航空工程材料 合金钢

合金钢的认知随着航空工业的发展，对飞机上所用的材料提出了更高的要求，如更高的强度、抗高温、高压、耐腐蚀、磨损以及其它特殊的物理、化学性能要求。碳钢存在着淬透性低、强度较低、回火稳定性差和基本相软等缺点，不能完全满足航空工业发展的要求，尤其不能满足大尺寸、重载荷零件的要求，也不能用于耐腐蚀、耐高温的零件制造。为了提高或改善钢的机械性能、工艺性能或使钢具有某些特殊的物理、化学性能，常常需要有目的地向钢中加入一种或几种一定量的化学元素（除铁和碳以外的这些元素称为合金元素。最常用的合称为合金钢。一．合金元素的作用1.合金元素对钢基本相的影响1）强化铁素体绝大多数合金元素都可或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体。与C亲和力弱的非碳化物形成元素，如Ni、Cu、Al、Co、Si、B等，则主要溶于铁素体中而难以形成碳化物。其中原子半径很小的合金元素（如氮、硼等）与铁形成间隙固溶体；原子半径较大的合金元素（如锰、镍、钴等）与铁形成置换固溶体。合金元素溶入铁素体后，合金元素的原子半径与铁的原子半径相差越大，晶格类型越不相同，必然引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但韧性、塑性都有下降的趋势。2）形成合金碳化物合金碳化物包括合金渗碳体和单独形成的特殊碳化物。作为碳化则其与碳的亲和力越强，形成碳化物能力越大，形成的碳化物越稳定而不易分解。通常合金元素中Ti、Zr、Nb、V为强碳化物形成元素，它们在钢中优先形成特殊碳化物，如NbC、VC、TiC等。W、Mo、Cr为中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如(Fe,Cr)3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7O3、Cr23C6、MoC、WC等。Mn为弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比Fe强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C，但难以形成特殊碳化物。合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性，并且更为稳定，不易分解，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。合金碳化物的种类、性能和在钢中分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变。例如，当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性，而不降低韧性，这对提高工具钢的使用性能极为有利。2．对相图的影响合金元素的加入，对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。1）对相区的影响合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。Ni、Mn、Co、C、N、Cu等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，是奥氏体稳定化元素，特别以Ni、Mn的影响更大，可以使钢在室温下获得单相奥氏体组织。Cr、V、W、Mo、Ti、Si等元素则缩小相区，是铁素体稳定化元素，钢在室温下的平衡组织为单相的铁素体，称这类钢为铁素体钢。2）对相图中S点、E点位置的影响所有的合金元素都使S点左移，而大部分合金元素使E点左移，因此，含碳量相同的碳素钢和合金钢的显微组织不同。例如，含碳量为0.4％的碳钢具有亚共析组织，但当加入了4%Cr之后，S点左移，使形成的合金钢具有过共析钢组织。因而，合金钢共析体含碳量小于碳钢共析体0.77%的含碳量。3.对热处理的影响合金元素对热处理的影响主要表现在加热、冷却和回火过程中相变的影响上。1）合金元素对奥氏体化和其晶粒长大的影响除Co、Ni外，大多数合金元素均减缓奥氏体的形成速度。为此，对含有合金元素的合金钢，为了加速碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化，在热处理时就需要用比碳钢更高的加热温度和更长的保温时大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，特别是Cr、Mo、W、V、Ti等元素能严重阻碍奥氏体晶粒的长大，因为这些元素能形成稳定性特别高的特殊碳化物。在加热过程中，不易溶于奥氏体中而是分布在奥氏体晶界上，阻碍其晶界外移，显著细化晶粒。2）合金元素对C曲线、淬透性和残留奥氏体的影响碳钢加入合金元素后，使其C曲线在形状和位置上都发生了改变。除Co外，几乎所有的合金元素溶入奥氏体后，都降低原有扩散速度，增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，即提高钢的淬透性，这是钢中加入合金元素的主要目的之一。C曲线右移使淬火临界冷却速度减小，一方面增大淬透性，能使大尺寸零件淬透，另一方面淬火可以采取缓慢冷却的介质，从而减小了零件的变形与开裂的危险性。另外，同时加入多种合金元素，对钢淬透性的影响远比单一元素的影响强得多，这就促使合金钢朝多元少量的方向发展，例如铬锰钢，铬镍钢等。还必须注意，加入钢中的合金元素，只有完全溶于奥氏体中时才能提高淬透性。3）对回火转变的影响合金元素能使淬火钢在回火过程中的组织分解和转变速度减慢。（1）提高回火稳定性淬火钢在回火时抵抗软化的能力称为回火抗力。合金元素在回火过程中能推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高铁素体的再结晶温度，使碳化物不易析出，析出后也很难聚集长大。这就使合金钢较碳钢在相同的回火温度下强度和硬度下降较少，即提高了钢对回火软化的抗力，也就是提高了钢的回火稳定性。（2）产生“二次硬化”现象一些含Mo、W、V质量分数较高的合金钢回火时，随着温度的升高，其硬度并非单调降低，而是在一定温度范围内出现硬度回升的现象，称为“二次硬化”。（3）增大回火脆性二．合金钢的分类和编号按用途合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能（物理、化学性能）钢等。（1）合金结构钢包括渗碳钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢、（2）合金工具钢包括刃具钢、模具钢、量具钢等。（3）特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。2）按合金元素含量多少分类（1）低合金钢即合金元素总含量小于5%的钢。（2）中合金钢即合金元素总含量在5～10%的钢。（3）高合金钢即合金元素总含量大于10%的钢。2.编号1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的主要合金元素有Mn、V、Ti、Nb、Al、Cr、Ni等，其化学成分特点是：含碳量低，一般为wc=0.1～0.2%，并以锰为主加元素。其性能特点是具有高的屈服强度、良好的塑性和韧性、良好的焊接性能。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的三个部分按顺序排列。例如：Q390A，表示屈服点σs=390N/mm2、质量等级为A的低合金高强度结构钢。2）合金结构钢由“两位数字+元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素的平均质量的百分数。合金元素的平均质量分数<1.5%时，一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%，……时，则在合金元素后面相应地标出2、3、4，……。例如40Cr，其平均碳的质量分数wC=0.4%，平均铬的质量分数wCr<1.5%。例如60Si2Mn，其平均碳的质量分数若为高级优质，也在牌号末尾加“A”。3）滚动轴承钢表示铬的质量分数的千分数，其碳的质量分数不标出。例如GCr15钢，就是平均铬的质量分数wCr=1.5%的滚动轴承钢。4）合金工具钢这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于：当wC<1%时，用一位数字表示碳的质量分数的千分数；当wC≥1%时，则不予标出。例如Cr12MoV钢，其平均碳的质量分数为wC=1.45～1.70%，所以不又如9SiCr钢，其平均wC=0.9%、平均wSi、wCr均小于1.5%。5）不锈钢与耐热钢这类钢牌号前面数字表示碳的质量分数的千分数，合金元