机械工程材料

表2-1 结合键的特性 键名 离子键 共价键 金属键 分子键（范德瓦尔键）

特性 结合力大，硬度大、强度高，脆性大，膨胀系数小，有很好的绝缘性，不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的 结合力大，硬度大、强度高，熔点高，沸点高，挥发性低，有很好的绝缘性 良好的导电性和导热性，良好的强度和塑性，正的电阻温度系数，特有的金属光泽 结合键能很低，熔点低，硬度低，有很好的绝缘性

第二节 合金元素在钢中的作用 一、合金元素对钢中基本相的影响 铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相。合金元素加入后，主要通过对这些基本相的影响而发挥作用。 1.合金元素与碳的作用 合金元素加入钢中，存在的主要形式有两种：溶于固溶体和形成碳化物。按照与碳亲和力的大小，分为： (1)非碳化物形成元素。包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等。当非碳化物形成元素或碳化物形成元素少较少时，可溶于碳钢中的组成相铁素体、奥氏体中分别形成合金铁素体和合金奥氏体。原子半径较大的Ni、Si、Cr、Mn等形成置换固溶体，原子半径较小的N、B等形成间隙固溶体。这些元素起到固溶强化的作用，提高铁素体和奥氏体的强度，在不下降合金钢韧性的同时，提高钢的强度。 (2)碳化物形成元素。按形成碳化物稳定性程度，碳化物形成元素由弱到强排列顺序为：Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。当钢中碳化物形成元素含量较高时，可形成一系列合金碳化物。与碳亲和力较强的合金元素，如Mn、Cr，可置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等。与渗碳体相比，合金渗碳体稳定性好、硬度高，是低合金钢中存在的主要碳化物。强碳化物形成元素可与碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr23C6等。这类碳化物熔点高、硬度高、稳定性好，在钢中起到沉淀（弥散）强化的作用，使合金钢具有高的强度、硬度和耐磨性。这类碳化物主要存在于高碳高合金钢中。 2.合金元素对铁素体的影响 合金元素融入铁素体中形成合金铁素体，由于与铁的晶格类型和原子半径不同造成晶格畸变，产生固溶强化。但是各种合金元素对铁素体的强化效果不同。一般合金元素的晶格类型、原子半径与铁相差愈大，则固溶强化的作用愈强烈。由图9-1(a)、(b)可见，Si、Mn、Ni等强化铁素体的作用比Cr、W、Mo等大。而合金元素对铁素体韧性的影响，从图9-1(c)看出，Mn含量超过1.5%、Si含量超过0.6%时铁素体的韧性才有下降趋势。而Cr、Ni在适当范围内(wCr≤2%，wNi≤5%)可提高铁素体的韧性，如图9-1(c)所示。为此，合金结构钢中各种合金元素的含量都有一定限度。 二、合金元素对铁碳相图的影响 不同合金元素对铁碳相图的影响不同，可分为： (1)扩大γ相区元素。这类合金元素主要有Mn、Ni、Co、C、N、Cu等，形成Fe-Me状态图，如图9-2、9-3所示。它们使A4点上升，A3线下降，奥氏体相稳定存在的温度范围扩大，促进奥氏体形成。其中锰元素对Fe-Fe3C相图的影响，如图9-4所示，随着锰含量增加，A3线下移，A相区扩大。有的合金元素达到一定含量甚至可使A3线下降到室温，使F区完全消失，室温下获得单相奥氏体组织，这类钢称为奥氏体钢。Mn13耐磨钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢均属于奥氏体钢。 (2)缩小γ相区元素。这类合金元素主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等，形成Fe-Me状态图，如图9-5、9-6所示。它们扩大铁素体相区，缩小A相存在的温度范围，使A4点下降，A3线上升，促进铁素体形成。铬对Fe-Fe3C相图的影响，如图9-7所示，随铬的含量的增加，A区缩小，当铬含量达到19%时变为封闭区，当合金含量达到一定范围，可在室温下获得单相铁素体组织，这类钢称为铁素体钢。Cr17、Cr25均属于铁素体钢。 扩大和缩小A相区的结果，必然使铁碳相图中的S点和E点的温度和成分发生变化。 概括来说，几乎所有的合金元素都使S点和E点左移，以碳化物形成元素的作用尤为强烈。S点和E点的左移必然使Acm线左移。扩大γ相区元素使S点、E点向左下方移动，A3线下移，共析温度A1升高即相同含碳量合金钢热处理的奥氏体化加热温度比碳钢高。合金元素对共析温度A1的影响，如图9-8所示。因此，合金钢的热处理温度与相同含碳量的碳钢是不同的。 当S点、E点向左移动时，共析点的碳含量不再是0.77%，而是小于0.77%，出现共晶组织的最低碳含量不再是2.11%。而是小于2.11%。引起合金钢的组织与含碳量间的关系发生变化。合金元素对共析成分的影响，如图9-9所示。如4Cr13钢，由于含有大量的铬，使S点左移，平均碳含量虽在0.4%，但组织为过共析钢组织，属于过共析钢；在某些合金钢中含碳量远低于2.11%，也可能出现莱氏体组织，这类钢称为莱氏体钢。如高速钢W18Cr4V中的平均碳含量为0.7%~0.8%，铸态组织中有共晶莱氏体，因此高速钢W18Cr4V属于莱氏体钢。 三、合金元素对钢热处理组织转变的影响 1.合金元素对加热时奥氏体化的影响 合金元素对加热时奥氏体化的影响主要表现在对奥氏体的形成速度和奥氏体晶粒大小两个方面。 合金钢在加热时奥氏体的形成过程与碳钢基本相同，只是奥氏体的形成速度比碳钢慢。大多数合金元素会减缓奥氏体化过程，而Co、Ni等部分非碳化物使奥氏体的形成速度加快。Al、Si、Mn等奥氏体形成速度影响不大，这是由于合金元素扩散速度慢且阻碍碳原子的扩散，还有合金钢中含有合金渗碳体和特殊碳化物都较难溶入奥氏体中，扩散困难。所以，为了加速碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，合金钢热处理的加热温度和保温时间都应更高、更长一些。 另外，合金碳化物可阻碍奥氏体的晶粒长大，细化晶粒，提高合金钢的机械性能。在合金元素中V、Ti、Nb、Zr、Al，在晶界上形成弥散的难熔碳化物或氮化物，能强烈阻止奥氏体的晶粒长大，细化晶粒作用显著；W、Mo、Cr为中等程度影响的元素；Si、Ni、Cu元素的影响作用不大；Mn、P元素可促进奥氏体晶粒的长大。所以，锰钢有较强的“过热倾向”，应选择加热温度的下限和短时保温。除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。 2. 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 过冷奥氏体的稳定性取决于奥氏体的成分，合金元素只有溶入奥氏体，降低原子扩散速度，才能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。若碳化物形成元素以未溶碳化物形成 残留在奥氏体中，可成为非自发晶核，加速奥氏体的分解，从而降低过冷奥氏体的稳定性。 大多数合金元素(除Co外)均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。非碳化物形成元素，如Ni、Si、Mn、Cu，使C曲线右移，但不改变形状，如图9-10(a)所示。碳化物形成元素，如Mo、W、V、Ti、Cr等，不仅使C曲线右移，而且改变C曲线的形状，分离成两个“鼻子”，即出现两个过冷奥氏体转变区，上边是珠光体转变区，下边是贝氏体转变区，如图9-10(b)所示。 C曲线右移使得临界冷却速度降低，提高钢的淬透性。按对钢淬透性影响大小由强到弱为Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al。实践证明，多元合金联合作用比单一合金对钢淬透性的影响显著，因此合金钢朝多元少量的方向发展。采用多元合金钢制造的大截面工件，因其高的淬透性，可以保证整个截面具有高的强度和韧性。对形状复杂的零件，采用高淬透性的多元合金钢，可在缓慢冷却介质中淬火，减少淬火时变形和开裂的倾向。 3.合金元素对马氏体转变的影响 合金元素对马氏体转变的影响主要表现在转变温度和转变量两个方面。除Co、Al外，所有溶入奥氏体的合金元素都使马氏体转变温度Ms和Mf点降低，如图9-11所示，而使钢淬火后残余奥氏体量增加，如图9-12所示。 在有些高碳合金钢中，由于Ms点很低，淬火组织中残余奥氏体量相当多，有时高达30%~40%。为了促使残余奥氏体的转变，残余奥氏体量控制在适当的范围，通常采用冷处理或多次回火。 4. 合金元素对回火转变的影响 合金元素对回火转变的影响与合金元素在钢中存在的形式有密切关系，这些影响包括提高回火稳定性、产生二次硬化、增大回火脆性。 (1)提高回火稳定性。回火稳定性是指钢在回火时对硬度下降的抗力。大多数合金元素可使回火过程中各阶段的转变速度减慢，推向更高温度发生。主要表现在：提高铁素体的再结晶温度，使马氏体形态保持到很高温度；马氏体和残余奥氏体的分解速度减慢，使残余奥氏体分解温度升高；碳化物难以聚集长大。因此，在相同的回火温度下，合金钢较碳钢稳定，析出的碳化物更细小，能保持较高硬度和强度。若二者硬度相同，由于合金钢的回火温度较高，合金钢的塑性、韧性较好。提高回火稳定性由强到弱的元素为V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co等。 (2)产生二次硬化。当含有较多W、Mo、Ti、V等强碳化物形成元素的淬火合金钢在500℃~600℃回火时，渗碳体溶解，析出特殊碳化物（如W2V、Mo2C、V4C3等）。这些碳化物细小，硬度极高，弥散度大，且不易聚集长大，使钢的强度和硬度比低温回火要有所升高，并出现峰值，这种现象称为“二次硬化”，即弥散强化（或称第二相（沉淀）强化）。“二次硬化”使合金钢在较高的温度下能保持高的硬度，这在工具钢中极为重要，常用于提高刃具钢的热硬性。合金元素Mo对回火硬度的影响，如图9-13所示。 (3)增大回火脆性。含Cr、Mn、Ni的合金钢第二类回火脆性最为敏感。常采取回火后快冷或在钢中适当加入Mo、W可强烈阻碍杂质元素向晶界迁移，以此来消除第二类回火脆性。 四、合金元素对钢力学性能的影响 1.对钢强度的影响 金属材料的强度(主要指屈服强度)是指金属材料对塑性变形的抗力；而塑性变形的是位错在滑移面上沿滑移方向上的运动。所以，凡是阻碍位错运动的因素都能使金属材料强化。在金属材料中有效组织位错运动，使金属材料强化的方法有4种：一是细化晶粒强化，细化晶粒使材料强度提高，塑韧性改善；二是固溶强化，溶质原子溶入溶剂的晶格中，产生晶格畸变，强度、硬度增加；三是位错强化，金属材料中位错密度的增加，可使强度提高，如冷