钢种锰元素的作用与回火脆性

钢种锰元素的作用与回火脆性 这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25％，比普通碳素结构钢有较高的屈服点σ或屈服强度 σ(30～80kgs0.2 2f/mm)和屈强比σ/σ(0.65～0.95),较好的冷热加工成型性,良好的焊接sb 性,较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海 水等腐蚀能力。其合金元素含量较低,一般在2.5％以下，在热轧状态 或经简单的热处理(非调质状态)后使用；因此这类钢能大量生产、广 泛使用。各发达工业国家的低合金高强度钢产量约占钢产量的10％（见合金钢）。 19世纪末，在低合金高强度钢发展的初期，钢种的合金只 考虑抗拉强度。钢中加入较高含量的Si、Mn、Ni、Cr等某一合金元素以改善某一方面的使用性能，但获得高强度的主要手段仍然依赖于 较高的含碳量。随着钢结构由铆接向焊接发展,为了提高钢的抗脆断 性能,逐步向降低钢中含碳量和复合合金化的方向变化。20世纪50年代，为节约合金元素，曾采用热处理的以获得强度和韧性的良好 匹配。60年代，开始了称之为微合金化和控制轧制生产的新阶段， 出现了一些新的钢种。至70年代，发展成熟的微珠光体钢和无珠光 体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢、热轧双相钢以及低碳马氏体 钢在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到推广应用；预 计在80年代，这些钢种在工程结构材料中将占有重要的地位。中国 于1957年开始研制低合金高强度钢，结合中国的资源发展了Mn、Mn-V、Mn-Ti、Mn-Nb和Mn-Mo等一系列的钢种，屈服强度为30～7 2。 0kgf/mm 目前，新型的低合金高强度钢以低碳(?0.1％)和低硫(?0.015％)为主要特征。常用的合金元素按其在钢的强化机制 中的作用可分为：固溶强化元素(Mn、Si、Al、Cr、Ni、Mo、Cu等)；细化晶粒元素(Al、Nb、V、Ti、N等);沉淀硬化元素(Nb、V、Ti等)以及相变强化元素(Mn、Si、Mo等)（见金属的强化）。 C 在钢中形成珠光体或弥散析出的合金碳化物,使钢得到强化。 在微合金钢中为形成一定量的碳－氮化物，碳的含量只需要0.01～0.02％；所以降碳是这类钢发展的必然趋势，从而可大大改善钢的韧性 和焊接性能。 Mn 高的Mn/C比对提高钢的屈服强度和冲击韧性有好处。锰能 降低γ?α 转变温度；有利于针状铁素体的形核；在加热过程中可增 大碳-氮化物形成元素在γ-Fe中的溶解度，从而增加了铁素体中碳化 物的弥散析出量。此外,由于高锰导致钢的应力／应变特性的变化,可以抵销鲍欣格效应的强度损失。 Si 多数低合金高强度钢不用硅合金化，但在热轧铁素体-马氏体多相钢中，硅是不可缺少的添加元素。 Mo 含钼钢（～0.15％Mo）有较高的强度，比传统的铁素体－ 珠光体钢又有较高的韧性。钼对钢在冷却过程中珠光体转变有抑制作 用。在针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢中的含钼量一般在0.2～0.4％。 Nb、V、Ti 在低碳的锰钢或低碳的锰-钼钢中添加0.05～0.15％ Nb(或V、Ti)，有明显的晶粒细化和沉淀硬化作用。钛在钢中形成硫 化物，改善冲击吸收功的各向异性和冷成型性。 稀土元素(RE) 微量(0.001％左右)稀土金属,不影响钢的强度。其主要作用是脱硫，它又是最有效的硫化物形态控制元素，减小韧性的 各向异性，防止钢的层状撕裂。 其他元素Ni、Cr、Cu等，在微合金钢中固溶硬化并不十分有效， 在非调质钢中一般控制在较低的含量范围。 低合金高强度钢按其主要性能和用途，可分为高强度用 钢、低温用钢和耐蚀用钢三类： 高强度用钢 这类钢除高强度外还兼有优良的低温韧性，其主要 特点和用途见表。这类钢的产量在中国占低合金高强度钢产量的80％ 2以上，其中屈服强度35～40kgf/mm级的钢种占大多数,应用最为广泛的是16Mn钢。 低温用钢 它们属于铁素体型低温用钢。通过提高钢的纯净度和 降低钢中磷、硫含量得到较低的韧性－脆性转变温度。这类钢主要有 09Mn2V（－70?）、06MnNb(-90?)、3.5％Ni(-100?)和06AlNbCuN (-120?)，用于制作低温设备的零部件。 耐蚀用钢 这类钢对大气、海水、硫化氢等环境有一定程度的抗 蚀能力,如10MnPNbRE钢耐海洋大气和海水腐蚀,用于船舶、板桩、 井架；12MoAlV钢适于制造炼油厂高温硫化氢设备;10MoWVNb钢 在用于400?氢、氮、氨高压管方面效果较好。 低合金高强度钢可在平炉、转炉或电炉冶炼。中国在 1979年以后已用氧气顶吹转炉-钢包吹氩-连铸板坯-热连轧,或电炉- 钢包喷粉-厚板轧机的工艺生产 Nb、V、Ti低合金高强度钢。钢 材一般在热轧后使用，为得到均匀的组织和稳定的性能，通常采用高 温回火、正火、调质等传统的金属热处理方法。屈服强度大于60kgf 2／mm的非调质厚板也可采用轧后控制冷却的方法来生产。 合金元素对钢的性能影响(见表1-37、表1-38) 1-37 Mr? + + 0 + + O O + O -- - + O O O ? - Mn? + ? ? - --- +++ O + ? --- --- ? ? -- ? -- Cr ++ + - ++ ++ - - ? + + ? - ++ ++ --- +++ --- Ni? + ? O + + O O ++ + -- - - ? ? - ? -- Ni? + ? +++ - -- +++ ++ ++ +++ ? --- --- ? ? -- ++ -- Si + +++ - ++ + - ? ? + - - - - - + - Cu + ? 0 ++ + 0 O ? + ? 0 --- ? ? O + ? M0 + ? - + + - - ? ++ ++ - - +++ ++ ++ ? -- C0 + ? - + + - - ? ++ +++ O - ? ? - ? ++ V + + - + + O O + ++ ++ ? - ++++ + - + -- W + ? O + + - - +++ +++ -- -- ++ + -- ? -- Al + ? - + + ? - + ? ? ? -- ? +++ -- ? ? Ti + - + + + - + + + + S ? ? - ? ? - - ? ? ? +++ --- ? ? ? - ? P + ? --- + + - - ? ? ? ++ - ? ? ? ? ? 注：“+”表示提高，“-’’表示降低，“O”表示没有影响，“?”表示影响情况尚不清楚，多个“+”或“-” 表示提高或降低的强烈程度。 ? 表示在珠光体钢中；?表示在奥氏体钢中。 1-38 主要作用为细化晶粒和脱氧，在渗氮钢中能促成渗氮层，含量高时，能提高高温抗氧化 性，耐H2s气体的腐蚀作用，固溶强化作用大，提高耐热合金的热强性，有促使石墨化Al 倾向 微量硼能提高钢的淬透性，但随钢中碳含量增加，淬透性的提高逐渐减弱以至完全消失 B C 含量增加，钢的硬度和强度也提高，但塑性和韧性随之下降 有固溶强化作用，使钢具有红硬性，提高高温性能、抗氧化和耐腐蚀性，为高温合金及C0 超硬高速钢的重要合金元素，提高钢的Ms点，降低钢的淬透性 提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加高碳钢的耐磨性，含量超过12%时，使钢具 Cr 有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，提高钢的热强性，是不锈耐酸钢及耐 热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性 含量低时，作用和镍相似，含量较高时，对热变形加工不利，如超过O．30%时，在热变 形加工时导致高温铜脆现象，含量高于O．75%时，经固溶处理和时效后可产生时效强化 Cu 作用。在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在，可提高钢的抗大气腐蚀性，2%一3%的 铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性 降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能， 为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的Mn 不利倾向 提高钢的淬透性，含量0.5%时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。提高热强性和蠕变 Mo 强度，含量2%～3%时，提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力 有不明显的固溶强化及提高淬透性的作用，提高蠕变强度，与钢中其他元素化合，有沉 N 淀硬化作用，表面渗氮，提高硬度及耐磨性，增加抗蚀性，在低碳钢中，残余氮会导致 时效脆性 固溶强化作用很明显，提高钢的淬透性(溶于奥氏体时)，增加回火稳定性，有二次硬化作Nb 用，提高钢的强度、冲击韧性，当含量高时(大于碳含量的8倍)，使钢具有良好的抗氢性 能，并提高热强钢的高温性能(蠕变强度等) 提高塑性及韧性，(提高低温韧性更明显)，改善耐蚀性能，与铬、钼联合使用，提高热强 Ni 性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一 固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，P 但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性 Pb 改善切削加工性 包括镧系元素及钇和钪等17个元素，有脱气、脱硫和消除其他有害杂质作用，改善钢的RE 铸态组织，O．2%的含量可提高抗氧化性、高温强度及蠕变强度，增加耐蚀性 改善切削性。产生热脆现象，恶化钢的质量，硫含量高，对焊接性产生不好影响 S 常用的脱氧剂，有固熔强化作用，提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透 Si 性，抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐蚀性。 含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化 固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性，固溶于奥氏体中提高钢的淬透性，但化合钛却 Ti 降低钢的淬透性。改善回火稳定性，并有二次硬化作用，提高耐热钢的抗氧化性和热强 性，如蠕变和持久强度，且改善钢的焊接性 固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性，但化合状态存在的钒，会降低钢的淬透性，增加钢 的回火稳定性，并有很强的二次硬化作用，固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。细 V 化晶粒以提高低温冲击韧性，碳化钒是最硬耐磨性最好的金属碳化物，明显提高工具钢 的寿命，提高钢的蠕变和持久强度，钒、碳含量比超过5.7时，可大大提高钢抗高温高压 氢腐蚀的能力，但会稍微降低高温抗氧化性 有二次硬化作用，使钢具有红硬性，提高耐磨性，对钢的淬透性、回火稳定性、力学性 W 能及热强性的影响均与钼相似，稍微降低钢的抗氧化性 锆在钢中作用与铌、钛、钒相似，含量小时，有脱氧、净化和细化晶粒的作用，提高钢 Zr 的低温韧性，消除时效现象，提高钢的冲压性能 注：各成分的含量皆指质量分数。 回火脆性：指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过 该温度区间的脆化现象。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回 火脆性。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，主要发生在回火温度 为250～400?时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不 再发生脆性，第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400～650?，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650?区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生催化现象。回火脆性的发生与 钢中所含合金元素有关，如锰，铬，硅，镍会产生回火脆性倾向，而 钼，钨有减弱回火脆性倾向。 合金钢，特别是铬镍钢；铬、锰、钢；铬硅钢，在450～650?范围内回火时，又出现冲击韧度猛烈下降，此现象称为第?类回火脆性（第 二类回火脆性）。其原因还有待进一步研究。不过，经电子探针的分 析发现，第?类回火脆性上述元素促进Sb、Sn、P等杂质在原奥氏体晶界上偏聚有关与晶界的偏析有关。 将出现第?类回火脆性的钢，在600?以上重新进行回火并迅速冷 却，即可恢复其韧性。提高钢的纯洁度，减少杂质元素含量，加入钼 （?0.5％）、钨（?1％），也可避免绝大多数合金钢的第?类回火脆 性。 奥氏体回火处理是一种较為特殊的热处理方法，主要程序是将钢材淬 入温度介於S曲线鼻部与Ar’’（Ms点）温度之间的热浴，直到过冷奥氏体完全变态成变韧体才取出空冷的一种热处理方法，亦称為变韧 淬火，它不需要再行回火处理。奥氏回火的最大特色是可得高硬度、 高韧性兼具的材质，一般而言，转变温度愈高，强硬度愈低，但可增 进低温韧性；转变温度愈接近Ms温度，所得之强度、硬度皆大增，且伸长率及断面收缩率亦大增，颇适合小型工件之大量生產。 马氏体回火处理是将钢材淬入Ms与Mf温度范围之间的热浴，经过长时间持温后，使过冷合金奥氏体体一部分变态成马氏体，一部分变 态成下贝氏体。此种热处理后，可不必再行回火处理，且可降低一般 淬火回火之急剧程度；其最终组织为回火马氏体及贝氏体之混合，因 此拥有高硬度和高韧性的组合。主要的缺点是需要保持恆温的时间甚 久，在工业应用上较不经济。 根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下 几种： （一）低温回火（150－250度） 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和 高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过 早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴 承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC58－64。 （二）中温回火（350－500度） 中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性 极限和较高的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理， 回火后硬度一般为HRC35－50。 （三）高温回火（500－650度） 高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的 热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好 的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构 零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200－330。 回火处理要避开几个会產生回火脆性的温度范围，这些脆化温度范围 视钢材种类而有所不同，包括：（1）270?至350?脆化（又称低温回火脆性或A脆性），大多数的碳钢及低合金钢，都在此温度范围内 发生脆化现象； （2）400?至550?脆化，通常构造用合金钢在此温度范围内会產生 脆化现象； （3）475?脆化（特别指Cr含量超过13%的肥粒体系不銹钢）； （4）500?至570?脆化，针对工具钢或高速钢在此温度范围加热， 会析出分佈均匀的碳化物，產生二次硬化效果，但也易导致脆性。 淬火钢回火时,随着回火温度的升高,通常其强度,硬度降低，而塑性， 韧性提高。但在某些温度范围内回火时，钢的冲击韧性不仅没有提高， 反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。 因此，一般不在 250－350度进行回火，这就是因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发 生回火脆性。这种回火脆性称为低温回火脆性或第一类回火脆性。 产生低温回火脆性的原因，目前还不十分清楚。一般认为是由于碳化物 以断续的薄片状沿马氏体片或马氏体条的界面析出所造成的。这种硬 而脆的薄片碳化物与马氏体间的结合较弱，降低了马氏体晶界处的强 度，因而使冲击韧性反而下降。 1． 降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆 性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 2． 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为 了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整 硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 3． 稳定工件尺寸 4． 对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高 温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回 火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期 的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与 淬火、正火配合使用。 ?调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回 火是指在500-650?之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到 很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械 性能。 ?时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、 形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250?）精加工前，把工件重新加热到100-150?，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进 行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。