浅谈合金钢

合金钢

合金钢

合金钢

铁碳合金是在普通碳钢中加入一种或多种合金元素而形成的。根据不同的添加元素和适当的加工工艺，可以获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁等特殊性能。

合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼和稀土。其中，钒、钛、铌、锆等。是钢中强碳化物形成元素。只要有足够的碳，它们就可以在适当的条件下形成自己的碳化物。当缺少碳或在高温条件下，它们以原子状态进入固溶体；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，一部分以原子状态进入固溶体，另一部分形成替代合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，通常以原子状态存在于固溶体中。

合金钢的种类很多，通常分为低合金钢(含量<5%)、中合金钢(含量5%~10%)和高合金钢(含量> 10%)。按质量分为优质合金钢和特种合金钢；根据其特点和用途，分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢(如软磁钢、永磁钢和非磁钢)。

合金钢

除了铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷和硫元素外，钢还含有一定量的合金元素。钢中的合金元素包括硅、锰、钼、镍、锑、矾、钛、铌、硼、铅和稀土等中的一种或多种。这种钢称为合金钢系统的合金钢。根据各自的资源条件，在我国发现以硅、锰、钒、钛、铌、硼、铅、稀土为主的合金钢体系占钢总产量的10%以上，一般在电炉中冶炼，按用途可分为8类。它们是：合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热不锈钢和电工硅钢

合金钢在加热过程中的主要固相转变是非奥氏体相向奥氏体相的转变，即奥氏体化过程。整个过程与碳的扩散有关。合金元素中，镍、钴等非碳化物形成元素降低了奥氏体中碳的活化能，提高了奥氏体形成的速度；然而，强碳化物形成元素如钒、钛和钨强烈阻碍碳在钢中的扩散，并显著减缓奥氏体化过程。钢在冷却过程中的转变是指过冷奥氏体的分解，包括珠光体转变(共析分解)、贝氏体转变和马氏体转变。由于钢中几种合金元素的相互作用，对钢在冷却过程中相变的影响要复杂得多。以合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例，除钴和铝外，大多数合金元素都起到了减缓奥氏体等温分解的作用，但各种元素的作用不同。非碳化物形成元素(如硅、磷、镍、铜)和少量碳化物形成元素(如钒、钛、钼、钨)对奥氏体向珠光体、贝氏体转变影响不大，因此转变曲线向右偏移。

如果碳化物形成元素(如钒、钛、铬、钼、钨)含量较大，从奥氏体向珠光体转变会显著延迟，但从奥氏体向贝氏体转变延迟不显著，因此这两种转变的等温转变曲线与“鼻”分离，形成两个C形。当这些元素增加到一定程度时，在这两个过渡区的中间会出现过冷奥氏体的亚稳区。合金元素对马氏体转变也有重要影响

对钢的晶粒度和淬透性的影响影响奥氏体晶粒度的因素很多。钢的脱氧和合金化与“奥氏体固有晶粒度”有关。一般来说，镍、硅、铜、钴等一些不形成碳化物的元素对避免奥氏体晶粒长大的作用较弱，而锰、磷则倾向于促进晶粒长大。形成碳化物的元素，如钨、钼和铬，在避免奥氏体晶粒生长方面起着适度的作用。强碳化物形成元素，如钒、钛、铌、锆等。强烈阻止奥氏体晶粒长大并起到晶粒细化的作用。虽然铝是一种不形成碳化物的元素，但它是最常用的细化晶粒和控制晶粒开始粗化温度的元素。

钢的淬透性(见淬火)主要取决于化学成分和晶粒尺寸。除钴和铝外，大多数合金元素溶解在固溶体中，抑制过冷奥氏体向珠光体和贝氏体转变，增加马氏体组织数量，即提高钢的淬透性。一些碳化物形成元素，如钒、钛、锆、钨等。如果它们形成碳化物并将碳固定在钢中，它们会降低淬透性，而容易使晶粒粗化的元素，如锰，可以提高淬透性；细化晶粒的元素，如铝，会降低淬透性。硼是一种显著影响淬透性的元素。即使合金钢中只含有十万份硼，钢的淬透性也能显著提高。但是硼的这种作用只对中低碳钢有效，对高碳钢完全无效。

对钢的机械性能和回火性能的影响钢的性能取决于铁固溶体和碳化物的性质及其相对分布。合金元素对钢的力学性能的影响也与此有关。溶解在铁素体中的合金元素起到固溶强化的作用，提高了强度和硬度，但同时相对降低了韧性和塑性。其中磷和硅的固溶强化效果最为显著，硅对韧性的影响也最为严重。少量的锰、铬或镍可以提高铁素体的韧性。

调质钢的韧脆转变温度是评价其力学性能的重要指标。(1)提高转变温度的元素有硼、磷、碳、硅、铜、钼和铬；降低转变温度的元素为镍和锰； Ti和V是少量升高转变温度，大量降低转变温度的元素。(4) Al是少量降低，大量升高转变温度的元素。

合金钢的回火稳定性优于碳钢，这是因为合金元素在回火过程中阻碍了钢中原子的扩散，从而起到了延缓马氏体分解和抵抗相同温度下回火软化的作用。对合金钢回火稳定性有显著影响的元素有钒、钨、钛、铬、钼、钴和硅。铝、锰、镍等元素影响不明显。可见，碳化物形成元素对回火软化有显著的延迟作用。虽然钴和硅是不形成碳化物的元素，但它们在渗碳体核的形成中起着重要作用和长大，有强烈的延迟作用，因此，也有延迟回火软化的作用。各种合金元素对回火脆性影响的程度是不同的。定性地说，锰、铬、氮、磷、钒、铜、镍等均有促进回火脆性的倾向。钼的作用较特殊，它加入已有回火脆性的合金钢（例如含锰、铬等）中，能显著地降低回火脆性倾向；若单独加入普通碳素钢中，则成为促进回火脆性倾向的元素。钨的作用与钼相似，但对回火脆性的影响尚未十分确定。

对钢的焊接性和被切削性的影响 焊接性和被切削性是衡量钢的工艺性能好坏的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均对钢的焊接性不利。因为在焊缝热影响区靠近熔合线一侧冷却时易形成马氏体等硬脆组织，有导致开裂的危险。另一方面，热影响区靠近熔合线处的晶粒因受高热容易粗化，因此，合金钢中含有可使晶粒细化的元素如钛、钒等是有益的。硅含量高，焊接时会发生严重喷溅。硫含量高容易产生热裂，同时会逸出二氧化硫气体，在焊接金属内形成气孔和疏松。磷含量高容易导致冷裂。

钢中加入适量的硫、铅等元素可改善钢的被切削性（见易切削钢）。合金钢中的合金元素一般会使钢的硬度增加，因而增高切削抗力，加剧刀具磨损。通过改变钢的基体组织、夹杂物的种类、数量和形状可以影响钢的被切削性。对钢的耐蚀性能的影响 铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主要合金元素。合金钢中含铬量若达到12%左右，在钢的表面便形成致密的铬的氧化物，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变而大大提高。铬、铝、硅等元素，能提高钢的抗氧化性和抗高温气体的腐蚀性能，但过量的铝和硅则会使钢的热塑性变坏。镍主要用来形成和稳定奥氏体组织，使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。钼能使不锈耐酸钢很快钝化，提高对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的耐蚀能力。钛、铌通常用来固定合金钢中的碳，使它生成稳定的碳化物，以减轻碳对合金钢耐蚀性能的有害作用。铜和磷配合使用时，可提高钢的耐大气腐蚀性能。