硼及其它合金元素对钢组织性能的影响
【钢铁知识】合金元素对钢铁性能的影响
【钢铁知识】合金元素对钢铁性能的影响合金元素在钢中的存在形式：溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或者金属间化合物形成非金属夹杂，如合金元素与O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物有些元素如Pb、Ag等游离态存在。
一、合金元素与铁的相互作用 1 扩大奥氏体区的元素（奥氏体形成元素）使A4点上升，A3点下降，导致奥氏体稳定区域扩大无限扩大奥氏体区的元素：Ni, Mn, Co 有限扩大奥氏体区的元素：C, Cu, N 2. 缩小奥氏体区的元素（铁素体形成元素）使A4点下降，A3点上升，导致奥氏体稳定区域缩小完全封闭奥氏体区的元素：Cr, Ti, V, W, Mo, Al, Si 缩小奥氏体区，但不使之封闭的元素：B, Nb, Zr 二、合金元素与碳的相互作用 1. 非碳化物形成元素主要包括：B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si等它们不能与碳元素形成化合物，但可以固溶于铁中形成固溶体这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边 2. 碳化物形成元素主要包括Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe 这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边它们都可与碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性质差别很大Fe-C相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时选择加热温度的依据，因此有必要先了解合金元素对Fe-C相图的影响。
钢中有三个基本的相变过程：加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变。
合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。
Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒。
W、Mo、Cr 阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。
非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。
Mn、P有助于奥氏体晶粒的长大。
合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响几乎所有的合金元素（除Co）外都使C －曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度。
合金钢中各元素对其性能的影响
合金钢中各元素对其性能的影响1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23％超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30％的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60％,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入 1.0－1.2％的硅，强度可提高15－20％。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4％的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50％。
在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。
含锰11－14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。
在钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
各种合金元素对钢性能的影响
Ni
Si
（2）Si的不良影响 ①促使石墨化，促进脱碳（它是阻止碳化物形成的一种 元素），含Si钢一般不作渗碳。 ②促进回火脆性的发展，使塑性降低。 Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。 当Si=1～1.5%时作用尚良好。Si=2.5～3%时则影响不 良，含Si=2～2.5%，则难以锻造。 当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当 Si=2.5～3.5%时，对回火脆性和敏感性就高。用这种钢 必须采取韧性处理（回火后在水中浸渍，锻时用少韧处 理），而当Si＞3.5％时，甚至持用韧性处理也已不能 消除矽铬钢的脆性。（不过，Mo的加入可使其脆性稍 许改善），SI=4%时，室温下即可能脆裂。
Al
③可改善钢的抗氧化性，考虑②和③， ④能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻 铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。 Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中 加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%， 个别才有8～9%。 ⑤对硅钢而言，Al可减少α铁心损失，降低磁感 强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al的氧 化物会使磁性变坏。Al（＞0.5%）也会使硅钢 变脆。
Si
⑤硅可减小晶体的各向异性，使磁化容易，使 磁阻减小，它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁 感的危害（使%C石墨化，脱氧，与N形成氢化 硅等）。所以可大大减少涡流损失。由于硅的 脆性，目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%， 最多只为4.8%，正在研究提高至6.5%。 ⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃） 时的分解速度。（在较高温度即400～500℃则 作用并不显著）Si是铁素体形成元素，多加Si会 使A-α转化。
Ni
各种合金元素对钢性能的影响
三、各种合金元素对钢性能的影响目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。
五大元素:硅、锰、碳、磷、硫。
五大杂质元素:氧、氮、磷、硫、氢。
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。
硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
各种合金元素对钢性能的影响
各种合金元素对钢性能的影响合金化是通过向钢中添加不同的金属元素来改变钢的性能。
下面将介绍18种常见的合金元素对钢的性能的影响。
1.碳(C)：碳是钢中最主要的合金元素之一，它能提高钢的硬度和强度。
2.硅(Si)：硅的加入可以提高钢的耐高温性能和氧化抵抗能力。
3.锰(Mn)：锰的加入可以提高钢的硬度、韧性和耐磨性。
4.磷(P)：磷的加入可以增加钢的冷脆性，但适量的磷可以提高钢的强度和硬度。
5.硫(S)：硫的加入可以提高切削性能和加工性能，但会降低钢的韧性。
6.铬(Cr)：铬的加入可以提高钢的抗热腐蚀性能和抗氧化能力。
7.镍(Ni)：镍的加入可以提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。
8.钼(Mo)：钼的加入可以提高钢的硬度、强度和耐磨性。
9.钒(V)：钒的加入可以提高钢的强度、耐磨性和抗冲击性。
10.钛(Ti)：钛的加入可以提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。
11.铝(Al)：铝的加入可以提高钢的强度、硬度和抗腐蚀性能。
12.铜(Cu)：铜的加入可以提高钢的强度、硬度和导热性能。
13.铌(Nb)：铌的加入可以提高钢的强度、耐磨性和抗腐蚀性能。
14.稀土元素(RE)：稀土元素的加入可以改善钢的热处理性能和强度。
15.钒(V)：铌的加入可以增加钢的硬度、强度和韧性。
16.硼(B)：硼的加入可以提高钢的韧性、强度和耐磨性。
17.锡(Sn)：锡的加入可以提高钢的耐腐蚀性和强度。
18.磷(P)：磷的加入可以增加钢的脆性和韧性。
这些合金元素的加入可以根据特定的要求来调整钢的性能，例如提高强度、硬度、韧性、耐腐蚀性能、磨损性能和抗冲击性等。
然而，合金化也会引入一些问题，例如增加成本、降低可焊性和提高加工难度等。
因此，在设计和选择合金钢时需要综合考虑各种因素。
硼含量对超高锰钢组织和性能的影响
铸造
ＦＯＵＮＤＲＹ
Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．５７ Ｎｏ．２
硼含量对超高锰钢组织和性能的影响
何奖爱， 李书琴， 辛启斌， 杨中东 （ 东北大学材料与冶金学院， 辽宁沈阳 １１０００４）
摘要： 在超高锰钢中加入不同含量的硼 （ ０．００１ ５％￣０．００６ ０％） ， 随着硼含量的增加， 在热处理后金相组织中晶界碳化物
在低冲击磨料磨损条件下硼含量较高时可以提高
耐磨性， 这和硼的细化组织和强化晶界的作用有关。Ｂ
原子比碳原 子 大 ， 因 此 硼 原 子 在Ｆｅ３Ｃ中 置 换 固 溶 ， 导 致碳化物产生更 大的晶格歪斜， 所以Ｆｅ（３ ＣＢ） 的 显微
性能 硬度 （ ＨＢ）
Ｍｎ１８
Ａ１
Ａ２
Ａ３
Ａ４
２２１
２１３ ２１５ ２１５ ２１７
冲击韧性／ （ Ｊ·ｃｍ－２）
１６２
１８１ １９１ １７８ １６５
相对耐磨性
１
１．１６ １．４６ １．５１ １．９８
由表１可见， 不同含硼量超高锰钢试样的硬度在 ＨＢ ２１３￣２１７变化， 随硼含量增加硬度变化不大； 比未 加硼的超高锰钢硬度低。主要是由于未加硼超高锰钢 晶界碳化物较多， 而使其硬度提高。表１中， 当Ｂ含量 为 ０．００３ ０％ 时 ， 冲 击 韧 性 值 高 达 １９１ Ｊ／ｃｍ２， Ｂ 含 量 为 ０．００６ ０％时冲击韧性最低， 为１６５ Ｊ／ｃｍ２； 可见经水韧处 理后， 冲击韧性先升高后降低。这是由于钢中硼的含 量＜０．００５ ０％时有细化组织的作用， 数量过多时反而使 晶粒粗化。钢中硼含量较高时， 由于硼的分布不均匀， 局部区域硼富集， 能够形成含硼的共晶， 其中有硼化 铁 （ Ｆｅ２Ｂ） 、碳化物 和γ相 ， 这 些 共 晶 很 脆 ， 严 重 恶 化
合金元素在钢中的作用
1. 合金元素对钢性能的影响钢材中合金元素可以提高钢铁材料洁净度、均匀度、组织细度等影响材料性能，提高冶金行业资源、能源利用效率，实现节能、环保，促进钢铁行业可持续发展。
主要有以下几个方面：(1)结晶强化。
结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。
它包括：(2)形变强化。
金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
(3)固溶强化．通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。
(4)相变强化。
合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化。
(5)晶界强化。
晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得，晶界强度显著降低。
因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。
硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。
(6)综合强化。
在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。
例如：1）固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。
2）结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。
3）马氏体强化+表面形变强化。
对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷丸或滚压处理。
4）固溶强化+沉淀强化。
对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。
有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。
2.合金元素的存在形式根据合金元素与碳的作用不同，可将合金元素分为两大类：碳化物形成元素，它们比Fe具有更强的亲碳能力，在钢中将优先形成碳化物，依其强弱顺序为Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等，它们大多是过渡族元素，在周期表上均位于Fe的左侧；非碳化物形成元素，主要包括Ni、Si、Co、Al等，他们与碳一般不生成碳化物而固溶于固溶体中，或生成其它化合物如AlN，一般位于周期表的右侧。
合金元素对钢性能的影响
合金元素
硅 （Si）
锰 （Mn）
镍 （Ni）
铬(Cr)
钼(Mo)
铝 （Al）
铜 （Cu）
对钢性能的影响 是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂。所以钢中常含有0.20%～0.30％的硅。如果钢中硅含量超过0.50％～0.60％ 时，硅就算作特殊的合金元素，这种钢就称为“硅钢” 硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，故可广泛用于制造重负的弹 簧钢。在凋质结构钢中，硅不仅能增加钢的淬透性，还增加钢淬火后的抗回火性。因此，常被用作调质结构钢的合金元素，并可用于制造 承受重负荷的较大截面零件的无镍铬、高强度、高韧性的高级调质钢。硅和其他合金元素如钼、钨、铬等结合，有提高钢抗腐蚀和抗高温 氧化的作用，可用于制造无镍低铬的不锈耐热钢。含硅1.0％～4.5％低碳和超低碳钢，具有极高的导磁率，可做电气制造业中的硅钢片。 在热处理时硅易于促使石墨化、产生脱碳现象，故在弹簧中，常加入钨、钒、铬等元素来加以防止。也用于制造耐磨的石墨钢或模具钢。 但钢中含硅量较高时，在焊接时喷溅较严重，有损焊缝质量，并易导至冷脆，会增加镀锌时锌对铁的破坏作用 是良好的脱氧剂和脱硫剂。因此，钢中含0.30％～0.50％的锰是经常的。在碳素钢中加入0.7％～1.8％或以上的锰时，就算是特殊钢“锰 钢”了。这种含锰量较高的碳素钢的力学性能，要比一般含锰量的好得多，不但有足够的韧性(在适当的热处理条件之下)，且有较高的强 度和硬度，能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。故在低合金结构钢中，含锰钢种发展十分迅速。利用锰和硫化合所生成的硫化锰 (MnS)夹杂，有使切屑易于碎断的作用。所以在钢中可加适量的锰和硫来生产易切削钢。此外，锰在合金结构钢、弹簧钢、轴承钢，工具 钢、耐磨钢、无磁钢、不锈钢、耐热钢中，也获得广泛的应用。但锰能使钢的抗腐蚀能减弱，对钢的焊接性能也有不利的影响 能使钢强化，改善钢的低温性能，特别是韧性，还可以提高钢的淬透性。镍钢的抗锈性也很强，具有较高的对酸、碱和海水的耐腐蚀能 力，但在高温高压下对氧介质的抗腐蚀能力无明显效果，反会造成脱碳促使钢腐蚀破裂 。 一般国产低合金结构钢中不加入镍。镍在高 含量时，可显著改变钢和合金的一些物理性能。但镍是一种重要的战略物资，在全世界范围内比较稀缺，所以作为钢的一种合金元素，应 该只在不能用其他元素来获得所需的性能时，才考虑使用镍。譬如需要在高强度时具有高韧性的重要用途的结构钢，在低温工作条件下具 有高韧性的钢，高合金铬镍奥氏体不锈耐热钢，以及要求具有特殊物理性能的钢等 加入钢中能显著提高钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。并能提高钢的强度和耐磨性。由于铬加入钢中能改善钢的力学性能及物理和 化学性能，因此在各种用途的合金钢中，普遍含有不同数量的铬。由于目前我国铬资源较少，故因尽量节约使用，特别是在大量生产的结 构钢中，应当少用或不用铬 是一种贵重的合金元素，在我国是富产，但在整个世界范围内的储量却并不丰富。钼在钢中的作用，可归纳为提高淬透性和热强性，防止 回火脆性，提高剩磁和矫顽力，提高在某些介质中(如硫化氢、氨、一氧化碳、水等介质)的抗蚀性与防止点蚀倾向等。故在结构钢、弹簧 钢、轴承钢、工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢(也称热强钢)、磁钢等一系列的钢种中，得到广泛的应用。铬钼钢在很多情况下，可以代替较 贵重的铬镍钢来制造各种重要的机件，由于钼增加钢的热强性，所以钼含量较高时，也会增加热加工的困难 是炼钢时的脱氧定氮剂，并且能细化钢的晶粒，提高钢在低温下的韧性，铝对氮有极大的亲和力，含铝的钢渗氮后，在钢种表面牢固地形 成一层薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。铝还具有耐腐蚀性和抗氧化性，可作为不锈耐酸钢 的主要合金元素。在钢的表面镀铝或渗铝，可提高其抗氧化性。 铝和铬、硅复合应用，可以显著提高钢的高温不起皮性和耐高温腐蚀能 力。铝还适用于作电热合金材料和磁性材料。但是，铝会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能 在钢中加入0.20％～0.50％的铜，特别是和磷配合使用时，可以使低合金结构钢和钢轨钢获得优良的抗大气腐蚀性能，并且也有利于提高 钢的强度、耐磨性和屈强比，而对钢的焊接性并没有不良的影响，是目前建造桥梁、船舶、汽车、机车车辆、化工石油设备及高压容器等 的主要钢类。在奥氏体不锈钢中加入2％～3％的钢，可以提高其在酸性介质中的抗蚀性。但铜是稀缺金属之一，也是战略物资，因此一般 不应在炼制中有意地加入。不过由于钢中含铜无法从冶炼过程中去除，而我国又有丰富的含铜铁矿，所以可以利用含铜铁矿来发展含铜钢
硼对低合金Q345钢板组织和性能的影响
将２ ５ ０ ｍ ｉ ｌ ｌ 厚低合金 Ｑ ３ ４ ５连铸 坯 加 热 到 １ ２ ２ ０ ｏ Ｃ，经过 ４ ３ ０ ０ ｍ ｌ ｎ四辊 可 逆轧 机先 粗轧 至 １ ０ ０ ｍ ｎ ｌ 控温厚 度 ，再精 轧至 ４ ０ ｎ Ｔ ｆ ｌ目标厚度 ，轧
ｂａ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ， ｉ ｔ ｗａ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ
要 求 。秦 皇 岛首 秦 金 属 材 料 有 限 公 司 （ 简 称 首
号钢 和不 含 硼 ２号 钢 ，低合 金 Ｑ ３ ４ ５连 铸坯 主 要 化 学成 分见 表 １ 。
表１ 低合金 Ｑ３ ４ ５连铸坯主 要化 学成分 ％
编号
１
２
ｃ
Ｓ ｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
Ａ １ 。
表２ ４ Ｏ ｍｍ 厚低合金 Ｑ３ ４ ５钢板的实际轧制工艺参数
编号
１ ２ １ ０ ６ ０ １ ０ ６ ４ ８ ４ ７ ８ ４ ８ ８ ３ ３ ８ ３ ６ ７ ９ ９ ８ ０ ０ ６ ０ １ ５ ９ ８ ７ ． ５ ４ ７ ． ６ ５
合金 Ｑ ３ ４ ５钢板组织 和性能 的影 响 ，为 Ｓ Ｓ ４ ０ ０ Ｂ 的开发工作提供技术支持。
后进行快速层流冷却至 ６ ０ ０ ｏ Ｃ ， 然后在冷床上冷却
材料中合金元素对钢的性质的影响
材料中合金元素对钢的性质的影响：1.硼（B）硼（B）：是强有力的提高淬透性元素，其对钢材淬透性的影响较为复杂，受到钢材本身含碳量的影响。
硼（B）在钢中以固溶态和结合态存在。
硼即能形成硼相，又能与钢中的氧和氮结合变成硼的氧化物和氮化物，使相当一部分硼含量处于结合态，失去提高淬透性的能力，只有当硼溶解于奥氏体时，才能延缓先共析铁素体在奥氏体晶界上形核，推迟上贝氏体转变，从而起到提高亚共析钢淬透性的效果。
含硼钢10B21 淬火、回火态硬度比无硼钢均匀，淬火态硬度大于44HRC ，淬火组织为板条状马氏体，只有固溶态的硼，特别是偏聚在原始奥氏体晶界上的硼才能提高淬透性，SIMS 质谱分析技术和SEM 电镜及高倍光学显微镜可以清晰地显示自由硼在奥氏体晶界的偏聚。
硼在奥氏体晶界的偏聚是硼平衡偏聚和非平衡偏聚共同作用的结果。
当奥氏体化温度为900-950℃，晶界上的硼逐渐减少，此时的硼为结合态的形式存在，这些硼化物如果在晶界偏聚，不仅降低钢的塑性和韧性，同时提高奥氏体晶界的自由能，限制硼提高淬透性的作用。
2.钼（Mo）钼（Mo）：高淬透性元素，降低钢对回火脆性的敏感性，钼的添加在高温下会较好地阻碍奥氏体晶粒长大，钼钛系钢可以在较低的奥氏体均匀化温度下，一般在900℃左右淬火，钼以固溶的形式存在，从而为在较低温度更多地碳化物的析出创造条件，充分地发挥析出强化作用。
在SEM 扫描电镜下观察，固溶的Mo 在高温下抑制位错的湮没，并大量偏聚在奥氏体晶界。
晶界处显微硬度值更高，这是大量固溶的钼偏聚在奥氏体晶界处所导致的。
因此，这些高温下存在的位错以及Mo 本身产生的拖曳（y e）奥氏体晶界迁移的作用，都会阻碍奥氏体晶粒的长大，细化奥氏体晶粒，使钼钛系钢硬度更高。
Mo 对提高高温下的抗拉强度有很大影响。
3.锰（Mn）锰（Mn）：作为钢中主要添加元素，具有细化组织，提高钢材强度的作用，其和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的强度，同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，另外，Mn 稳定奥氏体组织的能力非常强，能显著增加钢的淬透性。
合金元素对钢的影响
合金元素对钢的影响钢是一种由铁和碳组成的合金材料，常用于建筑、机械制造、汽车制造等领域。
除了碳以外，合金元素可以通过添加的方式对钢的性能进行调节，以满足不同的使用要求。
以下是合金元素对钢的一些主要影响。
1.硅（Si）硅是一种常见的合金元素，可改善钢的润湿性和热处理性能。
添加适量的硅可以减少钢液在浇注过程中的气孔和缩松缺陷。
此外，硅还可以提高钢的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。
例如，不锈钢中的硅可以提高钢的耐酸性能。
2.锰（Mn）锰是一种常用的合金元素，可提高钢的硬度和强度。
适量的锰可以增加钢的韧性和冷加工性能。
锰还能够提高钢的抗腐蚀性能和抗疲劳性能，同时减少钢材在热处理过程中的变形和开裂问题。
3.硒（Se）硒是一种稀有的合金元素，可以提高铸造钢的强度和韧性。
适量的硒可以改善钢的发红敏感性，防止钢在热处理过程中产生氧化和开裂问题。
4.镍（Ni）镍是一种典型的合金元素，常用于制造耐高温材料，例如高温合金和耐热钢。
添加镍可以大幅度提高钢的抗腐蚀性能，尤其是对于抵抗硫酸腐蚀和海水腐蚀的能力。
此外，镍还能够改善钢的延展性和冷加工性能。
5.钼（Mo）钼是一种特殊的合金元素，可提高钢的硬度、强度和耐热性能。
添加适量的钼可以提高钢的耐高温性能和耐蚀性能，例如在制造高温合金和不锈钢中广泛使用。
6.铝（Al）铝是一种常见的合金元素，可以调节钢的微观结构和物理性能。
添加适量的铝可以减少钢中的热处理变形和开裂问题，提高钢的抗腐蚀性能和焊接性能。
铝还可以提高钢的强度和韧性，同时降低钢的密度。
7.硼（B）硼是一种特殊的合金元素，通过形成硼化物的方式，可以提高钢的硬度和热处理性能。
添加适量的硼可以提高钢的切削性能和耐磨性能，使其适用于制造工具钢和切削工具。
除了上述几种常见的合金元素，还有其他一些合金元素如钒、钨、铬、铌等都可以对钢的性能产生重要影响。
选择合适的合金元素以及添加的含量，能够使钢材更好地适应不同的使用环境和要求。
然而，合金元素的添加也需要考虑其对钢的成本、焊接性能和加工性能的影响，以及可能引起的其他问题，如氧化、变色等。
钢中化学元素对性能的影响
钢中化学元素对性能的影响钢的化学成分是控制钢材性能变化的内因，钢材的生产工艺条件是影响钢材性能的外因。
在实际生产中可以在规定范围内适当选择成分会计师来满足性能要求，也可以通过不同生产工艺制度，特别是控制轧制、控制冷却及热处理来改善钢材性能。
1、碳对钢性能的影响碳主要以碳化物形式存在于钢中，碳是决定钢的强度的主要元素。
碳含量升高时，强度、硬度提高，而塑性、韧性和冲击降低，冷脆倾向性和时效倾向性提高。
随着钢中含碳量提高，焊接性能显著下降，因此，用于焊接结构的低合金高强度钢，含碳量不超过0.25%，一般应不大于0.20%。
碳含量高低对热处理制度的确定有很大影响。
2、硅对钢性能的影响硅能显著提高强度，可提高钢的抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。
对小于0.8—1.0%的硅，虽使钢延利率、收缩率和冲击韧性有所降低，但不显著。
硅含量过高至1—3%时，钢变脆，使冷脆转变温度提高，使钢的时效敏感性提高。
硅作为硅钢的主要成分能降低铁损，增加磁感应强度。
3、锰对钢性能的影响锰常作为脱氧剂或合金元素加入钢中，与钢水中的S、O反应生成的MnS和MnO熔点较高且易上浮排除，可消除FeO和FeS引起的热脆，改善了结构钢的热加工性能，一般要求Mn/S大于10倍，锰还可降低冷脆性，可溶下地渗碳体形成碳化物[Mn3C;(Fe、Mn)3C]，增加钢的强度。
通常，愿意用低碳高锰钢作焊接结构钢，一般情况下Mn/C比值越大（达2.5 以上），钢的低温韧性越好。
当Mn在0.80—1.0%以下时，几乎不降低钢的塑性和韧性，甚至对后者还有所提高。
当Mn超出1.0%时，在提高可度的同时降低钢的塑性和韧性。
当Mn 在2.0%以下时，对焊接性能影响不大，继续增加时，焊接性能变坏。
锰能提加钢的淬透性、碉磨性。
4、磷对钢性能影响磷在钢中以Fe3P和Fe2P形态存在。
溶于纯铁的磷，能使铁的晶粒急剧歪扭，因而使钢的强度、硬度增高，但塑性、韧性下降，尤其在低温时韧性降低得最厉害，这种现象称为“冷脆”。
硼的添加对SS400钢性能和组织的影响
表1 冶炼工艺
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
C 0． 12 ～ 0． 20 0． 12 ～ 0． 20 0． 12 ～ 0． 20
Si 0． 15 ～ 0． 35 0． 15 ～ 0． 35 0． 15 ～ 0． 35
试验钢的化学成分
Mn
P
0． 65 ～ 1． 00 ≤0． 025
0． 65 ～ 1． 00 ≤0． 025
7
行力学性能测试。并在工艺 Ⅱ 钢板上下表面、上下 1 /4 处切割制成金相试样，经抛光、3% 硝酸酒精溶液 腐蚀后，在 AXIO 金相显微镜下观察其组织。
3 试验结果与分析 3． 1 硼对 SS400 钢板性能的影响 SS400 钢板的力学性能如图 1 所示。从图中可 以看出，与不添加硼元素（ 工艺Ⅲ） 的钢板相比，脱氧 去氮好（ 工艺Ⅰ） 的含硼钢板的屈服强度和抗拉强度 分别提高了 10MPa、25MPa 以上； 而不完全脱氧去氮
3． 2 硼对 SS400 钢板组织的影响 对添加硼元素（ 工艺Ⅱ） 的钢板进行金相检验， 其上、下表层和 1 /4 厚度处的组织如图 2 所示。 如图 2a 所示，上表面组织为先共析铁素体 + 魏 氏体 + 贝氏体，原奥氏体晶粒较粗大，晶界先共析铁 素体已形成网状结构，并明显粗化，大小约为 20μm； 在晶界铁素体上，形成了与原奥氏体一定取向角的魏 氏组织，在晶内形成了贝氏体组织。上 1 /4 厚度处的 组织如图 2b 所示，组织为先共析铁素体 + 珠光体 + 少量的魏氏体，铁素体组织已长大，大小约为 30μm； 在铁素体组织之间形成了珠光体和少量的魏氏体组 6
图 1 SS400 钢板的力学性能
研究表明，钢中硼元素的含量小于 0． 005% 时， 有细化组织的作用。由于硼十分活泼，当钢水脱氧去 氮不佳时，能与钢中残留的氧、氮化合而失去有效含 量，因此只有钢水中的氧、氮含量很低时，形成固溶态 的硼才能起到有效作用，对提高钢的强度有利。熔炼 时必须用与 氧、氮 结 合 力 比 硼 更 大 的 铝 和 钛 脱 氧 去 氮，然后再加入硼处理，以保证硼以固溶形式存在于 钢中。
硅、钴、硼、磷等对不锈钢的影响
稀土元素：稀土元素应用于不锈钢，目前主要在于改善工艺性能方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素，可以消除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0．02~0．5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。曾有一种含19．5%铬、23％镍以及钼铜锰的奥氏体钢，由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。
硼：高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0．005％硼，可使在沸腾的65％醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.0006~0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0．5~0．6％）时，反而可防止热裂纹的产生。因为当含有0．5~0．6％的硼时，形成奥氏体－硼化物两相组织，使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态．固态的焊金属承受，此时是不致引起裂缝的，即使在近缝区形成了裂纹，也可以为处于液态－固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。?
硫和硒：在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0．2~0．4％的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有同样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是因为它们降低不锈钢的韧性，例如一般18－8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0．31％硫的18－8钢（0．084％C、18．15％Cr、9．25％Ni）的冲击值为1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8钢（0．094％C、18．4％Cr、9％Ni）的冲击值为3．24公斤/平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。?
磷：在一般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达0．06％，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0．06％（如2Crl3NiMn9钢）以至0.08％（如Cr14Mnl4Ni钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH17－10P钢(含0．25％磷)乃PH－HNM钢（含0．30磷）等。?
合金元素对钢材机械性能的影响
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
合金元素在钢中的主要作用
合金元素在钢中的主要作用1.强度增加：合金元素的添加可以显著提高钢的强度。
例如，镍和铬被广泛用于制造不锈钢，它们可以提高钢的强度和耐腐蚀性能。
其他合金元素如硼、钼、钛和钒等也可以提高钢的强度。
2.耐腐蚀性提高：合金元素的添加可以提高钢的耐腐蚀性。
例如，铬的添加可以形成一层钝化膜，保护钢材不受环境腐蚀的影响。
因此，不锈钢中添加了较高比例的铬来提高其抗腐蚀性。
3.硬度增加：合金元素对钢的硬度有直接的影响。
添加硅和锰可以增加钢的硬度，从而提高其抗磨损性能。
硬度的提高对于汽车发动机零件、刀具和轴承等耐磨件来说是非常重要的。
4.可加工性改善：有些合金元素可以提高钢的可加工性，使得钢更容易被切削、锻造和焊接。
铝和钛等元素可以形成易于切削和锻造的中间相，从而提高钢材的可塑性。
5.热处理性能改善：合金元素的添加可以改善钢的热处理性能，使得钢更容易通过热处理来改变其组织和性质。
例如，铌和钛等合金元素的添加可以在钢中形成稳定的碳化物，从而提高硬化深度和抗热脆性。
6.电磁性能调节：合金元素的加入还可以影响钢的电磁性能。
例如，镍和锰等元素的添加可以提高钢的磁导率，使其更适合用于电磁设备和电动机。
7.温度变化下的性能稳定性：合金元素的添加可以使钢在温度变化下保持稳定的性能。
例如，锰和硅等元素的添加可以减轻钢在高温下的软化倾向，从而提高其高温下的机械性能。
值得注意的是，不同的合金元素对钢的性质有不同的影响。
合金元素的种类、含量、配比和钢的制造工艺等因素都会对钢的性能产生显著的影响。
因此，在具体的钢材制造中，需要根据不同的要求和使用环境来选择合适的合金元素组合，以达到最佳的性能。
常见合金元素在钢中的作用
8、钒在钢中的作用
⑴、细化钢的组织和晶粒；提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性。
⑵、在高温溶入奥氏体时，增加钢的淬透性；如以碳化物形式存在时，却将降低钢的淬透性。
⑵、铬加入钢中能显著改善钢的高温抗氧化性（不起皮）。
⑶、显著提高钢的淬透性，改善钢的抗回火稳定性。
⑷、阻止石墨化
缺点：①、铬能促进钢的回火脆性倾向。
5、镍在钢中的作用
⑴、可提高钢的强度而不显著降低其塑性。
⑵、镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。
⑶、改善钢的加工性和可焊性。
⑸、提高钢的淬透性，回火稳定性，防止回火脆性。
缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。
7、钨在钢中的作用
⑴、提高钢的硬度、强度和耐磨性
⑵、增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应（约560℃回火时析出弥散分布的W2C）
⑶、提高钢的抗氢性能。
⑷、是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
⑴、钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；
⑵、并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。
10、铌在钢中的作用
⑴、铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。
⑷、镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。
合金元素及伴生元素在钢中所起的一些作用
合金元素及伴生元素在钢中所起的一些作用对于合金元素，需要区分是渗碳体、奥氏体或铁素体，以及加入钢中所起的作用。
每一种合金元素按一定百分比单独加入到钢中都会产生一种特性，如同时加入几种则会加强对钢特性的影响，但并不是对一种特性产生相同的影响，也许是作用与反作用，相互抵消。
钢中加入合金元素，只是为所需性能提供前提条件，真正的性能要通过金属加工或热处理才能形成。
原则上钢中加入各种合金元素和伴生元素影响如下：Al 铝熔点：658℃铝是最有效，也是最常用的脱氧、定氮剂。
因而有很好的抗时效性。
少量加入还有助于细化晶粒。
由于铝能与氮形成很硬的氮化物，通常用作氮化钢的一种合金元素。
铝还能提高抗铁锈能力，所以经常被加入到合金铁素体耐热钢中。
对于非合金碳钢，通过渗铝（在钢表面渗铝）可增加防止生成氧化铁皮的能力。
铝会显著缩小γ相区，由于能大大增加矫顽力，因而用于铁-镍-钴-铝永磁合金。
As 砷熔点：817℃砷也能显著缩小γ相区，是一种伴生元素。
在钢中的作用与磷相似，也形成严重偏析。
但这种局部退火时由于含砷造成的偏析比含磷造成的偏析更难消除。
另外，砷还会增加回火脆性，明显减弱韧性并降低焊接性。
B 硼熔点：2300℃由于硼具有很高的中子吸收交叉断面，它被用于原子能设备控制器和屏蔽屏材料中。
在奥氏体18/8 Cr-Ni钢中加硼，通过沉淀硬化可提高屈服点和强度，但在该过程中抗腐蚀性又会降低。
硼造成的沉淀可提高高温奥氏体钢在高温段的强度性能。
对于结构钢，硼也可通过硬化提高表面硬化钢的芯部强度。
但含硼合金钢的焊接性会降低。
Be 铍熔点：1280℃铜铍合金用于制造钟表弹簧，因为它几乎不可磁化，且能耐受比钢弹簧数量更高的负荷循环。
镍铍合金很硬，耐腐蚀，用于外科仪器。
严格限制γ相区。
加铍可以沉淀硬化，但处理过程中降低了韧性。
脱氧效果显著，与硫有强大的亲合力。
C 碳熔点：3540℃碳是钢中最重要和最有影响力的合金元素。
除了碳以外，任何非合金钢在制造过程中都会无意含有其它元素，如硅、锰、磷、硫，再加入合金元素，以获得某些特性，有意增加镁和硅的含量，就形成了合金钢。
合金元素对钢的影响
合金元素对钢的影响一、提高钢的强度和硬度：1.碳（C）：是钢中最主要的合金元素之一、通过控制钢中碳的含量，可以显著提高钢的硬度和强度。
低碳钢具有较高的可塑性和可焊性，高碳钢具有较高的硬度和强度，但韧性较低。
2.钼（Mo）：加入适量的钼可以使钢的硬度、强度和韧性显著提高，尤其适用于高温环境下的应用。
3.铬（Cr）：加入适量的铬可以形成Cr2O3保护膜，提高钢的耐蚀性和耐磨性，同时还可以提高钢的硬度和强度。
二、改善钢的可焊性：1.钼（Mo）：适量的钼可以改善钢的可焊性，减少焊接时的裂纹和损伤。
2.硼（B）：适量的硼可以提高钢的可焊性，降低焊接时的裂纹敏感性。
三、提高钢的耐蚀性：1.铬（Cr）：铬是最常用的增加钢的耐蚀性的合金元素。
铬可以与氧气结合形成Cr2O3保护膜，阻碍钢与环境中的氧气和水发生反应，从而减少钢的腐蚀。
2.镍（Ni）：适量的镍可以提高钢的耐腐蚀性，特别是对酸和盐腐蚀有明显的改善作用。
四、改善钢的耐磨性：1.钒（V）：适量的钒可以提高钢的耐磨性和硬度，尤其适用于制造高速切削工具和耐磨零件。
2.锰（Mn）：适量的锰可以提高钢的耐磨性和硬度，尤其适用于制造耐磨零件。
五、改善钢的热处理性：1.钼（Mo）：钼可以提高钢的热处理稳定性，减少热处理过程中的晶粒长大和变形。
2.钒（V）：适量的钒可以改善钢的淬透性，使钢具有更好的淬透性和耐淬性。
综上所述，合金元素对钢的影响是多方面的。
通过合理地控制和添加合金元素，可以改善钢的性能，提高其强度、硬度、耐磨性、耐蚀性，同时还可以改善钢的可焊性和热处理性。
钨和硼元素对G115新型马氏体耐热钢组织与性能的影响
钨和硼元素对G115新型马氏体耐热钢组织与性能的影响本文通过对G115新型马氏体耐热钢中添加不同含量的钨和硼元素，探究了它们对钢组织和性能的影响。
结果表明，当添加2.5%钨和0.03%硼时，G115钢的拉伸强度和断裂韧性达到最优，分别为932 MPa和46 J/cm2。
在高温下，添加了钨和硼元素的G115钢表现出更好的耐热性能。
关键词：G115新型马氏体耐热钢；钨元素；硼元素；组织性能；耐热性能引言随着高温冶金、化工、电力等行业的进步，对耐高温、耐腐蚀性能的钢材需求日益增加。
G115新型马氏体耐热钢是一种新型高温材料，可用于高温环境下的各种要求高强度和高韧性的零部件制造。
钨和硼元素作为合金化元素，可显著改善钢材的力学性能和耐热性能。
本文将探究添加不同含量的钨和硼元素对G115新型马氏体耐热钢的组织和性能的影响。
试验方法选用工业纯度的钨和硼粉末，配制不同含量的合金，将其与G115钢进行熔炼。
接受扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察样品显微组织，测量拉伸、冲击和硬度等力学性能。
结果与分析随着钨含量的增加，G115钢的硬度不息提高，表明钨元素的加入可以显著提高钢的强度和硬度。
当钨含量达到2.5%时，G115钢的硬度达到最大值，为311 Hv。
TEM结果表明，钨添加后会形成钨碳化物和钨相，且当钨含量为2.5%时，钨相的尺寸最大，有利于提高钢的强度。
在添加0.03%硼元素后，钢的拉伸强度最高，为932 MPa，此时断裂韧性也达到最大值，为46 J/cm2。
硼元素的加入还会增加钢的热稳定性，降低碳化物析出量，减轻晶界脆化。
结论通过添加不同含量的钨和硼元素可以显著改善G115新型马氏体耐热钢的组织和性能。
当钨含量为2.5%，硼含量为0.03%时，G115钢的力学性能和耐热性能最佳。
添加钨和硼元素的G115钢在高温下表现出更好的耐热性能，是一种新型高温材料的抱负选择。
进一步分析表明，钨和硼元素加入对G115钢的组织也有着显著影响。
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2-11 硼对钢相变的影响
上贝氏体
形成温度较高 呈羽毛状 性能较差
形成温度低
贝氏体转变
下贝氏体
其中铁素体片较细，且是位错亚结构， 碳化物的弥散度也大，呈针状 性能优良 形成温度较高
块状相
由块状铁素体和岛状的富碳奥氏体组成 性能优良 27
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2-11 硼对钢相变的影响
Xb0 —— 溶质在晶界区的饱和偏聚量 Xc —— 为溶质在基体晶内的溶解量 E —— 溶质原子在晶内和晶界区引起的畸变能之差 用cg表示晶界区的溶质偏聚浓度，c0为溶质在基体晶内的浓度，将 上式简化可得： E = c 0 exp （ ） cg RT
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2-6 硼的非平衡偏聚
但是，很多实验证实，在淬火冷却过程中，硼向晶界的偏 聚是一个非平衡的热力学过程。 在实际淬火试样中观察到硼在奥氏体晶界上的偏聚，不像 平衡偏聚那样局限在几个原子范围内，而在晶界上形成具有一 定宽度的富集带。 这种偏聚是在冷却过程中形成的，对冷却速度很敏感。随 淬火温度的升高、冷却速度的降低，晶界富集带宽度有所增加， 晶界富集的硼增多。 硼在晶界的偏聚对钢的淬透性产生重要影响。
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2-9 硼对钢淬硬性的影响
微量的硼能够明显地提高钢的淬硬性，随冷速的加 大，硬度逐渐提高
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2-10 钼硼共同作用机理
Mo-B(s)共同作用有利于提高实验管线钢的淬透性，提 高钢的强度，其联合作用大于两者单独作用之和 微量B(s)可以明显抑制钢中铁素体在奥氏体晶界上的形 核，同时还使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在 低碳的情况下在一定的冷却速度范围之内也能获得贝 氏体组织或者贝氏体＋马氏体组织 但B的这一作用是基于固溶态的B(s)易于在奥氏体晶界 处偏聚，阻止铁素体在晶界的优先形核。如果B(s)偏聚 到奥氏体晶界与钢中C，N和O等结合，则将失去这一 作用
1. 硼元素简介 2. 硼元素在钢中的作用 3. Q690CFD钢脆性断裂的初步探讨 4. 未来展望
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1-1 硼元素
原子半径：0.98 熔 点：约2300°C 沸 点：3658°C 晶体密度：2.34g/cm3 地壳中含量：0.001%
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1-2 硼的主要用途
耐温玻璃、实验玻璃器皿、光学玻璃
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2-10 钼硼共同作用机理
若钢中未加入或者只加入少 量的Mo，C极易偏聚到奥氏 体晶界，从而易与B(s)结合 形成碳硼化合物，如Fe23(C, 8)6等，减少了B(s)的有效数 量 而Mo加入到钢中会增加碳的扩散激活能，降低碳的 活度系数ห้องสมุดไป่ตู้且Mo在钢中易形成Mo-C组合，从而减 少了C向奥氏体晶界的偏聚。即增加了奥氏体晶界处 的有效B(s)含量 这更有利于提高钢的淬透性，进而提高钢的强度。
焊接金属时的熔剂
硼
硼肥
硼钢在反应堆中用作控制棒
钢铁中的重要合金元素
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2-1 硼对铁多型性转变的影响
铁在加热和冷却过程中发生如下的多型性转变：
910℃ 1390℃
α-Fe
A3
γ-Fe
A4
δ-Fe
钢中的合金元素对α-Fe、 γ-Fe和 δ-Fe的相对稳定性及多型性转变温度 A3和A4都有极大的影响。
硼及其它合金元素对钢 组织性能的影响
吴素君 北京航空航天大学
问题的提出： Q690CFD的力学性能 问题的提出： Q690CFD的力学性能
材料力学性能
力学性能 试样号 炉号 坯号 板号 屈服强度（ MPa） 705 730 735 705 675 抗拉强度（ MPa） 825 805 810 815 775 延伸率 （%） 18.0 19.5 20.0 19.5 19.0 48 39 17 180 248 冲击功（J） 50 22 190 242 228 46 23 207 230 139
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2-8 硼对钢淬透性的影响
硼对增加钢的淬透性有重要意义，在钢中加入0.002% ～0.003%的硼 所达到的增加淬透性的作用，相当于加入约0.5%的Mn、Cr或Mo 硼对淬透性的贡献，主要在于硼在奥氏体晶界的偏聚，使奥氏体分解 时新相在奥氏体晶界处形核困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长， 使淬透性提高。 根据相变理论，珠光体转变属于扩散型转变，新相的晶核一般首先在 母相奥氏体的晶界处形成，这是因为晶界处最容易满足三大起伏条件， 即能量起伏、成分起伏和结构起伏。如果破坏了其中某些条件，都有 可能使形核发生困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长。
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2-8 硼对钢淬透性的影响
形核的随后阶段： 当晶界处满足了一定的条件后（能量、成分和结构条件），便可 形成先共析铁素体的晶胚，此时由于应变自由能的限制，使得晶 胚难以成核，从而使淬透性提高。 这是由于硼偏聚在奥氏体晶界处。当晶界处形成先共析铁素体晶 胚时，硼可以进入α—Fe的点阵之中，置换掉部分铁原子。由于硼 原子半径（0.98埃）比铁原子半径（1.24埃）小，因而造成点阵 收缩，体积应力增加，应变加大。
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2-11 硼对钢相变的影响
马氏体 淬火和 回火钢 低碳 贝氏体钢
提高 马氏体 淬透性
贝氏体 淬透性
加入钼元素能有效地使珠 光体转变曲线右移，但不 能完全抑制先析铁素体析 出。 微量的硼( 0.002%) 在奥 氏体晶界上有偏聚作用， 可有效地抑制先析铁素体 析出。 钼硼复合作用使过冷奥氏 体向铁素体的等温转变曲 线进一步右移，使贝氏体 转变开始线明显突出。提 高了贝氏体淬透性。
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2-12 硼强化晶界的机理
强化晶界的机理： 硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减 少，晶界自由能降低 硼减缓了合金元素沿晶界的扩散过程 硼能抑制晶界片层状、胞状析出相以及改善碳化物 不均匀分布的状态，改善了晶界状态
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2-13 硼对低碳钢晶粒尺寸的影响
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2-5 元素的平衡偏聚
一般来说，产生晶界偏聚的主要原因是溶质原子与基体原子的弹性 作用，溶质原子在完整晶体内引起的畸变能很高，因此，比基体原子大 或小的溶质原子将从晶内迁移到晶界、相界等缺陷区。 Mclean导出晶界溶质原子偏聚量的普遍表达式：
E Xb = x c exp（ ） xb 1 xc RT x b0
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2-11 硼对钢相变的影响
硼对钢的相变的影响主要在于影响相变 的孕育期，即“C”曲线中，恒温下开始 转变前的时间，孕育期的物理本质是新相 形核的难易程度。
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2-11 硼对钢相变的影响
硼及其他元素对于C曲线的影响
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2-11 硼对钢相变的影响
1# 2# 3# 4# 5#
9P04850B41 9P05202B23 9P05202B13 9P04852B22 9Q05395B13
9P04850B11 9P05202B11 9P05202B11 9P04852B11 9Q05395B11
0194328000 0194337000 0194339000 0194341000 0194356000
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2-7 淬透性的基本概念
淬透性：是指钢在淬火时获得淬硬深度的能力，是钢本身固有的属性 淬硬深度：从淬硬的工件表面至50%马氏体组织的垂直距离定为淬硬 深度 淬透性越好，淬火获得的淬硬深度越大 钢淬火时，表面的冷却速度最快，愈到中心冷却速度愈慢，在距表面 某一深处的冷却速度小于该钢的马氏体临界冷却速度，则淬火后将有 非马氏体组织出现 钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定 性。钢的临界冷却速度越小，钢的淬透性愈好。过冷奥氏体越稳定， 钢的淬透性愈好。
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2-8 硼对钢淬透性的影响
由形核理论可知，新相得以形核必须是晶胚尺寸要大于临界半径rk,也就 是说形核前必须要克服一定的能量阻碍（势垒），见下图 由于硼进入α—Fe的结合处，使应变能加大， 使得新相形成时又增加了一项阻力能—应变 能。 即： △G=-△Gv+△G表+△GE 其中： △G—相变自由能 △G表—表面能 △GE—应变能 △Gv—体积自由能
对试制的Q690CFD钢板进行冲击试验，发现试样冲击功值差距较大，其中两个试 样的冲击功值远远小于钢板设计值，说明试制钢板的韧度不达标。其中2#和3#试样成 分相同，但是经控轧控冷加工后，其冲击功值差距较大，说明3#试样的韧度高于2#试 样，为了找出其中的原因，进行了一下研究。
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2-8 硼对钢淬透性的影响
硼提高淬透性的机理分为如下两个阶段：
形核的初始阶段： 在这一时期由于硼在奥氏体晶界的偏聚，填充了部分晶界缺陷（或析 出了微细的共格硼相）造成了晶界处能量的降低，使得晶界处的能量 起伏降低。 由于硼在晶界处的偏聚，使得碳原子在晶界处的扩散受阻，而使晶界 处的成分不均匀减小、成分起伏量减小。 硼在晶界偏聚，对位错的封锁，可能造成位错密度大的区域三大起伏 大的优势被减弱。 以上因素都不利于奥氏体分解时新相的形核，因此造成了奥氏体分解 的孕育期增长，使淬透性提高。