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一文读懂合金元素对钢铁材料的影响

编辑: 「深圳钝化技术企业」发表时间:2022-06-15 15:49:12浏览量:213

  导语   合金元素在钢中能够改变钢铁材料的使用性能和工艺性能 ,使钢铁材料能够得到更加优良的或特殊的性能。在使用性能方面,有高的强度和韧性的配合,或高的低温韧性,在高温下有高的蠕变强度、硬度...
文本标签:不锈钢钝化 不锈钢过高盐雾 不锈钢螺丝钝化

  导语


  合金元素在钢中能够改变钢铁材料的使用性能和工艺性能 ,使钢铁材料能够得到更加优良的或特殊的性能。在使用性能方面,有高的强度和韧性的配合,或高的低温韧性,在高温下有高的蠕变强度、硬度及抗氧化性,或具有良好的耐腐蚀性。在工艺性能方面,有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。这主要是合金元素加入后改变了钢和铁的内部组织。合金元素的加入产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用,改变了钢铁中各相的稳定性,并产生了许多新相,从而改变了原有的组织或形成新的组织。这些元素之间在原子结构、原子尺寸及晶体点阵之间的差异,则是产生这些变化的根源。

  01

  合金在钢中的分布

  在钢中经常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE等,在某种情况下 P、S、N等也可以起合金元素的作用。这些元素加入到钢中之后究竟以什么状态存在呢?一般来说,它们或是溶于碳钢原有的相(如铁素体、奥氏体、渗碳体等)中,或者是形成碳钢中原来没有的新相。概括来讲,它们有以下四种存在形式:

  (1)溶入铁素体、奥氏体和马氏体中,以固溶体的溶质形式存在。

  (2)形成强化相,如溶入渗碳体形成合金渗碳体,形成特殊碳化物或金属间化合物等。

  (3)形成非金属夹杂物如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。

  (4)有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁,也不形成化合物,而是在钢中以游离状态存在。在高碳钢中碳有时也以自由状态(石墨)存在。

  在这四种可能的存在形式中,合金元素究竟以哪一种形式存在,主要取决于合金元素的本质,即取决于它们与铁和碳的相互作用情况。


  02

  合金元素的作用

  钢中添加的合金元素,通过对钢的基体相和各种形式的析出相的影响,对钢的特性起作用。当然对性能起决定作用的还是基体相,在钢中通常是铁素体、贝氏体、马氏体或者是不同比例构成的双相或多相组织,从而形成不同的钢种,限定于各种用途。

  (1)影响奥氏体形成的元素



  钢加热时,常温基体相铁素体趋于热力学不平衡状态,最终转变为高温相奥氏体,这是一种扩散型转变。无限固溶于γ-Fe的元素 Mn、Co、Ni和有限固溶于γ-Fe的元素 C、N、Cu都扩大γ相区,而无限固溶于α-Fe的元素 V、Cr和有限固溶于α-Fe的元素 Ti,、Mo、Al、P则缩小γ相区,从而对奥氏体的形成产生不同程度的影响。这些元素中,C和N在基体相中构成间隙固溶体,畸变和温度对其溶解度起主要作用。除 C、N外的其他合金元素进入固溶体形成置换固溶体,原子尺寸对溶解度起重要作用。溶质原子在奥氏体中并不均匀,但也不随机分布,而是有偏聚和短程有序两种现象。研究结果指出,强碳氮化物形成元素阻碍碳化物溶解,如MC型化合物,NbC、VC和 TiC等。又能提高碳在 γ-Fe 中的扩散激活能,减缓碳的扩散,对 γ-Fe的形成有一定的阻碍作用。弱碳氮化物形成元素 w 和 Mo,非碳氮化物形成元素 Ni和 Co,则有利于 γ-Fe的形成。随着加热温度的提高,合金元素的晶界偏聚将消失,碳化物溶解加速,实现扩散均匀化。晶粒长大的驱动力是晶界两侧晶粒的表面自由能之差,元素 C、P、Mn提高表面 自由能,促进晶界的移动,晶粒长大 。

  (2)影响铁素体形成的元素


  这里所述的铁素体,不是指结构形态各异的广义的α-Fe相,而仅仅指在γ-Fe晶内形成的,又沿着晶界优先长大的等轴α-Fe。奥氏体向铁素体的转变,受Fe原子扩散过程的控制,也受C原子从铁素体前沿向奥氏体中扩散的影响。一般不发生合金元素在α/γ相的重新分配,只是出现α/γ间界前沿的合金元素的富集区和贫化区,所以铁素体长大的速率将较高。在局部平衡条件下,Mn、Ni、Si、Mo、Co、Al、Cr、Cu等才是促进铁素体形核的元素。

  (3)影响珠光体形成的元素

  珠光体是α-Fe和碳化物的层状(或粒状)混合相,珠光体转变是一个形核长大的过程。合金元素对反应孕育期、碳化物的形成、α-Fe形核长大的影响实际上是合金元素的重新分布。因此,Cr、Mn、Ni元素提高了形核功和转变激活能,实现浓度起伏和能量起伏的条件,致使形核率和长大速度都降低。

  (4)影响贝氏体形成的元素



  贝氏体转变是在 550-250℃间完成的半扩散型的相转变,转变过程只是碳进行长程扩散,而不需要合金元素的重新分布。碳是影响贝氏体形成的最重要元素;元素Ni、Cr、Mn的综合影响,降低形成贝氏体最大速率的温度,从而控制了贝氏体反应;含钼钢中添加硼,可以得到单一的贝氏体组织;元素V和Ti,使贝氏体形成开始点降低。

  (5)影响马氏体形成的元素



  马氏体转变是钢从奥氏体状态快速冷却,在较低温度下发生的无扩散型相变,是强化金属的重要手段之一。大多数固溶于γ-Fe的合金元素,除元素Co和Al外,都降低马氏体转变临界温度Ms点,间隙固溶元素C和N比金属溶质原子的影响大得多。用合金元素在奥氏体相和马氏体相中焓的差值来表征马氏体反应的驱动力。

  合金元素在钢中的主要作用见表1。


  03

  合金元素在钢中的主要强化机制

  (1)细晶强化

  通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化,工业上通过细化晶粒以提高材料强度。通常金属是由许多晶粒组成的多晶体,晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数量来表示,数量越多,晶粒越细。实验表明,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行,塑性变形较均匀,应力集中较小;此外,晶粒越细,晶界面积越大,晶界越曲折,越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

  在低C-Mn钢中,Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素有效地细化铁素体晶粒尺寸。这些元素及AI、N的细化晶粒的作用通常用于正火钢,但是在控制轧制的微合金钢中则有更明显的效果,实验室内最佳控制轧制状态的最小平均铁素体晶粒尺寸为1-2μm,而工业生产则为5-10μm。微合金元素Nb、V、Ti细化晶粒主要是以如下机制抑制奥氏体再结晶:①在固溶体中的溶质拖拽作用;②细小析出物在γ晶界的钉扎作用;③在变形晶粒内的位错排列作用。这些作用的结果是推迟奥氏体再结晶直到奥氏体晶粒承受更大的变形,大大提高了γ再结晶开始所要求的临界变形量,以致一旦发生再结晶,将有较高的形核率,得到细小的晶粒尺寸。细化晶粒是唯一能够同时提高钢的强度和韧性的方法。在一般的普碳钢中大约一半的强度来自于晶粒细化,可见晶粒细化是钢中最为重要的强化方式之一。因此,多年来人们一直通过多种手段致力于晶粒细化的研究。钢铁材料晶粒细化到μm或亚μm级范围内。钢铁材料从传统晶粒尺寸(10μm或稍大)细化到1μm,强度将提高一倍。

  (2)析出强化

  析出强化指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和(或)由之脱溶出的微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后,在400-500℃或700-800℃进行沉淀硬化处理,可获得很高的强度。即某些合金的过饱和固溶体在室温下放置或者将它加热到一定温度,溶质原子会在固溶点阵的一定区域内聚集或组成第二相,从而导致合金的硬度升高的现象。

  Nb、V、Ti在钢中形成的细小碳氮化物起着阻止晶粒长大,抑制再结晶及在γ未再结晶区形变时熔化生核的作用,同时又具有很强的析出强化作用。即使在相当低的浓度下,也可以见到固溶与析出的过程。NbC、VN、TiC是低碳微合金钢中三种基本的化合物,晶体结构相似,又互相溶解。这些化合物析出强化的原型,不仅在于位错的迁移所造成的切变和 Oroman机构的交互作用,还在于析出相与铁素体的晶体学关系。微合金元素原子在基体中的扩散控制着析出速率,强化效果与析出物质点的平均直径成反比,与析出物质点体分量的平方根成正比。微合金钢的控制轧制和控制冷却,正是利用了Nb、V、Ti微合金元素的细化晶粒和析出强化的效应,获得高达400-600MPa的屈服强度和良好的韧性。

  (3)固溶强化

  溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变,晶格畸变增大了位错运动的阻力,使滑移难以进行,从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融人某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时,可提高材料的强度和硬度,而其韧性和塑性却有所下降。

  一般来说,组成固溶体的纯金属的平均值总是低于固溶体的抗拉强度、屈服强度和硬度,并且随着溶质浓度的提高,硬度、强度将显著提高,这种现象称为固溶强化。另外,组成固溶体的纯金属的平均值高于其本身的塑性和韧性。随着溶质原子的溶入,将引起固溶体电阻、磁矫顽力等物理性能发生改变。浓度提高,电阻增加,并且温度变化与固溶体的电阻值关系不大。因此,一些高电阻材料应用在工程技术上,大多是固溶体合金。仍然保持溶剂的晶体结构是固溶体的一个重要特点。工业材料中大部分固溶体的溶剂基本上是金属,因此固溶体的晶体结构比较简单。但是由于溶人了溶质原子,使晶体结构某些方面发生了变化。元素Mn、Si及N的固溶强化,在低合金高强度钢中,其强化贡献是很小的。几乎所有的固溶元素对钢的韧性都不利,尤以元素C和 N为甚。

2022-06-15 213人浏览

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