机械工程材料第2版 作者 王章忠 主编 第七章.pptVIP

第一节 钢中常存杂质元素对其性能  的影响 钢在其冶炼生产（炼铁、炼钢）过程中，因其原料（铁矿石、废钢铁、脱氧剂等）、燃料（如焦炭）、熔剂（如石灰石）和耐火材料等所带入或产生的，但又不可能完全除尽的少量杂质元素如硅、锰、硫、磷、氢、氮、氧等，称之为常存杂质元素，它们的必然存在显然会影响到钢的性能。 硅、锰均可固溶于铁素体中，使钢的强度、硬度升高——即固溶强化作用。硅在提高强度、硬度的同时，还显著地降低了钢的塑性、韧性；另外硅与氧容易生成脆性夹杂物SiO2，也对钢的性能不利。锰易与钢中的硫生成MnS塑性夹杂物，可降低硫的有害作用——热脆，但MnS量过多时也会恶化钢的性能。因此，作为杂质元素存在时，Si、Mn量一般控制在规定值之下（wSi＜0.5%，wMn＜0.8%），此时它们是有益元素。 硫不溶于铁，而与铁生成熔点为1190℃左右的FeS，且FeS常与Fe一起形成低熔点（约989℃）的共晶体，分布在奥氏体晶界上；当钢进行热加工时（如在900～1200℃锻造或轧制、焊接等），共晶体将熔化，使钢的强度、尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。热脆的减轻或防止措施有二：其一是采用精炼方法降低钢中的含硫量，但此举会增加钢的生产成本；其二是通过适当增加钢中的含锰量，使S与Mn优先生成高熔点（约1620℃）的MnS，从而避免热脆，这是降低硫的有害作用的主要手段。 硫和磷的影响  磷主要溶于铁素体中，它虽然有明显的提高强度、硬度的作用，但也剧烈地降低了钢的塑性、韧性，尤其是低温韧性，并使冷脆转化温度升高；此外，过多的磷也会生成极脆的Fe3P化合物，且易偏析于晶界上而增加脆性，这种现象称为冷脆。  氢在钢中含量甚微，但对钢的危害极大。微量的氢即可引起“氢脆”，甚至在钢中产生大量的微裂纹（即“白点”或“发裂”缺陷），从而使零件在工作时出现灾难性的突然脆断。氢脆一般出现在合金钢的大型锻、轧件中，且钢的强度越高，氢脆倾向越大，如电站汽轮机主轴、钢轨、电镀刺刀等氢脆断裂。实际生产中，常通过锻后保温缓冷措施或预防白点退火工艺来降低钢件的氢脆倾向。 气体元素的影响  氮固溶于铁素体中将引起“应变时效”，即冷塑性变形的低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加而塑性、韧性降低的现象。应变时效对锅炉、化工容器及深冲压零件极为不利，会增加零件脆性断裂的可能性。若钢含有与N亲合力大的Al、V、Ti、Nb等元素而形成细小弥散分布的氮化物，可细化晶粒，提高钢的强韧性，并能降低N的应变时效作用，此时N又变成了有益元素。 气体元素的影响  氧少部分溶于铁素体中，大部分以各种氧化物夹杂的形式存在，将使钢的强度、塑性与韧性、尤其是疲劳性能降低，故应对钢液进行脱氧。依据浇注前钢液脱氧程度不同，可将钢分为镇静钢（充分脱氧钢）、沸腾钢（不完全脱氧钢）和介于这两者之间的半镇静钢。显然镇静钢的质量和性能较佳，一般用于制造重要零件；而沸腾钢的成材率较高，可用于对力学性能要求不高的零件。 第二节 合金元素在钢中的主要作用 加入适当化学元素来改变金属性能的方法叫做合金化。为了合金化目的（即改善和提高钢力学性能或使之获得某些特殊的物理、化学性能）而特定在钢中加入的、含量在一定范围的化学元素称为合金元素，这种钢即称为合金钢。 合金元素在钢中的存在形式对钢的性能（使用性能和工艺性能）有着显著的影响。根据合金元素的种类、特征、含量和钢的冶炼方法、热处理工艺不同，合金元素的存在形式主要有三种：固溶态、化合态和游离态。 合金元素在钢中的存在形式  合金元素溶入钢中的铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在（Fe为溶剂）。此时，合金元素的直接作用是固溶强化——即钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。说明了钢中常见合金元素对铁素体硬度和韧性的影响如图7-1所示。 合金元素在钢中的存在形式  合金元素在钢中的存在形式  合金元素与钢中的碳、其它合金元素及常存杂质元素之间可以形成各种化合物，其中以它们和碳之间形成的碳化物最为重要。碳化物的主要形式有合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C等；特殊碳化物，如VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6等。 合金元素在钢中的存在形式  碳化物一般具有硬而脆的特点，合金元素的亲碳能力越强，所形成的碳化物就越稳定，并具有高硬度、高熔点、高分解温度。合金元素形成碳化物的直接作用主要是弥散强化，即钢的强度、硬度与耐磨性提高，但塑性、韧性下降，并有可能获得某些特殊性能（如高温热强性）。这里同样需要强调的是碳化物的间接作用——阻碍钢加热时的奥氏体晶粒长大、所获细小晶粒而产生的细晶强