合金元素在钢中的作用

1、合金元素在钢中的作用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，当碳含量超过0.23%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0.150.30%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1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨

2、、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14%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0.300.50%。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1114%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。 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，

3、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。 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

4、，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。在工具钢中可提高红性。 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

5、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

6、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。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，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。 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。 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

7、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。Ni 镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、

8、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式：奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%(2) Mo 钼作为钢的合金化元素，可以提高钢的强度，特别是高温强度和韧性；提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性；提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。钼是一种良好的形成碳化物的元素，在炼钢的过程中不氧化，可单独使用也可与其他合金元素共同使用。钼作为铁的合金添加剂，有助于形成完全珠光体的基体，能改善铸铁的强度和韧性，提高大型铸件组织的均匀性，还可以提高热

9、处理铸件的可淬性。含钼灰口铸铁具有很好的耐磨性，可作重型车辆的闸轮和刹车片等。钥为难熔金属，熔点高(2625)。钥固溶到基体金属中能提高固溶体的再结晶温度。钼是缩小-Fe相区、扩大-Fe相区的合金元素，又是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钼在铁中可显著地抑制铁的自扩散，提高固溶体的再结晶温度。在含钼的低合金耐热钢中，钼的作用是强化固溶件及形成性质优异的细小的碳化物相。(3) V 钒为难容金属，熔点高（1910）。钒是缩小y-Fe相区，扩大a-Fe相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。钒在耐热钢种的作用与钼钨类似，但与弹门不同的是钒不能强化固溶

10、体，也不能提高固溶体的再结晶温度。钒在铁素体和奥氏体耐热钢中之所以能提高其热强性都是通过形成细小均匀分布的碳化物而起作用的，因为钒的碳化物是一种十分稳定的碳化物。钒是提高铁素体型耐热钢的热强性的有效元素，钒也在奥氏体型耐热钢中获得应用，但含量一般在百分之0.3-0.5之间。(4) Si 硅是耐热钢中抗高温腐蚀的有益元素，同时，在钢中加入硅也能改善它在室温条件下的工作的性能。高温下，在含硅的耐热钢表面上形成一层保护性好，致密的sio2膜。钢中含硅量达百分之1-2是，就有较明显的抗氧化效果。当钢中含硅量过多（超百分之2）时，会导致钢的力学性能变坏。因此耐热钢中的含硅量一般不超百分之2。硅与其他合金

11、元素同时使用是，常有更有意的抗氧化效果。如在cr5mo钢中的硅含量从百分之0.2增加到百分之1时，显著地提高了该钢的抗高温氧化效果。当钢中含硅量超过百分之1时，可使它的使用温度提高到800°左右。硅与钼共同合金化对提高钢的抗高温氧化性有明显的效果。(5) Al 铝是耐热钢中的抗氧化的重要合金元素。含铝的耐热钢在其表面上能形成良好的al2o3膜，它的氧化性能优于cr2o3膜。当耐热钢中含铝量达到百分之6时。可使钢在980°下具有良好的抗氧化性能。但当钢中的铝的含量达到或超过百分之8时，却显著地降低钢的塑性和焊接性能，使钢难于塑性加工与焊接。所以，耐热钢中的铝的含量一般不超过百

12、分之6(6) Ti 钛是a-Fe形成元素，在Fe-Ti二元合金中，钛在y-Fe中的溶解度只有0.65%，但钛与Fe能形成一系列的金属间化合物，同时钛有是强碳化物形成元素之一。因此，含钛的耐热钢主要是靠其形成极小而又弥散分布的碳化物和金属间化合物来起作用。所以，耐热钢中海钛量均不太多。到目前为止，钛在低合金耐热钢中的应用并不多。钛是18-8型镍铬奥氏体耐热钢中的主要稳定化元素，其目的是防止晶间腐蚀。在某些沉淀硬化型奥氏体耐热钢中，钛与镍能形成金属间化合物，以达到提高热强性的目的。(7) W 钨为难熔金属，熔点高(3380)。钨固溶到基体金属中提高固溶体的再结晶温度。钨是缩小-Fe相区、扩大-Fe

13、相区的合金元素，是强碳化物形成元素。对提高耐热钢的热强性有较好的作用。在珠光体型耐热钢中，加钨可提高固溶体的热强性。在铁素体型耐热钢中加钨有两个目的：在12Cr钢中加钨一是强化相固溶体，提高固溶体的再结晶温度，阻碍扩散；另方面是产生弥散强化，或者以复杂的碳化物形式出现，或者以富钨的金属间化合物形式出现。钨的作用在高合金奥氏体耐热钢中的作用尤为明显。(8) Cr 铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要元素，并能提高耐热钢的热强性。钢中含铬量足够高时，能在其表面上形成一层致密的Cr2O3膜，这种氧化膜在定程度上能阻止氧、硫、氮等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，在一定的温度范围内还

14、能形成层保护性良好的尖晶石型的复合氧化膜，如含镍、铬的耐热钢在其表面上形成一层NiOCr2O3复合氧化膜，增强了钢的抗高温氧化能力。耐热钢的抗高温腐蚀性能与其含铬量有一定的关系。当钢含铬约达12时，钢的抗高温氧化能力有明显提高，当铬含量达22时，在1000下其抗高温氧化的性能是极为良好的，此时在其表面上形成一层连续而又致密的氧化膜。因此常用的耐热钢的铬含量应不低于12(Cr13型)。一般铬含量均在1822之间(18-8型和Cr25Ni20型)。由于铬的熔点高(1903)，本身具有优异的抗蠕变性能。在低合金耐热钢中加入1左右铬就能明显地提高钢的抗蠕变性能，特别是含1Cr和0.5Mo的低合金耐热钢

15、能明显提高其热强性。在高合金奥氏体钢中加入铬能提高钢的热强性，这是由于加铬使强化相在高温下得到强化，例如，铬的碳化物得到了强化。(9) Nb 铌是缩小-Fe相区的合金元素，在-Fe中有一定的溶解度。在铁基合金中含0.5Nb就足以取得弥散强化的效果。铌也是强碳化物形成元素，铌的碳化物在高温下十分稳定，只比钛的碳化物略为逊色。由于铌具有良好的热强性，因此，铌在低合金耐热钢和高合金耐热钢中都获得了广泛的应用。含铌的多元合金化的珠光体低合金耐热钢在蒸汽发电机中的使用温度可达550。铌在含铬为12的耐热钢中获得应用，提高了钢的热强性。在高合金耐热钢中铌的碳化物析出对提高其热强性占有重要的地位，因此钢中的

16、含碳量与含铌量存在着一定的比例关系。含铌的低碳(0.040.07)奥氏体耐热钢中的铌含量应为10xC。因此，高合金耐热钢中的铌含量般为12。(10) B 硼与氮和氧都有较强的亲和力。钢中微量硼(0.001)就可以成倍地提高其淬透件。硼吸附在奥氏体晶界上，降低了晶间的能量，阻抑铁素体晶核的形成，因而延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，硼只有以固溶形式存在于钢中才能起到有教作用。当硼与钢中残留的氮、氧化合形成稳定的夹杂物时，反而对钢的性能有不利的作用。在珠光体耐热钢中，微量硼可以提高钢的高温强度；在奥氏体耐热钢中加入0.025B可以提高其抗蠕变性能，但硼含量较高时，其作用相反。加入硼强化晶界

17、对增强耐热钢的持久强度十分重要。硼原子主要分布在晶界上，因此硼对强化晶界起着重要的作用。(11) N 在钒微合金钢中，氮增强了钒碳氮化物的析出，并由此增强了析出强化。热力学计算结果显示，含钒钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了其析出的驱动力。随氮含量的增加，析出相中碳氮组分明显变化。低氮的情况下，析出相以碳化钒为主，近60%的钒固溶于基体，有约35%的钒以V(C，N)形式析出；随氮含量的增加，逐渐转变成以氮化钒为主的析出相。而高氮钢中则完全相反，70%的钒以V(C，N)形式析出，仅剩20%钒固溶于基体中，当钢中氮含量增加到200×10-6时，在整个温度析出范围，均是析出VN或富

18、氮的V(C，N)。由于氮与钒更强的亲和力，氮的加入增加了V(C，N)析出的驱动力，促进了V(C，N)的析出。例如，随钢中氮含量的增加，0.13V%钢中V(C，N)析出相数量增加，颗粒尺寸和间距明显减小。钢中缺氮的情况下，大部分钒没有充分发挥其析出强化作用，可以说是浪费了。增氮后，使钢中原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。由于氮在钢中优化钒的析出，显著提高了沉淀强化效果。不同碳含量钢中，V(C，N)的沉淀强化效果随氮含量的增加呈线性递增，最大的强度增量能够达到300MPa，含钒钢中每增加10×10-6的氮可提高强度6MPa以上。氮在钢中还具有明显的细化晶

19、粒的作用。实验结果表明：高氮钒钢的相变比率(D/D)比碳-锰钢和低氮钒钢明显增加。增氮促进了碳氮化钒在奥氏体-铁素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化铁素体晶粒尺寸的作用。氮在钢中改变了钒的分布，促进了V(C，N)的析出，使析出相的颗粒尺寸明显减小，从而充分发挥了钒的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度；通过析出V(C，N)钉扎奥氏体一铁素体晶界，促进晶体内铁素体的形成，提高了奥氏体一铁素体相变比，细化了铁素体晶粒，改善非调质钢的强韧性能。氮作为合金化元素在奥氏体型耐热钢中的作用与碳有些类似。氮能扩人相区，对奥氏体的稳定作用比碳还强烈。它能与奥氏体型耐热钢中的其他合金元素(如钛、

20、钒等)形成特殊的氮化物，因此影响到钢的晶粒度和淬透性。在含碳的合金钢中，氮提高了淬透性，降低了过热的敏感性，同时增强了碳化物的稳定性，一般在奥氏体型耐热钢中氮含量控制在0.10.2之间。在铬镍奥氏体型耐热钢中含氮可提高钢的热强性，几乎对脆性无影响。其原因可能是由于析出弥散的氮化物所致。（12） Mn 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰能消除或减弱钢因硫所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；锰同时又是碳化物形成元素，进人渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。锰扩大铁碳平衡

21、相图中的相区，它使钢形成和稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，以锰代镍的耐热钢，有广泛的用途。锰对钢的高温瞬时强度虽有所提高，但对持久强度和蠕变强度则没有什么显著的作用。（13） C 碳是钢中不可缺少的元袭。碳在钢中既扩大相区，卫是高强度的碳化物的组成元素。碳在钢中的强化作用与它所形成的碳化物的成分和结构有着密切的关系，其强化作用也与温度有关。随着温度的升高，由于碳化物的聚集，强化作用有所下降。钢中碳含量增加，会降低钢的塑性和可焊性。因此，除强度要求较高的钢种外，般奥氏体型耐热钢中的碳含量都控制在较低的范围内。 （14） Co 钴在奥氏体型耐热钢中的作用与镍的作用类似，扩大-Fe相区。钴在

22、钢中的另一作用是能起到淬火时减缓应力和晶格畸变的作用。在无析出相的均匀固溶体中，钴固溶到奥氏体中，增强了固溶体晶格的结合能，从而提高了钢的热强性。此外，耐热钢中含钴的重要作用是配合钢中所含其他合金元素起到弥散析出强化作用而提高钢的热强性。此时，钴减慢固溶到相中的复杂碳化物的析出过程，并改变了含钴碳化物的特征。含钴耐热钢的另一特性是钴有助于钢的形变热处理，在形变热处理后含钴钢的强化作用比不含钴的钢要高50。在铬镍奥氏体型耐热钢中加钴对提高该钢的耐高温腐蚀性能是有利的。钴是一种稀有而昂贵的金属，应当节约使用。 （15） Cu 封闭r相区：钒、铬、钨、钼、铝、磷、锡、锑、绅等。缩小r相区：

23、硼、锆、铌、钽、硫、铈。（出现金属间化合物，破坏了r圈。）开启r相区：Mn、Ni、Co（与r铁无相互溶）扩大：C、N（间隙固溶体）和Cu（代位固溶体）。（与r铁有限互溶）强C化合物形成元素：钛、锆、铌、钒 ，中等强度的有：钼、钨、铬，弱的有：锰、铁强N化合物形成元素：钛、锆、铌、钒 ，中等强度的有：钼、钨，弱的有：锰、铁、铬主要合金元素作用归纳Cr:1）淬透性 G， K形核长大。Cr、Ni等复合作用大，如调质钢40Cr40CrNi40CrNiMo。2）回稳性 K形成元素，阻止M3C型长大。如，40 Cr与40钢相比，回火到相同硬度时，回火温度可 3040。3）抗氧化性、热强性 形成Cr2O3，

24、 FeO出现的温度； 原子间结合力， 热强性，耐热钢，Mo-Cr-V。4）耐蚀性 电极电位，n/8-Tammann定律。如不锈钢。5）细化晶粒，改善K均匀性 K较稳定，不易长大，如GCr15。6）回火脆性 促进杂质原子偏聚，如40CrNi。7）A1 F形成元素。 热疲劳性，如5CrNiMo；淬火温度，如GCr15为840，而T10为780；含Cr量多时 F钢，如1Cr17。8） Ms Ar，如GCr15比T10钢的Ar 多，分别为8%左右和3%左右。Mn:1）强化F 固溶强化，如低合金普通结构钢。2）淬透性 G，使“C”线右移，如40 Mn2。3）晶粒长大 A1 ，强化C的促进晶粒长大作用， 过热敏感性。4）Ar Ms。量大时，获得A钢 Mn扩大区。5）回火脆性