. 對奧氏體和鐵素體存在范圍的影響 擴大或縮小γ相區(qū)的元素均同樣擴大或縮小Fe-Fe3C相圖中的γ相區(qū), 且同樣Ni或Mn的含量較多時, 可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織 (如1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳鋼等)， 而Cr、Ti、Si等超過一定含量時, 可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織 (如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等)。 2. 對Fe-Fe3C相圖臨界點(S和E點)的影響 擴大γ相區(qū)的元素使Fe-Fe3C相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降, 縮小γ相區(qū)的元素則使其上升, 并都使共析反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進行。幾乎所有的合金元素都使共析點(S)和共晶點(E)的碳含量降低，即S點和E點左移, 強碳化物形成元素的作用尤為強烈。 三、 合金元素對鋼熱處理的影響 合金元素的加入會影響鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變。 1. 合金元素對加熱時相轉(zhuǎn)變的影響 合金元素影響加熱時奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。 (1)對奧氏體形成速度的影響： Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素與碳的親合力大, 形成難溶于奧氏體的合金碳化物, 顯著減慢奧氏體形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的擴散速度, 使奧氏體的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。 (2)對奧氏體晶粒大小的影響：大多數(shù)合金元素都有阻止奧氏體晶粒長大的作用, 但影響程度不同。強烈阻礙晶粒長大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻礙晶粒長大的元素有：W、Mn、Cr等；對晶粒長大影響不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促進晶粒長大的元素：Mn、P等。 2. 合金元素對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 除Co外, 幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性, 推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變, 使C曲線右移, 即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必須指出, 加入的合金元素, 只有完全溶于奧氏體時, 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 則碳化物會成為珠光體的核心, 反而降低鋼的淬透性。另外, 兩種或多種合金元素的同時加入(如, 鉻錳鋼、鉻鎳鋼等), 比單個元素對淬透性的影響要強得多。 除Co、Al外, 多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強, Si實際上無影響。Ms和Mf點的下降, 使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。殘余奧氏體量過多時,可進行冷處理(冷至Mf點以下), 以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體; 或進行多次回火, 這時殘余奧氏體因析出合金碳化物會使Ms、Mf點上升, 并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(即發(fā)生所謂二次淬火)。 3. 合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響 (1)提高回火穩(wěn)定性 合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(即在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變)， 提高鐵素體的再結(jié)晶溫度, 使碳化物難以聚集長大，因此提高了鋼對回火軟化的抗力, 即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。提高回火穩(wěn)定性作用較強的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。 (2)產(chǎn)生二次硬化 一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時, 硬度不是隨回火溫度升高而單調(diào)降低, 而是到某一溫度(約400℃)后反而開始增大, 并在另一更高溫度(一般為550℃左右)達到峰值。這是回火過程的二次硬化現(xiàn)象, 它與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于450℃時, 鋼中析出滲碳體; 在450℃以上滲碳體溶解, 鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度重新升高, 稱為沉淀硬化?；鼗饡r冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所也可導(dǎo)致二次硬化。 試一試：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系 產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)的合金元素 產(chǎn)生二次硬化的原因 合 金 元 素 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 沉淀硬化 Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co①、V V、Mo、W、Cr、Ni①、Co① ?、賰H在高含量并有其他合金元素存在時, 由于能生成彌散分布的金屬間化合物才有效。 (3)增大回火脆性 和碳鋼一樣, 合金鋼也產(chǎn)生回火脆性, 而且更明顯。這是合金元素的不利影響。在450℃-600℃間發(fā)生的第二類回火脆性(高溫回火脆性) 主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān), 多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。 這是一種可逆回火脆性, 回火后快冷(通常用油冷)可防止其發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo, 1%W)也可基本上消除這類脆性。 四、 合金元素對鋼的機械性能的影響 提高鋼的強度是加入合金元素的主要目的之一。欲提高強度, 就要設(shè)法增大位錯運動的阻力。金屬中的強化機制主要有固溶強化、位錯強化、細晶強化、第二相(沉淀和彌散)強化。合金元素的強化作用, 正是利用了這些強化機制。 1. 對退火狀態(tài)下鋼的機械性能的影響 結(jié)構(gòu)鋼在退火狀態(tài)下的基本相是鐵素體和碳化物。合金元素溶于鐵素體中, 形成合金鐵素體, 依靠固溶強化作用, 提高強度和硬度, 但同時降低塑性和韌性。 2.對退火狀態(tài)下鋼的機械性能的影響 由于合金元素的加入降低了共析點的碳含量、使C曲線右移, 從而使組織中的珠光體的比例增大, 使珠光體層片距離減小, 這也使鋼的強度增加, 塑性下降。但是在退火狀態(tài)下, 合金鋼沒有很大的優(yōu)越性。 由于過冷奧氏體穩(wěn)定性增大, 合金鋼在正火狀態(tài)下可得到層片距離更小的珠光體, 或貝氏體甚至馬氏體組織, 從而強度大為增加。Mn、Cr、Cu的強化作用較大, 而Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般結(jié)構(gòu)鋼的實際含量)下影響很小。 3. 對淬火、回火狀態(tài)下鋼的機械性能的影響 合金元素對淬火、回火狀態(tài)下鋼的強化作用最顯著, 因為它充分利用了全部的四種強化機制。淬火時形成馬氏體, 回火時析出碳化物, 造成強烈的第二相強化，同時使韌性大大改善, 故獲得馬氏體并對其回火是鋼的最經(jīng)濟和最有效的綜合強化方法。 合金元素加入鋼中, 首要的目的是提高鋼的淬透性, 保證在淬火時容易獲得馬氏體。其次是提高鋼的回火穩(wěn)定性, 使馬氏體的保持到較高溫度，使淬火鋼在回火時析出的碳化物更細小、均勻和穩(wěn)定。這樣, 在同樣條件下, 合金鋼比碳鋼具有更高的強度。 五、 合金元素對鋼的工藝性能的影響 1. 合金元素對鋼鑄造性能的影響 固、液相線的溫度愈低和結(jié)晶溫區(qū)愈窄, 其鑄造性能愈好。合金元素對鑄造性能的影響, 主要取決于它們對Fe-Fe3C相圖的影響。另外, 許多元素, 如Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點碳化物或氧化物質(zhì)點, 增大鋼的粘度, 降低流動性, 使鑄造性能惡化。 2.合金元素對鋼塑性加工性能的影響 塑性加工分熱加工和冷加工。合金元素溶入固溶體中, 或形成碳化物(如Cr、Mo、W等), 都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。 3. 合金元素對鋼焊接性能的影響 合金元素都提高鋼的淬透性, 促進脆性組織(馬氏體)的形成, 使焊接性能變壞。但鋼中含有少量Ti和V, 可改善鋼的焊接性能。 4. 合金元素對鋼切削性能的影響 切削性能與鋼的硬度密切相關(guān), 鋼是適合于切削加工的硬度范圍為170HB～230HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。但適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切削性能。 5. 合金元素對鋼熱處理工藝性能的影響 熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向。主要包括淬透性、過熱敏感性、回火脆化傾向和氧化脫碳傾向等。合金鋼的淬透性高, 淬火時可以采用比較緩慢的冷卻方法,可減少工件的變形和開裂傾向。加入錳、硅會增大鋼的過熱敏感性。 §7-2 合金結(jié)構(gòu)鋼 用于制造重要工程結(jié)構(gòu)和機器零件的鋼種稱為合金結(jié)構(gòu)鋼。主要有低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、滾珠軸承鋼。 一、
低合金結(jié)構(gòu)鋼
?。ㄒ喾Q普通低合金鋼、HSLA） 1. 用途 主要用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。 2. 性能要求 (1) 高強度：一般其的屈服強度在300MPa以上。 (2) 高韌性：要求延伸率為15%～20%，室溫沖擊韌性大于600kJ/m～800kJ/m。 對于大型焊接構(gòu)件，還要求有較高的斷裂韌性。 (3) 良好的焊接性能和冷成型性能。 (4) 低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 (5) 良好的耐蝕性。 3. 成分特點 (1) 低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超過0.20%。 (2) 加入以錳為主的合金元素。 (3) 加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細碳化物或碳氮化物，有利于獲得細小的鐵素體晶粒和提高鋼的強度和韌性。 此外，加入少量銅（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蝕性能。加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。 4. 常用低合金結(jié)構(gòu)鋼 16Mn 是我國低合金高強鋼中用量最多、產(chǎn)量最大的鋼種。使用狀態(tài)的組織為細晶粒的鐵素體—珠光體，強度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235高約20%～30%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%。 15MnVN 中等級別強度鋼中使用最多的鋼種。強度較高，且韌性、焊接性及低溫韌性也較好，被廣泛用于制造橋梁、鍋爐、船舶等大型結(jié)構(gòu)。 強度級別超過500MPa后，鐵素體和珠光體組織難以滿足要求，于是發(fā)展了低碳貝氏體鋼。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷條件下得到貝氏體組織，使強度更高，塑性、焊接性能也較好，多用于高壓鍋爐、高壓容器等。 5. 熱處理特點 這類鋼一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，不需要進行專門的熱處理。使用狀態(tài)下的顯微組織一般為鐵素體+索氏體。 二、
合金滲碳鋼
1. 用途 主要用于制造汽車、拖拉機中的變速齒輪，內(nèi)燃機上的凸輪軸、活塞銷等機器零件。這類零件在工作中遭受強烈的摩擦磨損，同時又承受較大的交變載荷，特別是沖擊載荷。 2. 性能要求 (1) 表面滲碳層硬度高，以保證優(yōu)異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。 (2) 心部具有高的韌性和足夠高的強度。心部韌性不足時，在沖擊載荷或過載作用下容易斷裂；強度不足時，則較脆的滲碳層易碎裂、剝落。 (3) 有良好的熱處理工藝性能 在高的滲碳溫度（900℃～950℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。 3. 成分特點 (1) 低碳：碳含量一般為0.10%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性。 (2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。 (3) 加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素：主要加入少量強碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。 4.鋼種及牌號 20Cr低淬透性合金滲碳鋼。這類鋼的淬透性低，心部強度較低。 20CrMnTi中淬透性合金滲碳鋼。這類鋼淬透性較高、過熱敏感性較小，滲碳過渡層比較均勻，具有良好的機械性能和工藝性能。 18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金滲碳鋼。這類鋼含有較多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韌性和低溫沖擊韌性。 5. 熱處理和組織性能 合金滲碳鋼的熱處理工藝一般都是滲碳后直接淬火，再低溫回火。 熱處理后，表面滲碳層的組織為合金滲碳體+回火馬氏體+少量殘余奧氏體組織，硬度為60HRC～62HRC。心部組織與鋼的淬透性及零件截面尺寸有關(guān)，完全淬透時為低碳回火馬氏體，硬度為40HRC～48HRC；多數(shù)情況下是屈氏體、
