电厂金属材料-合金钢

电厂金属材料2020/2/81第四章合金钢电厂金属材料2020/2/82•合金钢是以铁和碳元素为基础，为了满足某方面的性能要求，有目的加入一些其他元素冶炼而成的钢。这种有目的加入的合金元素有铬、锰、硅、钼、钨、钒、钛、铌、硼、镍、锆、稀土等。•合金元素加入后，可以提高钢的机械性能，改善钢的机械性能。有些合金元素的含量达到一定时，还可以钢具有某些特殊的机械性能或特殊的物理化学性能。第一节合金元素对钢的影响一、合金元素在钢中的存在形式电厂金属材料2020/2/83（一）合金元素溶入铁素体•几乎所有的合金元素或多或少地溶入铁素体而形成合金铁素体。由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径有差异，故合金元素溶入铁素体后必然引起晶格畸变，从而产生固溶强化，使铁素体的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，如图4-1及图4-2所示。•由图可知，合金元素加入量愈多，铁素体的硬度就愈高，以硅、锰、镍元素为最显著。由图4-2可知，硅量在1%左右，锰量在1.5%左右，既能提高铁素体的硬度，又不降低韧性：铬元素含量在2%~5%S时，不仅能提高铁素体的硬度，又能提高韧性。电厂金属材料2020/2/84（二）形成碳化物•按照合金元素在钢中与碳的作用不同，可以将合金元素分为两大类。•一类是不与碳作用的元素，因而不能形成碳化物，只能溶入固溶体；另一类是与碳有亲和力，能形成碳化物。•不与碳化合的元素有：镍、硅、钴、铝、铜等。能与碳化合形成合金化物的元素，按其与碳的亲和力由若到强大致可排成下列次序：锰、铁、铬、钼、钨、钒、锆、铌、钛等。•与碳亲和力较弱的元素（如锰、铬、钼、钨等）含量较少时，其中一部分以原子状态溶入固溶体，另一部分进入渗碳体而置换其中的铁原子，形成特殊的化合物，如Cr7C3或（Fe、Cr）7C3、WC或（Fe、W）6C等。•与碳的亲和力强的元素，如钒、锆、铌、钛等，只要钢中有足够的碳元素，就能形成这些元素的合金碳化物，如VC、ZrC、NbC、TiC等，只有在钢中缺少碳的情况下，这些元素才以原子状态溶入固溶体。•合金元素不同，合金碳化物的形状和尺寸也不同，强碳化物的碳化物成颗粒状，比较细碎。电厂金属材料2020/2/85二、合金元素对铁碳合金相图的影响•合金元素对Fe-Fe3C相图的相区和S、E等临界点位置有影响。用合金元素Fe-Fe3C相图的影响来分析合金钢的组织变化规律。•常用合金元素对Fe-Fe3C相图的影响可以分为两类。一类是扩大奥氏体组织的相区，属于这一类的合金元素有锰、镍、氮等；另一类是缩小奥氏体组织的相区，属于这一类的合金元素有铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等。•锰类元素及铬类元素对Fe—Fe3C相图中奥氏体相区和S、E点的影响，如图4—3和图4—4所示。电厂金属材料2020/2/86•从图4—3和图4—4中可以看出：•若钢中加入大量的扩大奥氏体区域的合金元素，甚至会使相图中的奥氏体延至室温以下。在室温下能获得稳定的单相奥氏体组织，这种合金钢叫奥氏体钢。•若钢中加入大量的缩小奥氏体区域的合金元素，则奥氏体区域可能封闭甚至消失，铁素体区域就扩大。在固态是具有稳定的单相铁素体组织，这种合金钢称为铁素体钢。•合金元素对A3及A1温度的影响，使合金钢的热处理加热温度发生变化。•由于S点左移，使含碳量相同的碳钢与合金钢组织不同。例如含碳量0.4%的碳钢为具有铁素体与珠光体的亚共析组织；但加入14%的铬以后，则变为珠光体的共析组织。•E点左移，就意味着出现莱氏体的含碳量降低，使含碳量低于2.11%的合金钢中出现莱氏体组织，这种钢就称为莱氏体钢。例如，高速钢的含碳量只有0.8%左右，但属于莱氏体钢。电厂金属材料2020/2/87三、合金元素对钢热处理的影响（一）合金元素对奥氏体化的影响合金元素加入钢中后，改变了碳在钢中的扩散速度。除镍、钴元素外，大多数合金元素使奥氏体化过程减慢。由于合金元素造成碳在奥氏体中扩散的困难，再加上合金碳化物稳定性较高，较难溶入奥氏体，致使奥氏体被推延到较高的温度范围内进行。合金钢在奥氏体化过程中，不仅要进行碳的均匀化，而且还要进行合金元素的均匀化，因此合金钢的奥氏体的保温时间也比碳钢长。合金元素中除锰外，几乎都能阻止奥氏体晶粒长大；尤其是与碳亲和力强的元素作用更为显著。因为强碳化物形成元素，在钢中能形成稳定的碳化物，且以弥散质点的形式分布在奥氏体的晶界上，对奥氏体晶粒的长大起机械阻碍作用。这有利于在粗火时获得细马氏体，使钢具有较好的机械性能。电厂金属材料2020/2/88（二）合金元素对过冷奥氏体转变的影响•合金元素中除钴外，几乎都能使C曲线右移，降低钢的临界冷却速度，提高钢的粗透性。常用合金元素对奥氏体转变的影响，如图4-5所示。•锰及非碳化物形成元素加入后仅使C曲线右移；与碳的亲和力比铁强的碳化物元素加入后，C曲线不仅右移；并改变了形状，分为上、下两个C曲线。其中上C曲线是珠光体转变区，下C曲线是贝氏体转变区，在两区之间过冷奥氏体具有较大的稳定性。•使C曲线右移最强烈的合金元素是铬、钼、锰。如果钢中同时具有两种以上的这些元素，C曲线右移则更明显，使钢具有极其良好的淬透性。合金钢淬透性显著增加。合金钢淬火回火后的强度和硬度也就能显著地提高。由于合金钢的淬透性好，有些合金钢可在油甚至空气中进行淬火冷却，从而减少了内应力。这样，合金钢经过热处理后，强度与硬度比碳钢高；而脆性也比碳钢小得多，因此，可以具有更高一些的综合力学性能。电厂金属材料2020/2/89•大多数合金元素使Ms与Mf温度点下降，如图4－6所示。Ms点愈低，淬火后钢中的参与奥氏体数量就愈多，因而会使钢淬火后的硬度和耐磨性下降，尺寸稳定性降低。电厂金属材料2020/2/810（三）合金元素对回火转变的影响•回火时钢的组织转变。主要是马氏体的分解及碳化物的析出与聚集长大的过程。合金元素加入钢中便推迟和阻碍这一过程的进行，如果需要完成上述的转变，则需要更高的温度和更长的保温时间。合金钢回火后，所得到的碳化物更加细碎，分散度也更大，强度和硬度值也就更高。•图4-7是含碳量为0.35%的碳钢，及含碳量相同而含钼不同的合金钢，在不同温度下回火后的硬度变化曲线。电厂金属材料2020/2/811第二节合金钢的分类及编号方法一、合金钢的分类•合金钢的种类繁多，通常按钢的成分和用途来进行分类。（一）按化学成分分类1．按合金元素总含量的多少分为低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量为5%~10%）及高合金钢（合金元素大于10%）。2．按加入的合金元素品种分为锰钢、铬钢、铬钼等。（二）按用途分类1．合金结构钢合金结构钢又分为两类：一类为建筑及工程结构用钢，即普通低合金钢；另一类为机器制造用钢，分为渗透钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。2．合金工具钢合金工具钢又分为三类：刃具钢（包括低合金刃具钢及高速钢）、模具钢（包括热模具钢和冷模具钢）、量具钢。3．特殊性能钢特殊性能钢又按所具有的特殊物理、化学和机械能分为磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。电厂金属材料2020/2/812二、合金钢的编号方法我国合金钢的牌号，由冶金部统一规定，是按照合金钢的用途和化学成分，用数字和元素的化学符号相结合的方法来表示的。（一）合金结构钢编号是：两位数字+元素符号+数字。前面的两位数字表示钢中平均含碳量的万分数；元素符号是指所含的合金元素；元素符号后的数字表示该元素在钢中的平均含量小于1%或1.5%时，钢号中只表明元素符号，不标数字。如果为2或3，则表示该元素的平均含量为1.5%~2.5%或2.56%~3.5%。余类推。例如40Mn2，表示钢中平均含碳量为0.4%，平均含锰量为2%；20Cr3MoWV，表示钢中平均含碳量为0.2%，平均含铬量为3%，钼、钨、钒元素的含量均小于1.5%。合金结构钢中，滚动轴承钢的编号用“G”字起首，不标含碳量，而标所含铬的元素符号Cr及其平均含量的千分数。如GCr15，表示含碳量0.95%~1.05%，含铬量1.3%~1.65%的滚动轴承钢。电厂金属材料2020/2/813（二）合金工具钢编号：一位数字（或无数字）+元素符号+数字。一位数字表示含碳量的千分数，合金元素及其含量的表示方法与合金结构相同。如果合金工具中的含碳等于或大于1.0%，用来表示含碳量的数字就省略。否则易与合金结构的钢号混淆。高合金工具钢中的高速钢，其含碳量虽小于1%，但在钢号中也不标出含碳量的数字。例如W9Cr4V2，表示钢中平均含钨量为9%，平均含铬量为4%，平均含钒量为2%，其含碳量经查表可知为0.85%~0.95%。例如9Mn2V，表示钢中平均含碳量为0.90%，平均含锰量为2%，含铬量小于1%。又如CrW5，表示钢中含铬量小于1.5%，平均含钨量为5%，含碳量则≥1%（经查表可知为1.25%~1.50%）。电厂金属材料2020/2/814（一）特殊性能钢•特殊性能钢一般可分为高合金与低合金两大类。高合金的特殊性能钢的钢号表示方法与合金工具钢相似。例如2Cr13，表示钢中平均含碳量为0.2%，平均含铬量为13%；又如1Cr18Ni，表示钢中平均含碳量0.1%，平均含铬量为18%，平均含镍量为9%，含钛量小于1%。在某些情况下，高合金特殊性能钢的含碳量，在钢号中也不标出，而直接写出所含的合金元素及其含量。例如Cr25Ti，钢中平均含铬量为25%，含钛量小于1%，经查表可知含碳量≤0.12%。低合金特殊性能钢的钢号表示方法与合金结构钢相似。例如25Cr2Mo1V，钢中平均含碳量为0.25%，平均含铬量为2%，平均含钼量为%，含钒量小于1%。电厂金属材料2020/2/815•含硫、磷量极少的高级优质合金钢，其钢号的后面应以A，例如50CrVA。一些作专门用途的合金钢，还有专门的钢号记号，例如16Mng，钢号中的g表示锅炉用钢。第三节合金结构钢概念:用于制造各种机械零件以及用于制造各种工程结构的钢，称为结构钢。•合金结构钢中常用的合金元素为锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛等。锰、铬、镍等元素对提高钢的综合力学性能起着主要作用，可称为主加元素。钨、钼、钒、钛等元素加入后能提高钢的淬透性，细化晶粒，为进一步改善钢的性能起着辅助作用，可称为辅加元素。•合金结构钢按成分以及用途的不同又可分为普通低合金钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。电厂金属材料2020/2/816一、普通低合金钢•普通低合金钢是在普通碳素结构钢中加入少量的的合金元素（总含量小于3%）后冶炼成的工程材料，又称为高强度工程用钢，简称普低钢。这类钢具有良好的焊接性能和机械性能，耐蚀性也较好。主要用于制造桥梁、车辆、船舶等工业；火电厂锅炉汽包、各种管子、炉顶主梁、风机叶片、高压油管等也广泛应用这种钢制造。•普低钢中含碳量一般控制在0.2%以下。含碳量高，回降低塑性和韧性，也影响焊接性能。普低钢中主加元素是锰、硅，常用辅加元素有钒、钛、铌或稀土等。如加如钼、硼还能提高珠光体的稳定性，增加钢的热强性。用钼、硼作辅加元素的普低钢近几年得到了迅速发展和应用。电厂金属材料2020/2/817常用普低钢的机械性能及用途钢号供货状态机械性能用途RelRmA12Mn热轧3002804504402119低压锅炉、容器、油罐、车辆、桥梁、船舶16Mn热轧350330310520500480211919锅炉、石油化工设备低压及中压容器；低、中压钢管；船舶、桥梁大型钢结构15Mnv热轧420400380560540520191817中、高压锅炉汽包，石油化工容器；可代12CrMo作锅炉钢管15MnTi正火4003805405201919压力容器及船舶、桥梁结构件；起重机械14MnMoV12MnMoV正火+回火正火+回火5004006505401617厚度大于60mm高压锅炉汽包及其他高压容器的钢板；12MnMoV可作500摄适度的锅炉钢管14MnMoVB14MnMoVBRe正火+回火正火+回火6505007506501516520摄适度以下的压力容器电厂金属材料2020/2/818二、渗碳钢•渗碳钢的含量很低，一般为0.1%~0.25%，以保证渗碳零件心部有足够的