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1、化学元素对钢性能的影响1、 碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当含碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀
2、性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求
3、钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于
4、镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。11、钨(W)：钨
5、熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当
6、铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。形成气泡和疏松。 18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土
7、。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。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
8、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
9、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l 000C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10-1 11.2.1 合金元素对钢临界温度的影
10、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扩大区合金元素与-Fe-Fe形成固溶体，常温下为奥氏体组织。Ni，Mn11.2.3.2减小区抑制F向A转变，Cr11.3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
11、。（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
12、）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
13、 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10-7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4
14、50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550600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(250400C回火)t即回火马氏体脆性和第二类回火脆性(450600C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
15、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：1）细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。2）提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。(2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
