpa级的高强度合金钢)，以低氢焊条进行常温下的y型坡口拘束焊接裂纹试验。在试验基础上，提出了一个用以估计钢材出现焊接裂纹可能性的指标，称为钢材焊接裂纹敏感性指数户，其计算公式为 公式 pc=c+1/30si+1/20mn+1/20cu+1/60ni+1/20cr+1/15mo+1/10v+5b+1/600t+1/60h

37、%与碳当量公式相比增加了板厚和含氢量。11.6.2 合金元素对切削加工的影响金属的切削性能是指金属被切削的难易程度和加工表面的质量。为了提高钢的切削性能，可在钢中加入一些能改善切削性能的合金元素，最常用的元素是硫，其次是铅和磷。由于硫在钢中与锰形成球状或点状硫化锰夹杂，破坏了金属基体的连续性，使切削抗力降低，切屑易于碎断，在易切削钢中硫的质量分数可达0.080.30。铅在钢中完全不溶，以23pm的极细质点均匀分布于钢中，使切屑易断，同时起润滑作用，改善了钢的切削性能，在易切削钢中铅的质量分数控制在0.100.30。少量的磷溶入铁素体中，可提高其硬度和脆性，有利于获得良好的加工表面质量。11.6

38、.3 合金元素对塑性加工性能的影响 钢的塑性加工分为热加工和冷加工两种。 热加工工艺性能通常由热加工时钢的塑性和变形抗力，可加工温度范围、抗氧化能力、对锻造加热和锻后冷却的要求等来评价。合金元素溶入固溶体中，或在钢中形成碳化物，都能使钢的热变形抗力提高和塑性明显降低，容易发生锻裂现象。但有些元素(如钒+铌，钛等)，其碳化物在钢中呈弥散状分布时，对钢的翅性影响不大。另外，合金元素一般都降低钢的导热性和提高钢的淬透性，因此为了防止开裂，合金钢锻造时的加热和冷却都必须缓慢。 冷加工工艺性能主要包括钢的冷态变形能力和钢件的表面质量两方面。 溶解在固溶体中的合金元素，一般将提高钢的冷加工硬化程度，使钢承

39、受塑性变形后很快地变硬变脆，这对钢的冷加工是很不利的。因此，对于那些需要经受大量塑性变形加工的钢材，在冶炼时应限制其中各种残存合金元素的量，特别要严格控制硫、磷等。另一方面，碳、硅、磷、硫、镍、铬、钒、铜等元索还会使钢材的冷态压延性能恶化。11.6.4 合金元素对铸造性能的影响 钢的铸造性能主要由铸造时金属的流动性、收缩特点、偏析倾向等来综合评定。它们与钢的固相线和液相线温度的高低及结晶温度区间的大小有关。固、液相线的温度愈低和结晶沮度区间愈窄，铸造性能愈好。因此，合金元素的作用主要取决于其对状态图的影响另外，一些元素如铬、钼、钒、钛、铝等，在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大了钢液的粘度

40、，降低其流动性，使铸造性能恶化。11.7 几种常用合金元素在钢中的作用 为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。11.7.1 硅在钢中的作用(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。这是一般弹簧钢。(3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15一20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层sio2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。11.7.2 锰在钢中的作用（1）锰对提高钢的淬透性。（2）锰

41、对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。 锰钢的主要缺点是，含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低。11.7.3 铬在钢中的作用（1）铬可提高钢的强度和硬度。（2）铬可提高钢的高温机械性能。（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性（4） 阻止石墨化（5） 提高淬透性。缺点：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。11.7.4 镍在钢中的作用（1）可提高钢的强度而

42、不显著降低其韧性。（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。（3）改善钢的加工性和可焊性。 ：（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。11.7.5 钼在钢中的作用（1）钼对铁素体有固溶强化作用。（2）提高钢热强性（3）抗氢侵蚀的作用。（4）提高钢的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。11.7.6 钨在钢中的作用(1) 提高强度（2）提高钢的高温强度。（3）提高钢的抗氢性能。（4）是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。11.7.7 钒在钢中的作用(1)热强性。（2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。11

43、.7.8 钛在钢中的作用（1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；（2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。11.7.9 铌在钢中的作用（1）铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。(2)有极好的抗氢性能。(3)铌能提高钢的热强性11.7.10 硼在钢中的作用 ；（1）提高钢的淬透性。（2）提高钢的高温强度。强化晶界的作用。11.7.11 铝在钢中的作用(1

44、)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；(2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4ai即可改变氧化皮的结构，加入6a1可使钢在980c以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50一55、铬30一35、铝10一15的合金，在1 400c高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。(3)此外，铝还能提高对硫化氢和v2o5，的抗腐蚀性。缺点：脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。当含铝较高时其高温强度和韧性较低。合金元素对钢材

45、机械性能的影响 发布时间： 06-03-17 17:26 点击次数： 263 1、金属材料的强化方法金属材料的强化途径，主要有以下几个方面；(1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：1）细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。2）提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼

46、等方法，可以获得高纯度的金属材料。(2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。(3)固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。(4)相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类：1)沉淀强化(或称弥散强化)。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢(低合金结构钢和低合金热

47、强钢)中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如tic、v4c3，nbc等，二是六方晶系，如m02、w2c、wc等，三是正菱形，如fe3c。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。2)马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。(5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶

48、界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。(6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如：1）固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。2）结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。3）马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。4）固溶强化+沉淀强化。对于高温

49、承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。2、合金元素对正火(或退火)状态钢机械性能的影响正火状态下钢有铁素体和珠光体组织。合金元素不仅影响钢材的强度，同时也影响其韧性。3、合金元素对调质钢机械性能的影响合金元素对调质钢机械性能的影响，主要是通过它们对淬透性和回火性的影响而起作用的。主要表现于下列几方面。(1)由于合金元素增加了钢的淬透性，使截面较大的零件也可淬透，在调质状态下可获得综合机械性能优良的回火索氏体。(2)许多合金元素可使回火转变过程缓慢，因而在高温回火后，碳化物保持较细小的幂颗粒，使调质处理的合金钢能够得到较好的强度与韧性

50、的配合。(3)高温回火后，钢的组织是由铁素体和碳化物组成，合金元素对铁素体的固溶强化作用可提高调质钢的强度。2.5.4 合金元素对钢的机械性能的影响 提高钢的强度是加入合金元素的主要目的之一。欲提高强度, 就要设法增大位错运动的阻力。金属中的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化。合金元素的强化作用, 正是利用了这些强化机制。1. 对退火状态下钢的机械性能的影响 结构钢在退火状态下的基本相是铁素体和碳化物。合金元素溶于铁素体中, 形成合金铁素体, 依靠固溶强化作用, 提高强度和硬度, 但同时降低塑性和韧性。2.对退火状态下钢的机械性能的影响 由于合金元素的加入降低

51、了共析点的碳含量、使c曲线右移, 从而使组织中的珠光体的比例增大, 使珠光体层片距离减小, 这也使钢的强度增加, 塑性下降。但是在退火状态下, 合金钢没有很大的优越性。 由于过冷奥氏体稳定性增大, 合金钢在正火状态下可得到层片距离更小的珠光体, 或贝氏体甚至马氏体组织, 从而强度大为增加。mn、cr、cu的强化作用较大, 而si、al、v、mo等在一般含量(例如一般结构钢的实际含量)下影响很小。3. 对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响 合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著, 因为它充分利用了全部的四种强化机制。淬火时形成马氏体, 回火时析出碳化物, 造成强烈的第二相强化，同时使韧性大

52、大改善, 故获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。 合金元素加入钢中, 首要的目的是提高钢的淬透性, 保证在淬火时容易获得马氏体。其次是提高钢的回火稳定性, 使马氏体的保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定。这样, 在同样条件下, 合金钢比碳钢具有更高的强度。 第一节 合金元素对钢的影响 一、合金元素对钢力学性能的影响 1 溶解于铁起固溶强化作用 几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度、硬度提高，但塑性韧性有所下降。使钢具有强韧性的良好配合。2形成碳化物，起第二相强化、硬化作用按照与碳之间的相互作用不同，常用的合金元素

53、分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素包括ti、nb、v、w、mo、cr、mn等，它们在钢中能与碳结合形成碳化物，如tic、vc、wc等，这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性，如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。 3使结构钢中珠光体增加，起强化的作用合金元素的加入，使fe-fe3c相图中的共析点左移，因而，与相同含碳量的碳钢相比，亚共析成分的结构钢（一般结构钢为亚共析钢）含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数量，使合金钢的强度提高。工程材料及成形工艺基础合金元素对铁素体力学性能的影响 二、合金元素对钢工艺性能的影响 1对热处理的

54、影响 （1）对加热过程奥氏体化的影响 ：合金钢热处理可适当提高加热温度和延长保温时间 合金钢中的合金渗碳体、合金碳化物稳定性高，不易溶入奥氏体；合金元素溶入奥氏体后扩散很缓慢，因此合金钢的奥氏体化速度比碳钢慢，为加速奥氏体化，要求将合金钢（锰钢除外）加热到较高的温度和保温较长的时间。除mn外的所有合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，尤其是ti、v等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高，残存在奥氏体晶界上，显著地阻碍奥氏体晶粒长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。 （2）对过冷奥氏体转变的影响 ：合金钢淬透性更好，可减小淬火冷速，减小淬火变形。但残余奥氏体增多 除co外，所有溶于奥氏体中的合金元素，都使过冷奥氏体的稳定性增大，使c曲线右移，马氏体临界冷却速度减小，淬透性提高。这使得合金钢利用较小的冷却速度即能淬成马氏体组织，可减小淬火变形。因此大尺寸、形状复杂或要求精度高的重要零件需要用合金钢制作。 除co、al外，大多数合金元素都使ms点降低，使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多，这将对零件的淬火质量会产生不利影响。