第十一章 合金钢1工业用钢

第十一章工业用钢工业用钢：碳素钢、合金钢；碳素钢：价格低、易加工、便于冶炼、可热处理、可塑变，是应用最广泛的钢铁材料。合金钢：在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素。具有较好的机械性能及使用性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和一定的特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等），但价格高。第一节钢的分类和编号一、钢的分类（一）按用途分类（1）结构钢：工程用钢或构件用钢：甲、乙、特及普通低合金钢；机器零件用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。（2）工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。（3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工钢。（二）按化学成分分类（1）碳素钢：低碳钢（≤0.25%）中碳钢（0.25~0.6%)高碳钢（＞0.6%)；（2）合金钢：低合金钢（≤5%）中合金钢（5~10%）高合金钢（＞10%）；另外，根据主要合金元素种类分为：锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。（三）按显微组织分类（1）按平衡组织或退火组织分类：亚共析、共析、过共析和莱氏体钢。（2）按正火组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。（3）按加热冷却时有无相变和室温时的组织：铁素体钢、奥氏体钢、复相钢。（四）按品质分类（按钢中的P、S等有害杂质的含量）（1）普通钢：P含量≤0.045%，S含量≤0.055%；（2）优质钢：P含量≤0.040%，S含量≤0.040%；（3）高级优质钢:P含量≤0.035%，S含量≤0.030%；二、钢的编号原则：国际化学元素符号和汉语拼音并用。化学元素：如Si、Mn、Cr、W、RE等。产品名称、用途、冶浇和铸炼方法：拼音。（一）普通碳素结构钢（GB700-79）•甲类钢：按性能要求供货，用甲YX或AYX表示，X为0、1、2……、7。数字越大含碳量越高，强度越高，塑、韧性降低。Y表示冶炼方法：如J、D，平炉钢省去“P”。另外，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢加“b”，镇静钢不加任何字母，如A3F，AJ3。•乙类钢：按成分要求供货，用乙YX或BYX表示，BD3，BJ3b。•特类钢：按成分和性能要求供货，用特YX或CYX表示。新国标（GB700-88）用碳素结构钢取代普通碳素结构钢：Q195—成分同B1，性能同A1；Q215A—同A2，Q215B—同C2；Q235A—A3，Q235B—C3，Q235C—焊接；Q255A—A4，Q255B—C4；Q275不分等级—C5数字表示钢的屈服强度（MPa）（二）优质碳素结构钢两位数字（含碳量的万分之几）+合金元素符号+专门用途标记。例如：45、50Mn、20g等。（三）碳素工具钢碳（T）+数字（含碳量的千分之几）+合金元素(Mn)+A（表示高级优质），例如：T8、8Mn、T8A、T10MnA等。（四）合金结构钢数字（含碳量万分之几）+元素(合金元素)+数字（合金元素的百分之几）。但需注意：例如：36Mn2Si、40CrNiMo、20MnVBA等。（五）合金工具钢含碳量+元素+数字（合金元素），含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。合金元素标其百分之几，只是含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，只标合金元素的百分之几，如W18Cr4V。W6Mo5Cr4V2等。（六）铬滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15。(七)不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几，但Wc≤0.03%钢号前冠以‘‘00’’，Wc≤0.08%钢号前冠以‘‘0’’。第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10，0Cr18等。第二节合金元素在钢中的作用合金钢之所以具有较为良好的使用性能和工艺性能，是因为合金元素与铁、碳以及合金元素之间的相互作用。一、合金元素在钢中的分布在钢中经常加入的合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE；P、S、N(某些情况下)等。存在形式：（1）溶于铁素体、奥氏体、马氏体中形成固溶体。（2）形成强化相，如形成合金渗碳体，特殊碳化物或金属间化合物等。（3）形成非金属夹杂，氧化物、氮化物和硫化物等。（4）以游离状态存在，例如：Pb、Cu、石墨等。二、合金元素与铁和碳的相互作用（一）合金元素与铁的作用（决定于合金元素与铁构成的相图类型）1.无限扩大奥氏体区合金元素与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。使A3点降低，A4点升高。Ni、Mn、Co。2.有限扩大奥氏体区合金元素与γ-Fe和α-Fe均形成有限固溶体。使A3点降低，A4点升高。C、N、Cu、Zn等。3.封闭γ区、无限扩大α区合金元素使A3点上升，A4点下降，达某一含量时重合，γ区封闭，超过此含量，则合金不再有γα相变，与α-Fe形成无限固溶体。Si、Cr、W、Mo、P、V、Ti、Al、Be等。但，WCr7%时A3点下降，WCr7%时A3点才上升。4.缩小γ区，但不使γ区封闭型合金元素使A3上升，A4下降,γ区缩小,但不封闭。B、Nb、Ti、Zr。因此，合金元素分为两类：1.扩大奥氏体区的元素——奥氏体形成元素，如Ni、Mn、Co、C、N、Cu、Zn等；2.缩小或封闭奥氏体区的元素——铁素体形成元素，如Cr、Si、Al、Mo、Ti等。（二）合金元素与碳的作用两大类：1.非碳化物形成元素Ni、Si、Co、Al、Cu等，溶于α-Fe或γ-Fe中存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。Si含量大时使渗碳体分解析出石墨。2.碳化物形成元素Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn等，一部分溶入奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物。凡次d电子层愈不满，形成碳化物的倾向愈强，碳化物愈稳定。按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由强到弱的排列顺序为：Ti、Zr、V、Nb；W、Mo、Cr；Mn、Fe；其中：Ti、Zr、Nb、V是强碳化物形成元素，和碳有极强的亲和力，仅在缺碳时，才以原子态溶入固溶体；W、Mo、Cr是中强碳化物形成元素，含量少时，多半溶于渗碳体形成合金渗碳体，含量较高时可形成特殊碳化物。Mn是弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体形成合金渗碳体，几乎大部分溶于铁素体和奥氏体中。碳化物分为两类：（1）当rc/rM＞0.59时，形成间隙化合物，如：Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C、（Fe3Mo3C、Fe3W3C）等。（2）当rc/rM＜0.59时，形成间隙相（特殊碳化物），如：WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等。与前者比，熔点，硬度更高，很稳定，不易分解，不易溶入奥氏体中。合金元素还可溶于碳化物中形成多元碳化物，合金元素溶于渗碳体即为合金渗碳体，常以(FeM)3C表示。三、合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响1.对奥氏体相区的影响Ni、Mn、Co均使S点左移、A3线下降，可扩大奥氏体相区；Cr、W、Mo、V、Ti、Si使A3线上升，可缩小奥氏体相区；大多数元素均使ES线左移，E点左移，意味着钢中含碳量小于2%时就出现共晶莱氏体，如高速钢。此外，可得到奥氏体钢、铁素体钢。2.对共析温度和共析点位置的影响扩大γ区的元素降低A3和A1，使S点左移，缩小γ区元素升高A3和A1，也使S点左移。由于所有的合金元素均使S点左移，这就意味着钢中的含碳量不足0.77%时，钢就变为过共析钢而析出Fe3CⅡ，如4Cr13钢就是过共析钢。（二）合金元素对钢加热转变的影响合金钢热处理加热的目的：（1）获得成分均匀的奥氏体，使合金元素尽可能多的溶入奥氏体中，提高淬透性。合金钢的奥氏体化温度高，保温时间长。（2）获得细小晶粒的奥氏体组织，所有合金元素（除Mn、P、C、N外）均阻碍奥氏体晶粒的长大，但作用的强弱不同，强碳化物形成元素的作用大。（三）合金元素对奥氏体冷却转变的影响集中反映在冷却转变的C曲线上（除Co、Al以外，合金元素均使C曲线右移，其中碳化物形成元素还改变C曲线的形状）。合金元素的主要作用是提高钢的淬透性。提高钢的淬透性是合金化的主要目的之一。1.合金元素对珠光体转变的影响除Co、Al外，合金元素均推迟奥氏体向珠光体的转变。原因：（1）合金元素扩散慢，且使得碳的扩散也减慢，使珠光体形核困难，转变速度减慢；（2）扩大奥氏体区的元素如Ni、Mn等降低奥氏体转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止转变；（3）微量元素B在晶界上内吸附，并形成共格硼相（M23C3B3），可显著地阻止铁素体的形核，从而增加了奥氏体的稳定性。只要合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，从而降低钢的临界冷却速度，提高淬透性。多种元素的共同作用比单一元素的作用大的多。2.合金元素对贝氏体转变的影响合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对γ→α转变速度和碳扩散速度的影响。Cr、Mn、Ni：对贝氏体的转变有较大的推迟作用。（降低γ→α转变温度，减少奥氏体与铁素体的自由能差，减少了相变驱动力；且Cr与Mn还阻碍碳的扩散，因此推迟贝氏体的转变。）Si：强烈地阻滞贝氏体转变（原因：可能与它强烈地阻止过饱和铁素体的脱溶有关）。W、Mo、V、Ti：不同于Mn、Ni，使γ→α转变温度升高，增大转变驱动力，但降低碳的扩散速度，因此对贝氏体转变还是有一定延缓作用，但作用较小。3.合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al以外，溶入奥氏体中的合金元素均使Ms点下降，其中碳的作用最大，其次是Mn、Cr、Ni，再次是Mo、W、Si。多种元素共存时，作用更大。（四）合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素的主要作用是提高了钢的回火稳定性(回火时发生软化过程的抵抗能力)，减慢回火转变速度，将其推向更高的温度。1.对马氏体分解的影响合金元素对马氏体分解的第一阶段(两相式分解)没影响；碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等使马氏体分解的第二阶段减慢（原因：碳原子需作长距离的扩散，碳化物阻碍碳从马氏体中析出，使析出温度升高）。碳化物形成元素V、Nb的作用比Cr、Mo、W更强烈。非碳化物形成元素的影响不大，但Si的作用比较独特。回火温度低时，Si不扩散，马氏体和ε-碳化物中含Si量相等。由于Fe3C中不溶Si，所以ε-碳化物转化为Fe3C时必须把Si全部扩散出去，但Si的扩散比碳困难，因此Si可以显著地减慢马氏体的分解，使得马氏体的分解温度升高。2.对残余奥氏体转变的影响残余奥氏体与过冷奥氏体的C曲线形状相似，只是残余奥氏体C-曲线的孕育期显著缩短。合金元素使过冷奥氏体和残余奥氏体的C-曲线上在P和B转变之间出现一个中温稳定区。合金元素大都使奥氏体的分解温度向高温方向推移，Cr、Mn作用显著。在含有W、Mo、V等元素的高合金钢中，由于回火中碳化物的析出，使Ms点高于室温，冷却时转变为马氏体，通过这种回火，钢的硬度没有降低，反而升高，称为二次淬火或二次硬化，如图11-63.对碳化物的形成、聚集和长大的影响合金元素对ε-碳化物的形成没有影响。随回火温度的升高，ε-碳化物于260℃转变为Fe3C，合金元素中Si、Al强烈地推迟这一转变到350℃。Cr也使转变温度升高，但作用比Si、Al的弱的多。随回火温度的升高，合金元素进行明显的扩散，在α相和Fe3C中重新分配：碳化物形成元素形成合金渗碳体，非碳化物形成元素离开渗碳体。同时合金渗碳体聚集长大，Ni对其聚集长大无影响，而Si、V、W、Mo、Cr对其聚集长大起阻碍作用。在含碳化物形成元素较多的钢中，回火时可能析出特殊碳化物，形成方式有：（1）原位析出：要求渗碳体中溶解较多的合金元素。Cr在Fe3C中溶解度可达20%，所以铬钢中合金碳化物原位形核较常见。（2）离位析出：晶核在铁素体机体上直接形成，所有MC型碳化物均以这种方式形成，如VC、TiC、NbC、WC、MoC等，细小弥散，强度硬度显著提高，产生二次硬化。4.