每期精准一尾中特2019
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聊聊合金化2
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合金元素加入鋼中會引起什么樣的作用呢?我們先來看看碳,從鐵碳相圖中我們可以看到,鐵加熱到912℃,會從所謂bbc結構轉變為fcc結構,加入碳后這個轉變點就會下降,當加到0.77%碳時,相變臨界點就會成為727℃,912-727=185℃,0.77%碳可以降低相變臨界點185℃之多。


同樣,鐵加熱到1394℃,會從所謂fcc結構轉變為bbc結構,加入碳后這個轉變點就會上升,當加到0.09%碳時,臨界點就會成為1495℃,1495-1394=101℃,0.09%碳又可以升高上臨界點101℃之多。因此,我們可以看到,同樣是碳,既可以升高上臨界點,也可以降低下臨界點。好了,記住這個事情,我們先把這個現象放一放,說點鋼冶煉方面的事情。


我們可以把鋼看作是以鐵為基的合金,其晶體的點陣結構是由鐵決定的。鋼中常常含有其他元素,比較純凈的鋼,即使如純鐵,也會發現其中含有十多種或更多的其他元素。由于冶煉時所用原材料、冶煉方法和工藝操作等方面的影響,鋼中除了碳以外,還含有的少量的其他元素,可能含有硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等等,它們一般作為雜質或殘余元素對待,而不認為是合金元素。


錳可由生鐵帶入鋼中,錳與硅還可以脫氧劑形式加入。硫、磷均由原料帶入,并由于煉鋼時除不干凈而被保留下來。在冶煉過程中由于采用某些礦區的礦石和原料,因而把某些元素帶入鋼中,例如我國大冶鐵礦中含有銅,煉成的鋼含有銅;攀枝花鐵礦含有釩和鈦,煉成的鋼含有釩和鈦;白云鄂博鐵礦含有稀土,因而冶煉成的鋼不可避免含有微量稀土元素。


一樣的包子,天津的比北京的好,一樣的鴨子,北京烤的比南京的好,一樣的羊,內蒙古的羊肉最好吃,新疆串的最大,一樣的面,蘭州拉的最棒,一樣的酒精兌水,貴州茅臺鎮兌的最貴,一樣分數,北京上名牌大學最低……,如此等等。所以,同樣是45鋼,寶鋼的、武鋼的、攀鋼的、包鋼的等等均會不同,而好多干熱處理的不管這一套,拿過來照著一個固定的工藝就干!這也是我們在學好熱處理必須掌握的八個方面專業知識中,為什么要把一分為二列為第一條的重要原因。


 煉鋼時也可由廢鋼含有某些元素而帶入一些意外的元素。殘余元素的存在有時可起到一些有益的作用,如殘余的鉻、錳可以提高鋼的淬透性;殘余的釩和鈦可以細化晶粒。但在大多數情況下會產生不利的影響。例如殘余元素鎳、鉻、銅等的存在會對鋼的焊接性和冷變形加工性產生不利的影響,所以對優質碳素鋼都規定了殘余元素的最高許可含量。


在冶煉過程中,鋼液不可避免地隱含微量的氣體如氧、氮、氫等。這些元素在鋼中的含量雖然很少,但在一定條件下或超過一定含量后,都會對鋼的性能產生重要影響,因而不能不加以考慮。在碳素鋼的基礎上,為了改善和提高鋼的某些性能或使之獲得某些特殊性能而有目的的在冶煉過程中加入的元素稱為合金元素。加入合金元素的鋼稱為合金鋼。


由此,可以推出鋼中的元素分為兩類:雜質元素和合金元素。一個元素是雜質元素還是合金元素,不看含量多少,不看有好處還是有害處,最原則的、最重要的唯一標準是看是否有目的的加入!有目的的加入的再少也是合金元素,哪怕加入0.0003%(百萬分之三),即3ppm,也是合金元素,例如硼鋼中的硼,無目的的加入,哪怕是達到1.2%,也是雜質元素,例如65Mn鋼中的錳,所以說,65Mn鋼是碳素鋼,65Mn鋼是碳素鋼,65Mn是碳素鋼!重要的事情說三遍,因為65Mn鋼中的錳是冶煉過程中由脫氧劑帶入的,不是有目的加入的!


想進入別人家,無非就:與男主人親近、與女主人親近、與男女主人都親近,與男女主人都不親近(查水表的)、與別人家中的薄弱環節親近(小偷)五種情況。


我們已經知道,合金鋼是在碳素鋼的基礎上,加入合金元素形成的。而碳素鋼就是鐵碳合金,合金元素加入后也無非就五種情況:1、與鐵相互作用,2、與碳相互作用,3、與鐵和碳相互作用,4、與鐵和碳都不相互作用,5、與鋼中晶體缺陷相互作用。


回到前面,我們知道,有些合金元素會提高或降低臨界點,或者,會提高且降低臨界點,所以鋼中的合金元素可以按照對臨界點的影響進行分類。鐵碳合金的臨界點有許多,為了更好地方便交流,鐵碳合金相圖里面習慣用A+數字或字母來表示,A指臨界點,是法文Arrestation (駐點)的第一個字母。鐵碳合金相圖里面有A0、A1、A2、A3、A4、Acm幾種。


分別指的溫度為:

A0:溫度230℃,滲碳體的居里點(磁性轉變點,高于此溫度由鐵磁性轉變為順磁性)。

A1:PSK線,溫度727℃,共析轉變溫度。

A2:MO線,溫度770℃,鐵素體的居里點。

A3:GS線,溫度727~912℃,鐵素體轉變為奧氏體的終了線(加熱)或奧氏體轉變為鐵素體的開始線(冷卻)。

A4:NJ線,溫度1394~1495℃高溫鐵素體轉變為奧氏體的終了線(冷卻)或奧氏體轉變為高溫鐵素體的開始線(加熱)。

Acm:ES線,溫度727~1148℃碳在奧氏體中的溶解度曲線,也成為滲碳體的析出線。cm代表cementite(滲碳體)對熱處理比較重要和常用的是A1、A3、Acm,另外:由于加熱的時候有過熱度,冷卻的時候有過冷度,所以同樣一個相變點,具體的加熱和冷卻不一樣,因此,加熱的時候用c(法文加熱chauffage 的第一個字母)表示,冷卻的時候用r(法文冷卻refro idissement 的第一個字母)表示,所以相應的有:加熱Ac1、Ac3、Accm,冷卻Ar1、Ar3、Arcm。


我們知道,鐵在加熱和冷卻過程中會產生多型性轉變。912℃以下是體心立方晶格,我們以α-Fe命名,912~1394℃之間是面心立方晶格,我們以γ-Fe命名, 1394~1538℃之間是體心立方晶格,雖然也是體心立方晶格,由于與α-Fe晶格參數不同,不是一種,所以我們以δ-Fe命名,這個就跟家里同時或不同時生了兩個男孩,雖然都是兒子,為了以示區別,顯然都必須起不同的名字,否則你提一個名字就分不清誰是誰。


合金元素進入鐵中,會溶解于鐵的晶格中,合金元素溶入α-Fe中形成以α-Fe為基礎的固溶體,我們稱之為鐵素體,溶于γ-Fe形成以γ-Fe為基的固溶體我們稱之為奧氏體。溶入δ-Fe中形成以δ-Fe為基的固溶體,我們稱之為高溫鐵素體以示區別。


對于那些在γ-Fe中有較大的溶解度,并穩定γ-Fe固溶體的合金元素,稱為奧氏體形成元素;在α-Fe有較大的溶解度,使γ-Fe不穩定的合金元素,稱為鐵素體形成元素。合金元素對α-Fe, γ-Fe和δ-Fe的相對穩定性以及多型性轉變溫度A3和A4均有極大的影響。


需要注意的是α-Fe并不完全等同于鐵素體,因為α-Fe是純鐵,鐵素體是溶解了合金元素(當然,也包含碳這個合金元素)的固溶體,嫁給一個男人,并不完全等同于他老婆,也可能是二奶、也可能是小三。皇帝后宮有多少,合金元素有多少,而皇帝只有一個,α-Fe也只有一個。與此類似,同樣γ-Fe也并不完全等同于奧氏體。


習慣上,溶解了碳的稱為鐵素體、奧氏體、滲碳體,溶解了除碳之外的合金元素,稱為合金鐵素體、合金奧氏體、合金滲碳體,但如果不是為了特意說明其他合金元素的作用的時候,不管三七二十一,統統把合金兩字拿掉,就跟人們親近了以后直接叫名而把姓拿掉了一樣。克強啊,你好啊!


在純鐵加熱和冷卻過程中產生的多型性轉變是在恒定溫度下進行的。加入合金元素后,這個轉變就成為在一個溫度范圍內進行,例如A3溫度點912℃變成了727~912℃的GS線,這樣,α相或者δ相在這個溫度范圍內就會與γ相在平衡狀態下同時存在。


我們已經知道,合金元素跟鐵作用后,可以改變臨界點,如果使A3下降,A4上升,使γ-Fe存在的溫度范圍由原來的912~1394℃產生擴大,我們稱之為擴大γ相區的元素,合金元素含量越多,A3和A4的距離越大,這類元素常見的有鎳、鈷、錳;碳、氮、銅。其中前三個無限固溶,后三個有限固溶。


對于鐵碳合金,奧氏體在常溫根本就不能夠穩定存在,只能夠在高溫存在。前面我們講到,加到0.77%碳時,相變臨界點就會降低為727℃,降了近二百度,如果再加點擴大γ相區的元素,如加點鎳,再加點錳,(鈷伴有天然放射性同位素,不是個好東西,一般不加)或者多加鎳,或者多加錳,相變臨界點會不會一直降低呢?這樣降低、降低,降到零下溫度,這樣,奧氏體就會不會在室溫存在呢?


事實證明真的會是這樣!當鎳加到24%,或者錳加13%左右,就能夠獲得純奧氏體,其實奧氏體不銹鋼就是這么來的。當然這個只是加單一元素的情況,沒有考慮合金元素之間的相互作用。


合金元素改變臨界點,如果使A3上升,A4下降,使γ-Fe存在的溫度范圍由原來的912~1394℃產生縮小,我們稱之為縮小γ相區的元素,合金元素含量越多,A3和A4的距離越近,屬于這類元素有釩、鉻、鈦、鎢、鉬、鋁、磷、錫、銻、砷、硼、鋯、鈮、鉭、硫、鈰等等。其中釩、鉻與α-Fe無限固溶,其余都與α-Fe有限溶解。


可能有人會說,我的天哎!或者說 My God!縮小γ相區的元素這么多哎,我都糊涂了,記不住啊!要我說,你記住它們干嘛?它們就是垃圾,知識垃圾!你只需要記住擴大γ相區的元素鎳、鈷、錳;碳、氮、銅這六個就行了,剩下的就是縮小的唄!隨便拿一個元素,只要不是這6個,都是可以認為是縮小γ相區的,這個結論雖然不是百分之百正確,基本上八九不離十。現在查找資料非常方便,學習或工作不需要全部知識都背會,只需要進行有效的記憶+合理的邏輯推理與擴大γ相區的元素類似,如果不斷地加縮小γ相區的元素,A3和A4的距離越來越近,最終A3和A4重合,奧氏體消失,這就是鐵素體鋼。


與鐵形成置換固溶體的元素其擴大與縮小γ相區的能力與該元素本身屬于那一族,元素本身晶體點陣類型,該元素與鐵的化學作用及彈性作用有關。這種擴大或縮小γ相區的能力可以用它們在α-Fe和γ-Fe中的溶解度來衡量。利用合金元素擴大或縮小γ相區的作用可以獲得鐵素體鋼或奧氏體鋼,這些鋼具有特殊的性能,在工業和技術上得到了應用。


對合金元素與鐵的相互作用產生的各種影響,目前還沒有圓滿的理論解釋。這個即是材料和熱處理工作者的無奈,也是巨大的希望!說明這個領域是正在蓬勃發展中的科學。因為,前面給你留下了許多獲大獎的可能,或許,至少一定量甚至于海量的人民幣或美元在向你招手,趕快投入它們的懷抱吧!


說完鐵了,我們再說說碳。合金元素與碳怎樣呢?那能夠怎樣?無非兩種情況:一沒有關系,二有關系,而且是隔壁老王的關系。


沒有關系的情況,我們叫做非碳化物形成元素。這一類元素包括Ni、Si、Co、A1、Cu等,因為與碳沒有關系,加入鐵碳合金中只能與鐵有關系了,以溶入α-Fe或γ-Fe中的形式存在,有的可形成非金屬夾雜物和金屬間化合物。另外,Si的含量高時,可使滲碳體分解,使碳游離并以石墨狀態存在,所以,Si也稱為石墨化元素。


隔壁老王的關系我們叫做碳化物形成元素。這一類元素包括Ti、 Nb、 Zr、 V、 Mo、 W、 Cr、 Mn等。隔壁老王關系的結果你懂得!它們的X情結晶就是有個孩子叫碳化物!(X=友、愛、偷……)。而且與碳的親和力越大,形成碳化物的趨勢就越強,這種碳化物也就越穩定,越不易分解。合金元素形成碳化物的穩定程度由強到弱的排列次序為:Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。


由于合金元素眾多,除了隔壁老王,還有樓上老張、樓下小江、對門克強,而鋼一旦煉成,碳量確定,那么就出問題了,碳不夠用啊!那怎么辦?它們中的一部分與碳形成碳化物,另一部分只能無奈地溶入奧氏體和鐵素體中了,各元素在這兩者之間的分配,決定于它們形成碳化物的強弱程度及含量。


碳化物形成元素中的Ti、Zr、V、Nb為強碳化物形成元素,它們和碳有極強的化合力,只要有足夠的碳,在適當的條件下,就能形成它們自己特殊的碳化物,僅在缺少碳的情況下,才以原子狀態溶入固溶體中。Mn為弱碳化物形成元素,除少量可溶于滲碳體中形成合金滲碳體外,幾乎都溶解于鐵素體和奧氏體中;中強碳化物形成元素為W、Mo、Cr,當其含量較少時,多半溶于滲碳體中,形成合金滲碳體,當其含量較高時,則可能形成新的特殊碳化物。


下面我們說說碳的化合物,對隔壁老王比較氣憤的、對隔壁老王行為不能理解的繞過下一段。


隔壁老王的孩子往往具有特殊的性能,從耶穌到秦始皇,從劉邦到武媚娘,都是聰明的孩子(沒有考證,耶穌的隔壁老王據說到現在也沒有找到,秦始皇的隔壁老王據說是呂不韋、劉邦的隔壁老王據說是神龍……),因此,碳化物往往具有特殊的性能,比如高的熔點、高的硬度、特殊的物化性能,如此等等。


先說說滲碳體,滲碳體是鐵碳化合物,長得既不像他爹也不像他娘,也就是說晶體結構既不是鐵的也不是碳(石墨)的,是自己單獨的。熔點較高,特別硬,其實,鋼是比較軟的鐵素體+比較硬的滲碳體相構成,這也是為什么鐵碳合金相圖的組元標注Fe-Fe3C的原因之一。鐵素體類似水泥,純水泥其實并不怎么結實,滲碳體可以看做沙子,沙子之間幾乎沒有強度卻很硬,把水泥和沙子按照不同的比例混合,調整沙子的比例就形成了性能不同的混凝土,而混凝土是相當結實的。與此類似,調整滲碳體的比例就形成了性能不同的鋼,而調整滲碳體比例,首先是調整碳含量,這個由鋼鐵廠做,搞熱處理的只要選對就可以了,其次是用熱處理來調整,通過加熱時控制溶入奧氏體的量或者通過冷卻時的析出、回火溫度和時間的控制來調整。


此外,作為混凝土,即使一樣的沙子量,沙子的大小、形狀、分布不同,混凝土的性能也不同,抹墻的用細沙子,鋪地的用小石子,鋪路用較大的石頭子,打地基的用石頭塊。所以,即使同樣含碳量的鋼,也可以通過不同的熱處理工藝來調整滲碳體的大小、形狀、分布,從而來達到鋼性能不同的目的。比如說球化退火來調整滲碳體的形狀,正火來調整滲碳體片的厚薄,回火來調整滲碳體顆粒的大小,雙相區亞溫淬火調整滲碳體與鐵素體比例,如此等等。


如果碳原子與合金元素原子半徑相比rC/rM >0.59時,就形成如Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C(如Fe3Mo3C、Fe3W3C)等的間隙化合物。這類化合物熔點較低,穩定性稍差,加熱時較易溶解于奧氏體中,從而提高淬透性。合金元素只有溶入奧氏體才能夠提高淬透性。所以,Mn、Cr是提高淬透性效果比較大的合金元素。調質鋼和一般鋼幾乎都含有Cr、含有Mn,或者兩者皆有之。


再次我們說說間隙相。如果碳原子與合金元素原子半徑相比當rC/rM<0.59時,形成間隙相,或稱之為特殊碳化物,如WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等,與間隙化合物相比,它們的熔點、硬度高,很穩定,熱處理時不易分解,不易溶于奧氏體中。


所以,W、V、Ti、W、Mo等這類元素對提高淬透性作用不明顯,因為不易溶入奧氏體,其實加它們的目的并不是為了提高淬透性。當然,如果你非得用它們提高淬透性,那么熱處理時就不得不把加熱溫度提高。加這類元素的主要目的另有原因。比如利用它們的高熔點的特點,用在耐熱的地方,利用它們的高硬度的特點,用在耐磨的場合或希望減少磨損的工模具上面,利用它們很穩定的特點,用在高溫環境的零件用材料,如此等等。


最后,還有一點需要說明,合金元素還可以溶入碳化物中形成多元碳化物,如Fe4Mo2C、Fe21Mo2C6、Fe21W2C6等,其中Fe、W或Fe、Mo的比例常有變化,而且還能溶解其它金屬,故常以M6C、M23C6表示。合金元素溶于滲碳體中即為合金滲碳體,如(FeCr)3C、(FeMn)3C等,常以(FeM)3C表示。

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