合金元素对钢的影响

合金元素在钢铁中的存在形式及其影响

一、碳

碳是钢铁中的重要元素，它是区分钢铁的主要标志之一。在决定钢号时，往往注意到碳的含量，碳对钢铁的性能起决定性的作用。由于碳的存在，才能将钢进行热处理，才能调节和改变其机械性能。当碳含量在一定范围内时，随着碳含量的增加，钢的硬度和强度得到提高，其塑性韧性下降；反之，则硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。

碳在钢铁中的存在形式可分为下列两种：

1、化合碳：即碳以化合形态存在。在钢中主要以铁的碳化物（如Fe3C）和合金

元素的碳化物形态存在。在合金钢中常见的碳化物，如：Mn3C、Cr3C2、WC、W2C、VC、MoC、TiC等，统称为化合碳。

2、游离碳：铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等统称为游离碳。高碳钢经退火处理时也会有部分游离碳析出。在铸铁中的碳，除了极少量固溶于铁素体外，常常以游离形态或化合形态，或二者并存的形态存在。化合碳与游离碳总和称为总碳量。在分析游离碳较多的铸铁等试样时，应特别注意样品的代表性和均匀性。

游离碳一般不和酸起作用，而化合碳能溶于酸中，借此性质可分离游离碳。碳化铁容易溶解在各种酸中，并容易被空气所氧化，但是碳化铁不溶于冷的和稀的非氧化性酸（硫酸、盐酸）内，大部分碳化物以黑色或深褐色的沉淀而沉降下来，但是，这种沉淀在氧化剂甚至于在空气中的氧参与下都很易溶解，受到浓硫酸、浓硝酸作用时，碳化铁即被分解而析出不同组分的挥发性碳。

大多数合金元素的碳化物难溶于酸内，为使其完全分解，需采取适当的措施，例如：

1、在加热的情况下，将钢样用盐酸或硫酸处理，直至金属部分完全溶解，然后小心加入硝酸使碳化物破坏。

2、钢样内如含有稳定的碳化物时，在用硝酸氧化以前，先行蒸发至开始冒硫酸烟（或蒸发硫磷酸至冒硫酸白烟），然后再仔细地滴加浓硝酸。

3、在钢样中含有极稳定的碳化物，用上述方法不能溶解时，可将钢样用热盐酸、硝酸或盐—硝混合酸处理后，再用高氯酸处理。在高氯酸蒸发的温度（约200℃）下加热，这时全部碳化物即会分解。

各种金属元素在钢中的作用

1.铁（Fe）：铁是钢的主要成分，赋予钢良好的强度和塑性。纯铁本身并不适合作为结构材料，但与其他元素合金后可形成钢，使其具有更高的强度和耐用性。

2.碳（C）：碳是钢中最重要的合金元素之一、适量的碳能提高钢的硬度和强度，增加其耐磨性和耐蚀性。其中，碳含量在0.02%至2.1%之间的钢被广泛应用。

3.锰（Mn）：锰能够提高钢的硬度和韧性，使钢更加耐磨和耐冲击。锰还可以与硫、磷等杂质结合，形成易于熔化的夹杂物，从而提高钢的可塑性和加工性能。

4.硅（Si）：硅在钢中作为脱氧剂，能够有效降低钢中的氧含量，从而减少气孔和夹杂物的形成。硅对钢的强度和塑性影响有限，但有助于改善钢的耐腐蚀性能。

5.磷（P）：磷的掺入可以提高钢的硬度和抗拉强度。然而，高磷含量会降低钢的可塑性和韧性，并增加冷脆倾向。因此，磷含量通常应控制在较低水平。

6.硫（S）：硫主要存在于原材料中的钢中，并往往是不可避免的。过高的硫含量会导致钢的脆化和冷脆倾向。因此，控制硫含量对于保证钢的可锻性和韧性至关重要。

7.铬（Cr）：铬是不锈钢中的主要合金元素之一，能够形成耐蚀的氧化层，提高钢的耐腐蚀性能。铬还可以增加钢的硬度和强度，同时改善钢的高温强度和抗氧化性能。 8.镍（Ni）：镍可以提高钢的韧性和可塑性，改善冷加工性能。镍还能增加钢的耐腐蚀性能和高温强度，使钢具有更好的抗剪切、耐磨和耐腐蚀性能。

9.钼（Mo）：钼能够提高钢的强度和韧性，特别是在高温下。钼还能增加钢的耐腐蚀性能、抗磨性和切削性能，因此常用于制造高速钢和高温合金。

10.钛（Ti）：钛能够提高钢的耐高温性能和抗腐蚀性能。钛还能够与氮结合形成细小的碳化钛，提高钢的硬度和强度。由于钛的昂贵和难处理性，其含量通常较低。

除了上述主要的金属元素外，钢中还可能含有其他元素，如铜、铝、氮等，它们也会对钢的性能产生影响。这些元素的含量、相互作用和加工过程都将影响到钢的力学性能、耐蚀性能、可加工性等特性。

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1 铝Al元素对钢的性能的影响

1、能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效．提升钢在低温下的韧性，还

能提升钢的抗氧化性，提升钢的耐磨性和疲惫强度等．

2、铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少许的铝，可细化晶粒，提升冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还拥有抗氧化性和抗腐化性能，铝与铬、硅适用，可明显提升钢的高温不起皮性能和耐高温腐化的能力。铝的弊端是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

（1）用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，克制低碳钢的时效，改良钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；

（2）提升钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了许多的研究；4％AI即可改变氧化皮的构造，加入6％A1可使钢在980C以下拥有抗氧化性。当铝和铬配归并用时，其抗氧化性能有更大的提升。比如，含铁50％一55％、铬30％

35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温时，仍拥有相当好的抗氧化性。因为铝的这一作用，最近几年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

（3）别的，铝还可以提升对硫化氢和V2O5，的抗腐化性。

弊端：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化偏向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。

3、a．极易与氧联合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。

b．能克制晶粒成长。

c．是氮化用钢的重要元素。

4、主要作用为细化晶粒和脱氧，在渗氮钢中能促成渗氮层，含量高时，能

提升高温抗氧化性，耐H2s气体的腐化作用，固溶加强作用大，提升耐热合金的

热强性，有促进石墨化偏向；

5、Al当钢中其含量小于 3～5%时，是一是：高的抗氧化性和电阻。

①作为激烈脱氧剂加进的 Al，可生成高度细碎的、超显微有利的元素。其作

用的氧化物，分别于钢体积中。因此可阻挡钢加热时的晶粒长大（含 Al＜10%，

在加热＜1200℃才有细化作用，不然其作用甚小）和改良钢的淬透性。

所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对 A体分解起促进作用。

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, N

2. 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, 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。 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。