合金鋼存在狀態(tài)及與碳的作用

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合金鋼存在狀態(tài)及與碳的作用

7 O( _' c! `5 {; C      合金鋼中常用的合金元素有硅（Si）,、錳(Mn),、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V),、鈦（Ti）、鈮(Nb),、鋯(Zr),、鈷 (Co)、鋁(Al),、銅(Cu),、硼(B)、稀土(RE)等,。磷 (P),、硫(S)、氮(N)等在某些情況下也起合金元素的作用,。
2 L, K. ?3 `0 e! Q; I根據(jù)各種元素在鋼中形成碳化物的傾向,，可分為三類：
1 i0 Q" v9 f4 Y+ d①?gòu)?qiáng)碳化物形成元素，如釩,、鈦,、鈮、鋯等,。
這類元素只要有足夠的碳,，在適當(dāng)?shù)臈l件下,，就形成各自的碳化物;僅在缺碳或高溫的條件下,才以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中,。
②碳化物形成元素,，如錳、鉻,、鎢,、鉬等。這類元素一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中,，另一部分形成置換式合金滲碳體,如(Fe,，Mn)3C、(Fe,，Cr)3C等,如果含量超過(guò)一定限度（除錳以外）,，又將形成各自的碳化物,如(Fe，Cr)7C3,、(Fe,，W)6C等。
③
- g$ r5 Q- F+ W6 e不形成碳化物元素,，如硅,、鋁、銅,、鎳,、鈷等。這類元素一般以原子狀態(tài)存在于奧氏體,、鐵素體等固溶體中,。合金元素中一些比較活潑的元素，如鋁,、錳,、硅、鈦,、鋯等,，極易和鋼中的氧和氮化合，形成穩(wěn)定的氧化物和氮化物,，一般以?shī)A雜物的形態(tài)存在于鋼中,。錳、鋯等元素也和硫形成硫化物夾雜,。鋼中含有足夠數(shù)量的鎳,、鈦、鋁,、鉬等元素時(shí)能形成不同類型的金屬間化合物,。有的合金元素如銅,、鉛等，如果含量超過(guò)它在鋼中的溶解度,，則以較純的金屬相存在,。
鋼的性能取決于鋼的相組成，相的成分和結(jié)構(gòu),，各種相在鋼中所占的體積組分和彼此相對(duì)的分布狀態(tài),。合金元素是通過(guò)影響上述因素而起作用的。對(duì)鋼的相變點(diǎn)的影響
主要是改變鋼中相變點(diǎn)的位置,，大致可以歸納為以下三個(gè)方面：
①改變相變點(diǎn)溫度,。一般來(lái)說(shuō)，擴(kuò)大γ相(奧氏體)區(qū)的元素,，如錳,、鎳、碳,、氮,、銅、鋅等,使A3點(diǎn)溫度降低,A4點(diǎn)溫度升高;相反,縮小γ相區(qū)的元素,，如鋯,、硼、硅,、磷,、鈦、釩,、鉬,、鎢、鈮等,則使A3點(diǎn)溫度升高,，A4點(diǎn)溫度降低,。惟有鈷使A3和A4點(diǎn)溫度均升高。鉻的作用比較特殊,含鉻量小于7％時(shí)使A3點(diǎn)溫度降低,大于7％時(shí)則使A3點(diǎn)溫度提高,。
②改變共析點(diǎn)S的位置,。縮小γ相區(qū)的元素,，均使共析點(diǎn)S溫度升高,；擴(kuò)大γ相區(qū)的元素,則相反。此外幾乎所有合金元素均降低共析點(diǎn)S的含碳量,，使S點(diǎn)向左移,。不過(guò)碳化物形成元素如釩、鈦,、鈮等（也包括鎢,、鉬）,，在含量高至一定限度以后,則使S點(diǎn)向右移。
③改變?chǔ)孟鄥^(qū)的形狀,、大小和位置,。這種影響較為復(fù)雜，一般在合金元素含量較高時(shí),，能使之發(fā)生顯著改變,。例如鎳或錳含量高時(shí),，可使γ相區(qū)擴(kuò)展至室溫以下,，使鋼成為單相的奧氏體組織；而硅或鉻含量高時(shí),，則可使γ相區(qū)縮得很小甚至完全消失,，使鋼在任何溫度下都是鐵素體組織。
" o' A1 h& f; w" O6 i) {合金鋼合金元素在鋼中的作用
對(duì)鋼加熱和冷卻時(shí)相變的影響
" g# Y! \, S) f鋼加熱時(shí)的主要固態(tài)相變是非奧氏體相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變,，即奧氏體化的過(guò)程,。整個(gè)過(guò)程都和碳的擴(kuò)散有關(guān)。合金元素中,，非碳化物形成元素如鎳,、鈷等，降低碳在奧氏體中的激活能,，增加奧氏形成的速度,；而強(qiáng)碳化物形成元素如釩、鈦,、鎢等,，強(qiáng)烈妨礙碳在鋼中的擴(kuò)散，顯著減慢奧氏體化的過(guò)程,。鋼冷卻時(shí)的相變是指過(guò)冷奧氏體的分解,，包括珠光體轉(zhuǎn)變（共析分解）、貝氏體相變及馬氏體相變,。由于鋼中大都存在幾種合金元素的相互作用,，致使對(duì)鋼冷卻時(shí)相變的影響也復(fù)雜得多。僅舉合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的影響為例,，大多數(shù)合金元素,，除鈷和鋁外，均起減緩?qiáng)W氏體等溫分解的作用,，但各類元素所起的作用有所不同,。不形成碳化物的（如硅、磷,、鎳,、銅）和少量的碳化物形成元素（如釩,、鈦、鉬,、鎢）,，對(duì)奧氏體到向珠光體的轉(zhuǎn)變和向貝氏體的轉(zhuǎn)變的影響差異不大，因而使轉(zhuǎn)變曲線向右推移,。
碳化物形成元素（如釩,、鈦、鉻,、鉬,、鎢）如果含量較多，將使奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變顯著推遲,，但對(duì)奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變的推遲并不顯著,，因而使這兩種轉(zhuǎn)變的等溫轉(zhuǎn)變曲線從“鼻子”處分離，而形成兩個(gè) C形,。當(dāng)這類元素增加到一定程度時(shí),，在這兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)域的中間還將出現(xiàn)過(guò)冷奧氏體的亞穩(wěn)定區(qū)。合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms (起始轉(zhuǎn)變溫度)和Mn (終了轉(zhuǎn)變溫度)的影響也很顯著,，大部分元素均使Ms和Mn點(diǎn)降低,，其中以碳的影響最大,其次為錳、釩,、鉻等,；但鈷和鋁則使Ms和Mn點(diǎn)升高。
對(duì)鋼的晶粒度和淬透性的影響
影響奧氏體晶粒度的因素很多,。鋼的脫氧和合金化情況均與“奧氏體本質(zhì)晶粒度”有關(guān),。一般來(lái)說(shuō),一些不形成碳化物的元素,如鎳、硅,、銅,、鈷等,阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用較弱,而錳、磷則有促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的傾向,。碳化物形成元素如鎢,、鉬、鉻等,，對(duì)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大起中等作用,。強(qiáng)碳化物形成元素如釩、鈦,、鈮,、鋯等，強(qiáng)烈地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起細(xì)化晶粒作用,。鋁雖然屬于不形成碳化物元素,，但卻是細(xì)化晶粒和控制晶粒開始粗化溫度的最常用的元素。
鋼的淬透性（見(jiàn)淬火）高低主要取決于化學(xué)成分和晶粒度,。除鈷和鋁等元素外,，大部分合金元素溶入固溶體后都不同程度地抑制過(guò)冷奧氏體向珠光體和貝氏體的相變，增加獲得馬氏體組織的數(shù)量,，即提高鋼的淬透性,。一些碳化物形成元素，如釩,、鈦,、鋯、鎢等,，如果形成碳化物而固定了鋼中的碳,，反而會(huì)降低淬透性,，易使晶粒粗化的元素如錳，能提高淬透性,；使晶粒細(xì)化的元素如鋁,，則降低淬透性。硼是顯著影響淬透性的元素,，合金鋼中即使只含十萬(wàn)分之一的硼,，也能顯著提高鋼的淬透性。但硼的這種影響僅對(duì)低,、中碳鋼有效,，對(duì)高碳鋼完全無(wú)效。
2 g) a: b' F+ L( Z7 \: [對(duì)鋼的力學(xué)性能和回火性能的影響
, _9 h  t, q& l鋼的性能取決于鐵的固溶體和碳化物各自性能以及它們相對(duì)分布的狀態(tài),。合金元素對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響也與此有關(guān),。固溶于鐵素體中的合金元素，起固溶強(qiáng)化作用,，使強(qiáng)度和硬度提高,，但同時(shí)使韌性和塑性相對(duì)地降低。其中以磷和硅的固溶強(qiáng)化作用最顯著,，而硅對(duì)韌性的影響也最嚴(yán)重,。少量的錳、鉻或鎳,，反而對(duì)鐵素體的韌性有一定提高,。
8 n+ S" n: n& R9 E! G& o調(diào)質(zhì)鋼的韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度是評(píng)價(jià)力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。①提高轉(zhuǎn)變溫度的元素有 B、P,、C,、Si、Cu,、Mo,、Cr；②降低轉(zhuǎn)變溫度的元素有Ni,、Mn,；③少量時(shí)提高、多量時(shí)降低轉(zhuǎn)變溫度的元素有Ti,、V;④少量時(shí)降低,、多量時(shí)提高轉(zhuǎn)變溫度的元素有Al。
: W$ E' e6 I9 J. Q+ L2 ]1 i合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳素鋼好,，這是由于合金元素在回火時(shí)阻礙了鋼中原子的擴(kuò)散,，因而在同樣溫度下，起到延遲馬氏體分解和抗回火軟化的作用,。對(duì)合金鋼的回火穩(wěn)定性影響比較顯著的為：釩,、鎢、鈦,、鉻,、鉬、鈷,、硅等元素,；影響不明顯的為：鋁、錳,、鎳等元素,。可以看到,，碳化物形成元素,，對(duì)回火軟化的延遲作用特別顯著。鈷和硅雖屬不形成碳化物元素,，但它們對(duì)滲碳體晶核的形成和長(zhǎng)大,，有強(qiáng)烈的延遲作用，因此,，也有延遲回火軟化的作用,。各種合金元素對(duì)回火脆性影響的程度是不同的。定性地說(shuō),，錳,、鉻、氮、磷,、釩,、銅、鎳等均有促進(jìn)回火脆性的傾向,。鉬的作用較特殊,，它加入已有回火脆性的合金鋼（例如含錳、鉻等）中,，能顯著地降低回火脆性傾向,；若單獨(dú)加入普通碳素鋼中，則成為促進(jìn)回火脆性傾向的元素,。鎢的作用與鉬相似,，但對(duì)回火脆性的影響尚未十分確定。
對(duì)鋼的焊接性和被切削性的影響
焊接性和被切削性是衡量鋼的工藝性能好壞的主要方面,。凡能提高淬透性的合金元素均對(duì)鋼的焊接性不利,。因?yàn)樵诤缚p熱影響區(qū)靠近熔合線一側(cè)冷卻時(shí)易形成馬氏體等硬脆組織，有導(dǎo)致開裂的危險(xiǎn),。另一方面,，熱影響區(qū)靠近熔合線處的晶粒因受高熱容易粗化，因此,，合金鋼中含有可使晶粒細(xì)化的元素如鈦,、釩等是有益的。硅含量高,，焊接時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重噴濺。硫含量高容易產(chǎn)生熱裂,，同時(shí)會(huì)逸出二氧化硫氣體,，在焊接金屬內(nèi)形成氣孔和疏松。磷含量高容易導(dǎo)致冷裂,。
鋼中加入適量的硫,、鉛等元素可改善鋼的被切削性（見(jiàn)易切削鋼）。合金鋼中的合金元素一般會(huì)使鋼的硬度增加,，因而增高切削抗力,，加劇刀具磨損。通過(guò)改變鋼的基體組織,、夾雜物的種類,、數(shù)量和形狀可以影響鋼的被切削性。對(duì)鋼的耐蝕性能的影響
, Y3 e( T/ ^+ ~9 N# ?: V- q! n+ O鉻是不銹耐酸鋼和耐熱鋼的主要合金元素,。合金鋼中含鉻量若達(dá)到12％左右,，在鋼的表面便形成致密的鉻的氧化物，使鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性發(fā)生突變而大大提高。鉻,、鋁,、硅等元素，能提高鋼的抗氧化性和抗高溫氣體的腐蝕性能,，但過(guò)量的鋁和硅則會(huì)使鋼的熱塑性變壞,。鎳主要用來(lái)形成和穩(wěn)定奧氏體組織，使鋼獲得良好的力學(xué)性能,、耐蝕性能和工藝性能,。鉬能使不銹耐酸鋼很快鈍化，提高對(duì)含有氯離子的溶液及其他非氧化性介質(zhì)的耐蝕能力,。鈦,、鈮通常用來(lái)固定合金鋼中的碳，使它生成穩(wěn)定的碳化物,，以減輕碳對(duì)合金鋼耐蝕性能的有害作用,。銅和磷配合使用時(shí)，可提高鋼的耐大氣腐蝕性能,。
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