元素對合金的影響

1、元素對合金的影響元素對合金的影響主要合金元素 合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、 鋁、銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強(qiáng)碳化物形成元素,只要有足夠的碳 ,在適當(dāng)條件下 ,就能形成各自的碳化物 ,當(dāng)缺碳或在高溫條件下 ,則以原子狀 態(tài)進(jìn)入固溶體中 ;錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素 ,其中一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固 溶體中 ,另一部分形成置換式合金滲碳體 ;鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元 素,一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。編輯本段 合金鋼的分類一般分類合金鋼種類很多 ,通常按合金元素含量多少分為低合金鋼 （含量<5%）, 中合金鋼 （含量 5%1

2、0%）, 高合金鋼 （含量 >10%）; 按質(zhì)量分為優(yōu)質(zhì)合金鋼、特質(zhì)合金鋼 ;按特 性和用途又分為合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾 動(dòng)軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼 （如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼 ）等。在鋼中除含 鐵、碳和少量不可避免的硅、錳、磷、硫元素以外 ,還含有一定量的合金元素 ,鋼中 的合金元素有硅、錳、鉬、鎳、硌、礬、鈦、鈮、硼、鉛、稀土等其中的一種或幾 種 ,這種鋼叫合金鋼。各國的合金鋼系統(tǒng) ,隨各自的資源情況、生產(chǎn)和使用條件不同 而不同 ,國外以往曾發(fā)展鎳、硌鋼系統(tǒng) ,我國則發(fā)現(xiàn)以硅、錳、釩、鈦、鈮、硼、 鉛、稀土為主的合金鋼系統(tǒng)合金鋼在鋼的總產(chǎn)量中

3、約占百分之十幾 ,一般是在電爐 中冶煉的按用途可以把合金鋼分為 8 大類,它們是 :合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、 合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、耐熱不起皮鋼 ,電工用硅鋼。調(diào)質(zhì)鋼 1.中碳型 合金鋼,合金元素含量較低 ;2.強(qiáng)度較高 ;3.用于高溫螺栓、螺母材料等。彈簧鋼 1 含 碳量比調(diào)質(zhì)鋼高 ; 2 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 ,強(qiáng)度較高抗疲勞強(qiáng)度較高 ;3 用于彈簧材料。滾動(dòng)軸 承鋼 1 高碳型合金鋼 ,合金含量較高 ;2 具有高而均勻的硬度和耐磨性 ;3 用于滾動(dòng)軸 承。合金工具鋼量具鋼 1 高碳型合金鋼 ,合金元素含量較低 ;2 具有高的硬度和耐磨 性,機(jī)加工性能好 ,穩(wěn)定性好 ;3 用于量具材料

4、。特殊性能鋼不銹鋼 1 低碳高合金鋼 ;2 抗腐蝕性好 ;3 用于抗腐蝕、部分可做耐熱材料。耐熱鋼 1 低碳高合金鋼 ;2 耐熱性 能好;3 用于耐熱材料、部分可做抗腐蝕材料。低溫鋼 1 低碳合金鋼 ,根據(jù)耐低溫程 度合金元素有高有低 ;2 抗低溫性好 ;3 用于低溫材料 （專用鋼為鎳鋼 ）。根據(jù)碳化物的傾向分類合金鋼根據(jù)各種元素在鋼中形成碳化物的傾向 ,可分為三類 : 強(qiáng)碳化物形成元素 ,如釩、鈦、鈮、鋯等。這類元素只要有足夠的碳 ,在適當(dāng)?shù)臈l件下 ,就形成各自的碳化物 ;僅在缺碳或高 不銹鋼溫的條件下 ,才以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中。 碳化物形成元素 ,如錳、鉻、鎢、鉬等。這類元素一部分以原子

5、狀態(tài)進(jìn)入固 溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體，如（Fe,Mn）3C、（Fe,Cr）3C等，如果含量超 過一定限度（除錳以外），又將形成各自的碳化物，如（Fe,Cr）7C3、（Fe,W）6C等。 不形成碳化物元素 ,如硅、鋁、銅、鎳、鈷等。這類元素一般以原子狀態(tài)存 在于奧氏體、鐵素體等固溶體中。合金元素中一些比較活潑的元素 ,如鋁、錳、硅、鈦、鋯等 , 極易和鋼中的氧和氮化合 ,形成穩(wěn)定的氧化物和氮化物 ,一般以夾雜物的形態(tài)存在于 鋼中。錳、鋯等元素也和硫形成硫化物夾雜。鋼中含有足夠數(shù)量的鎳、鈦、鋁、鉬 等元素時(shí)能形成不同類型的金屬間化合物。有的合金元素如銅、鉛等,如果含量超過它在鋼中的溶解

6、度 ,則以較純的金屬相存在。鋼的性能取決于鋼的相組成,相的成分和結(jié)構(gòu) ,各種相在鋼中所占的體積組分和彼此相對的分布狀態(tài)。合金元素是通過影響上述因素而起作用的。對鋼的相變點(diǎn)的影響主要是改變鋼 中相變點(diǎn)的位置 ,大致可以歸納為以下三個(gè)方面 : 改變相變點(diǎn)溫度。一般來說，擴(kuò)大丫相（奧氏體）區(qū)的元素，如錳、鎳、碳、 氮、銅、鋅等，使A3點(diǎn)溫度降低,A4點(diǎn)溫度升高；相反，縮小丫相區(qū)的元素，如鋯、 硼、硅、磷、鈦、釩、鉬、鎢、鈮等 ,則使 A3 點(diǎn)溫度升高 ,A4 點(diǎn)溫度降低。惟有鈷 使 A3 和 A4 點(diǎn)溫度均升高。鉻的作用比較特殊 ,含鉻量小于 7%時(shí)使 A3 點(diǎn)溫度降 低,大于 7% 時(shí)則使 A3

7、點(diǎn)溫度提高。 改變共析點(diǎn)S的位置?？s小丫相區(qū)的元素，均使共析點(diǎn)S溫度升高;擴(kuò)大丫相區(qū)的元素 ,則相反。此外幾乎所有合金元素均降低共析點(diǎn)S 的含碳量 ,使 S 點(diǎn)向左移。不過碳化物形成元素如釩、鈦、鈮等 （也包括鎢、鉬 ）,在含量高至一定限度以后 則使 S 點(diǎn)向右移。 改變丫相區(qū)的形狀、大小和位置。這種影響較為復(fù)雜，一般在合金元素含量 較高時(shí)，能使之發(fā)生顯著改變。例如鎳或錳含量高時(shí)，可使丫相區(qū)擴(kuò)展至室溫以下，使 鋼成為單相的奧氏體組織；而硅或鉻含量高時(shí)，則可使丫相區(qū)縮得很小甚至完全消失, 使鋼在任何溫度下都是鐵素體組織。合金鋼合金元素在鋼中的作用1、碳(C):鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高

8、，但塑性和沖合金結(jié)構(gòu)鋼擊性 降低,當(dāng)碳量%超過時(shí),鋼的焊接性能變壞 ,因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼 ,含碳量一般 不超過 %。碳量高還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力 ,在露天料場的高碳鋼就易銹蝕;此外,碳能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性。2、硅(Si):在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有的硅。如果鋼中含硅量超過硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限,屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度 ,故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入的硅,強(qiáng)度可提高 15-20% 。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合 ,有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用 ,可制造耐熱鋼。含硅 1-4% 的低碳 鋼,具有極高的導(dǎo)磁率 ,用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加

9、,會(huì)降低鋼的焊接性能。3、錳(Mn):在煉鋼過程中,錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳。在碳素鋼中加入 %以上時(shí)就算“錳鋼”, 較一般鋼量的鋼不但有足夠的,韌且性有較高的強(qiáng)度和硬度 ,提高鋼的淬性 ,改善鋼的熱加工性能 ,如 16Mn 鋼比 A3 屈服點(diǎn)高 40%。 含錳 11-14% 的鋼有極高的耐磨性 ,用于挖土機(jī)鏟斗 ,球磨機(jī)襯板等。錳量增高 ,減弱 鋼的抗腐蝕能力 ,降低焊接性能。4、磷(P):在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性,使焊接性能變壞， 降低塑性 ,使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于 %,優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。5、 硫(S):硫在通常情況下也是有害元素。使

10、鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和 韌性,在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?,降低耐腐蝕性。所以通常要 求硫含量小于 %,優(yōu)質(zhì)鋼要求小于 %。在鋼中加入的硫 ,可以改善切削加工性 ,通常稱 易切削鋼。6、鉻(Cr):在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降 低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性 ,因而是不銹鋼 ,耐熱鋼的重要 合金元素。7、鎳(Ni):鎳能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力 ,在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源,故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。8、鉬(Mo):鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱

11、強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的 強(qiáng)度和抗蠕變能力 (長期在高溫下受到應(yīng)力 ,發(fā)生變形,稱蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬 ,能 提高機(jī)械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。9、 鈦(Ti):鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力 降低時(shí)效 敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻 18 鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?,可避 免晶間腐蝕。10、釩(V):釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加 %的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌 性。釩與碳形成的碳化物 ,在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。11、鎢(W):鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的 硬度和耐磨性。在工具鋼

12、加鎢 ,可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性 ,作切削工具及鍛模具 用。12、鈮(Nb):鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性 ，提高強(qiáng)度，但塑 性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮 ,可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、 氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮 ,可防止晶間腐蝕現(xiàn) 象。13、鉆(Co):鉆是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材 料。14、銅(Cu):武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點(diǎn)是在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆,銅含量超過 %塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于 %對焊接性無影響。15、鋁(Al):鋁是鋼中常用的脫氧劑。

13、鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊 韌性,如作深沖薄板的 08Al 鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能 ,鋁與鉻、硅合用 , 可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工 性能、焊接性能和切削加工性能。16、硼(B):鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密 性和熱軋性能 ,提高強(qiáng)度。17、氮(N):氮能提高鋼的強(qiáng)度，低溫韌性和焊接性，增加時(shí)效敏感性。18、稀土 (Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為 57-71的15個(gè)鑭系元素。這些元素都是金屬 ,但他們的氧化物很象“土”, 所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中加入稀土,可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì) ,從而改善了鋼

14、的各種性能 ,如 韌性、焊接性 ,冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土 ,可提高耐磨性。對鋼加熱和冷卻時(shí)相變的影響鋼加熱時(shí)的主要固態(tài)相變是非奧氏體相向奧氏體 相的轉(zhuǎn)變 ,即奧氏體化的過程。整個(gè)過程都和碳的擴(kuò)散有關(guān)。合金元素中,非碳化物形成元素如鎳、鉆等 ,降低碳在奧氏體中的激活能 ,增加奧氏形成的速度 ;而強(qiáng)碳化物形成元素如釩、鈦、鎢等 ,強(qiáng)烈妨礙碳在鋼中的擴(kuò)散 ,顯著減慢奧氏體化的過程。鋼 冷卻時(shí)的相變是指過冷奧氏體的分解 ,包括珠光體轉(zhuǎn)變 （共析分解 ）、貝氏體相變及馬 氏體相變。由于鋼中大都存在幾種合金元素的相互作用 ,致使對鋼冷卻時(shí)相變的影 響也復(fù)雜得多。僅舉合金元素對過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

15、的影響為例,大多數(shù)合金元素 ,除鈷和鋁外 ,均起減緩?qiáng)W氏體等溫分解的作用 ,但各類元素所起的作用有所不 同。不形成碳化物的 （如硅、磷、鎳、銅 ）和少量的碳化物形成元素 （如釩、鈦、 鉬、鎢 ）,對奧氏體到向珠光體的轉(zhuǎn)變和向貝氏體的轉(zhuǎn)變的影響差異不大 ,因而使轉(zhuǎn)變曲線向右推移。碳化物形成元素 （如釩、鈦、鉻、鉬、鎢 ）如果含量較多 ,將使奧氏體向珠光體的 轉(zhuǎn)變顯著推遲 ,但對奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變的推遲并不顯著 ,因而使這兩種轉(zhuǎn)變的等 溫轉(zhuǎn)變曲線從“鼻子”處分離 ,而形成兩個(gè) C 形。當(dāng)這類元素增加到一定程度時(shí) ,在 這兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)域的中間還將出現(xiàn)過冷奧氏體的亞穩(wěn)定區(qū)。合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變溫 度

16、Ms （ 起始轉(zhuǎn)變溫度 ）和 Mn （ 終了轉(zhuǎn)變溫度 ） 的影響也很顯著 ,大部分元素均使 Ms 和 Mn 點(diǎn)降低 , 其中以碳的影響最大 ,其次為錳、釩、鉻等 ;但鈷和鋁則使 Ms 和 Mn 點(diǎn)升高。對鋼的晶粒度和淬透性的影響影響奧氏體晶粒度的因素很多。鋼的脫氧和 合金化情況均與“奧氏體本質(zhì)晶粒度”有關(guān)。一般來說 ,一些不形成碳化物的元素 , 如鎳、硅、銅、鈷等 ,阻止奧氏體晶粒長大的作用較弱 ,而錳、磷則有促進(jìn)晶粒長大 的傾向。碳化物形成元素如鎢、鉬、鉻等 ,對阻止奧氏體晶粒長大起中等作用。強(qiáng) 碳化物形成元素如釩、鈦、鈮、鋯等 ,強(qiáng)烈地阻止奧氏體晶粒長大 ,起細(xì)化晶粒作 用。鋁雖然屬于不形

17、成碳化物元素 ,但卻是細(xì)化晶粒和控制晶粒開始粗化溫度的最 常用的元素。鋼的淬透性 （見淬火 ）高低主要取決于化學(xué)成分和晶粒度。除鈷和鋁等 元素外 ,大部分合金元素溶入固溶體后都不同程度地抑制過冷奧氏體向珠光體和貝 氏體的相變 ,增加獲得馬氏體組織的數(shù)量 ,即提高鋼的淬透性。一些碳化物形成元素 , 如釩、鈦、鋯、鎢等 ,如果形成碳化物而固定了鋼中的碳 ,反而會(huì)降低淬透性 ,易使晶 粒粗化的元素如錳 ,能提高淬透性 ;使晶粒細(xì)化的元素如鋁 ,則降低淬透性。硼是顯著 影響淬透性的元素 ,合金鋼中即使只含十萬分之一的硼 ,也能顯著提高鋼的淬透性。 但硼的這種影響僅對低、中碳鋼有效 ,對高碳鋼完全無效。

18、對鋼的力學(xué)性能和回火 性能的影響鋼的性能取決于鐵的固溶體和碳化物各自性能以及它們相對分布的狀 態(tài)。合金元素對鋼的力學(xué)性能的影響也與此有關(guān)。固溶于鐵素體中的合金元素,起固溶強(qiáng)化作用 ,使強(qiáng)度和硬度提高 ,但同時(shí)使韌性和塑性相對地降低。其中以磷和硅 的固溶強(qiáng)化作用最顯著 ,而硅對韌性的影響也最嚴(yán)重。少量的錳、鉻或鎳 ,反而對鐵 素體的韌性有一定提高。調(diào)質(zhì)鋼的韌性 -脆性轉(zhuǎn)變溫度是評(píng)價(jià)力學(xué)性能的一項(xiàng)重要 指標(biāo)。提高轉(zhuǎn)變溫度的元素有 B、P、C、Si、Cu、Mo、Cr;降低轉(zhuǎn)變溫度的 元素有Ni、Mn;少量時(shí)提高、多量時(shí)降低轉(zhuǎn)變溫度的元素有 Ti、V;少量時(shí)降 低、多量時(shí)提高轉(zhuǎn)變溫度的元素有 Al 。

19、合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳素鋼好 ,這是由于合金元素在回火時(shí)阻礙了鋼中原子的擴(kuò)散 ,因 而在同樣溫度下 ,起到延遲馬氏體分解和抗回火軟化的作用。對合金鋼的回火穩(wěn)定 性影響比較顯著的為 :釩、鎢、鈦、鉻、鉬、鈷、硅等元素 ;影響不明顯的為 :鋁、 錳、鎳等元素?？梢钥吹?,碳化物形成元素 ,對回火軟化的延遲作用特別顯著。鈷和 硅雖屬不形成碳化物元素 ,但它們對滲碳體晶核的形成和長大 ,有強(qiáng)烈的延遲作用 ,因 此,也有延遲回火軟化的作用。各種合金元素對回火脆性影響的程度是不同的。定 性地說 ,錳、鉻、氮、磷、釩、銅、鎳等均有促進(jìn)回火脆性的傾向。鉬的作用較特 殊,它加入已有回火脆性的合金鋼 （例如含錳、

20、鉻等 ）中,能顯著地降低回火脆性傾向 ; 若單獨(dú)加入普通碳素鋼中 ,則成為促進(jìn)回火脆性傾向的元素。鎢的作用與鉬相似 ,但 對回火脆性的影響尚未十分確定。對鋼的焊接性和被切削性的影響焊接性和被切削 性是衡量鋼的工藝性能好壞的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均對鋼的焊接 性不利。因?yàn)樵诤缚p熱影響區(qū)靠近熔合線一側(cè)冷卻時(shí)易形成馬氏體等硬脆組織,有導(dǎo)致開裂的危險(xiǎn)。另一方面 ,熱影響區(qū)靠近熔合線處的晶粒因受高熱容易粗化 ,因此, 合金鋼中含有可使晶粒細(xì)化的元素如鈦、釩等是有益的。硅含量高,焊接時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重噴濺。硫含量高容易產(chǎn)生熱裂 ,同時(shí)會(huì)逸出二氧化硫氣體 ,在焊接金屬內(nèi)形成氣 孔和疏松。磷含量高容易導(dǎo)致冷裂。鋼中加入適量的硫、鉛等元素可改善鋼的被切 削性（見易切削鋼 ）。合金鋼中的合金元素一般會(huì)使鋼的硬度增加 ,因而增高切削抗力 加劇刀具磨損。通過改變鋼的基體組織、夾雜物的種類、數(shù)量和形狀可以影響鋼的被切削性。對鋼的耐蝕性能的影響鉻是不銹耐酸鋼和耐熱鋼的主要 合金元素。合金鋼中含鉻量若達(dá)到 12% 左右,在鋼的表面便形成致密的鉻的氧化物 , 使鋼在氧化