第1章 钢的合金化概论

第一章钢的合金化概论

1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？P1P2

①S和Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，使钢在热加工过程中产生热脆性

②P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在在冷加工过程中产生冷脆性

③杂质元素S、P容易偏聚于晶界，降低晶界结合强度，导致合金钢的回火脆性

2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？P12

简单点阵结构：硬度较高、熔点较高、稳定性较好。

复杂点阵结构：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。

3.简述合金钢中碳化物形成规律。P13

①强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物

②碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难

③NM/NC比值决定了碳化物类型

④当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构

⑤相似者相溶：形成碳化物的元素在晶体结构、原子尺寸和电子因素都相似,则两者的K可以完全互溶，否则有限溶解

4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？P9

①扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动

②封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动

③S点左移意味着共析C量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小

5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。

①退火态：非K形成元素绝大多数固溶于基体中，而K形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。

②淬火态：Me的分布与淬火工艺有关。溶入A体的元素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。

③回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。

6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ P18

Ti、Nb、V等强K形成元素

好处：细化晶粒，使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能

7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？P30

结构钢中，提高马氏体淬透性作用的元素从大到小排列：

（B）Mn、Mo、Cr、Si、Ni等

作用：①使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求

②淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向

8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？P28P32

提高回火稳定性的合金元素：V、Mo、W、Cr、Mn、Si

①使合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度

②或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些

9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？P24P34

第一类回火脆性

原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；杂质元素S、P、Bi等偏聚于晶界，降低了晶界的结合强度。第二类回火脆性

原因：钢在450-650℃回火时，杂质元素S、As、Sb等偏聚于晶界；或N、P、O 等杂质元素偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。

①避免在形成低温回火脆性温度范围内回火，或采用等温淬火、

快速回火等减弱起脆性倾向

②尽可能避免在形成高温回火脆性温度范围内回火，如不可避免，

应减少回火脆性温度下停留的时间，回火后快速冷却

③加入适量的Mo、W元素

④选用细晶粒钢或冶金质量好的高纯净钢

10.就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：V、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni。P12 P18P28 P25 P22 P24

小结：

V、Mo、W、Cr、Mn是K形成元素，细化晶粒，提高钢的回火稳定性。

Si、Ni是非K形成元素，增大钢中的碳活度，钢的脱C、石墨化倾向较大。

V、Mo、W、Cr阻止A晶粒长大，细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性

Mn在低碳钢中细化P，所以起细化晶粒的作用，在中高碳钢中促进A晶粒长大。非K形成元素Si、Al量少时，如果以化合物形式存在，则阻止A晶粒长大，含量较大时，存在于α固溶体，可能使钢在高温时也为α相，促进高温α晶粒长大非K形成元素Ni、Co、Cu对A晶粒长大的影响不大

V、Mo、W、Cr、Si是F形成元素，固溶强化效果显著（强度增加，韧性减小）Ni、Mn是A形成元素，降低A3温度使A在更高的温度下发生转变，从而细化F 晶粒和P组织，↑钢的强度和韧度。

V、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni提高钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。淬火时，可用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。

B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni

V、Mo、W、Cr、Mn提高回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高

于碳钢； Si提高低温回火稳定性 Ni的影响不大

V、Mo、W、Ti、Al改善回火脆性

（Mo、W能有效地抑制有害元素的偏聚，改善回火脆性）Si推迟低温回火脆性温度区

Cr、Mn、Ni促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向

总结：

11.根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr 、40CrNi 、40CrMn 、40CrNiMo

答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：（B)、Mn 、Mo 、Cr 、Si 、Ni ，而合金元素的复合作用更大。 ①淬透性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr P30

②回火稳定性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr P22

③奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn>40Cr >40CrNi >40CrNiMo P18

④韧性：40CrNiMo>40CrNi>40CrMn>40Cr （Ni 能够改善基体的韧度）P27 P28 ⑤回火脆性：40CrNi>40CrMn>40Cr>40CrNiMo （Mo 降低回火脆性）P24

V Mo W Cr Mn Si Ni K 形成倾向 强K 中强K 中强K 中强K 弱K 非K 非K

A 晶粒长大倾向

大大 阻碍

中等 阻碍

中等 阻碍

中等 阻碍

低C 钢细P 高C 钢促进 少量，以化 合物存在，阻碍

影响小

F 的力学 性能 ↑强度↓韧性 同上 同上 同上 ↑强度 ↑韧度 ↑强度↓韧性 ↑强度↑韧度 淬透性 增加 增加 增加 增加 增加 增加 增加

回稳性

提高

提高

提高

提高 提高 ↑ 低温 回稳

影响不大

回脆性

改善

↓

↓

促进

促进

推迟低温回脆，促进高温回脆

促进