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65mn钢板中合金元素对力学和工艺性能的影响

  65mn钢板中加入合金元素的目的是使钢具有更优异的性能,所以合金元素对性能的影响是我们最关心的问题。合金元素主要通过对组织的影响而对性能起作用,因此,必须根据合金元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对力学性能的影响。

  ①合金元素对强度的影响。强度是金属材料最重要的性能指标之一,使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构件材料的主要目的。金属的强度一般是指金属对塑性变形的抗力。金属强化一般有以下几种方式:

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  a.固溶强化。由于溶质原子与基体原子的大小不同,因而使基体品格发生畸变,造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力,产生强化。固溶强化的强化量与溶质浓度有关,在达到极限溶解度之前,溶质浓度越大,强化效果越好。

  一般而言,间隙固溶强化效果比置换固溶强化效果要强烈得多,其强化作用甚至可差1~2个数量级。但是,固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的,固溶强化效果越好,塑性和韧性下降越多。

  b.细晶强化。晶界或其他界面可以有效地阻止位错通过,因而可以使金属强化。晶界强化的强化量与晶界数量,即晶粒大小有密切的关系。晶粒越细,单位体积内的晶界面积越大,则强化量越大。

  许多碳化物形成元素(如钒、钛、铌)由于其容易与碳形成熔点非常高的碳化物,可以阻碍晶粒长大,所以具有细化晶粒的作用。

  晶粒细化是一种非常有效的强化手段,当晶粒细化达到5级以后,得到所谓的超细晶粒,这时纯铁或软钢的屈服强度可以达到400~600MPa,接近于中强度钢的屈服强度。晶粒细化不仅可以提高强度,还可以改善钢的韧性,这是其他强化方式难以达到的。因此细晶化,特别是超细晶化,是目前正在大力发展的重要强化手段。

  c.弥散强化。合金元素加入到金属中,在一定条件下会析出第二相粒子,而这些第二相粒子可以有效地阻止位错运动。当运动位错碰到位于滑移面上的第二相粒子时,必须通过它,滑移变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外能量,或者需要提高外加应力,这就造成了强化。

  但是,只有当粒子很小时,第二相粒子才能起到明显的强化作用,如果粒子太大,则强化效应将微不足道。因此,第二相粒子应该细小而分散,即要求有高的弥散度。粒子越细小,弥散度越高,则强化效果越好。

  ②合金元素对塑性和韧性的影响。除了极少数几个置换式合金元素外,所有的合金元素都会降低钢材塑性和韧性,使钢脆化。一般而言,除了细晶强化能同时提高强度和塑性、韧性外,所有强化方式都会降低塑性和韧性。在这些强化方式中,危害最大的是间隙固溶强化,因此,间隙固溶强化尽管能显著提高强度,也不能作为一种实用的基本强化机制。而淬火马氏体必须进行回火,也是为了减轻间隙固溶强化对塑性和韧性的影响。冷变形强化也会降低塑性和韧性,所以,对于大多数钢来说,冷变形强化只能作为一种辅助强化方式。相对而言,析出强化(即第二相强化)的脆化作用最小,因此,它是应用最广泛的强化方法之一。

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  ③合金元素对65mn钢板工艺性能的影响。合金元素对钢工艺性能的影响,是一个重要问题。材料没有良好的工艺性能,在实际中很难获得广泛的应用。合金元素对钢工艺性能的影响,主要体现在以下几个方面:

  a.合金元素对铸造性能的影响。铸造性能主要与钢固相线和液相线温度的高低,以及它们之间温度差(结晶区间)有关。固、液相线温度越低,结晶温度区间越窄,则铸造性能越好。因此,合金元素对铸造性能的影响,主要体现在其对相图的影响。一般共晶成分合金的铸造性能最好,由于钢的成分离共晶点很远,所以铸造性能不好。加入高熔点合金元素后,液态金属粘度增大,铸造性能下降。

  b.合金元素对锻造性能的影响。金属的锻造性能主要取决于热加工时的变形抗力、热加工温度的范围大小、抗氧化能力及氧化皮性质等因素。由于合金元素的影响,许多合金钢,特别是含有大量碳化物的合金钢与普通碳钢相比,高温强度很高,热塑性明显下降,锻造时容易锻裂。由于合金元素使钢的导热性能下降,所以锻造加热必须缓慢,以免造成热应力。与普通碳钢相比,合金钢的锻造性能明显下降。

  c.合金元素对65mn钢板焊接性能的影响。在钢的焊接性能中,最重要的是钢焊后开裂的敏感性和焊接区硬度。通常用“碳当量”来表示成分对焊接性能的影响。对钢而言,碳含量是影响其焊接性能的最重要因素,碳含量越低,焊接性能越好。在相同碳含量下,合金元素含量越高,则焊接性能越差。

  d.合金元素对可加工性的影响。由于许多合金钢含有大量硬而脆的碳化物,所以其可加工性比普通碳钢差。而有些合金钢的加工硬化能力很强,其可加工性也很差。

  为了提高钢的可加工性,可以在钢中加入一些改善切削性能的合金元素,得到所谓易切削钢。最常用的元素是硫,在易切削钢中,硫质量分数可高达0. 08%~0. 2%。易切削钢不但使工具寿命延长,动力消耗减少,表面粗糙度值降低,而且断屑性好,因此,广泛用于自动车床上的高速切削中,对于大批生产的一般零件是很有利的。

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