合金元素对钢材性能的影响

1、合金元素对钢材性能的影响,一 合金钢的分类,在碳钢中加入一种或多种元素所形成的钢称之为合金钢,按合金元素的多少分,低合金钢,中合金钢,高合金钢,5w%,5w%-10w%,10w%,按合金元素种类分,铬钢 ， 锰钢 ， 硅钢 ， 铬镍钢等,按用途分,工具钢，结构钢，特殊性能钢等,（1） 锰（ Mn ）和硅（ Si ）,炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中。,Mn： 在碳钢中的含量一般小于0.8%。 能溶于铁素体中具有固溶强化效果，可提高钢的强度和硬 度。 ,二 钢中的常存元素在钢中的作用,也可形成高熔点MnS（1600）夹杂物，MnS在高温下具 有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰

2、呈条状 沿轧向分布，减轻了硫的有害作用。 具有一定的脱氧能力，使钢中的FeO还原，降低了钢的脆 性。,Si： 在钢中的含量通常小于0.5%。 能溶于铁素体中具有固溶强化效果，可提高钢的强度和硬度。 也可形成SiO2 夹杂物。Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。,（2）硫（S）和磷（P）,S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形FeS，并易于形成低熔点共晶，发生热脆 (裂)。 P：可固溶于-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧 性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。,S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。,（3）氮（N）、氢（H）、

3、氧（O）,N：在-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物机械时效或应变时效。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。 H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。 O：在钢中形成硅酸盐2MnOSiO2 、MnOSiO2 或复合氧化物MgOAl2 O3 、MnOAl2 O3 。 N、H、O是有害杂质。,三合金元素的存在形式,1形成铁基固溶体,（1）形成铁基置换固溶体,Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。 其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固溶体，Cr 和V形成以-Fe为基的无限固溶体。,Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-

4、Fe(Mo)和-Fe(W)等。,Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体； Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。,（2）形成铁基间隙固溶体,对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙。,对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。,间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。,2形成合金渗碳体,（1）合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相。,（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：,Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe,其中： 、族金

5、属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构，如 TiC、VC、TiN、TaC等； ,、金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如 Cr7 C3、Cr23 C6、W2 C、Mo2 C、(W、Mo、Fe)6 C等。,在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。 渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。 如(Fe,Mn)3 C、(Fe,Cr)23 C等。,3形成金属间化合物,（1）金属间化合物：钢中的过渡族金属元素之间形成一系列金属间化合物，即是指金属与金属、金属与准金属形成的化合物。,（2）如Ni3 (Al,Ti)、Ni3 (Al,Nb)、NiAl、NiTiFeAl等。,准金属也叫半金属

6、。通常指硼、硅、锗、硒、碲钋、砷和锑。它们在元素周期表中处于金属向非金属过渡的位置，物理性质和化学性质介于金属和非金属之间。单质一般性脆，呈金属光泽。,4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相,（1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2 、SiO2 、Al2 O3 、Cr2 O3 、MgOAl2 O3 、MnOAl2 O3 、MnS、FeS、 2MnOSiO2 、CaOSiO2 等。非金属夹杂物一般都是有害的。,（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。,（3）在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的

7、实验和理论依据。,四 合金元素对钢的热处理的影响,合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过改变钢在热处理过程中的组织来显示合金元素的作用的。合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的相变等方面。,1、合金元素对加热转变的影响, 钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长大，碳化物的分解和溶解，以及奥氏体成分的均匀化等过程。, 整个过程的进行，与碳、合金元素的扩散以及碳化物的稳定程度有关。, 合金元素对奥氏体形成过程的影响体现在以下两个方面：,（1）对奥氏体形成速度的影响, 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。, 非碳化物形成元素Co和Ni

8、等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。, 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。, 碳化物的分解： 奥氏体形成后，还残留有一些稳定性各不相同的碳化物。稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。, 奥氏体的成分均匀化： 由于碳化物的不断溶入，不均匀程 度更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需 扩散。, 由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高 的加热温度和较长

9、的保温时间，以得到比较均匀的奥氏 体，从而充分发挥合金元素的作用。, 但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采 用过高的加热温度和过长的保温时间。,（2）合金元素对奥氏体晶粒长大倾向的影响,合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。, Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2 O3 细质点，也能强烈阻止晶粒长大；, W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；, W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；, Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；, Mn、P、B则有助于奥氏体的晶

10、粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。,2 合金元素对淬火钢回火转变的影响,a）对淬火钢回火稳定性的影响, 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。, 由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大的过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。, 由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度要比同样含碳量的碳钢高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。, 由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度要比同样含碳量的碳钢高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的

11、塑性和韧性指标就高。, 所以，当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度比碳钢高。,b）二次硬化,一些碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用。,如高速钢在560回火时，又析出了新的更细的特殊碳化物，发挥了第二相的弥散强化作用，使硬度又进一步提高。这种二次硬化现象在合金工具钢中是很有价值的。,5 合金元素对钢的机械和工艺性能的影响, 加入合金元素的目的是使钢具有更优异的性能。, 合金元素主要通过对组织的影响而对性能起作用，因此必须根据合金元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对机械性能的影响。,（1）合金元素对强度的影响,强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构材料的主要目的。金属强化一般有以下几种方式：,a）固溶强化。溶质原子由于与基体原子的大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力，产生强化。固溶强化的强化量与溶质的浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越大，强化效果越好。,一般而言，间隙固溶强化效果比置换固溶强化的效果要强烈得多，其强化作用甚至可差12个数量级。,但是，固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的，固溶强 化效果越好，塑性和韧性下降越多。,b）细晶强化, 晶界或其它界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化