合金元素在高强度合金钢中的作用

合金元素的作用不同的化学元素在钢中的作用是不一样的，同时，合金元素在钢中的组合不同，其产生的作用也不同。

钢的力学性能、加工性能及工艺性能均与钢中合金元素的含量及不同的组合有很大的关系，因此，在钢的成份设计时，即要考虑钢的化学元素的种类及含量，又要考虑钢中合金元素的相互搭配。

使设计出的钢种既能满足产品的各项性能要求，同时也要满足钢的冶金生产工艺的可行与优化。

具体各元素的作用描述如下：[18]1）碳的作用碳在合金钢中可强化固溶体，获得马氏体，提高淬透性。

更主要的是能与多种合金元素生成不同类型的碳化物，提高钢的热稳定性和耐磨性。

当含碳量太低时，不能保证形成足够数量的复合碳化物，淬火加热时固溶体中的碳和合金元素含量减少，使钢的硬度、热硬性和耐磨性降低。

当含碳量偏高时，碳化物数量增加，加热时奥氏体中的碳和合金元素的浓度增高，使硬度和红硬性有所提高，但同时碳化物的偏析程度也增加，使钢的塑性降低，工艺性能变坏。

2）钒的作用钒的熔点1890℃，是提高耐磨性的重要元素，同时对造成红硬性也起作用。

钒是强碳化物形成元素，能形成稳定的VC。

钢加热至淬火温度时，大部分钒溶于固溶体，而在回火过程中溶入的钒又以弥散分布的VC细小质点析出，造成二次硬化。

由于VC质点硬度高，弥散度大，因而能显著提高钢的耐磨性。

随钒含量增加，钢的耐磨性和热硬性均提高，在增加钒含量的同时必须相应提高含碳量，以保证形成各种碳化物。

但过高的钒会使钢的磨削性能变差。

3）钼的作用钼的熔点为2625℃，也是属于难熔耐高温金属，硬度约为金刚石的0.6倍，稍低于钨。

钼也是碳化物形成元素，在合金钢中能形成与钨相似的多种碳化物，在提高钢的硬度、造成二次硬化、提高热硬性和淬透性方面的作用与钨相似。

钼系和钨-钼系合金钢的突出优点是碳化物偏析度小，热塑性好，便于热加工，尤其适用于刀具的热成形。

其缺点是，钼的主要碳化物（Fe·Mo）6C熔解于奥氏体的温度低，淬火加热时易发生晶粒长大，过热敏感性高，故淬火加热温度范围窄。

钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响一、对钢材一般性能的影响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1 5－20%。

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。

优点：(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。

(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。

(3)耐腐蚀性。

硅的质量分数为15%- 20%的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。

含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2 薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。

缺点：使钢的焊接性能恶化。

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。

优点：（1）锰提高钢的淬透性。

（2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。

（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。

缺点：①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必须注意。

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。

4．常用钢种
40 40 4ZSiMn 低淬透性合金调质钢 Cr、 MnB、 38 40 中淬透性合金调质钢 CrMoAl、 CrNi 高淬透性合金调质钢 CrMnMo、 Cr Ni4WA 40 25 2
四、合金弹簧钢
1．弹簧性能特点
要求必须具有高的弹性极限，高的屈 要求必须具有高的弹性极限， 强比（Gs/50）高的疲劳强度（ 强比（Gs/50）高的疲劳强度（尤其 是缺口疲劳强度） 是缺口疲劳强度）及足够韧性。
4.合金元素对M相变温度也有影响 4.合金元素对M
大多数合金元素使Ms点下降 大多数合金元素使Ms点下降
第二节 合金钢的分类与编号
一、合金钢分类 通用分类方法有 : 1．按合金元素的质量分数 2．按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、铬镍 按合金元素的种类分：铬钢、锰钢、 钢、硅锰钼钒钢等 3．按主要用途分
建 筑 及 工 程 用 结 构 钢 结构钢 机 械 制 造 用 结 构 钢 工 具 钢 特 殊 性 能 钢
二、合金钢的牌号
命名原则：由钢中碳的质量分数、 命名原则：由钢中碳的质量分数、 合金元素的种类和质量分数的组合 来表示。 来表示。当钢中合金元素的平均质 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 量分数<1.5%钢号中只标出元素符 不标明元素的平均质量分数。 号，不标明元素的平均质量分数。 >1.5%、2.5%、3.5%在元素符 当>1.5%、2.5%、3.5%在元素符 号的后面相应标出2 ……。 号的后面相应标出2、3、4……。
例：20crMnTi钢制造汽车变速箱 20crMnTi钢制造汽车变速箱 齿轮工艺路线： 齿轮工艺路线： 锻造 正火 加工齿形 局部镀 铜（防渗碳） 渗碳 防渗碳） 预冷淬火+ 预冷淬火+ 低温回火 喷丸 磨齿 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 20crMnTi汽车变速齿轮热处理工 艺曲线及显微组织与力学性能。 艺曲线及显微组织与力学性能。