低合金钢中合金元素作的作用

合金元素在钢中的作用

随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中，对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全满足这些要求了。

原因：

①由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬透性不够而不

能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大淬

透性。

②用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金

工具钢、高速钢和硬质合金。

③碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、耐低温、抗腐

蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种的合金钢才能具有

这些性能。

合金钢是以碳钢为基础，金相组织和相应的碳钢大体上是相似的。在钢中加入合金元素，钢的机械性能显著提高。弄清楚各种合金元素对钢材的影响对控制产品质量有非常大的作用。

1 合金元素在钢中的存在方式

1.1 合金元素与钢中的碳相互作用，形成碳化物存在于钢中

按合金元素在钢中与碳相互作用的情况，它们可以分为两大类：(1) 不形成碳化物的元素(称为非碳化物形成元素)，包括镍、硅、铝、钴、铜等。由于这些元素与碳的结合力比铁小，因此在钢中它们不能与碳化合，它们对钢中碳化物的结构也无明显的影响。

(2) 形成碳化物的元素(称为碳化物形成元素)，根据其与碳结合力的强弱，可把碳化物形成元素分成三类。

1）弱碳化物形成元素：锰

锰对碳的结合力仅略强于铁。锰加入钢中，一般不形成特殊碳化物(结构与Fe3C不同的碳化物称为特殊碳化物)，而是溶入渗碳体中。

2）中强碳化物形成元素；铬、钼、钨

3）强碳化物形成元素：钒、铌、钛

有极高的稳定性，例如TiC在淬火加热时要到1000℃以上才开始缓慢的溶解，这些碳化物有极高的硬度，例如在高速钢中加人钒，形成V4C，使之有更高的耐磨性。

1.2 合金元素溶解于铁素体(或奥氏体)中，以固溶体形式存在于钢中。

1.3 合金元素与钢中的氮、氧、硫等化合，以氮化物、氧化物、硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物的形式存在于钢中。

1.4 游离态，即不溶于铁，也不溶于化合物：铅，铜

2 合金元素对钢的平衡组织的影响

表现在改变铁碳合金状态图。

2.1 合金元素对钢临界温度的影响

锰、镍、铜使A3线降低，钼、钨、硅、钒使A3线升高。同样影响A1，影响程度更大。

2.2 合金元素对钢共析点（S点）位置的影响

大多数合金使共析点左移，钼钨在质量分数大时使共析点右移。

2.3 合金元素对奥氏体相区大小的影响

2.3.1 扩大γ区

合金元素与γ-Fe、α-Fe形成固溶体，常温下为奥氏体组织。Ni，Mn

2.3.2 减小γ区

抑制F向A转变，Cr

3 合金元素对热处理的影响

3.1 合金元素对奥氏体化的影响

奥氏体晶粒在铁素体与碳化物边界处生核并长大；剩余碳化物的溶解；奥氏体成分的均匀化，在高温停留时奥氏体晶粒的长大粗化等过程。在钢中加入合金元素对后三个过程有较大的影响。

（1）含有碳化物形成元素的合金钢，其组织中的碳化物，是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物，因此，在奥氏体化加热时碳化物较难溶解，即需要较高的温度和较长的时间。一般来说，合金元素形成碳化物的倾向愈强，其碳化物也愈难溶解。

（2）合金元素在奥氏体中的均匀化，也需要较长时间，因为合金元素的扩散速度，均远低于碳的扩散速度。

（3）某些合金元素强烈地阻碍着奥氏体晶粒的粗化过程，这主要与合金碳化物很难溶解有关，未溶解的碳化物阻碍了奥氏体晶界的迁

移，因此，含有较强的碳化物形成元素(如钼、钨，钒，铌、钛等)的钢，在奥氏体化加热时，易于获得细晶粒的组织。

各合金元素对奥氏体晶粒粗化过程的影响，一般可归纳如下：1）强烈阻止晶粒粗化的元素：钛、铌、钒、铝等，其中以钛的作用最强。

2）钨、钼、铬等中强碳化物形成元素，也显著地阻碍奥氏体晶粒粗化过程。

3）一般认为硅和镍也能阻碍奥氏体晶粒的粗化，但作用不明显。4）锰和磷是促使奥氏体晶粒粗化的元素。

3.2 合金元素对奥氏体分解转变的影响

多数合金元素使奥氏体分解转变的速度减慢，即C曲线向右移，也就是提高了钢的淬透性。

3.3 合金元素对马氏体转变的影响

增加冷却时间，降低冷却速度。另外，合金元素对马氏体开始转变温度(Ms点)也有明显的影响。多数合金元素均使马氏体开始转变温度(Ms点)降低，其中锰、铬、镍的作用最为强烈，只有铝、钴是提高Ms点。

3.3 合金元素对回火转变的影响

合金元素对淬火钢回火转变的影响主要有下列三个方面：

（1）提高钢的回火稳定性

这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。

（2）产生二次硬化

一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高，硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。回火二次硬化现象与合金钢回火时析出物的性质有关。当回火温度低于约450℃时，钢中析出渗碳体，在450℃以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀析出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、VC等，使钢的硬度开始升高，而在550～600℃左右沉淀析出过程完成，钢的硬度达到峰值。

（3）增大回火脆性

钢在回火过程中出现的第一类回火脆性(250～400℃回火)，即回火马氏体脆性和第二类回火脆性(450～600℃回火)，即高温回火脆性均与钢中存在的合金元素有关。

4 合金元素对氧化与腐蚀的影响

一些合金元素加入钢中能在钢的表面形成一层完整的、致密而稳定的氧化保护膜，从而提高了钢的抗氧化能力。最有效的合金元素是铬、硅和铝。但钢中硅、铝的质量分数较多时钢材变脆，因而它们只