金属材料与热处理 合金元素在钢中的作用 合金元素在钢中的作用.doc

PAGE 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 金属材料与热处理课程 合金元素在钢中的作用 主讲教师：王波 西安航空职业技术学院 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 金属材料与热处理课程 合金元素在钢中的作用 一、合金钢的基本知识 1.合金钢的定义 所谓的合金钢，就是特意地加入一些合金元素的钢。常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。钢中所含合金元素不同，其组织和性能也不同。 2.合金钢的分类 合金钢按其用途可以分为三大类： （1）合金结构钢 合金结构钢包括普通低合金高强度结构钢和机器用钢两类。 （2）合金工具钢 合金工具钢主要包括刃具钢、模具钢和量具钢。 （3）特殊性能钢 特殊性能钢指的是具有特殊的物理或化学特性的钢，包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢。 二、合金元素在钢中的形式 1.合金元素在钢中的取决因素 （1）合金元素本身的性质 （2）合金元素的含量以及碳的含量 （3）热处理条件（加热温度、冷却条件） 2.合金元素在钢中的存在形式 （1）合金固溶体 α-Fe(Me) （2）合金渗碳体 (Fe,Me)3C （3）合金碳化物 TiC 、NbC 、 WC 、 VC 、Cr7C3、MoC （4）非金属夹杂 MnS, MnO, SiO2 , Al2O3 （5）Cu，Pb以游离状态存在 三、合金元素与铁、碳的作用 1.合金元素与铁的作用（形成合金固溶体） 合金元素溶入铁素体中形成合金铁素体，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，产生固溶强化效应。 硅、锰、镍等与铁素体晶格不同的元素，溶于铁素体后引起的晶格畸变较大，固溶强化作用大；铬、钨、钼等与铁素体晶格相同，溶于铁素体后引起的晶格畸变较小、固溶强化作用小，如图1所示。 （a）合金元素对硬度的影响 （b）合金元素对韧性的影响 图1 合金元素对铁素体力学性能的影响 2.合金元素与碳的作用 大多数合金元素与碳形成合金碳化物。能与碳形成碳化物的合金元素称为形成元素：如Nb、Cr、W、Mo、Ti、V等, 不与碳形成碳化物的合金元素称为非碳化物形成元素：如Ni、Si、Al、Co等。 根据合金元素与碳亲和力的大小不同，可将碳化物形成元素分为以下三种： 强碳化物形成元素（又称特殊碳化物），如Nb、Ti、V与C形成NbC、TiC、VC。 较强碳化物形成元素，如Cr、W、Mo，当在钢中含量较低时，一般形成稳定性较差的合金渗碳体，如(Cr,Fe) 3 C、(Mn,W) 3 C等，当含量较高时，则形成稳定性较高的合金碳化物，如Cr7 C3、Cr23 C6等。 弱碳化物形成元素，如Mn溶于渗碳体中形成合金渗碳体(Mn,Fe) 3 C，其稳定性和性能与渗碳体差不多。 四、合金元素对Fe－Fe3C相图的影响 合金元素对对Fe－Fe3C相图的影响主要表现在对相区，相变温度，共析点，共晶点等都有影响。 A的影响 （1）扩大A区 具有面心立方晶格的合金元素可以扩大Fe－Fe 3 C相图中的A相区，如Ni、Mn、Co、C、N、Cu等元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn的影响更大，如图2（a）所示为Mn对Fe－Fe3 C相图的影响。例如：室温下1Cr18Ni9 和Mn13都是为单相A体不锈钢。 （2）缩小A区 具有体心立方晶格的合金元素可以缩小Fe－Fe 3 C相图中A相区，如Cr、W、Mo、V、Ti等，均使S点，E点向左上方移动，提高A3 和A1 温度。如图2（b）所示为Cr对Fe－Fe3 C相图的影响。 （a）Mn的影响 （b）Cr的影响 图2 合金元素Mn、Cr对Fe－Fe3C相图的影响 对铁碳相图中S点、E点的影响 所有的合金元素都使S点左移，而大部分合金元素均使E点左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如图3所示为合金元素对共析成分的影响。 使共析转变点S左移 → 钢中珠光体的含量升高，强度增加 。 使共晶转变点E 左移 → 钢中出现Ld 。 图3 合金元素对S点共析成分的影响 对共析转变温度A1的影响 扩大A相区的元素使铁碳合金相图中共析转变温度A1下降；缩小A相区的元素则使其上升，并都使共析反应在一个温度范围内进行。如图4合金元素对共析温度的影响。 图4 合金元素对共析温度的影响 五、合金元素对钢的热处理的影响 1.合金元素对钢在加热时转变时的影响 合金钢的奥氏体形成过程同碳钢一样。所不同的是,合金钢的奥氏体形成过程要比碳钢慢。除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非