第一章合金钢基础知识

1第一章合金钢基础知识本章重点难点：合金元素对Fe—Fe3C状态图及其对钢的热处理的影响§1.1钢的合金化碳钢：优点：价格低廉，便于获得，容易加工通过C％的变化改善性能缺点：淬透性低，回火抗力差，基本相软弱不能满足一些特殊性能要求耐热、低温、腐蚀常存元素：对钢的性能影响不大或略有改善的元素合金元素：为了获得一定的组织、性能而使其使用性能和工艺性能得以提高而向钢中加入的化学元素杂质：对钢的性能起恶化作用的元素一、合金元素与铁的作用Fe同素异构转变：α-FeC910γ-FeC1405δ-FeC1535Lbccfccbcc合金元素影响同素异构相在平衡状态下的稳定性，主要是通过合金元素在α-Fe和γ-Fe中的固溶度以及对γ-Fe存在温度区间的影响表现出来的1、扩大A区1）无限扩大A区元素（Ni、Co、Mn）：与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体2）有限扩大A区元素（C、N、Cu、Zn、Au）：与γ-Fe、α-Fe均形成有限固溶体2、缩小A区21）封闭A区，无限扩大F区元素（Si、W、Mo、P、Cr、V、Ti、Al、Be）2）缩小A区，不封闭A区元素（B、Nb、Ta、Zr）3、影响因素：合金的点阵类型fcc→fccbcc→bcc尺寸因素rMe-rFe/rFe8%无限（必要）8-15%有限20％不相溶电化学因素（电子层结构及其相互作用）对γ相区的作用同一周期Z↑缩小→扩大3d层电子数≤5缩小A区≥5扩大A区通常将扩大A区元素称为A形成元素；而将缩小A区元素称为F形成元素二、合金元素与碳的作用按合金元素与C的相互作用分为两大类：1、非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu以溶入α-Fe或γ-Fe中形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al2、碳化物形成元素周期表中，铁左边的过渡族金属，离铁越远→d层电子越不满→与C作用力越强→易形成K，且稳定1)K形成元素：Ti、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn等，既可溶于A和F中，也可与C形成K（比例取决于它们形成K的倾向的强弱程度及含量）合金元素形成K的稳定性的强弱（由强到弱）TiVNbWMoCrMnFeTi、V、Nb强K形成元素，只要有足够的C，在适当条件下，可形成自己特殊的K，仅在缺C的情况下，它们才会以原子状态溶入固溶体中W、Mo、Cr中强K形成元素，在量少时，多半溶于渗碳体中形成合金渗碳体；而当量多时，可形成新的特殊KMn弱K形成元素，少量形成合金渗碳体，大部分都溶于F或A中32)K的分类a)rC/rMe0.59形成间隙化合物Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C(Fe3Mo3C、Fe3W3C)b)rC/rMe0.59形成间隙相（特殊K）：WC、VC、TiC、W2C、Mo2C简单立方结构VC、TiC点阵中的正八面体间隙并不都有C原子，分子式一定范围内可变简单和密排六方结构W2C、Mo2C、WC、MoC密排六方简单六方热处理时不易溶解于A中，较高硬度，熔点，对二次硬化有重要影响三、合金元素对Fe－Fe3C相图的影响1、E点扩大A区元素随着％增加，E向左下移动缩小A区元素随着％增加，E向左上移动典型例子：18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体（E点的左移）。2、共析点（S点）扩大A区元素共析温度（A1）下降S点左下移动缩小A区元素共析温度上升S点左上移动典型例子：含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织（共析成分变为0.3%C）3、A相区扩大A区元素MnA1，A3，Acm线↓缩小A区元素CrA1，A3，Acm线↑四、合金元素在钢中的存在形式41、固溶体：溶入F，A，M中2、形成强化相：合金渗碳体、特殊碳化物、金属间化合物3、形成非金属夹杂物：合金元素+O/N/S氧化物/氮化物/硫化物；4、以游离状态存在，如Pb，Cu不溶入Fe，也不形成化合物§1.2合金元素对钢的热处理的影响一、合金元素对钢的加热转变的影响1、对A形成的影响1)扩大A区元素Ni、Mn、N，降低A1、A3线，从而使A形成速度加快2)缩小A区元素Cr、Mo、W，提高A1、A3线，从而使A形成速度下将3)非K形成元素Ni、Co，提高了扩散系数，从而提高了A的形成速度4)K形成元素Cr、Mo、W，降低了扩散系数，从而降低了A的形成速度2、对A成分均匀性的影响（碳化物及氮化物在加热的A中溶解的充分程度决定了A的成分和均匀性）1)强K形成元素Ti、Nb、V，增加K和氮化物的活度系数，阻止其溶入A中2)非K形成元素Si、Ni、Co，增加了C、N在A内的活度系数，使扩散加速，促进其溶入3)这些作用都是在合金元素充分地溶入A相中，才对溶解过程起作用合金钢的A化工艺与碳钢有无差别？合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长3、对A晶粒长大的影响1)强K形成元素Ti、Nb、Zr、V等显著阻止晶粒长大，W、Mo的影响次之2)中碳以上钢，Cr可细化晶粒，弱K形成元素Mn促进晶粒长大；低碳钢中Mn可细化晶粒5二、合金元素对过冷A分解的影响（由C曲线展开）对C曲线的影响：除Co外，合金元素溶入A后，均使C曲线右移，其中K形成元素还使C曲线的形状发生了变化1、提高淬透性除Co外，其它元素溶入A后都使C曲线右移，提高淬透性。2、降低Ms除Co、Al外，溶入A的合金元素还会使Ms下降,在淬火到室温时残余A的量增加（硬度、尺寸稳定性下降）。3、对C曲线的形状主要表现为C曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变分离。碳化物形成元素将C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区．其中：Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变的作用大于贝氏体的。合金元素对过冷奥氏体的转变影响的实际意义：（1）淬透性↑，较小的冷却速度（甚至在空气中冷却就能得到马氏体），从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂（2）C曲线形状的改变某些钢（28CrMoNiVB）采取空冷便得贝氏体组织（良好的综合机械性能），不用采取等温淬火。三、合金元素对淬火钢回火转变的影响1、提高回火稳定性（回火抗力：淬火钢回火时组织转变的快慢程度）6合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度2、二次硬化：Cr、W、Mo、V强碳化物、中强碳化物形成元素较多的钢淬火后500-600℃回火时硬度不降反升的现象原因：特殊碳化物的析出应用：高速切削场合高速钢3、回火脆性：淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象（1）第一类回火脆性（低温回火脆性250-400℃，不可逆回火脆性）无论碳钢或合金钢，都可能发生这种脆性，与回火后的冷却方式无关。这种回火脆性产生后无法消除。合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较高的温度。产生的原因：一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及Fe3C析出有关防止方法：避开这一温度范围回火（2）第二类回火脆性（可逆回火脆性）并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Si的合金钢中出现回火后缓慢冷却出现，快冷就不会出现，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完Cr-Ni钢的回火脆性示意图7全消除产生的原因：P、Mn、S、Si等元素在晶界偏聚防止方法：快冷避开加合金元素减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。§1.3合金钢的分类与编号一、合金钢的分类1、按用途分：合金结构钢，合金工模具钢，特殊性能钢2、按显微组织分：1)按平衡状态或退火状态的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢2)按正火组织分：P钢，B钢，M钢，A钢3)按加热冷却时有无相变和室温时的显微组织分：F钢，A钢，复相钢3、按化学成分分：1)按含主要合金元素名称分：Cr钢，Mn钢，Cr—Ni钢，Cr—Mn—Si钢2)按含主要合金元素的种类分：三元钢（加入一种合金元素），四元钢（两种），…3)按含合金元素的总重量百分数分：低合金钢(5%)，中合金钢，高合金钢(10%)4、按品质分：优质钢（S≤0.035％、P≤0.035％），高级优质钢(S≤0.025%、P≤0.025%)，特级优质钢(S≤0.015%、P≤0.025%)二、合金钢的编号（中国国标（GB））1、合金结构钢1)C量1/10000注在最前面2)合金量1/100MeXX-0.5≤XX+0.5（X≥1.5）x1.5时只标合金元素名称3)Mo,V,Ti,B等合金元素虽然含量较低,但在钢中能起重要的作用，仍应在钢中标注出8此合金元素36Mn2SiC%=0.36%Mn%=1.5～2.4%Si%1.5%特例：低合金高强度钢：Q+最低屈服强度值其中：Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。注意区分普通碳素结构钢与低合金高强度钢的区别：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢滚动轴承钢：GCr15：不标含碳量0.95-1.05%“G”表示“滚动轴承钢”铬含量以千分之一为单位1.5%Cr2、合金工模具钢1)C量1/1000当钢中含C量1%时，不再标出含C量2)高速钢不标含碳量3)其余的与合金结构钢相同3、特殊性能钢1)一般情况下与合金工模具钢相同2)不锈钢——00Cr18Ni1000含C量≤0.08%0含C量≤0.03%