合金元素对材料性能的影响

合金元素对材料性能的影响

赵刚领

（四川大学化学工程与工艺专业 1143084077 )

生活中化工生产中我们需要不同特性的钢材。因此我们需要的绝大多数不仅仅是钢材本身而是它的合金。

常见的合金元素有碳、硅、铜、铝、钴、鈦、锆、钼、猛。合金元素的添加一般是与铁和碳发生反应。其中碳、硅、铜、铝、钴等合金元素成为非碳化物元素在钢中它们不能与碳形成化合物主要固溶在铁素体中鈦、锆、钼、猛等合金元素称为碳化物元素它们部分固溶于铁素质中部分能与碳化合成碳化物。另外在高合金钢中还可能形成金属间化合物。

不同的合金元素以及它们不同的含量都会对我们的钢的力学性能、耐蚀性、高低温、加工工艺性能造成不同的影响。

一、合金元素对钢力学性能的影响

1．溶解于铁起固溶强化作用

几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度、硬度提高，但塑性韧性有所下降。使钢具有强韧性的良好配合2．形成碳化物，起第二相强化、硬化作用

按照与碳之间的相互作用不同，常用的合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，它们在钢中能与碳结合形成碳化物，如TiC、VC、WC等，这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性，如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。

3．使结构钢中珠光体增加，起强化的作用

合金元素的加入，使Fe-Fe3C相图中的共析点左移，因而，与相同含碳量的碳钢相比，亚共析成分的结构钢（一般结构钢为亚共析钢）含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数量，使合金钢的强度提高

二、合金元素对钢工艺性能的影响

1）对过冷奥氏体转变的影响：合金钢淬透性更好，可减小淬火冷速，减小淬火变形。但残余奥氏体增多

除Co外，所有溶于奥氏体中的合金元素，都使过冷奥氏体的稳定性增大，使C曲线右移，马氏体临界冷却速度减小，淬透性提高。这使得合金钢利用较小的冷却速度即能淬成马氏体组织，可减小淬火变形。因此大尺寸、形状复杂或要求精度高的重要零件需要用合金钢制作。除Co、Al外，大多数合金元素都使Ms点降低，使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多，这将对零件的淬火质量会产生不利影响

2）对回火转变的影响：合金钢耐回火性好，回火后强韧性配合更好，有些钢可产生“二次硬化”

合金钢回火时马氏体不易分解，抗软化能力强，即提高了钢的耐回火性，回火后能有更好的强韧性配合。合金元素能提高马氏体分解温度，对于含有较多Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，当加热至500～600℃回火时，直接由马氏体中析出合金碳化物，这些碳化物颗粒细小，分布弥散，使钢的硬度不仅不降低，反而升高这种现象称为“二次硬化”。但有些合金钢应避免“回火脆性”的产生

三、合金元素对材料耐腐蚀性能的影响

碳是钢里最重要的单一合金元素。它对于渗碳体、珠光体、球状渗碳体、贝氏体和马氏体的形成是必不可少的。由它们的一种或几种组分构成的显微组织能提供范围很广的力学性能和加工特性。通过热处理可以控制这些元素的相对含量及其分布,并以此改变特定钢工件的显微组织以及其性能。大多数的钢铁冶金技术都应用于铁碳合金的不同组织及其转变上,可以说许多其他元素很大程度也只是在其铁-碳系统上发挥作用。总的来看,钢的强度和硬度随含碳量的增加而提高,而韧性和塑性却随含碳量的增加而降低。

从耐蚀性方面来说,碳的存在会使刚才的内部形成化学电池,从而产生电化学腐蚀,这是对于钢材的耐蚀方面的很不利的影响。同时它的存在也会造成钢材的晶间局部缺Cr,钢的抗敏化态晶间腐蚀性能恶化,增加点蚀倾向。

氮有不明显的固溶强化及提高淬透性的作用,提高蠕变强度,与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用,表面渗氮,提高硬度及耐磨性,增加抗蚀性,在低碳

钢中,残余氮会导致时效脆性。因此氮元素在焊接过程中对于金属是非常不利的。能够有效地提高钢材在氯化物环境中的抗点蚀性能和抗缝隙腐蚀性能。适量的N 有利于不锈钢的耐晶间腐蚀和晶间应力腐蚀性能。同时它还能形成正铵离子抑制PH的降低,形成硝酸根离子,形成一定的钝化,于不锈钢的抗腐蚀作用是很有效

果的。从腐蚀性能来说,较高的含硅量可以增加钢在空气中的抗氧化能力,并且能减少磁滞损失。

铜达到相当含量则有害于钢的热形变加工工艺。铜对于锻、焊有着负面的影响,但还不至于严重影响电弧焊和氧炔焊。作为对表面质量的不利因素,铜会增加加硫钢原有的表面缺陷。然而,当铜含量超过0.2%时,会有助于提高钢在大气中的耐腐蚀性,超过该含铜量的钢也称之为耐候钢。Cu含量低时,作用和镍相似,含量较高时,对热变形加工不利,如超过0,30,时,在热变形加工时导致

高温铜脆现象,含量高于0,75,时,经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。在低碳合金钢中,特别是与磷同时存在,可提高钢的抗大气腐蚀性,2一3的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性。

四、合金元素对材料温度的影响

合金钢热处理可适当提高加热温度和延长保温时间。合金钢中的合金渗碳体、合金碳化物稳定性高，不易溶入奥氏体；合金元素溶入奥氏体后扩散很缓慢，因此合金钢的奥氏体化速度比碳钢慢，为加速奥氏体化，要求将合金钢（锰钢除外）加热到较高的温度和保温较长的时间。除Mn外的所有合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，尤其是Ti、V等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高，残存在奥氏体晶界上，显著地阻碍奥氏体晶粒长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。