合金元素对钢基本相的作用

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在钢中加入合金元素,钢的机械性能显著提高。铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,借助铁碳合金相图我们可以了解到合金元素加入钢中,对基本相的影响。当合金元素加入铁素体和渗碳体两个基本相中时,可以溶入二者之中。对于与碳亲和力弱的非碳化物形成元素,如镍、硅、铝、钴等,主要溶于铁素体中形成合金铁素体;对于与碳亲和力强的碳化物形成元素,如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等,则主要与碳结合形成合金渗碳体或合金碳化物。

合金元素对铁素体力学性能的影响

2.1形成合金铁素体

实验证明,合金元素溶于铁素体中,由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变;另外合金元素易于分布在位错线附近,造成柯氏气团,降低位错的易动性,从而提高塑变抗力,产生固溶强化效果。当Si%<0.6%、Mn%<1.5%时,显著提高了铁素体的硬度和强度,硅、锰对韧性的影响不大,铬、镍这两个元素,在适当的范围内(Cr%<2%,Ni%<5%),不但提高铁素体的硬度和强度,而且能提高其韧性。在合金结构钢中,为了获得良好的强化结果,对硅、锰、铬、镍等合金元素要控制在一定的含量范围之内。

合金元素对铁素体力学性能的影响

2.2形成碳化物

碳化物是钢中的重要组成相之一,碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。在碳钢中,在平衡状态下,可以按碳化物(Fe3C)数量不同,分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。通过热处理又可以改变珠光体中Fe3C片的大小,从而获得珠光体、索氏体、屈氏体等,我们还可以通过热处理进一步改变Fe3C的形态、分布,获得各种不同的组织和性能。在合金钢中,碳化物的状况显得更重要。作为碳化物形成元素,在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属,越靠左,则d层电子数越少,形成碳化物的倾向越强。

钢中常见的碳化物与性能

锰是弱碳化物形成元素,与碳亲和力比铁强,溶于渗碳体中,形成合金渗碳体如(Fe•Mn)3C,这种碳化物的熔点、硬度较低,稳定性也较差。

铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素,既能形成合金渗碳体,如(Fe•Cr)3C等,又能形成各自的特殊碳化物,如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等,这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比渗碳体高。

钒、铌、钛是强碳化物形成元素,它们在钢中,优先形成特殊碳化物,如VC、NiC、TiC等。它们的稳定性最高,熔点、硬度、耐磨性也最高。