合金元素的作用

合金元素 随着C、Mn、S、P、Si含量的增加，σs提高，塑性应变比R减小。Mn可提高钢防止热脆的能力。S使钢产生热脆，硫化物夹杂促使钢中形成带状组织，恶化冲压性能。P能溶于铁素体内使铁素体在室温下强、硬度提高，塑、韧性下降，发生冷脆。S偏析现象严重，且很难经扩散退火完全消除，易出现带状组织。Al可使O和N固定在Al2O3和AlN中，消除钢的时效硬化；Al也可控制晶粒度及晶粒形状，形成{111}织构；若Al含量小于0.02%，则其不能消除游离态的N，若Al含量大于0.065%，则其在钢中会起到合金化的作用，使σs升高，理想含量为0.025~0.05%。 沸腾钢中的固溶氮含量较高，时效硬化明显。铝镇静钢在光亮退火过程中，绝大部分碳析出形成Fe3C，经平整后性能稳定。IF钢中添加了强碳、氮化合物形成元素Ti或Nb，具有超低碳，微合金化，钢质纯净及无时效性等特点。 Mn大部分溶于α-Fe,形成置换固溶体，并使α-Fe强化；一部分溶于Fe3C，形成合金Fe3C，可增加P相对量，并使P变细；MnS能减轻S的“热脆”。Si也溶于Fe3C，使Fe3C。S不溶于Fe，FeS与Fe共晶，并分布于A晶界。在1000~1200℃，FeS-Fe共晶溶化，晶粒脱开，钢材变得极脆。P全部溶于Fe3C，使脆性转化温度升高，发生“冷脆”。 不锈钢中Cr的主要作用是产生钝化，阻碍阳极反应，增加耐腐蚀性；Ni起扩大γ区，降低钢的Ms点，使钢在室温下具有单相奥氏体组织。 钢中的H、O、N是在炼钢时进入的，Ni、Cu、Sn是由废钢原料带入，Al、Ti是为脱氧而引入。 Al、N、Co、Ti、V可细化晶粒，C、N起固溶强化作用，Ni、Co、Ti、V、W起弥散强化作用。C含量低，Al、Mn含量高，晶粒细化的钢的韧性较好；晶粒细化，Mn、Ni固溶强化可使钢的韧性随屈服强度增加而得以改善，而弥散硬化，位错强化，C固溶则使钢随屈服强度增加而使韧性恶化。 C可增加强、硬度，降低延展性、磁性、可锻性及电导性。Mn可脱O、S，增加拉伸强度、韧性、加工性及切削性，延缓硬化，形成Mn减少冷热脆性。Mo增加高温强度及高温合金的抗蠕变性，增加不锈钢的抗腐性，降低低Ni、Cr钢产生回火脆性的趋势，提高Ni-Cr-Mn钢的强度及延展性，改善Cr钢的切削性及力学性能，促进Ni-Mn钢表面硬化。Cr可降低A4温度，增加A3温度，减少γ相，稳定α相，增加碳钢强、硬度，减缓强化，增加抗磨性，形成表面抗氧化保护层，促使晶粒长大，脆性增大。Ni可促进石墨化，使铁的碳化物不稳定，强化铁素体，提高A4温度，降低A3温度，使奥氏体稳定，增加合金钢的强度及韧性，提高Cr成分奥氏体化，细化晶粒，降低热膨胀系数，增加高温Ni合金的导磁性，增加同素异晶转变的温度滞后。V可细化晶粒，限制奥氏体化长大，在高温下阻止软化，与O、N结合在脱O后期做“净化剂”，CrV钢具有较高的屈服强度及面缩率。W可降低A4温度，增加A3温度，细化晶粒，在热处理时减少脱碳，增加抗磨度，增加淬火钢及调质钢的高温硬度，提高高温合金的蠕变强度。Co可增进永磁合金的剩磁值及高矫顽力，增加强度及韧性。Al可促进石墨化，与O、N形成很细的弥散物，限晶粒长大，形成表面硬化层，形成氧化铝膜，增加抗腐蚀性，是一种很好的脱氧剂。Ti可从Cr钢溶液中提取C并减少马氏体硬度及硬化能力，阻止高Cr奥氏体钢形成，将C从奥氏体不锈钢中提取出来，防止CrC在晶界形成局部贫Cr而造成的晶间腐蚀，促进奥氏体高温合金弥散硬化，使镇静低合金高强钢中的硫化物圆化改善夹杂性质而增加塑性，可做脱氧剂。Si可增加A1，A3温度，促进石墨化，与Mn结合，使碳化物稳定，对耐热合金有抗氧化作用，增加硬化能力、强度及冲击韧性。Cu可促进奥氏体形成，有石墨化作用及抗腐蚀性，促进弥散硬化，提高屈服强度降低碳钢的延展性。B可增加全脱氧钢的硬化能力，改善钢的可塑性及加工性。Nb可促进弥散强化及铁素体晶粒细化，提高碳钢的拉伸及屈服强度。S、P增加钢的脆性。N形成氮化物及间隙固溶体而使钢脆化。H将降低钢的延展性。 合金元素使C在奥氏体中的溶解度降低；Mn、Ni降低共析温度；Cr会增大晶粒长大速率，在过热情况下增加因晶粒粗大化而引起的脆性；V、Ti、Co、Al、Ni会延缓晶粒长大。 化学元素对钢的性能的影响 1、碳（C）：钢中含碳量增加，硬度、屈服点和抗拉强度升高，但延展性、磁性、可锻性、电导性、塑性（塑性应变比R）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。 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，拉伸强度、韧性、加工性及切削性增加，延缓硬化，减弱钢的抗腐蚀能力，减少冷热脆性，降低焊接性能，塑性降低。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素。磷能溶于铁素体，使铁素体在室温下强、硬度升高增加，塑性降低，发生冷脆，同时也使焊接性能及冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 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。硫偏析现象严重，且很难经扩散退火完全消除，硫化物夹杂促使钢中形成带状组织，恶化冲压性能。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。 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。 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。钼在工具钢中可提高红性。不锈钢中钼增加的抗腐性，降低低Ni、Cr钢产生回火脆性的趋势，提高Ni-Cr-Mn钢的强度及延展性，改善Cr钢的切削性及力学性能，促进Ni-Mn钢表面硬化。 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。 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。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 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、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，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。铝使氧和氮固定在Al2O3和AlN中，消除钢的时效硬化。钢中加入少量的铝，可细化晶粒并形成薄饼状晶粒，形成{111}织构，从而提高冲击韧性，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。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。Al＜0.02%时，不能消除钢中游离态的N；Al＞0.065%时又会在钢中起到合金化的作用，使屈服强度升高；理想含量是0.04~0.05%，0.025~0.07%也可。 16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 17、氮(N): 氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向 18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。