合金元素在合金結(jié)構(gòu)鋼中的主要作用可歸納為3個(gè)方面:1.增加淬透性;2.影響回火過(guò)程;3.影響綜合力學(xué)性能。
一、金元素對(duì)淬透性的影響
碳是一種能有效增加淬透性的元素。其他常用合金元素提高淬透性的能力,大體按下列順序增長(zhǎng):鎳、硅、鉻、錳、鉬、硼。
鋼的淬透性來(lái)自所含各合金元素對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)。這種貢獻(xiàn)只有當(dāng)合金元素溶入奧氏體后才有可能表現(xiàn)出。
鎳增大淬透性的效果較弱。銅對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)與鎳相似。
硅能有效地增加高碳奧氏體的淬透性。當(dāng)奧氏體碳含量和硅含量較低時(shí),硅對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)較小。
錳對(duì)淬透性貢獻(xiàn)顯著,特別是當(dāng)錳的含量超過(guò)0.8%時(shí)。錳對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)與鎳相近。
鉻對(duì)淬透性的影響,在低碳鋼中略低于錳;在中碳鋼時(shí),其效果。
鉬能有效地提高淬透性,與中碳鋼相比,在高碳鋼中鉬有更大效果。鎳與鉬之間有強(qiáng)的交互作用。
鎢在過(guò)冷奧氏體分解中所起的作用與鉬相近,其影響程度約為鉬的一半(含量按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算時(shí))。同鉬一樣,鎢在高碳鋼中比在低碳鋼中更為有效。
鈦、鈮和鋯是強(qiáng)碳化物和強(qiáng)氮化物形成元素,其行為與釩相似。這些元素在奧氏體中的溶解度較小或很小,對(duì)淬透性的貢獻(xiàn)也小。
硼在提高淬透性方面是一個(gè)強(qiáng)有力的元素,對(duì)淬透性的影響有其獨(dú)特性和復(fù)雜性。硼在鋼中有兩種狀態(tài),即固溶態(tài)和結(jié)合態(tài)。只有當(dāng)硼溶解在奧氏體中時(shí)才能起提高淬透性的作用。硼同氧和氮結(jié)合形成硼的氧化物和氮化物,使相當(dāng)一部分硼含量處于結(jié)合態(tài),因而失去增加淬透性的能力,因此,要采取保護(hù)硼的方法,使硼保留為非結(jié)合態(tài)而轉(zhuǎn)移到固溶體中,成為隨后淬火后能對(duì)淬透性起作用的所謂“有效硼”。
二、合金元素對(duì)淬火鋼回火轉(zhuǎn)變的影響
合金結(jié)構(gòu)鋼與碳鋼相比其特點(diǎn)在于有較高的抗回火軟化能力,同時(shí),在某些情況下,能顯示出二次硬化現(xiàn)象。
合金結(jié)構(gòu)鋼之所以具有抗回火穩(wěn)定性是因?yàn)樵谔砑雍辖鹪氐那闆r下,馬氏體分解、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變及滲碳體析出、集聚,均不同程度地被推向較高的溫度范圍。
不同合金元素在減慢回火軟化方面作用不同。非碳化物形成元素鎳、鋁和弱碳化物形成元素錳對(duì)回火鋼的軟化較小,在抗回火軟化方面比較有效的是碳化物形成元素。
碳化物形成元素能較多地把碳保留在馬氏體中,從而阻礙馬氏體的分解。其中以強(qiáng)碳化物形成元素釩的作用為顯著,鎢、鉬其次,鉻又次之。碳化物形成元素還阻礙殘余奧氏體轉(zhuǎn)變,阻礙了合金滲碳體的集聚,使含碳化物形成元素的鋼能在更高的回火溫度下保持細(xì)小的滲碳體顆粒。
非碳化物形成元素硅在回火轉(zhuǎn)變中的作用比較獨(dú)特,低溫下硅不擴(kuò)散。添加石豐可提高馬氏體的分解溫度。硅也阻礙滲碳體顆粒的集聚長(zhǎng)大。
三、鋼中合金元素和雜質(zhì)元素對(duì)淬火、回火后鋼的力學(xué)性能的影響
鋼中合金元素和雜質(zhì)元素對(duì)鋼力學(xué)性能的影響與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)系。在淬火馬氏體狀態(tài)下,鋼的硬度僅取決于馬氏體中的碳含量而與其合金元素?zé)o關(guān),但是,經(jīng)回火后,在給定屈服強(qiáng)度下鋼的塑性和韌性與鋼的成分有密切關(guān)系。
碳是不利于調(diào)質(zhì)鋼沖擊韌性的元素,雜質(zhì)元素磷,對(duì)沖擊韌性危害很大,凋質(zhì)鋼中加入1.0%~1.5%錳后,沖擊韌性可得到改善(如果未出現(xiàn)回火脆性)。鉻含量從1%增加到4%對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度無(wú)太大影響,鎳顯苦降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。鋼中少量鉬和釩并不增大冷脆性。
奧氏體晶粒大小對(duì)淬火、回火后鋼的韌性有顯著影響。當(dāng)奧氏體晶粒細(xì)小時(shí),才會(huì)有細(xì)小的馬氏體組織和高的韌性。鋼的晶粒粗化溫度是合金結(jié)構(gòu)鋼重要的冶金質(zhì)量指標(biāo)之一。鋁與氮結(jié)合形成彌散的AIN粒子,可提高晶粒粗化溫度,釩、鈦、鋯、鈮提高奧氏體晶粒粗化溫度的作用比鋁顯著。為此,釩的含量應(yīng)不小于0.12%,鈦、鋯、鈮的含量均應(yīng)高于0.04%。
回火脆性對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼淬火、回火后的韌性有相當(dāng)大的影響。在250~400攝氏度回火出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。有些人認(rèn)為,低溫回火脆性與鋼中微量的銻、磷、錫、砷等元素在晶界上的富集與吸附有關(guān)。添加1.5%~2.0%硅,能將發(fā)生低溫回火脆性的溫度提高100攝氏度左右。
在回火加熱后緩慢冷卻條件下,在450~600攝氏度區(qū)間回火出現(xiàn)沖擊韌性值。此現(xiàn)象稱為高溫回火脆性。高溫回火脆性的本質(zhì)是,回火時(shí),鋼中磷、錫、銻、砷等雜質(zhì)元素沿原奧氏體晶界發(fā)生了,偏聚,造成晶界弱化和脆化。一般認(rèn)為,主要是在有一定碳含量并含有磷、錫、銻、砷等雜質(zhì)元素的合金鋼中才出現(xiàn)比較顯著的高溫回火脆性。鋼中的碳和合金元素通過(guò)影響雜質(zhì)元素的晶界偏聚,從而對(duì)高溫回火脆性產(chǎn)生影響。鈦、鉻、錳、鎳等增加鋼對(duì)高溫回火脆性的敏感性,而鉬、鎢、釩等能減小敏感性,是降低高溫回火脆性的元素。