合金元素对工具钢强度的影响

合金元素对工具钢强度的影响
⑴强化机制
强化就是强度增高的现象。强度一般指对塑性变形的抗力。金属的塑性变形是位错运动引起的，所以阻碍位错运动都会使金属的强度提高，造成强化。金属结构中能阻碍位错运动的障碍可以主要归纳为四种，因而强化机制也有四种：
溶质原子-固溶强化；晶界-细晶强化；第二相粒子-第二相强化；位错-位错强化。
①固溶强化
合金形成固溶体时，由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同，溶剂晶格发生畸变，并在周围造成一个弹性应力场。此应力场与运动位错的应力场发生交互作用，使位错的运动受阻。不同合金元素溶于F 中所产生的固溶强化效应不同。其中C 、N 的强化效果最大；P 的强化效果也很显著，但它增大钢的冷脆性；一般以Mn 、Si 等为强化元素较适宜。
②细晶强化
晶界分大角度晶界（如A 、F 的晶粒边界等）和小角度晶界（如M 板条间的界面、亚晶粒之间的界面等）两类。晶界能有效地阻碍位错运动，使金属强化。晶粒愈细，强化作用愈大。钢中常用细化晶粒的元素有Nb 、V 、Al 、Ti 等。细化晶粒在提高钢强度的同时也改善韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
③第二相强化
运动位错通过位于滑移面上的第二相粒子时，需要消耗额外的能量，使合金发生强化。位错通过第二相粒子的机制有两种：①当粒子间距或粒子直径很小时，位错切割粒子而通过，强化效应随粒子间距的增大而增强；②当粒子间距大于某临界值时（例如一般工业合金的情况），位错则绕过粒子。因此，要求第二相粒子有很高的弥散度。获得高弥散度粒子的方法有两种。一种是依靠热处理从过饱和固溶体中沉淀析出第二相（称为析出强化或沉淀硬化）；另一种是利用机械、化学等方法引入极细的第二相粒子（称为分散硬化）。钢中P 内渗碳体片所起的强化作用也属于第二相强化，其强化量与片间距的平方根成反比。片愈细，间距愈小，强化作用愈大。
④位错强化
运动位错碰上与滑移面相交的其它位错时，发生交割而使运动受阻。一般说，面心立方金属中的位错强化效应比体心立方金属的大。面心立方金属（例如Cu 、Al ）利用位错强化是很有利的。金属的冷变形能产生大量位错，所以强化效果显著。
合金中的相变，特别是低温下伴随有容积变化的相变，如M 相变等，都会造成大量的位错，也能使合金显著强化。
实际金属中，都是几种强化机制同时起作用，很少只有一种强化机制起作用的。
⑵工具钢的强化
提高工具钢强度最重要的方法是淬火和随后回火。
工具钢淬火得到M ：
①M 中溶有过饱和的碳及合金元素，产生很强的固溶强化效应；
②M 形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；
③ A 转变为M 时，形成许多极细小的、取向不同的M 束，产生细晶强化效应。
因此淬火M 具有很高的硬度，但脆性极大。淬火后回火，M 中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由于基本上保持了淬火态的细小晶粒，较高密度的位错及一定的固溶强化作用，所以回火M 仍具有很高的强度，并且因间隙固溶引起的脆性减轻，韧性还大大改善。由此可知，M 强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是工具钢的最经济和最有效的强化方法。
合金元素加入钢中，首要的目的是提高淬透性，保证在淬火时容易获得M 。合金元素通过置换固溶强化机制，能够直接提高钢的强度，但作用有限。在完全获得M 的条件下，碳钢和合金钢的强度水平是一样的。
合金元素加入的第二目的是提高工具钢的回火稳定性，使工具钢回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定；并使M 的微细晶粒及高密度位错保持到较高温度。这样，在相同韧性的条件下，合金钢比碳钢具有更高的强度。此外有些合金元素还可使工具钢产生二次硬化，得到良好的高温性能。
由上可见，合金元素对工具钢强度的影响，主要是通过对工具钢的相变过程的影响起作用的，合金元素的良好作用，也只有经过适当的热处理才能充分发挥出来。