常用合金元素在钢中的作用.docx

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常用合金元素在钢中的作用

几种常用合金元素在钢中的作用

为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。

现分别说明它们在钢中的作用。

1、硅在钢中的作用:

（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％一20％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：

（4）使钢的焊接性能恶化。

2、锰在钢中的作用

（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。

锰钢的主要缺点是，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t在热处理工艺上必须注意。

这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：

⑧当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

3、铬在钢中的作用

（1）铬可提高钢的强度和硬度。

（2）铬可提高钢的高温机械性能。

（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性

（4）阻止石墨化

（5）提高淬透性。

缺点：

①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。

4、镍在钢中的作用

）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。

1（

（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。

（3）改善钢的加工性和可焊性。

（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。

5、钼在钢中的作用

（1）钼对铁素体有固溶强化作用。

（2）提高钢热强性

（3）抗氢侵蚀的作用。

（4）提高钢的淬透性。

缺点：

钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。

6、钨在钢中的作用

（1）提高强度

（2）提高钢的高温强度。

（3）提高钢的抗氢性能。

（4）是使钢具有热硬性。

因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

7、钒在钢中的作用

（1）热强性。

（2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

8、钛在钢中的作用

（1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；

（2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。

使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。

因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。

9、铌在钢中的作用

（1）铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

（2）有极好的抗氢性能。

（3）铌能提高钢的热强性

；、硼在钢中的作用10

（1）提高钢的淬透性。

（2）提高钢的高温强度。

强化晶界的作用。

11、铝在钢中的作用

（1）用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；

（2）提高钢的抗氧化性能。

曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。

当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。

例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。

由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

（3）此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。

缺点：

①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。

②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低

元素名称对组织的影响对性能的影响

Al缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为36％及0.6％，不形成碳化物，但与氮及氧亲和力极强主要用来脱氧及细化晶粒。

在滲氮钢中促进形成坚硬耐蚀的滲氮层。

含量高时，赋予钢在高温时抗氧化及耐氧化性介质、H2S气体的腐蚀的性能。

固溶强化作用大。

在耐热合金中，与镍形成γ'相（Ni3Al），从而提高其热强性。

有促使石墨化倾向，对淬透性影响不显著

As缩小γ相区，形成γ相圈，作用与磷相似，在钢中偏析严重含量不超过0.2％时，对钢的一般力学性能影响不大，但增加回火脆性的敏感性

B缩小γ相区，但因形成Fe2B，不形成γ相圈。

在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为不大于0.008％0.02％微量硼在晶界上阻抑铁素体晶核的形成，从而延长奥氏体的孕育期，提高钢的淬透性。

但随着钢中碳含量的增加，此种作用逐渐减弱以至完全消失．

C扩大γ相区，但因渗碳体的形成，不能无限固溶。

在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为0.02％及2.1％随含量的增加，提高钢的硬度和强度，但降低其塑性和韧性

Co无限固溶于γ铁，在α铁中的溶解度为76％。

非碳化物形成元素有固溶强化作用，赋予钢红硬性，改善钢的高温性能和抗氧化及耐腐蚀的能力，为超硬高速钢及高温合金的重要合金元素。

提高钢的Ms点，降低钢的淬透性

Cr缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁中无限固溶，在γ铁中的最大溶解度为12.5％，中等碳化物形成元素，随铬含量的增加，可形成（Fe,Cr）3C,

Fe,Cr）7C3及Fe,Cr）27C3,等碳化物增加钢的淬透性并有二次硬化作用，提高高碳钢的耐磨性。

含量超过12％时，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用，并增加钢的热强性。

为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。

含量高时，易发生σ相和475℃脆性。

溶于渗碳体中的铬，提高了碳化物的热力稳定性，阻止了碳化物的分解，抑制了石墨化的产生。

Cu扩大γ相区，但不无限固溶；在α铁及γ铁中最大溶解度分别约2％或8.5％。

在724及700℃时，在α铁中的溶解度剧降至0.68％及0.52％当含量超过0.75％时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。

含量低时，其作用与镍相似，但较弱。

含量较高时，对热变形加工不利，如超过0.3％，在氧化气氛中加热，由于选择性氧化作用，则在表面将形成一富铜层，高温时熔化并侵蚀钢表面层的晶粒边界，在热变形加工时导致高温铜脆现象。

如钢中同时含有超过铜含量1/3的镍，则可避免此钟铜脆的发生，如用于铸钢件，则无上述弊病。

在低碳低合金钢中，特别与磷同时存在时，可提高钢的抗大气腐蚀性能。

2％～3％铜在奥氏体不锈钢中可提高其对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性

H扩大γ相区，在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度；在铁素体中的溶解度也随着温度的下降而剧减氢使钢易产生白点等不允许应采因此，也是导致焊缝热影响区中发生冷裂纹的重要因素。

有的缺陷，

取一切可能的措施降低钢中的氢含量

Mn扩大γ相区，形成无限固溶体。

对铁素体及奥氏体均有较强的固溶强化作用。

为弱碳化物形成因素，进入渗碳体替代部分铁原子，形成合金渗碳体与硫形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象。

降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其机械性能，为低合金钢的重要合金化因素之一，并为无镍及少镍奥氏体钢的主要奥氏体化因素。

提高钢的淬透性的作用强，能提高钢的耐磨性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向，且对过热敏感

Mo缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为4％及37.5％。

强碳化物形成元素。

阻抑奥氏体到珠光体转变的能力最强，从而提高钢的淬透性，并为贝氏体高强度钢的重要合金化元素之一。

含量约0.5％时，能降低或阻抑其他合金元素导致的回火脆性。

在较高回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用。

提高钢的热强性和蠕变强度，含量为2％～3％时能增加耐蚀钢抗有机酸及还原性介质发生的能力。

有抑制回火脆性作用

N扩大γ相区，但由于形成氮化铁而不能无限固溶；在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为0.4％及2.8％。

不形成碳化物，但与钢中其他元素形成氮化物，如TiN、VN、AlN等有固溶强化和提高淬透性的作用，但均不太显著。

由于氮化物在晶界上析出，提高晶界高温强度，从而增加钢的蠕变强度。

在奥氏体钢中，可以取代一部分镍。

与钢中其他元素化合，有沉淀硬化作用；对钢抗腐蚀性能的影响不显著，但钢表面渗氮后，不仅增加其硬度和耐磨性能，而且可显著改善其抗蚀性。

在低碳钢中，残余氮会导致时效脆性

Xt（RE）包括元素周期表ⅢB族中镧系元素及钇和钪，共17个元素。

它们都缩小γ相区，除镧外，都由于中间化合物的形成而不形成γ相圈；它们在铁中的溶解度都很低，如鈰和钕的溶解度都不超过0.5％。

它们在钢中，半数以上进入碳化物中，小部分进入夹杂物中，其余都分存在于固溶体中。

它们与氧、磷、硫、氮、氢的亲和力很强，与砷、锑、铅、铋、有脱气、脱硫和消除其他有害杂质锡等也都能形成熔点较高的化合物．

的作用，还改善夹杂物的形态和分布，改善钢的铸态组织，从而提高钢的质量。

0.2％的稀土加入量可以提高钢的抗氧化性，高温强度及蠕变强度，也可以较大幅度地提高不锈耐酸钢的耐蚀性

S缩小γ相区，因有FeS的形成，未能形成γ相圈。

在铁中溶解度很小，主要以硫化物的形式存在提高硫和锰的含量，可以改善钢的被切屑性。

在钢中偏析严重，恶化钢的质量。

如以熔点较低的FeS的形式存在时，将导致钢的热脆现象发生。

为了防止硫导致的热脆，应有足够的锰，而形成熔点较高的MnS。

硫含量偏高，焊接时由于SO2的产生，将在焊接金属内形成气孔和疏松

Si缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为18.5％及2.15％。

不形成碳化物为常用的脱氧剂。

对铁素体的固溶强化作用仅次于磷，提高钢的电阻率，较低磁滞损耗，对磁导率也有所改善，为硅钢片的主要合金化元素。

提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，特别是弹性极限有利，还可增强钢在自然条件下的耐蚀性。

为弹簧钢和低合金高强度钢中常用的合金元素。

含量较高时，对钢的焊接性不利，因焊接是喷溅较严重，有损焊接质量，并易导致冷脆；对中、高碳钢回火易产生石墨化

Ti缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁及γ铁中的最大溶解度分别为7％及0.75％，系最强的碳化物形成元素，与氮的亲和力也极强固溶状态时，固溶强化作用极强，但同时降低固溶体的韧性。

固溶于奥氏体中提高钢的淬透性的作用极强，但对化合钛，其细微颗粒形成新相的晶核会促进奥氏体分解，降低钢的淬透性。

提高钢的回火稳定性，并有二次硬化作用。

含量高时析出弥散分布的拉氏相TiFe2,而产生时效强化作用。

提高耐热钢的抗氧化性和热强性，如蠕变和持久强度。

在高镍含铝合金中形成γ'相〔Ni3（Al,Ti）〕，弥散析出，提高合金的热强性。

有防止和减轻不锈耐酸钢晶间和应力腐蚀的作用。

由于细化晶粒和固定碳，对钢的焊接性有利

V缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁中无限固溶，在γ铁中的最大溶解度约为1.35％。

强碳化物及氮化物形成元素固溶于奥氏体中可提高钢的由于这类化合物的细小颗粒形成新相但以化合物状态存在的钒，淬透性。

．

的晶核，因此将降低钢的淬透性。

增加钢的回火稳定性并有强烈的二次硬化作用。

固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。

有细化晶粒作用，对低温冲击韧性有利。

炭化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的，可提高工具钢的使用寿命。

钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布可以提高钢的蠕变和持久强度。

钒、碳含量比大于5