钢中的合金元素

钢中的合金元素的思维导图，介绍了合金元素与铁、碳的作用、合金元素对铁碳相图的影响、合金元素对钢热处理的影响等。

钢中的合金元素

• 合金元素与铁，碳的作用
  • 合金元素溶于铁中，形成固溶体
    • 扩大γ相区的元素（奥氏体稳定元素）
      • Mn,Ni,完全扩大γ相区
      • Co,C,N,Cu，部分扩大γ相区
    • 缩小γ相区的元素（铁素体稳定元素）
      • Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si完全封闭γ相区
      • B,Nb,Zr,部分缩小γ相区
  • 与碳化合，形成碳化物
    • 按照与钢中碳的亲和力大小
      • 碳化物形成元素
        • Zr,Ti,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn
      • 非碳化物形成元素
        • Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B
  • 形成金属间化合物
• 合金元素对铁碳相图的影响
  • Mn,Ni,Co,C,N,Cu，扩大铁碳相图中γ相区，使共析点下降
  • Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si缩小铁碳相图中γ相区，使共析点上升
  • 几乎所有的合金元素都使S点和E点左移强碳化物形成元素的作用强烈
• 合金元素对钢热处理的影响
  • 合金元素对加热时相变的影响
    • 对奥氏体形成速度的影响
      • Cr，Mo，W,V等强碳化物形成元素与碳形成难溶于奥氏体的合金碳化物，显著减慢奥氏体形成速度
      • Co，Ni等部分非碳化物形成元素，因为增大了碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度很快
      • Al，Si，Mn等元素对奥氏体形成速度影响不大
    • 对奥氏体晶粒大小的影响
      • 强烈阻碍晶粒长大的元素
        • V,Ti，Nb，Zr
      • 中等阻碍晶粒长大的元素
        • W,Mo，Cr
      • 对晶粒长大影响不大的元素
        • Si，Ni，Cu
      • 促进晶粒长大的元素
        • Mn，P
  • 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响
    • 对淬透性的影响
      • 除Co外，几乎所有合金元素都会增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织转变，使C曲线右移，提高淬透性
      • Mo，Mn，Cr，Ni，Si，B
      • 加入的合金元素，只有溶于奥氏体时才能提高淬透性。如果没有完全溶解，则碳化物会成为珠光体的核心，反而降低钢的淬透性
    • 对残余奥氏体量的影响
      • 除Co，Al外，多数合金元素都会使Ms，Mf点下降，使淬火后钢中残余奥氏体的量增多
      • Mn，Cr，Ni，Mo，W,Si
      • 残余奥氏体过多（fcc，滑移系多，材料软）
        • 进行冷处理（冷至Mf以下），转变为马氏体
        • 进行多次回火，残余奥氏体因为析出合金碳化物会使Ms，Mf点上升，在回火后冷却过程中转变为马氏体或贝氏体（二次淬火）
  • 合金元素对回火转变的影响
    • 提高回火稳定性（淬火钢在回火时，抵抗强度，硬度下降的能力）
      • 推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变；提高铁素体的再结晶温度；使碳化物难以聚集长大。
      • V,Si，Mo，W,Ni，Co
    • 产生二次硬化
      • 二次硬化
        • Mo，W，V含量较高的合金钢回火时，硬度不是随着回火温度的升高单调降低，到某一温度（约400℃）后开始增大，并在更高的温度（一般为550℃左右）达到峰值。
      • 原因
        • 低于450，析出渗碳体，硬度降低；450以上，渗碳体溶解，钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物，使硬度升高，称为沉淀硬化
        • 回火冷却过程，残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火也导致硬度升高
    • 增大回火脆性
      • 主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，多发生在Mn，Cr，Ni等元素的合金钢中
      • 回火后快冷可以防止回火脆性发生。钢中加入适当Mo或W可以基本消除
• 合金元素对钢力学性能的影响
  • 强化机制
    • 固溶强化
    • 位错强化
    • 细晶强化
    • 第二相（沉淀和弥散）强化
  • 对正火状态下钢力学性能的影响
    • 合金元素使S点左移，C曲线右移，使组织中的珠光体增多，珠光体层片减薄，钢的强度增加，塑性下降。合金钢在正火状态下可以得到层片距离更小的珠光体，或贝氏体甚至马氏体组织，强度大为增加。Mn，Cr，Cu的强化作用较大
  • 对淬火，回火状态下力学性能的影响
    • 合金元素提高淬透性，使钢容易得到马氏体
    • 合金元素提高回火稳定性，使马氏体保持到较高温度
    • 合金元素在回火时析出的第二相更细小，均匀和稳定
    • 合金钢比碳钢具有更高的强度，韧性。
  • 对其他性能的影响
    • 提高红硬性
      • W，Mo，V
    • 提高耐蚀性
      • Cr，Ni
    • 提高耐热性
      • Cr，W，Mo，Al，Si
    • 提高耐磨性
      • W，Mo，V，Ti
• 合金元素对钢工艺性能的影响
  • 铸造性能
    • Cr，Mo，V，Ti，Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大钢的粘度，降低了流动性，使铸造性能恶化
  • 塑性加工性能
    • 形成碳化物，使钢的变形抗力提高和热塑性明显下降，容易锻裂
    • 一般合金钢的热加工性能比碳钢差得多
  • 焊接性能
    • 合金元素提高淬透性，促进脆性组织（马氏体）的形成，使焊接性能变化
    • 钢中含有少量Ti和V，可以改善钢的焊接性能
  • 切削性能
    • 加入S，P，Pb可以改善切削性能
  • 热处理工艺性能
    • 由于合金钢的淬透性高，淬火时应该采用比较缓慢的冷却方式，减少工件的变形和开裂
    • Mn，Si
      • 增大过热敏感性
    • Mn，Cr，Ni
      • 增大高温回火脆性
    • Mo，W
      • 基本消除高温回火脆性
    • Si促进脱碳；Cr降低脱碳