合金钢中的合金元素.docx

合金钢中的合金元素在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金根据添加元素的不同，并采取适 当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能合金钢的 主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中;锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体;铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶 体中合金钢种 类很多，通常按合金元素含量多少分 为低合金钢（含量＜ 5%）,中合金钢（含量5%〜10 %），高合金钢（含量＞ 10 %）；按质量分为优质合 金钢、特质合金钢；按特性和用 途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、 耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢合金弹簧钢和特殊性能钢（如软 磁钢、永磁钢、无磁钢）等在钢中除 含铁、碳和少量不可避免的硅、 锰、磷、硫元素以外，还含有一定量的合金元素，钢中的合金元 素有硅、锰、钼、镍、硌、矾、 钛、铌、硼、铅、稀土等其中的一种或几种，这种钢叫合金钢 各的合金钢系统，随各 自的资源情况、生产和 使用条件不同而不同，国外以往曾发展镍、硌钢系统，我国则发现以 硅、锰、钒、钛、铌、硼、铅、稀土为主的合金钢系统 合金钢在钢的总产量中约 占百分之十几，一般是在电炉中冶炼的按用途可以把合金钢分 为 8 大类， 它们是：合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金 工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热不起皮钢，电工用硅钢合金钢根 据各种元素在钢中形成碳化物的倾向，可分为三类：①强碳化 物形成元素，如钒、钛、铌、锆等。

这类元素 只要有足够的碳，在适当的条件下 ，就形成各自的碳化物 ;仅在缺碳或高温的条件下 , 才以原子状态 进入固溶体中②碳化物 形成元素，如锰、铬、钨、钼等 这类元素一部分以原子状态进 入固溶体中，另一 部分形成置换 式合金渗碳体，如（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等，如果含量超过一定限度（除锰以外），又将形成各自的碳化物，如（Fe，Cr）7C3、（Fe，W）6C等③ 不形 成碳化物元素，如硅、铝、铜、镍、钴等这类元素一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶 体中合金元素中一些比较活泼的元素，如铝、锰、硅、钛、锆等，极易和钢中的氧和氮化合， 形成稳定的氧化物和氮化物，一般以夹杂物的形态存在于钢中锰、锆等元素也和硫形成硫化物 夹杂钢中含有足够数量的镍、钛、铝、钼等元素时能形成不同类型的金属间化合物有的合金元素如铜、铅等，如果含量超过它在钢中的溶解度，则以较纯的金属相存在钢的性能 取决于钢的相组成，相的成分和结构，各种相在钢中所占的体积组分和彼此相对的主要 是改变钢中相变碳、氮、铜、锌等 ,分布状态合金 元素是通过影响上述因素而起作 用的对钢 的相变点的影响 点的位置，大 致可以归纳为以下三个方面：①改变相变点温度。

一般来说，扩大Y相（奥氏体）区的元素，如锰、镍、 使A3点温度降低，A4点温度升高湘反，缩小Y相区的元素，如锆、硼、硅、磷、钛、钒、钼、钨、 铌等，则使A3点温度升高，A4点温度降低惟有钻使A3和A4点温度均升高铬的作用比较特殊， 含铬量小于7%时使A3点温度降低，大于7%时则使A3点温度提高② 改变共析点S的位置缩小Y相区的元素，均使共析点S温度升高；扩 大Y相区的元素， 则相反此外 几乎所有合金元素均降低共析 点 S 的含碳量，使 S 点向左移不 过碳化物形成元素 如钒、钛、铌 等（也包括钨、钼），在含量高 至一定限度以后 ,则使 S 点向右移③ 改变Y相区的形状、大小和位置这种 影响较为复杂，一般在合金元素 含量较高时，能使 之发生显著改变例如镍或锰含量高时，可使Y相区扩展至室温以下，使钢成 为单相的奥氏体组 织；而硅或铬含量高时，则可使Y相区缩得很小甚至完全消失，使钢在任何温 度下都是铁素体组 织合金钢合 金元素在钢中的作用对钢加热 和冷却时相变的影响 钢加热时 的主要固态相变是非奥氏体相向 奥氏体相的转变，即 奥氏体化的过 程整个过程都和碳的扩散有关 合金元素中，非碳化物形成元 素如镍、钴等，降 低碳在奥氏体 中的激活能，增加奥氏形成的速 度；而强碳化物形成元素如钒、 钛、钨等，强烈妨 碍碳在钢中的 扩散，显著减慢奥氏体化的过程 。

钢冷却时的相变是指过冷奥氏 体的分解，包括珠 光体转变（共析分解）、贝氏体相变及 马氏体相变由于钢中大 都存在几种合金元素的相互作用致使对钢冷却时相变的影响也复杂得多仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例，大多数合金元素，除钴和铝外，均起减缓奥氏体等温分解的作用，但各类元素所起的作用有所不同不形成碳化物的（如硅、磷、镍、铜）和少量的碳化物形成元素（如钒、钛、钼、钨），对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大，因而使转变曲线向右推移碳化物形 成元素（如钒、钛、铬、钼、钨）如果含量较多，将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟，但对奥 氏体向贝氏体的转变的推迟并不显著，因而使 这两种转变的等温转变曲线从 “鼻 子”处分离，而形成两个 C形当这类元素增加到一定程度时，在这两个转变区域的中间还将出现过 冷奥氏体的亚 稳定区合金元素对马氏体转变温 度 Ms （起始转变温度）和 Mn （终了转变温度 ）的影 响也很显著， 大部分元素均使 Ms 和 Mn 点降低，其中以碳 的影响最大 ,其次为锰、钒、铬等； 但 钴和铝则 使 Ms 和 Mn 点升 高对钢的晶 粒度和淬透性的影响 影响奥氏 体晶粒度的因素很多。

钢的脱氧 和合金化情况均与“奥氏体本质晶粒度 ”有关一般来说 ,一些不形成碳化物的元素 ,如镍、硅、铜、钴等,阻止奥氏体晶粒长大的作用较弱,而锰、磷则有促进晶粒长大的倾 向碳化物形成元素如钨、钼、铬等，对阻止奥氏体晶粒长大起中等作用强碳化物形成元素如钒、钛、铌、锆等，强烈地阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用铝虽然属于不形成碳化物元素，但却是细化晶粒和控制晶粒开始粗化温度的最常用的元素钢的淬透 性（见淬火）高低主要取决于化学成分和晶粒度除钴和铝等元素外，大部分合金元素溶入固溶体后都不同程度地抑制过冷奥氏体向珠光体和贝氏体的相变，增加获得马氏体组织的数量，即提高钢的淬透性一些碳化物形成元素，如钒、钛、锆、钨等，如果形成碳化物而固定了钢中的碳，反而会降低淬透性，易使晶粒粗化的元素如锰，能提高淬透性；使晶粒细化的元素如铝，则降低淬透性硼是显著影响淬透性的元素，合金钢中即使只含十万分之一的硼，也能显著提高钢的淬透性但硼的这种影响仅对低、中碳钢有效，对高碳钢完全无效对钢的力 学性能和回火性能的影响 钢的 性能取决于铁的固溶体和碳化物 各自性能以及它们相对分布的状 态合金元素对钢的力学性能的 影响也与此有关。

固溶于铁素体 中的合金元素，起固溶强化作用 ，使强度和硬度提高，但同时使 韧性和塑性相对地降低其中以 磷和硅的固溶强化 作用最显著，而硅对韧性的 影响也最严重少量的锰、铬或镍，反而对铁素体的韧性有一定提高 调质钢的韧性一脆性转变温度是评价力学性能的一项重要指标①提高转变温度的元素有B、P、C、Si、Cu、Mo、Cr；②降低转变温度的元素有Ni、Mn；③少量时提高、多量时降低转变温度的元素有Ti、V;④少量时降低、多量时提高转变温度的元 素有AI合金钢的冋火稳定性比碳素钢好，这是由于合金元素在回火时阻碍了钢中原子的扩散，因而在同样温度下，起到延迟马氏体分解和抗冋火软化的作用对合金钢的冋火稳定性影响比较显著的为：钒、钨、钛、铬、钼、钴、硅等元素；影响不明显的为：铝、锰、镍等元素可以看到，碳化物形成元素，对冋火软化的延迟作用特别显著钴和硅虽属不形成碳化物元素，但它们对渗碳体晶核的形成和长大，有强烈的延迟作用，因此，也有延迟冋火软化的作用各种合金元素对冋火脆性影响的程度是不同的定性地说，锰、铬、氮、磷、钒、铜、镍等均有促进冋火脆性的倾向钼的作用较特殊，它加入已有冋火脆性的合金钢（例如含锰、铬等）中，能显著地降低冋火脆性倾向；若单独加入普通碳素钢中，则成为促进冋火脆性倾向的元素。

钨的作用与钼相似，但对冋火脆性的影响尚未十分确定对钢的焊 接性和被切削性的影响 焊接性 和被切削性是衡量钢的工艺性能好坏的主要方面凡能提高淬透性的合金元素均对钢的焊接性不利因为在焊缝热影响区靠近熔合线一侧冷却时易形成马氏体等硬脆组织，有导致开裂的危险另一方面，热影响区靠近熔合线处的晶粒因受高热容易粗化，因此，合金钢中含有可使晶粒细化的元素如钛、钒等是有益的硅含量高，焊接 时会发生严重喷溅 硫含量高容易产生 热裂，同时会逸 出二氧化硫气体 ，在焊接金属内形成气孔和疏松 磷含量高容易 导致冷裂钢中加入适量的硫、铅等元素可改善钢的被切削性（见易切削钢）合金钢中的合金元素一 般会 使钢的硬度 增加，因而 增高切削抗力 ，加剧刀具 磨损通过 改变钢的基 体组织、夹 杂物的种 类、数量和形状 可以影响钢的被切削性对钢的耐 蚀性能的影响 铬是不锈耐酸钢 和耐热钢的主要 合金元素合 金钢中含铬量若达到 12％左右，在 钢的表面便形成致密的铬的氧化 物，使钢在氧化 性介 质中的耐蚀 性发生突变 而大大提高 铬、铝、硅 等元素，能 提高钢的抗 氧化性和抗 高温气体 的腐 蚀性能，但 过量的铝和 硅则会使钢的 热塑性变坏 。

镍主要用 来形成和稳 定奥氏体组 织，使钢 获得 良好的力学 性能、耐蚀 性能和工艺性 能钼能使 不锈耐酸钢 很快钝化， 提高对含有 氯离子的 溶液 及其他非氧 化性介质的 耐蚀能力钛 、铌通常用 来固定合金 钢中的碳， 使它生成稳 定的碳化 物，以减轻碳 对合金钢耐蚀性能的有害作用 铜和磷配合使用时，可提高钢的 耐大气腐蚀性能。