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合金钢合金元素在钢中的作用
对钢加热和冷却时相变的影响 钢加热时的主要固态相变是非奥氏体相向奥氏体相的转变,即奥氏体化的过程。整个过程都和碳的扩散有关。合金元素中,非碳化物形成元素如镍、钴等,降低碳在奥氏体中的能,增加奥氏形成的速度;而强碳化物形成元素如钒、钛、钨等,强烈妨碍碳在钢中的扩散,显著减慢奥氏体化的过程。钢冷却时的相变是指过冷奥氏体的分解,包括珠光体转变(共析分解)、贝氏体相变及马氏体相变。由于钢中大都存在几种合金元素的相互作用,致使对钢冷却时相变的影响也复杂得多。仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例,大多数合金元素,除钴和铝外,均起减缓奥氏体等温分解的作用,但各类元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的(如硅、磷、镍、铜)和少量的碳化物形成元素(如钒、钛、钼、钨),对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大,因而使转变曲线向右推移。
碳化物形成元素(如钒、钛、铬、钼、钨)如果含量较多,将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟,但对奥氏体向贝氏体的转变的推迟并不显著,因而使这两种转变的等温转变曲线从“鼻子”处分离,而形成两个 C形。当这类元素增加到一定程度时,在这两个转变区域的中间还将出现过冷奥氏体的亚稳定区。合金元素对马氏体转变温度Ms (起始转变温度)和Mn (终了转变温度)的影响也很显著,大部分元素均使Ms和Mn点降低,其中以碳的影响大,其次为锰、钒、铬等;但钴和铝则使Ms和Mn点升高。
在不预热条件下,T91钢焊接接头的临界应力为176.4 MPa;预热150℃时,临界应力为354.8 MPa,为T91钢常温屈服极限415 MPa的85.4%;预热200℃以上时,临界应力大于460 MPa,超过了T91钢常温屈服极限。由此,为避免T91钢焊接时产生冷裂纹,预热温度必须不低于200℃,德国规定预热温度为180~250℃,美国CE公司规定预热温度为120~205℃。
合金钢分为优质合金钢和特殊质量合金钢。优质合金钢生产过程中需要特别控制质量和性能;特殊质量合金钢生产过程中要严格控制质量和性能。
一般工程结构用合金钢属优质合金钢俗称合结钢。主要用于制造机械结构件,大多经热处理后使用。由于合金元素作用,增加淬透性(Mn,Mo,Cr)、细化晶粒(V,Ti…)提高淬火稳定性。低碳合金结构钢经过渗碳,氮 淬火及低温回火处理后,构件表面耐磨,心部韧性好,也叫表面硬化钢;中碳合金结构钢经过调质处理,能获得良好的综合性能,叫调节器质钢。
合结钢牌号用两位阿拉伯数字和合金元素符号及数字表示,数字表示平均含碳量万分数,平均合金含量小于1.5%时,钢号中仅标明元素符号,不标明含量,含量大于1.5%时,用数字标明。
优质合金钢除合结钢外,还包括合金钢筋钢、地质石油钻探用合金钢、电工硅钢、铁道用合金钢。
合金钢根据各种元素在钢中形成碳化物的倾向,可分为三类:
①强碳化物形成元素,如钒、钛、铌、锆等。
这类元素只要有足够的碳,在适当的条件下,就形成各自的碳化物;仅在缺碳或高温的条件下,才以原子状态进入固溶体中。
②碳化物形成元素,如锰、铬、钨、钼等。这类元素一部分以原子状态进入固溶体中,另一部分形成置换式合金渗碳体,如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等,如果含量超过一定限度(除锰以外),又将形成各自的碳化物,如(Fe,Cr)7C3、(Fe,W)6C等。
③ 不形成碳化物元素,如硅、铝、铜、镍、钴等。这类元素一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶体中。合金元素中一些比较活泼的元素,如铝、锰、硅、钛、锆等,极易和钢中的氧和氮化合,形成稳定的氧化物和氮化物,一般以夹杂物的形态存在于钢中。锰、锆等元素也和硫形成硫化物夹杂。钢中含有足够数量的镍、钛、铝、钼等元素时能形成不同类型的金属间化合物。有的合金元素如铜、铅等,如果含量超过它在钢中的溶解度,则以较纯的金属相存在。
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