钢中各合金元素的作用.pdf

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1、钢中各合金元素的作用2012年7月一、基础知识*1、铁碳平衡相图(1)四个单相区+Fe3C，7个两相区。δ/γ/α-Fe是铁的单质，晶体结构分别是体心立方、面心钢铁立方、体心立方，图中δ/γ/α相区实际上是含碳的固溶体，分别称之为高温铁素体、奥氏体(A)、铁素体(F)，Fe3C又称渗碳体。(2)共晶转变点C，转变完成之后得到的是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体Ld，727度以下称为变态莱氏体Ld’。共析转变点S，转变完成之后得到的是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体P。(3)Fe3CI、II、III分别表示

2、一次、二次、三次渗碳体，是分别从液相、奥氏体和铁素体中析出的渗碳体，一般是在晶界析出。渗碳体性脆，用热处理的方法可以消除这种偏析。一、基础知识2、合金元素改性原理(1)形成固溶体。原子直径较小的常形成间隙固溶体，如C、N、B等；原子直径较大的形成置换固溶体，如Cr、Ni、Mn、Co、V等。一般有如下规律：Radd/RFe>0.59形成置换固溶体，Radd/RFe<0.59形成间隙固溶体。如Fe-C相图中奥氏体便是C原子在面心立方相γ-Fe中的间隙固溶体。固溶体的强化是以形成晶格畸变来实现的。(2)细晶强化。一些合金元

3、素如V、Ti、Mo等有细化晶粒的作用，在液相结晶过程中形成的化合物/中间相，起到类似于形核剂的作用；这些化合物、中间相又在热处理和锻压中起固溶析出、钉扎，从而细化晶粒。多晶材料的屈服强度σs和晶粒尺寸d之间存在经验公式Hall-Petch公式：式中σ0和k都是材料属性。kds0(3)形成金属碳(氮)化物。碳(氮)化物存在于晶体内部的、可以阻碍位错的移动，即常说的钉扎作用，消耗位错滑移的能量达到强化的效果；碳(氮)化物存在于晶界，一方面有阻碍位错晶间滑移，另一方面在热处理的过程中可以阻碍晶粒的长大，从而达到细晶

4、强化的效果。金属元素与C的亲和力从大到小为Ti>Zr>Nb>V>W，Mo>Cr>Mn>Fe。(4)改变相图。如对不锈钢来说，添加奥氏体化元素，扩大(如C、N、Cu)或开启(如Mn、Ni、Co)奥氏体区，从而得到室温奥氏体不锈钢。3一、基础知识3、合金元素分类(1)常见的合金化元素。非金属：C、N、B、Si、S、P、O、H(O为绝对杂质，H、S、P为相对杂质*)；金属：Mn、W、Cr、V、Mo、Ti、Ni、Al、Cu、Nb、Co、Pb、Zr、Sn、Re(稀土元素总称)。(2)分类A、按照元素的金属特性分为：铁族金属——

5、Co、Ni、Mn；难熔金属——W、Mo、Nb、V、Cr；轻金属——Ti、Al、Mg、Li；稀土金属——La、Ce、Nd；贵金属元素——Au、Ag；……B、按照与C的亲和力分为：碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、W、Mn；非碳化物形成元素：Cu、Ni、Co、Si、Al。C、按照改变相图的趋势奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度，且能稳定γ相，如Mn、Ni、Co、C、N、Cu等；1)开启γ相区，Mn、Ni、Co与γ-Fe无限互溶；2)扩大γ相区，C、N、Cu等；铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶

6、解度，且能稳定α相，如：V、Nb、Ti等；1)封闭γ相区，使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈，其结果使δ相区与α相区连成一片，如V、Cr、Si、A1、Ti、Mo、W、P、Sn、As、Sb。2)缩小γ相区，如Zr、Nb、Ta、B、S、Ce等碳C二、各元素的作用Q235、45#(1)碳是钢铁材料的主要合金元素，因此钢铁材料也可以称为铁碳合金。(2)C在钢中主要以三种状态存在：固溶于δ/γ/α-Fe中形成高温铁素体、奥氏体和铁素体，提高钢的强度；形成金属碳化物，如如Fe3C、Vc等，提高钢的硬度和耐磨性；游离态石墨(

7、过共析钢中)，这种状态于钢材的性能有害，应当避免，但是却是铸铁中的常见形态。(3)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，当碳含量超过0.23%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；因此，含碳量的高低决定了钢材的用途：低碳钢(含碳量＜0.25%)，一般用作型材及冲压材料；中碳钢(含碳量＜0.6%)，一般用作机械零件；高碳钢(含碳量＞0.7%)，一般用作工具、刀具及模具等。此外，碳能增加钢的冷脆性和时

8、效敏感性。5氮N二、各元素的作用Cr18Mn18N*(1)N是碳钢中非常重要的强化元素，常见的掺氮工艺，如渗氮和氰化，都是增加表面硬度以增加工件的耐磨性的方法。(2)N在钢中主要以两种形式存在：固溶于奥氏体和铁素体中，提高强度，作用机理类似于C，同C一样低温下N的固溶度非常有限(约0.001%)，过饱和固溶的N(C)马氏体具有极高的硬度；以氮的