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熱處理-合金元素在鋼中的主要作用

來源: | 作者:鼎言熱處理 | 發(fā)布時(shí)間: 2019-10-31 | 7239 次瀏覽 | 分享到:

碳是鋼中最基本的元素。碳素鋼的性能主要取決于碳在鋼中的分布形式和碳化物形態(tài)等。鋼的強(qiáng)度隨碳量的增加而增加,塑性和韌性隨著含碳量的增加而下降。碳素鋼中加入合金元素能改善鋼的使用性能和工藝性能,使合金鋼得到許多碳鋼所不具備的、優(yōu)良的或特殊的性質(zhì)。如合金鋼,具有較好的強(qiáng)度和韌性的配合;在低溫下有較高的韌性;在高溫下有較高的硬度、強(qiáng)度、持久強(qiáng)度以及抗氧化性;具有良好的耐蝕性;較好的磁性;良好的工藝性能,如冷變形性、淬透性、抗回火穩(wěn)定性、可焊性等。這主要是由于各種合金元素的加入,改變了鋼的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)的緣故。合金元素加入鋼中,產(chǎn)生了異類原子之間的相互作用,合金元素與鐵、碳及合金元素之間的相互作用,它使原來碳鋼各相的自由能發(fā)生變化,改變了它們的穩(wěn)定性,并產(chǎn)生了許多定的新相,使整個(gè)系統(tǒng)的自由能發(fā)生了變化,從而改變了原有的組織或形成新的組織。
合金元素與鐵、碳及其他合金元素之間的相互作用是合金內(nèi)部的相、組織和結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)。而這些元素之間在原子結(jié)構(gòu)、原子尺寸大小及各元素晶體點(diǎn)陣之間的差異,則是產(chǎn)生這種作用的根源。如合金元素與鐵相互作用,改變了a固溶體和y固溶體的相對穩(wěn)定性,使在高溫時(shí)才穩(wěn)定存在的奧氏體組織,通過合金化可在室溫甚至在零下200℃成為穩(wěn)定的組織。工業(yè)純鐵即使激冷也難得到馬氏體組織,而通過合金化,即使在緩冷的條件下,也可得到無碳的代位式合金馬氏體組織。合金元素和碳相互作用后形成了不同類型的合金碳化物,它們在鋼中的穩(wěn)定性也不相同,因而對鋼的性能影響也有差異。合金元素之間以及合金元素與鐵之間相互作用,能形成一系列金屬間化合物,它們對合金鋼的強(qiáng)化和脆化也起很大的作用。
目前鋼中常用的合金元素有十幾個(gè),分屬于元素周期表中不同的周期。
第Ⅱ周期:B、C、N;第Ⅲ周期:Al、Si、P、S;第Ⅳ周期:Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu;第V周期:zr、Nb、Mo第Ⅵ周期:Ia系、Ta、W。
合金元素在鋼中的分布
合金鋼有較高的強(qiáng)度和韌性、良好的耐蝕性,在高溫下具有較高的硬度和強(qiáng)度,良好的工藝性能,如冷變形性、淬透性、回火穩(wěn)定性和可焊性等。合金鋼之所以具備這些優(yōu)異的性能,主要是合金元素與鐵、碳及合金元素之間的相互作用,從而改變了鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的緣故。
在鋼中經(jīng)常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、、假、№b、zr、A、Co、B、RE等,在某種情況下,P、S、N等也可以起合金元素的作用。這些元素加入到鋼中之后究竟以什么狀態(tài)存在呢?一般來說,它們或是溶于碳鋼原有的相(如鐵素體、奧氏體、滲碳體等)中,或者是形成新相。概括來講,它們有以下四種存在形式。
(1)溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中,以固溶體的溶質(zhì)形式存在。不形成碳化物而以固溶體的溶質(zhì)形式存在的元素有Si1A、Ni、Co等。形成碳化物,在含碳量較少時(shí)才溶于鐵素體或奧氏體的元素有V、Zr、№b、Ti、Mo、W、Cr等。
(2)形成強(qiáng)化相,如溶入滲碳體形成合金滲碳體,形成特殊碳化物或金屬間化合物等。
(3)形成非金屬夾雜物,如合金元素與0、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。磷、硫等一般稱做有害元素,但仍可利用它以達(dá)到改善鋼的某些性能的目的,如適當(dāng)加入硫可以提高鋼的切削加工性能。
(4)有些元素,如Pb、Cu等,既不溶于鐵,也不形成化合物,而是在鋼中以游離狀態(tài)存在。在高碳鋼中,碳有時(shí)也以自由狀態(tài)(石墨)存在。
在這四種可能的存在形式中,合金元素究竟以哪一種形式存在,主要取決于合金元素的本質(zhì),即取決于它們與鐵和碳的相互作用情況。合金元素在鋼中的存在形式見表2-18
合金元素在鋼中的存在形式圖

合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響
要了解合金元素在合金鋼中的情況,應(yīng)建立三元或多元狀態(tài)圖。但目前對三元、尤其是多元相圖的研究還不完整,所以,實(shí)際上人們?nèi)匀皇且訤e-C相圖為基礎(chǔ),再考慮合金元素對它的影響,以粗略地了解合金元素的作用
1.合金元素對共析轉(zhuǎn)變溫度(A1)的影響
合金元素對共析轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖2-10所示。凡是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素均會(huì)降低A1線,如Ni、Mn等;凡是縮小奧氏體區(qū)的元素均能提高A1線,如W、Cr、Mo等。合金元素對A3線的影響與對A1線的影響是一致的。因此,合金鋼的熱處理加熱溫度與相同含碳量的碳鋼不同。合。一圖
2.合金元素對共析點(diǎn)含碳量的影響
如圖2-10所示,合金元素只要溶入奧氏體中,都能降低鋼的共析含碳量(即使S點(diǎn)左移),這些元素有Si、Ni、Mn、Cr、Mo、W、Ti等。由于它們的影響,會(huì)使原來為亞共析的鋼變?yōu)楣参龌蛘哌^共析鋼。如含碳量為0.3%0.4%的3C2W8V鋼就是過共析鋼。人
3.合金元素對奧氏體最大溶碳量的影響
Si、Cr、W、Mo、Ⅴ等元素會(huì)使奧氏體的溶碳量顯著地降低(即使E點(diǎn)左移),而且這些元素的含量越多,使E點(diǎn)左移的量也越大。E點(diǎn)左移后,使含碳量低于2.11%的鋼中可能出現(xiàn)萊氏體組織，例如高速鋼含碳量只有0.8%左右，卻屬于萊氏體類鋼。
合金元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）