第三章合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响

第四章合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响钢材是最广泛使用的金属材料，它能以比较低廉的价格，按十分精确的规格进行大量生产。钢材可提供的机械性能范围，从优良的韧性和中等强度（200～300Mpa）水平到有足够韧性和极高强度（2000Mpa）水平。然而结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是主要的使用性能，增加强度往往要牺牲其它性能，或者反过来也是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强化，而是追求强韧化。韧性是材料可靠性的量度，因而提高钢材的可靠性依赖于韧化。钢材具有了优良的综合机械性能以后，下一步还需要考虑各种工艺性能（包括铸造性能、冷态成型性、压力加工性能、切削性、热处理工艺性以及焊接性等）。如果钢材的工艺性能不能满足要求，虽然钢材的综合机械性能优异，也将难以被使用者接受。第一节钢的强化机理与韧化途径一、强化机理1、固溶强化在许多钢中，铁素体是基本组成相之一，在结构钢中其所占比例要≥90%。试验指出：定量评定合金铁素体的强化程度可以通过每个合金元素对Fe的α固溶体性能影响的叠加效果。这样，同时用若干种合金元素合金化铁素体时，其对强度的贡献可以用下式来表达：niFiFisCK1式中：KiF是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强度增量的强化系数；CiF为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度。不同合金元素溶于铁素体中的强化系数KiF值如下表所示：元素C+NPSiTiAlCuMnCrNiMoVKiF/100MPa467069085806040353030103注意：按上式评定铁素体的强化应该考虑合金元素溶于铁素体的浓度，而不是这些元素在钢中的含量。2、细化晶粒强化铁素体的屈服强度随晶粒度的减小按Hall-Petch公式而增加，即σs=σi+kd-0.5其中：d为晶粒直径；σi为在晶粒中位错运动所需的应力（内摩擦力）；k为常数。实际晶粒越细，屈服强度越高，所以在加工钢铁材料时非常重视最终的铁素体晶粒尺寸。0.11%C的软钢的屈服强度与晶粒度不同温度下的关系如图所示：当软钢的晶粒d=0.25mm(粗晶粒)时，屈服强度约为100Mpa；当软钢的晶粒d=0.0025mm(细晶粒)时，屈服强度高达500MPa以上。最近二十多年来，软钢生产中添加低浓度特殊碳化物形成元素（Nb、Ti、V等）以及轧制工艺的改进，可以细化铁素体晶粒，从而使这类广泛应用的工程材料的机械性能有了惊人的改善。钢的韧性也是对晶粒大小很敏感的性能，对铁素体冲击试验时，韧－脆转折温度Tc与lnd-0.5呈线性关系，即：Tc=K－βlnd-0.5式中，K与β为常数。对软钢来说，细化晶粒对软钢的屈服强度σs和冲击韧－脆转折温度Tc的影响如图所示。3、位错密度和缺陷密度引起的强化钢铁在冷加工（轧制、拉拔）过程中，受力变形，使基体内的位错密度大大提高；钢铁在淬火后，基体内的位错密度以及缺陷密度也大幅度的增加，这都增加了钢材的强度。4、析出碳化物弥散强化钢材在经淬火处理后，在回火过程中，以特殊碳化物的质点弥散析出，这些碳化物能有效地阻碍位错的运动，提高了钢的屈服强度。二、韧化途径钢材的韧化，意味着减小脆化。按上述强化方式进行强化，除细晶强化以外，一般均会发生脆化，导致韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。因此，寻求高强度而同时有高韧性的材料，是重要的研究任务。1、细化晶粒细化晶粒作为钢的主要强化机制是十分重要的，与此同时也改善了韧性和降低脆性转变温度。因此，它是既强化又韧化钢材的唯一办法。2、降低有害元素的含量减少钢中的P、S、N、H、O以及其它有害元素的含量，则可减少它们在晶界的偏聚，一方面有利于抑制回火脆性倾向，另一方面也使延迟破坏和环境脆化的敏感性大大下降，从而改善钢的韧性。3、调整合金元素含量合金元素抑制钢的脆性断裂倾向的原因在于：①改变显微组织合金元素是通过控制淬透性、相变温度、析出物形态、晶粒度等而起作用，其效果随所得组织或随不同添加量而发生复杂的变化。②改善基体本身的韧性。合金元素是通过影响基体的塑性特性，即影响位错摩擦力、交叉滑移的难易程度而起作用。4、降低钢中的含碳量碳是钢中必不可少的元素，然而加碳虽然强化作用很大，但却显著降低韧性，这是普遍倾向。针对这一特性，含碳量极低的(≤0.03%wt)、通过析出金属间化合物来强化的马氏体时效钢，具有高的韧性。第二节合金化与强韧化机理的综合运用举例25Si2Mn2CrNiMoV低碳马氏体型超高强度钢的开发，其合金设计思路可以归结为：1．强化低碳马氏体的考虑碳含量的确定要综合考虑以下因素：①增加碳含量，碳原子进入八面体间隙位置造成固溶强化。②同时，增加碳含量，可以使马氏体在回火过程中有更多的碳化物析出，从而造成弥散强化。③但是，当碳含量超过0.3%时，淬火裂纹倾向大大增加。综合上述三个因素，碳含量最终确定为0.25%。由于碳含量受到限制，所以必须考虑其它的方式来强化低碳马氏体：合金元素的置换固溶能产生一定的强化作用，如图4－1所示，Si、Mn、Ni和Mo对铁素体有较大的强化效应。所以在设计时首先考虑Si、Mn、Ni和Mo四个元素。1．发挥低碳马氏体韧性高的优越作用①在马氏体板条相界产生稳定的残余奥氏体薄膜，Ni、Mn为典型代表。因此，Ni和Mn的加入不仅达到固溶强化的目的，而且还达到了韧化的目的。②在保证必要的强度的情况下，尽可能提高回火温度，使塑性、韧性得到较大恢复。要做到这点，必须抑制回火马氏体的脆性。Si、Mn、Ni和Mo是钢种设计时主要考虑的元素，加入1％左右的Cr是为了提高耐蚀性。V的加入是为了细化晶粒，改善强韧性。