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合金元素在钢铁性能的影响
2015-11-10 21:08:44 作者:本网整理来源:

  合金元素在钢中的存在形式:

  溶入铁素体、奥氏体和马氏体中,以固溶体的溶质形式存在

  形成强化相,如溶入渗碳体形成合金渗碳体,形成特殊碳化物或者金属间化合物

  形成非金属夹杂,如合金元素与O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物

  有些元素如Pb、Ag等游离态存在。



钢铁成品

  一、合金元素与铁的相互作用

  1 扩大奥氏体区的元素(奥氏体形成元素)

  使A4点上升, A3点下降,导致奥氏体稳定区域扩大

  无限扩大奥氏体区的元素:Ni, Mn, Co

  有限扩大奥氏体区的元素:C, Cu, N

  2. 缩小奥氏体区的元素(铁素体形成元素)

  使A4点下降, A3点上升,导致奥氏体稳定区域缩小

   完全封闭奥氏体区的元素: Cr, Ti, V, W, Mo, Al, Si

  缩小奥氏体区,但不使之封闭的元素:B, Nb, Zr

  二、 合金元素与碳的相互作用

  1. 非碳化物形成元素

  主要包括:B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si等

   它们不能与碳元素形成化合物,但可以固溶于铁中形成固溶体

   这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边

  2. 碳化物形成元素

  主要包括Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe

  这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边

  它们都可与碳元素形成化合物,但形成的碳化物的性质差别很大

  Fe-C相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时 选择加热温度的依据,因此有必要先了解合金元素对Fe-C相图的影响。

  钢中有三个基本的相变过程:加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变。

  合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响

  合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。

  Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大,细化晶粒。

  W、Mo、Cr阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。

  非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。

  Mn、P有助于奥氏体晶粒的长大。

  合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响

  几乎所有的合金元素(除Co)外都使C-曲线向右移动,即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。除Co、Al以外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。

  提高淬透性的元素主要有

  Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B

  合金元素对回火过程的影响

  合金元素的主要作用是提高钢的回火稳定性(钢对回火时发生软化过程的抵抗能力),使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢,将其推向更高的温度。

  对合金钢的回火稳定性影响比较显著的为:钒、钨、钛、铬、钼、钴、硅等元素;影响不明显的为:铝、锰、镍等元素

  一、合金元素对钢力学性能的影响

  1. 溶解于铁起固溶强化作用

  几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体,使钢的强度、硬度提高,但塑性韧性有所下降,使钢具有强韧性的良好配合。

  2. 形成碳化物,起第二相强化、硬化作用

  按照与碳之间的相互作用不同,常用的合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等,它们在钢中能与碳结合形成碳化物,如TiC、VC、WC等,这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性,如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时,则显着提高钢的强度、硬度和耐磨性。

  3. 使结构钢中珠光体增加,起强化的作用

  合金元素的加入,使Fe-Fe3C相图中的共析点左移,因而,与相同含碳量的碳钢相比,亚共析成分的结构钢(一般结构钢为亚共析钢)含碳量更接近于共析成分,组织中珠光体的数量,使合金钢的强度提高。

  二、合金元素对钢工艺性能的影响

  1.对热处理的影响

  (1)对加热过程奥氏体化的影响 :合金钢热处理可适当提高加热温度和延长保温时间

  合金钢中的合金渗碳体、合金碳化物稳定性高,不易溶入奥氏体;合金元素溶入奥氏体后扩散很缓慢,因此合金钢的奥氏体化速度比碳钢慢,为加速奥氏体化,要求将合金钢(锰钢除外)加热到较高的温度和保温较长的时间。除Mn外的所有合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用,尤其是Ti、V等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高,残存在奥氏体晶界上,显着地阻碍奥氏体晶粒长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。

  (2)对过冷奥氏体转变的影响 :合金钢淬透性更好,可减小淬火冷速,减小淬火变形。但残余奥氏体增多

  除Co外,所有溶于奥氏体中的合金元素,都使过冷奥氏体的稳定性增大,使C曲线右移,马氏体临界冷却速度减小,淬透性提高。这使得合金钢利用较小的冷却速度即能淬成马氏体组织,可减小淬火变形。因此大尺寸、形状复杂或要求精度高的重要零件需要用合金钢制作。 除Co、Al外,大多数合金元素都使Ms点降低,使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多,这将对零件的淬火质量会产生不利影响。

  (3)对回火转变的影响 :合金钢耐回火性好,回火后强韧性配合更好,有些钢可产生“二次硬化”

  合金钢回火时马氏体不易分解,抗软化能力强,即提高了钢的耐回火性,回火后能有更好的强韧性配合。 合金元素能提高马氏体分解温度,对于含有较多Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢,当加热至500~600℃回火时,直接由马氏体中析出合金碳化物,这些碳化物颗粒细小,分布弥散,使钢的硬度不仅不降低,反而升高这种现象称为“二次硬化”。但有些合金钢应避免“回火脆性”的产生。

  2.对焊接性能的影响

  淬透性良好的合金钢在焊接时,容易在接头处出现淬硬组织,使该处脆性增大,容易出现焊接裂纹;焊接时合金元素容易被氧化形成氧化物夹杂,使焊接质量下降,例如,在焊接不锈钢时,形成Cr2O3夹杂,使焊缝质量受到影响,同时由于铬的损失,不锈钢的耐腐蚀性下降,所以高合金钢最好采用保护作用好的氩弧焊。

  3.对锻造性能的影响

  由于合金元素溶入奥氏体后使变形抗力增加,使塑性变形困难,合金钢锻造需要施加更大的压力吨位;同时合金元素使钢的导热性降低、脆性加大,增大了合金钢锻造时和锻后冷却中出现变形、开裂的倾向,因此合金钢锻后一般应控制终锻温度和冷却速度。

  三、各种合金元素对钢性能的影响

  目前在合金钢中常用的合金元素有:铬(Cr),锰(Mn),镍(Ni),硅(Si),硼(B),钨(W),钼(Mo),钒(V),钛(Ti)和稀土元素(Re)等。五大元素:硅、锰、碳、磷、硫。五大杂质元素:氧、氮、磷、硫、氢。

  1、碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

  2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。

  3、锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。锰可提高钢的强度,增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。

  4、磷(P):在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。

  5、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。

  6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。铬是合金结构钢主加元素之一,在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能,也能提高抗氧化性能。当其含量达到13%时,能使钢的耐腐蚀能力显著提高,并增加钢的热强性。铬能提高钢的淬透性,显著提高钢的强度、硬度和耐磨性,但它使钢的塑性和韧性降低。

  7、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。镍钢铁性能有良好的作用。它能提高淬透性,使钢具有很高的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。

  8、钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。钼能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。

  9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。可提高强度、细化晶粒,提高韧性,减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用,减少铬与碳化合的机会,防止晶间腐蚀,还可提高耐热性。

  10、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒用于固溶体中可提高钢的高温强度,细化晶粒,提高淬透性。铬钢中加少量钒,在保持钢的强度情况下,能改善钢的塑性。

  11、钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。

  12、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。

  13、钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。

  14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

  15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力,降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性,对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。铝的价格比较便宜,所以在耐热合金钢中常以它来代替铬……铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

  16、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。

  17、氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。

  18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。稀土元素可提高强度,改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。

  表1-38主要合金元素对钢性能影响的有关说明



 

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