合金鋼存在狀態及與碳的作用

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合金鋼存在狀態及與碳的作用

! V; l5 i  y, w6 s( n& O2 c7 B5 j      合金鋼中常用的合金元素有硅（Si）、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、鈦（Ti）、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鈷 (Co)、鋁(Al)、銅(Cu)、硼(B)、稀土(RE)等。磷 (P)、硫(S)、氮(N)等在某些情況下也起合金元素的作用。
根據各種元素在鋼中形成碳化物的傾向，可分為三類：
: s% ]$ A& W# s①強碳化物形成元素，如釩、鈦、鈮、鋯等。
( x+ T4 E* E- h# M這類元素只要有足夠的碳，在適當的條件下，就形成各自的碳化物;僅在缺碳或高溫的條件下,才以原子狀態進入固溶體中。
% a2 t& u6 c7 ~9 N1 f3 J5 m+ V0 z②碳化物形成元素，如錳、鉻、鎢、鉬等。這類元素一部分以原子狀態進入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體,如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等,如果含量超過一定限度（除錳以外），又將形成各自的碳化物,如(Fe，Cr)7C3、(Fe，W)6C等。
③
不形成碳化物元素，如硅、鋁、銅、鎳、鈷等。這類元素一般以原子狀態存在于奧氏體、鐵素體等固溶體中。合金元素中一些比較活潑的元素，如鋁、錳、硅、鈦、鋯等，極易和鋼中的氧和氮化合，形成穩定的氧化物和氮化物，一般以夾雜物的形態存在于鋼中。錳、鋯等元素也和硫形成硫化物夾雜。鋼中含有足夠數量的鎳、鈦、鋁、鉬等元素時能形成不同類型的金屬間化合物。有的合金元素如銅、鉛等，如果含量超過它在鋼中的溶解度，則以較純的金屬相存在。
7 {% S3 e1 @3 x9 G鋼的性能取決于鋼的相組成，相的成分和結構，各種相在鋼中所占的體積組分和彼此相對的分布狀態。合金元素是通過影響上述因素而起作用的。對鋼的相變點的影響
主要是改變鋼中相變點的位置，大致可以歸納為以下三個方面：
. \1 q2 h8 Z3 ]+ ?①改變相變點溫度。一般來說，擴大γ相(奧氏體)區的元素，如錳、鎳、碳、氮、銅、鋅等,使A3點溫度降低,A4點溫度升高;相反,縮小γ相區的元素，如鋯、硼、硅、磷、鈦、釩、鉬、鎢、鈮等,則使A3點溫度升高，A4點溫度降低。惟有鈷使A3和A4點溫度均升高。鉻的作用比較特殊,含鉻量小于7％時使A3點溫度降低,大于7％時則使A3點溫度提高。
②改變共析點S的位置。縮小γ相區的元素，均使共析點S溫度升高；擴大γ相區的元素,則相反。此外幾乎所有合金元素均降低共析點S的含碳量，使S點向左移。不過碳化物形成元素如釩、鈦、鈮等（也包括鎢、鉬），在含量高至一定限度以后,則使S點向右移。
4 i, y. O. r9 L5 l/ w3 _③改變γ相區的形狀、大小和位置。這種影響較為復雜，一般在合金元素含量較高時，能使之發生顯著改變。例如鎳或錳含量高時，可使γ相區擴展至室溫以下，使鋼成為單相的奧氏體組織；而硅或鉻含量高時，則可使γ相區縮得很小甚至完全消失，使鋼在任何溫度下都是鐵素體組織。
合金鋼合金元素在鋼中的作用
對鋼加熱和冷卻時相變的影響
鋼加熱時的主要固態相變是非奧氏體相向奧氏體相的轉變，即奧氏體化的過程。整個過程都和碳的擴散有關。合金元素中，非碳化物形成元素如鎳、鈷等，降低碳在奧氏體中的激活能，增加奧氏形成的速度；而強碳化物形成元素如釩、鈦、鎢等，強烈妨礙碳在鋼中的擴散，顯著減慢奧氏體化的過程。鋼冷卻時的相變是指過冷奧氏體的分解，包括珠光體轉變（共析分解）、貝氏體相變及馬氏體相變。由于鋼中大都存在幾種合金元素的相互作用，致使對鋼冷卻時相變的影響也復雜得多。僅舉合金元素對過冷奧氏體等溫轉變曲線的影響為例，大多數合金元素，除鈷和鋁外，均起減緩奧氏體等溫分解的作用，但各類元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的（如硅、磷、鎳、銅）和少量的碳化物形成元素（如釩、鈦、鉬、鎢），對奧氏體到向珠光體的轉變和向貝氏體的轉變的影響差異不大，因而使轉變曲線向右推移。
; x. c% F2 R; K  {4 U. s碳化物形成元素（如釩、鈦、鉻、鉬、鎢）如果含量較多，將使奧氏體向珠光體的轉變顯著推遲，但對奧氏體向貝氏體的轉變的推遲并不顯著，因而使這兩種轉變的等溫轉變曲線從“鼻子”處分離，而形成兩個 C形。當這類元素增加到一定程度時，在這兩個轉變區域的中間還將出現過冷奧氏體的亞穩定區。合金元素對馬氏體轉變溫度Ms (起始轉變溫度)和Mn (終了轉變溫度)的影響也很顯著，大部分元素均使Ms和Mn點降低，其中以碳的影響最大,其次為錳、釩、鉻等；但鈷和鋁則使Ms和Mn點升高。
! X5 U3 A7 J3 R$ |* Q+ F對鋼的晶粒度和淬透性的影響
影響奧氏體晶粒度的因素很多。鋼的脫氧和合金化情況均與“奧氏體本質晶粒度”有關。一般來說,一些不形成碳化物的元素,如鎳、硅、銅、鈷等,阻止奧氏體晶粒長大的作用較弱,而錳、磷則有促進晶粒長大的傾向。碳化物形成元素如鎢、鉬、鉻等，對阻止奧氏體晶粒長大起中等作用。強碳化物形成元素如釩、鈦、鈮、鋯等，強烈地阻止奧氏體晶粒長大，起細化晶粒作用。鋁雖然屬于不形成碳化物元素，但卻是細化晶粒和控制晶粒開始粗化溫度的最常用的元素。
鋼的淬透性（見淬火）高低主要取決于化學成分和晶粒度。除鈷和鋁等元素外，大部分合金元素溶入固溶體后都不同程度地抑制過冷奧氏體向珠光體和貝氏體的相變，增加獲得馬氏體組織的數量，即提高鋼的淬透性。一些碳化物形成元素，如釩、鈦、鋯、鎢等，如果形成碳化物而固定了鋼中的碳，反而會降低淬透性，易使晶粒粗化的元素如錳，能提高淬透性；使晶粒細化的元素如鋁，則降低淬透性。硼是顯著影響淬透性的元素，合金鋼中即使只含十萬分之一的硼，也能顯著提高鋼的淬透性。但硼的這種影響僅對低、中碳鋼有效，對高碳鋼完全無效。
對鋼的力學性能和回火性能的影響
鋼的性能取決于鐵的固溶體和碳化物各自性能以及它們相對分布的狀態。合金元素對鋼的力學性能的影響也與此有關。固溶于鐵素體中的合金元素，起固溶強化作用，使強度和硬度提高，但同時使韌性和塑性相對地降低。其中以磷和硅的固溶強化作用最顯著，而硅對韌性的影響也最嚴重。少量的錳、鉻或鎳，反而對鐵素體的韌性有一定提高。
調質鋼的韌性－脆性轉變溫度是評價力學性能的一項重要指標。①提高轉變溫度的元素有 B、P、C、Si、Cu、Mo、Cr；②降低轉變溫度的元素有Ni、Mn；③少量時提高、多量時降低轉變溫度的元素有Ti、V;④少量時降低、多量時提高轉變溫度的元素有Al。
: v0 E; k8 ]8 y& S* ~合金鋼的回火穩定性比碳素鋼好，這是由于合金元素在回火時阻礙了鋼中原子的擴散，因而在同樣溫度下，起到延遲馬氏體分解和抗回火軟化的作用。對合金鋼的回火穩定性影響比較顯著的為：釩、鎢、鈦、鉻、鉬、鈷、硅等元素；影響不明顯的為：鋁、錳、鎳等元素。可以看到，碳化物形成元素，對回火軟化的延遲作用特別顯著。鈷和硅雖屬不形成碳化物元素，但它們對滲碳體晶核的形成和長大，有強烈的延遲作用，因此，也有延遲回火軟化的作用。各種合金元素對回火脆性影響的程度是不同的。定性地說，錳、鉻、氮、磷、釩、銅、鎳等均有促進回火脆性的傾向。鉬的作用較特殊，它加入已有回火脆性的合金鋼（例如含錳、鉻等）中，能顯著地降低回火脆性傾向；若單獨加入普通碳素鋼中，則成為促進回火脆性傾向的元素。鎢的作用與鉬相似，但對回火脆性的影響尚未十分確定。
對鋼的焊接性和被切削性的影響
9 f5 u# H' R; M3 v5 f: [焊接性和被切削性是衡量鋼的工藝性能好壞的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均對鋼的焊接性不利。因為在焊縫熱影響區靠近熔合線一側冷卻時易形成馬氏體等硬脆組織，有導致開裂的危險。另一方面，熱影響區靠近熔合線處的晶粒因受高熱容易粗化，因此，合金鋼中含有可使晶粒細化的元素如鈦、釩等是有益的。硅含量高，焊接時會發生嚴重噴濺。硫含量高容易產生熱裂，同時會逸出二氧化硫氣體，在焊接金屬內形成氣孔和疏松。磷含量高容易導致冷裂。
鋼中加入適量的硫、鉛等元素可改善鋼的被切削性（見易切削鋼）。合金鋼中的合金元素一般會使鋼的硬度增加，因而增高切削抗力，加劇刀具磨損。通過改變鋼的基體組織、夾雜物的種類、數量和形狀可以影響鋼的被切削性。對鋼的耐蝕性能的影響
  n& J0 m/ c/ ^/ b2 ]. A鉻是不銹耐酸鋼和耐熱鋼的主要合金元素。合金鋼中含鉻量若達到12％左右，在鋼的表面便形成致密的鉻的氧化物，使鋼在氧化性介質中的耐蝕性發生突變而大大提高。鉻、鋁、硅等元素，能提高鋼的抗氧化性和抗高溫氣體的腐蝕性能，但過量的鋁和硅則會使鋼的熱塑性變壞。鎳主要用來形成和穩定奧氏體組織，使鋼獲得良好的力學性能、耐蝕性能和工藝性能。鉬能使不銹耐酸鋼很快鈍化，提高對含有氯離子的溶液及其他非氧化性介質的耐蝕能力。鈦、鈮通常用來固定合金鋼中的碳，使它生成穩定的碳化物，以減輕碳對合金鋼耐蝕性能的有害作用。銅和磷配合使用時，可提高鋼的耐大氣腐蝕性能。
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