合金钢 - 合金元素在钢中的作用

合金钢 - 合金元素在钢中的作用
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  主要是改变钢中相变点的位置，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γ相(奥氏体)区的元素，如锰、镍、碳、氮、铜、锌等,使A3点温度降低,A4点温度升高;相反,缩小γ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。惟有钴使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γ相区的元素，均使共析点S温度升高；铬钼合金钢线材扩大γ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），在含量高至铬钼合金钢硬度一定限度以后,则使S点向右移。
③改变γ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γ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γ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。
 

合金钢弯头

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铬钼合金钢的硬度，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铬钼钨耐磨钢所不同。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显著，而硅对韧性的影响也严重。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－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Al。

合金钢的回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回火软化的作用。对合金钢的回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，对回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，也有延迟回火软化的作用。各种合金元素对回火脆性影响的程度是不同的。定性地说，锰、铬、氮、磷、钒、铜、镍等均有促进回火脆性的倾向。钼的作用较特殊，它加入已有回火脆性的合金钢（例如含锰、铬等）中，能显著地降低回火脆性倾向；若单独加入普通碳素钢中，则成为促进回火脆性倾向的元素。钨的作用与钼相似，但对回火脆性的影响尚未十分确定。

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