合金元素在钢铁中的存在形式及其影响

Fe-Sn-Mo系合金元素偏析及Fe的d电子数变化的研究摘要：本文主要对Fe-Sn-Mo系合金元素偏析及Fe的d电子数变化要点进行研究。

首先阐述合金元素及其在钢中的作用，而后在分析残余元素及其对钢性能的影响基础上，系统性阐述了相关的操作过程。

关键词：Fe-Sn-Mo；金元素；电子数变化1合金元素及其在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式，对其发挥作用有直接的影响。

热工艺条件的影响、合金元素特性、含碳量等方面，都会对钢中的合金元素分布造成较大的影响。

通常来说，合金元素的存在形式有如下几个方面：①合金元素在加入到固溶体之后，会形成合金奥氏体或者合金铁素体，这是目前合金元素在钢中的主要存在形式。

②组合成为金属性的化合物类型。

过渡族金属一般都会和半径相对较小的非合金元素组合形成特殊的物质，比如氮化物、硼化物、碳化物等，所以会逐步的形成各种金属间化合物。

合金元素存在于钢中，碳化物是目前合金元素在钢中的主要存在形式，按照形成的倾向大小，分解为碳化物形成元素与非碳化物形成元素，所以其存在的特性也是不同的。

③如果在材料中存在氧化物、流化物、硅酸盐等非金属物质形式，合金元素也会有较多的微量元素存在，其以极微细质点非金属夹杂物的形式存在，其中有些元素是在熔炼的最后阶段加入的，和钢液内残存的氧发生反应，会不断形成氧化物，但是不会进入到渣内。

④自由状态。

有些元素，比如铍、铜、铅等，如果含量超出了溶解度的情况，就会在钢内以自由状态而存在。

在平衡状态下，一般钢的基本相是由铁素体和碳化物组成的。

非碳化物形成元素在碳化物中的溶解度很低，一般会溶于铁素体中。

钢中元素及碳含量的不同也使得碳化物形成元素的分布情况较为复杂，一般可能出现如下情况：①碳化物形成元素在钢中都存在于铁素体和碳化物中，强碳化合物元素在铁素体中的溶解度很低，而弱碳化合物元素则大部分溶入到铁素体当中。

②碳化物、合金渗碳体或者特殊碳化物是碳化物形成元素含量较少和含碳量足够高时合金元素所处的碳化物形式。

【钢铁知识】合金元素对钢铁性能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, 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。

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。

各种合金元素在钢铁中的作用1.碳（C）：碳是钢铁中最重要的合金元素之一、适当的碳含量可以增强钢铁的硬度和强度。

碳含量低于0.2%的钢称为低碳钢，适用于焊接和冷冲压加工；碳含量在0.2%到0.5%之间的钢称为中碳钢，具有适中的硬度和强度，适用于机械加工和热处理；碳含量大于0.5%的钢称为高碳钢，具有良好的硬度和耐磨性，适用于制作刀具和弹簧。

2.硅（Si）：硅可以提高钢铁的热强度和耐腐蚀性，减少钢铁的热膨胀系数。

适当的硅含量可以提高钢铁的刚性和强度，并且有利于热处理。

3.锰（Mn）：锰可以提高钢铁的韧性和强度。

锰的含量越高，钢的强度和硬度越高。

锰还可以提高钢的耐磨性和耐蚀性。

4.磷（P）：在低碳钢中，磷可减少钢的韧性和冷加工性能。

在高碳钢中，磷可改善钢铁的切削性能。

因此，磷含量需要适度控制。

5.硫（S）：硫可增加钢铁的切削性，但会降低钢铁的塑性和韧性。

因此，在高质量的钢铁制造中，硫含量需要控制在很低的水平。

6.铬（Cr）：铬可以提高钢铁的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

铬还可以改善钢的高温强度和耐氧化性。

不锈钢中的铬含量一般在10%到30%之间。

7.镍（Ni）：镍可以提高钢铁的韧性和耐腐蚀性。

镍还可以改善钢的高温强度和耐疲劳性。

镍含量在不锈钢中一般在8%到25%之间。

8.钼（Mo）：钼可以提高钢铁的强度、硬度和抗热变形能力。

钼还可以改善钢的耐蚀性和耐高温性能。

钼含量在不锈钢中一般在1%到10%之间。

9.钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等微量合金元素：这些元素通常用作钢铁的强化剂，可以提高钢铁的强度和韧性，同时改善钢铁的热处理性能。

综上所述，合金元素在钢铁中起到非常重要的作用。

通过合适的合金化处理，可以改善钢铁的力学性能、耐蚀性和热处理性能，使其满足不同应用领域的需求。

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。

合金元素在钢中的主要作用合金元素是指将两种或多种金属或非金属加入到基本金属中，以改变其物理、化学和机械性能的材料。

钢是一种合金，其中含有一定比例的碳和其他合金元素。

合金元素在钢中起到了重要的作用，使钢具有不同的特性和适用性。

首先，合金元素可以改变钢的力学性能。

例如，添加镍和铬可以增强钢的抗拉强度和硬度，使其具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。

钴和钨的添加可以增强钢的抗磨性和高温强度，使其适用于高温工作环境。

钛和铌的加入可以改善钢的焊接性能，使其具有更好的可塑性和可加工性。

其次，合金元素可以改变钢的化学性质。

例如，锰的添加可以提高钢的硬化性能，促进碳的溶解和扩散。

磷和硫的加入可以改善钢的冷加工性能，使其具有更好的可塑性和可加工性。

硅的加入可以提高钢的热导率和抗腐蚀性能。

通过调整合金元素的含量和比例，可以满足不同要求的钢的化学性质。

此外，合金元素还可以改变钢的热性能。

例如，添加铝和钛可以提高钢的氧化稳定性，使其在高温环境下具有更好的耐热性。

镍和铜的加入可以改善钢的导热性能，在高温下具有更好的热传导性能。

铍和银的添加可以提高钢的导电性能，使其适用于电气工程。

同时，合金元素还可以改变钢的结构和相变性。

例如，钼和钒的加入可以改善钢的定向结构，提高其强度和塑性。

锑和铅的添加可以促进钢的相变行为，改善其物理性能。

通过对合金元素的选择和控制，可以调节钢的晶粒尺寸、晶界强度和晶界活性，从而改善钢的内部结构和力学性能。

综上所述，合金元素在钢中起着重要的作用，通过调节它们的含量和比例，可以改变钢的力学性能、化学性质、热性能和结构性能，使钢具有更好的性能和适用性。

合理的合金设计和控制是制造高品质钢材的关键。

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0.045%，优质钢要求更低些。

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, 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。

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。