合金元素对钢的性能影响

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1、合金元素对钢的影响 合金元素在钢中的存在形式：溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或者金属 间化合物形成非金属夹杂，如合金元素与O、N、S形成氧化物、氮化物和硫化物 有些元素如 Pb、 Ag 等游离态存在。一、合金元素与铁的相互作用1 扩大奥氏体区的元素（奥氏体形成元素）使a4点上升，a3点下降，导致奥氏体稳定区域扩大无限扩大奥氏体区的元素：Ni, Mn, Co有限扩大奥氏体区的元素：C, Cu, N2. 缩小奥氏体区的元素（铁素体形成元素）使a4点下降，a3点上升，导致奥氏体稳定区域缩小完全封闭奥氏体区的元素：Cr, Ti

2、, V W, Mo, Al, Si缩小奥氏体区，但不使之封闭的元素：B, Nb, Zr二、合金元素与碳的相互作用1. 非碳化物形成元素主要包括：B, N, Ni, Cu, Co, Al, Si 等 它们不能与碳元素形成化合物，但可以固溶于铁中形成固溶体 这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边2. 碳化物形成元素主要包括 Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe 这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边 它们都可与碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性质差别很大 Fe-C相图是研究钢中相变和对碳钢进行热处理时 选择加热温度的依据, 因此有必要先了解合金元素对Fe-C相图的影响

3、。钢中有三个基本的相变过程：加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体 的分解以及淬火马氏体回火时的转变。合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响 合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒。W、Mo、Cr阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。Mn、 P 有助于奥氏体晶粒的长大。 合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响 几乎所有的合金元素（除Co）外都使C曲线向右移动，即减慢珠光体类型转 变产物的形成速度。除Co、Al以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。 提高

4、淬透性的元素主要有Cr、 Mn、 Mo、 Si、 Ni、 B合金元素对回火过程的影响 合金元素的主要作用是提高钢的回火稳定性（钢对回火时发生软化过程的抵抗 能力），使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。 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 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

5、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，则显着提高钢的强度、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对热处理的影响（1）对加热过程奥氏体化的影响

6、：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，显着地阻碍奥氏体晶粒 长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。（2）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，

7、 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。（3）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

8、500600C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。2对焊接性能的影响 淬透性良好的合金钢在焊接时，容易在接头处出现淬硬组织，使该处脆性 增大，容易出现焊接裂纹；焊接时合金元素容易被氧化形成氧化物夹杂，使焊 接质量下降，例如，在焊接不锈钢时，形成Cr2O3夹杂，使焊缝质量受到影响, 同时由于铬的损失，不锈钢的耐腐蚀性下降，所以高合金钢最好采用保护作用 好的氩弧焊。3对锻造性能的影响 由于合金元素溶入奥氏体后使变形抗力增加，使塑性变形困难，合金钢锻 造需要施加更大的压

9、力吨位；同时合金元素使钢的导热性降低、脆性加大，增 大了合金钢锻造时和锻后冷却中出现变形、开裂的倾向，因此合金钢锻后一般 应控制终锻温度和冷却速度。三、各种合金元素对钢性能的影响目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr),锰(Mn),镍(Ni),硅(Si),硼(B), 钨(W),钼(Mo)，钒(V),钛(Ti)和稀土元素(Re)等。五大元素:硅、锰、碳、磷、 硫。五大杂质元素:氧、氮、磷、硫、氢。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， 当碳量 0.23%超过时,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

10、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0.15-0.30% 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 1.0 -1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性 和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅 1-4%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。硅可提高强度、高 温疲劳强度、耐热性及耐 H2S 等介质的腐蚀性。硅含

11、量增高会降低钢的塑性和 冲击韧性。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0.30 -0.50%。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11-14%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。 锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。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。因此通常要求钢中含磷量小于0

12、.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。铬是合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅 能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。当其含量达到 13时，能使

13、钢 的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。铬能提高钢的淬透性，显著提高 钢的强度、硬度和耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。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。镍钢铁性能有良好的作用。它能提高淬 透性，使钢具有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性 和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈耐酸钢 和耐热钢中。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

14、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。钼能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼 能抗氢腐蚀。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。可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊 缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用，减少铬与碳化合的机会，防止晶 间腐蚀，还可提高耐热性。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

15、成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒用于 固溶体中可提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加少量钒，在 保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。11、钨（W）：钨熔点高，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、钻（Co）：钻是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中

16、，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，降低冷脆性。 铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗 H2S 介质腐蚀有良好作用。铝的价 格比较便宜，所以在耐热合金钢中常以它来代替铬。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