合金元素在钢中的作用

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。

11.1合金元素在钢中的存在方式

11.1.1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l000C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。

11.1.2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

11.1.3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

11.1.4游离态，即不溶于铁，也不溶

于化合物：铅，铜

11.2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

11.2.1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，

11.2.2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。

11.2.3合金元素对奥氏体相区大小的影响

11.2.3.1扩大γ区

合金元素与γ-Feα-Fe形成固溶体，常温下为奥氏体组织。Ni，Mn

11.2.3.2减小γ区

抑制F向A转变，Cr

11.3合金元素对热处理的影响

11.3.1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。

11.3.2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。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。

11.3.3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。图

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乙类回火脆性(250～400C回火)t即回火马氏体脆性和第二类

回火脆性(450～600～C回火)，即高温回火脆性均与钢中存在的合金元素有关。

11.4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(参看图10-8)。但钢中硅、铝的质量分数较多时钢材变脆，因而它们只能作为辅加元素，一般都以铬为主加元素，以提高钢的抗氧化性。

钢中加入少量的铜、磷等元素，可提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀。

11.5合金元素对机械性能的影响

11.5.1金属材料的强化方法

金属材料的强化途径，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：