合金钢中含有的主要元素（工业用钢中合金元素的作用）

工业用钢中合金元素的作用

实验表明，在碳钢中加入一定数量的合金元素进行合金化，可以进一步改善钢的组织和性能。合金元素是为了改变钢的组织与性能而有意加入的元素。合金元素加入钢中，不仅与铁、碳两种基本元素发生作用，合金元素之间也相互作用。因此对铁的基本相、相图、钢的相变均有影响。

一、合金元素对钢组成相的影响

1、钢中的合金元素

钢中常见合金元素有 Si、Ni、Cu、Al、Co、Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn 等。合金元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物(氧化物、氮化物等)，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。其中与碳亲和力较强的元素称为碳化物形成元素，如 Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn 等。与碳亲和力较小的元素称为非碳化物形成元素，如 Si、Ni、Cu、Al、Co 等。

2、合金元素对Fe-C相图的影响

合金元素按对 Fe-C 相图的影响分为两类，扩大 γ 相区元素称为奥氏体稳定化元素，包括 Mn、Ni、Co、C、N、Cu 等，它们使A3点下降，A4点上升，从而扩大γ相区的存在范围，如图 7.1 所示。缩小 γ 相区元素称为铁素体稳定化元素，主要有 Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等，它们使 A3点上升，A4 点下降，从而缩小 γ 相区的存在范围，如图 7.2 所示。

γ 相区扩大或缩小的结果，相图各特征点位置发生变动，钢的显微组织发生相应变化。合金元素对铁碳相图影响主要分两方面：

1）对奥氏体和铁素体存在范围的影响

扩大 γ 相区元素均扩大铁碳相图中奥氏体存在区域，其中完全扩大 γ 相区，元素 Ni 或Mn 含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如 1Cr18Ni9 高镍奥氏体不锈钢和 ZGMn13 高锰耐磨钢等。缩小 γ 相相区元素均缩小铁碳相图中奥氏体存在区域，其中完全封闭 γ 相区元素(如 Cr、Ti、W、V、Si 等)超过一定含量后，可使钢在包括室温的广大温度范围内获得单相铁素体组织，例如 1Crl7Ti 高铬铁素体不锈钢等。

2）对铁碳相图临界点(S点和E点)的影响

扩大 γ 相区元素使铁碳合金相图中共析转变温度下降，缩小 γ 相区元素使其上升。主要合金元素对共析温度的影响如图 7.3 所示，对共析点和共晶点成分影响如图 7.4 所示，几乎所有合金元素都使共析含碳量降低，共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的作用最强烈。S 点及 E 点左移，使合金钢平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图分析)。例如，含碳量 0.3%的 3Cr2W8V 热作模具钢为过共析钢，而含碳量不超过 1%的 W18Cr4V 高速钢，在铸态下具有莱氏体组织。

二、合金钢中的基本相

合金元素加入钢中，可能以两种形式存在：一是溶于固溶体类相中，形成合金铁素体、合金奥氏体、合金马氏体，增加固溶体相稳定性，同时也对这些固溶体类相产生有效的固溶强化效果，非碳化物形成元素主要存在于固溶体类相中；二是形成合金碳化物或特殊碳化物。例如置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体，在高碳高合金钢中，可能形成各种稳定性更高的合金碳化物以及特殊碳化物，碳化物形成元素易于形成不同类型的碳化物。稳定性越高的碳化物越难溶于奥氏体，越难聚集长大。随着这些碳化物数量增多，钢的强度、硬度增大，耐磨性增加，塑性和韧性下降。

三、合金元素对钢组织转变的影响

1、合金元素对钢加热时组织转变的影响

1) 对奥氏体转变的影响

合金钢的奥氏体形成过程基本与碳钢相同，但合金元素影响奥氏体形成速度。一方面，加入合金元素改变碳在钢中扩散速度。例如碳化物形成元素 Cr、Mo、W、Ti、V 等，由于它们与碳有较强的亲和力，显著减慢了碳在奥氏体中扩散速度，故奥氏体形成速度大大减慢。另一方面，奥氏体形成后，要使稳定性高的碳化物完全分解并固溶于奥氏体中，需要进一步提高加热温度，这类合金元素也将使奥氏体化时间延长。另外合金钢奥氏体成分均匀化过程还需要合金元素的扩散，而即使在 1000℃高温，合金元素扩散速度也很小，仅是碳扩散速度的千分之几，因此，合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。

2) 对奥氏体晶粒度的影响

凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。如强碳化物形成元素 Ti、V、Nb 等，形成高熔点高稳定性碳化物，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。而非碳化物形成元素 Ni、Si、Cu、Co 等阻碍奥氏体晶粒长大作用很小。

2、合金元素对钢冷却时组织转变的影响

除 Co 以外，大多数合金元素不同程度延缓珠光体和贝氏体相变，这是由于它们溶入奥氏体后，增大其稳定性，使 C 曲线右移。其中碳化物形成元素影响最为显著。如果碳化物形成元素未能溶入奥氏体，以残存未溶碳化物微粒形式存在，则起相反作用。除 Co、Al外，大多数合金元素不同程度地降低马氏体转变温度，增加残余奥氏体量。

3、合金元素对钢回火时组织转变的影响

碳化物形成元素可阻碍碳的扩散，从而显著提高马氏体的分解温度。合金元素一般都能提高残余奥氏体转变的温度范围。某些高合金钢(如高速钢)中的残余奥氏体十分稳定，只有加热到 500℃～600℃时才开始发生部分分解，使奥氏体稳定性下降，在随后快速冷却过程中转变为马氏体，使钢硬度有较大提高，这种现象称“二次淬火”。强碳化物形成元素(V、Mo、W 等)加入后，在 500℃～600℃回火时从马氏体中析出特殊碳化物，高度弥散分布在马氏体基体上，并与基体保持共格关系，阻碍位错运动，使硬度上升，发生“二次硬化”现象。这对工具钢具有十分重要的意义。