鋼的合金化原理.doc

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1、鋼的合金化原理1.1碳鋼概論在講授鋼的合金化原理之前，我們先介紹碳鋼中的常存雜質(zhì)及碳鋼的分類與用途。一、碳鋼中的常存雜質(zhì)碳鋼（也稱碳素鋼）被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，它們不僅價(jià)格低廉、容易加工，而且在一般情況下能滿足使用性能的要求。碳鋼中除鐵與碳兩種元素外，還含有少量錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等非特意加入的元素，其中，錳、硅等常稱為常存元素；硫、磷、氧、氮、氫等常稱為雜質(zhì)元素。它們對(duì)碳鋼的性能有一定的影響。1．錳和硅的影響錳和硅是煉鋼過程中隨脫氧劑或者由生鐵殘存而進(jìn)入鋼中的。錳在碳鋼中的含量一般小于0.8%，主要固溶于鐵中。此外由于錳和硫的結(jié)合力比鐵和硫的結(jié)合力強(qiáng)，形成穩(wěn)定的

2、MnS夾雜物，這對(duì)改善鋼的熱脆性有益。因?yàn)镕eS熔點(diǎn)較低（1190℃），與γ鐵易于形成低熔共晶（989℃）而且沿晶界連續(xù)分布，引起鋼的熱脆性。適量的錳和雜質(zhì)硫形成高熔點(diǎn)MnS（1600℃），MnS在高溫下具有一定的塑性，不會(huì)使鋼發(fā)生熱脆，在加工過程中硫化錳呈條狀沿軋向分布。必須指出的是，這些夾雜物將使鋼的疲勞強(qiáng)度和塑性、韌性下降。當(dāng)鋼中含有大量硫化物夾雜時(shí)，軋成鋼板后會(huì)造成分層。硅在鋼中的含量通常小于0.5%。由于鐵中可以溶入較多的硅，故碳鋼中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入鐵中。此外由于硅和氧的親和力很強(qiáng)，能形成穩(wěn)定的SiO2，在鋼中以夾雜物形式存在而降低鋼的質(zhì)量。必須

3、指出的是，只有固溶于鐵素體中的錳和硅才可強(qiáng)化鐵素體基體。2．硫和磷的影響硫是煉鋼時(shí)不能除盡的有害雜質(zhì)。硫可以大量溶于液態(tài)鋼中，而在固態(tài)鐵中的溶解度極小。硫和鐵能形成FeS，并易于形成低熔點(diǎn)共晶。當(dāng)鋼凝固結(jié)晶時(shí)低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的鋼加熱到高溫，例如1100℃以上時(shí)，共晶體就將熔化，因此就引起軋制或鍛造時(shí)的晶界碎裂（熱脆）。鑄鋼件雖然不經(jīng)鍛造，但含硫量高時(shí)也會(huì)引起鑄件在鑄造應(yīng)力作用下發(fā)生熱裂。此外硫還對(duì)鋼的焊接性能有不良影響，即容易導(dǎo)致焊縫熱裂，同時(shí)在焊接過程中，硫易于氧化，生成SO2氣體，以致焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。磷也是在煉鋼過程中不能除盡的元素，一般轉(zhuǎn)

4、爐鋼中殘留較多(允許最高含量為0.09%)，堿性平爐鋼中殘留較少（＜0.06%），而在堿性電爐和電渣熔煉的鋼中，磷可降至0.02%以下。磷在α-鐵中的最大溶解度可達(dá)2.55%(1049℃)。隨著溫度的降低，溶解度逐漸下降。鋼中的磷一般全部固溶于鐵中，并產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，特別是低溫韌性，稱為冷脆。此外，磷鐵合金的結(jié)晶范圍很寬，因此磷具有嚴(yán)重的偏析傾向。磷的有害作用在一定的條件下可以加以利用。磷可以提高鋼在大氣中的抗腐蝕性能，特別是鋼中同時(shí)含有銅的情況下，它的作用更加顯著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)

5、鋼，在這些鋼中，由于磷和其它元素合理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保證取得細(xì)晶組織的條件下（如用Al脫氧的鋼），磷的冷脆作用得以抑制。故在σs、σb升高的同時(shí)，低溫韌性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷還可以改善鋼的切削加工性能。如把鋼中含磷量提高到0.08%~0.15%時(shí)，可使鐵素體適當(dāng)脆化，從而提高了鋼的切削加工性。對(duì)于硫，可以利用硫化錳降低鋼的塑性，使切削易于斷裂，這樣既可以改善低碳鋼工件加工后的表面粗糙度，又節(jié)省動(dòng)力；同時(shí)這些硫化物在切削過程中，有一定的潤滑作用，可以減少刀具與工件表面的磨損，延長刀具壽命。必須指出的是，這種易切削鋼主要用于

6、自動(dòng)機(jī)床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺釘、螺母等各種標(biāo)準(zhǔn)件和一般小零件等。3．氮、氫、氧的影響氮是在冶煉時(shí)進(jìn)入鋼中的。氮在α-鐵中的溶解度在590℃時(shí)達(dá)到最大，約為0.1%，在室溫時(shí)則降至0.001%以下，所以通常情況下鐵素體中溶解的氮含量處于過飽和。如果將這樣的鋼材經(jīng)受冷變形后在室溫放置或稍微加熱時(shí)，過飽和的氮將逐漸以氮化物的形式沉淀析出，這將使低碳鋼的強(qiáng)度、硬度上升，但塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為機(jī)械時(shí)效或應(yīng)變時(shí)效。顯然這對(duì)低碳鋼的性能不利。必須注意的是，當(dāng)?shù)吞间撝写嬖阝C、鈦、鈮等合金元素時(shí)，氮可以與之形成穩(wěn)定的氮化物，有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的效果。

7、此外氮化鋼就是利用氮化物相強(qiáng)化鋼鐵材料零件的。氫在鋼中的溶解度甚微，對(duì)鋼的組織看不出什么影響。但由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用將引起金屬材料產(chǎn)生氫脆。鋼中較常見的是“白點(diǎn)”和氫致延遲斷裂。鋼中含有過飽和的氫向裂紋尖端三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)形成的微孔核心及其它缺陷處擴(kuò)散聚集形成氫分子，由于微孔核心等很小，很少的氫氣便可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力，這種內(nèi)壓力大到足以通過塑性變形或解理使裂紋長大或使微孔長大、連接時(shí)便產(chǎn)生氫脆斷裂，呈白點(diǎn)特征。當(dāng)氫在位錯(cuò)附近偏聚形成“氣團(tuán)”時(shí)，“氫氣團(tuán)”的運(yùn)動(dòng)遇到障礙產(chǎn)生位錯(cuò)塞積的同時(shí)也就造成了氫的偏聚，