合金元素在鋼中的存在形式：

　　溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在

　　形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或者金屬間化合物

　　形成非金屬夾雜，如合金元素與O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物

　　有些元素如Pb、Ag等游離態(tài)存在。

　　一、合金元素與鐵的相互作用

　　1 擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素（奧氏體形成元素）

　　使A4點(diǎn)上升， A3點(diǎn)下降，導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大

　　無限擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素：Ni, Mn, Co

　　有限擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素：C, Cu, N

　　2. 縮小奧氏體區(qū)的元素（鐵素體形成元素）

　　使A4點(diǎn)下降， A3點(diǎn)上升，導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定區(qū)域縮小

　　 完全封閉奧氏體區(qū)的元素： Cr, Ti, V, W, Mo, Al, Si

　　縮小奧氏體區(qū)，但不使之封閉的元素：B, Nb, Zr

　　二、 合金元素與碳的相互作用

　　1. 非碳化物形成元素

　　主要包括：B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si等

　　 它們不能與碳元素形成化合物，但可以固溶于鐵中形成固溶體

　　 這些元素都位于元素周期表中鐵元素的右邊

　　2. 碳化物形成元素

　　主要包括Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe

　　這些元素都位于元素周期表中鐵元素的左邊

　　它們都可與碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性質(zhì)差別很大

　　Fe-C相圖是研究鋼中相變和對碳鋼進(jìn)行熱處理時(shí) 選擇加熱溫度的依據(jù)，因此有必要先了解合金元素對Fe-C相圖的影響。

　　鋼中有三個(gè)基本的相變過程：加熱時(shí)奧氏體的形成、冷卻時(shí)過冷奧氏體的分解以及淬火馬氏體回火時(shí)的轉(zhuǎn)變。

　　合金元素對鋼加熱時(shí)奧氏體形成過程的影響

　　合金元素對減小奧氏體晶粒長大傾向的作用也各不相同。

　　Ti、V、Zr、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素強(qiáng)烈阻礙奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒。

　　W、Mo、Cr阻止奧氏體晶粒長大的作用中等。

　　非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奧氏體晶粒長大的作用輕微。

　　Mn、P有助于奧氏體晶粒的長大。

　　合金元素對過冷奧氏體分解過程的影響

　　幾乎所有的合金元素（除Co）外都使C－曲線向右移動(dòng)，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成速度。除Co、Al以外，所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降。

　　提高淬透性的元素主要有

　　Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B

　　合金元素對回火過程的影響

　　合金元素的主要作用是提高鋼的回火穩(wěn)定性（鋼對回火時(shí)發(fā)生軟化過程的抵抗能力），使回火過程各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度大大減慢，將其推向更高的溫度。

　　對合金鋼的回火穩(wěn)定性影響比較顯著的為：釩、鎢、鈦、鉻、鉬、鈷、硅等元素；影響不明顯的為：鋁、錳、鎳等元素

　　一、合金元素對鋼力學(xué)性能的影響

　　1. 溶解于鐵起固溶強(qiáng)化作用

　　幾乎所有合金元素均能不同程度地溶于鐵素體、奧氏體中形成固溶體，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但塑性韌性有所下降，使鋼具有強(qiáng)韌性的良好配合。

　　2. 形成碳化物，起第二相強(qiáng)化、硬化作用

　　按照與碳之間的相互作用不同，常用的合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩大類。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，它們在鋼中能與碳結(jié)合形成碳化物，如TiC、VC、WC等，這些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔點(diǎn)和穩(wěn)定性，如果它們顆粒細(xì)小并在鋼中均勻分布時(shí)，則顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。

　　3. 使結(jié)構(gòu)鋼中珠光體增加，起強(qiáng)化的作用

　　合金元素的加入，使Fe-Fe3C相圖中的共析點(diǎn)左移，因而，與相同含碳量的碳鋼相比，亞共析成分的結(jié)構(gòu)鋼（一般結(jié)構(gòu)鋼為亞共析鋼）含碳量更接近于共析成分，組織中珠光體的數(shù)量，使合金鋼的強(qiáng)度提高。

　　二、合金元素對鋼工藝性能的影響

　　1.對熱處理的影響

　?。?）對加熱過程奧氏體化的影響 ：合金鋼熱處理可適當(dāng)提高加熱溫度和延長保溫時(shí)間

　　合金鋼中的合金滲碳體、合金碳化物穩(wěn)定性高，不易溶入奧氏體；合金元素溶入奧氏體后擴(kuò)散很緩慢，因此合金鋼的奧氏體化速度比碳鋼慢，為加速奧氏體化，要求將合金鋼（錳鋼除外）加熱到較高的溫度和保溫較長的時(shí)間。除Mn外的所有合金元素都有阻礙奧氏體晶粒長大的作用，尤其是Ti、V等強(qiáng)碳化物形成的合金碳化物穩(wěn)定性高，殘存在奧氏體晶界上，顯著地阻礙奧氏體晶粒長大。因此奧氏體化的晶粒一般比碳鋼細(xì)。

　?。?）對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響 ：合金鋼淬透性更好，可減小淬火冷速，減小淬火變形。但殘余奧氏體增多

　　除Co外，所有溶于奧氏體中的合金元素，都使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增大，使C曲線右移，馬氏體臨界冷卻速度減小，淬透性提高。這使得合金鋼利用較小的冷卻速度即能淬成馬氏體組織，可減小淬火變形。因此大尺寸、形狀復(fù)雜或要求精度高的重要零件需要用合金鋼制作。 除Co、Al外，大多數(shù)合金元素都使Ms點(diǎn)降低，使合金鋼淬火后的殘余奧氏體量比碳鋼多，這將對零件的淬火質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不利影響。

　?。?）對回火轉(zhuǎn)變的影響 ：合金鋼耐回火性好，回火后強(qiáng)韌性配合更好，有些鋼可產(chǎn)生“二次硬化”

　　合金鋼回火時(shí)馬氏體不易分解，抗軟化能力強(qiáng)，即提高了鋼的耐回火性，回火后能有更好的強(qiáng)韌性配合。 合金元素能提高馬氏體分解溫度，對于含有較多Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，當(dāng)加熱至500～600℃回火時(shí)，直接由馬氏體中析出合金碳化物，這些碳化物顆粒細(xì)小，分布彌散，使鋼的硬度不僅不降低，反而升高這種現(xiàn)象稱為“二次硬化”。但有些合金鋼應(yīng)避免“回火脆性”的產(chǎn)生。

　　2.對焊接性能的影響

　　淬透性良好的合金鋼在焊接時(shí)，容易在接頭處出現(xiàn)淬硬組織，使該處脆性增大，容易出現(xiàn)焊接裂紋；焊接時(shí)合金元素容易被氧化形成氧化物夾雜，使焊接質(zhì)量下降，例如，在焊接不銹鋼時(shí)，形成Cr2O3夾雜，使焊縫質(zhì)量受到影響，同時(shí)由于鉻的損失，不銹鋼的耐腐蝕性下降，所以高合金鋼最好采用保護(hù)作用好的氬弧焊。

　　3.對鍛造性能的影響

　　由于合金元素溶入奧氏體后使變形抗力增加，使塑性變形困難，合金鋼鍛造需要施加更大的壓力噸位；同時(shí)合金元素使鋼的導(dǎo)熱性降低、脆性加大，增大了合金鋼鍛造時(shí)和鍛后冷卻中出現(xiàn)變形、開裂的傾向，因此合金鋼鍛后一般應(yīng)控制終鍛溫度和冷卻速度。

　　三、各種合金元素對鋼性能的影響

　　目前在合金鋼中常用的合金元素有：鉻（Cr），錳（Mn），鎳（Ni），硅（Si），硼（B），鎢（W），鉬（Mo），釩（V），鈦（Ti）和稀土元素（Re）等。五大元素：硅、錳、碳、磷、硫。五大雜質(zhì)元素：氧、氮、磷、硫、氫。

　　1、碳（C）：鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時(shí)，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性。

　　2、硅（Si）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15－0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0－1.2%的硅，強(qiáng)度可提高15－20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1－4%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會(huì)降低鋼的焊接性能。硅可提高強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、耐熱性及耐H2S等介質(zhì)的腐蝕性。硅含量增高會(huì)降低鋼的塑性和沖擊韌性。

　　3、錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30－0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時(shí)就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點(diǎn)高40%。含錳11－14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機(jī)鏟斗，球磨機(jī)襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。錳可提高鋼的強(qiáng)度，增加錳含量對提高低溫沖擊韌性有好處。

　　4、磷（P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。

　　5、硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。

　　6、鉻（Cr）：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼、耐熱鋼的重要合金元素。鉻是合金結(jié)構(gòu)鋼主加元素之一，在化學(xué)性能方面它不僅能提高金屬耐腐蝕性能，也能提高抗氧化性能。當(dāng)其含量達(dá)到13％時(shí)，能使鋼的耐腐蝕能力顯著提高，并增加鋼的熱強(qiáng)性。鉻能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但它使鋼的塑性和韌性降低。

　　7、鎳（Ni）：鎳能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。鎳鋼鐵性能有良好的作用。它能提高淬透性，使鋼具有很高的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳能提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性。鎳基合金具有更高的熱強(qiáng)性能。鎳被廣泛應(yīng)用于不銹耐酸鋼和耐熱鋼中。

　　8、鉬（Mo）：鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力（長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變）。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機(jī)械性能。 還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。鉬能提高鋼的高溫強(qiáng)度、硬度、細(xì)化晶粒、防止回火脆性。鉬能抗氫腐蝕。

　　9、鈦（Ti）：鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力；降低時(shí)效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?，可避免晶間腐蝕?？商岣邚?qiáng)度、細(xì)化晶粒，提高韌性，減小鑄錠縮孔和焊縫裂紋等傾向。在不銹鋼中起穩(wěn)定碳的作用，減少鉻與碳化合的機(jī)會(huì)，防止晶間腐蝕，還可提高耐熱性。

　　10、釩（V）：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。釩用于固溶體中可提高鋼的高溫強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，提高淬透性。鉻鋼中加少量釩，在保持鋼的強(qiáng)度情況下，能改善鋼的塑性。

　　11、鎢（W）：鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛模具用。

　　12、鈮（Nb）：鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。

　　13、鈷（Co）：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材料。

　　14、銅（Cu）：武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于0.50%對焊接性無影響。

　　15、鋁（Al）：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力，降低冷脆性。鋁還能提高鋼的抗氧化性和耐熱性，對抵抗H2S介質(zhì)腐蝕有良好作用。鋁的價(jià)格比較便宜，所以在耐熱合金鋼中常以它來代替鉻……鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

　　16、硼（B）：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強(qiáng)度。

　　17、氮（N）：氮能提高鋼的強(qiáng)度，低溫韌性和焊接性，增加時(shí)效敏感性。

　　18、稀土（Xt）：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個(gè)鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。稀土元素可提高強(qiáng)度，改善塑性、低溫脆性、耐腐蝕性及焊接性能。

　　表1 主要合金元素對鋼性能影響的有關(guān)說明

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