在鋼中加入合金元素后，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會發(fā)生交互作用。鋼的合金化目的是希望利用合金元素與鐵、碳的相互作用和對鐵碳相圖及對鋼的熱處理的影響來改善鋼的組織和性能。 一、合金元素與鐵、碳的相互作用 合金元素加入鋼中后，主要以三種形式存在鋼中。即：與鐵形成固溶體；與碳形成碳化物；在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。 1.溶于鐵中 幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中形成合金鐵素體或合金奧氏體按其對α-Fe或γ-Fe的作用可將合金元素分為擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)兩大類。 擴(kuò)大γ相區(qū)的元素?亦稱奧氏體穩(wěn)定化元素主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等它們使A3點(diǎn)(γ-Feα-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn))下降A(chǔ)4點(diǎn)(γ-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn))上升從而擴(kuò)大γ-相的存在范圍。其中Ni、Mn等加入到一定量后可使γ相區(qū)擴(kuò)大到室溫以下使α相區(qū)消失稱為完全擴(kuò)大γ相區(qū)元素。另外一些元素(如C、N、Cu等)雖然擴(kuò)大γ相區(qū)但不能擴(kuò)大到室溫故稱之為部分?jǐn)U大γ相區(qū)的元素。 縮小γ相區(qū)元素??亦稱鐵素體穩(wěn)定化元素主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它們使A3點(diǎn)上升A4點(diǎn)下降(鉻除外鉻含量小于7%時(shí)A3點(diǎn)下降;大于7%后A3點(diǎn)迅速上升)從而縮小γ相區(qū)存在的范圍使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大。按其作用不同可分為完全封閉γ相區(qū)的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)和部分縮小γ相區(qū)的元素(如B、Nb、Zr等)。 2.形成碳化物 合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。 常見非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它們基本上都溶于鐵素體和奧氏體中。常見碳化物形成元素有：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti等(按形成的碳化物的穩(wěn)定性程度由弱到強(qiáng)的次序排列)，它們在鋼中一部分固溶于基體相中，一部分形成合金滲碳體含量高時(shí)可形成新的合金碳化合物。 二、合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響 1.對奧氏體和鐵素體存在范圍的影響 擴(kuò)大或縮小γ相區(qū)的元素均同樣擴(kuò)大或縮小Fe-Fe3C相圖中的γ相區(qū)且同樣Ni或Mn的含量較多時(shí)可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織(如1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳鋼等)，而Cr、Ti、Si等超過一定含量時(shí)可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織(如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等)。 2.對Fe-Fe3C相圖臨界點(diǎn)(S和E點(diǎn))的影響 擴(kuò)大γ相區(qū)的元素使Fe-Fe3C相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降縮小γ相區(qū)的元素則使其上升并都使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。幾乎所有的合金元素都使共析點(diǎn)(S)和共晶點(diǎn)(E)的碳含量降低，即S點(diǎn)和E點(diǎn)左移強(qiáng)碳化物形成元素的作用尤為強(qiáng)烈。 三、合金元素對鋼熱處理的影響 合金元素的加入會影響鋼在熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變。 1.合金元素對加熱時(shí)相轉(zhuǎn)變的影響 合金元素影響加熱時(shí)奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。 (1)對奧氏體形成速度的影響：Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素與碳的親合力大形成難溶于奧氏體的合金碳化物顯著減慢奧氏體形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素因增大碳的擴(kuò)散速度使奧氏體的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。 (2)對奧氏體晶粒大小的影響：大多數(shù)合金元素都有阻止奧氏體晶粒長大的作用但影響程度不同。強(qiáng)烈阻礙晶粒長大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻礙晶粒長大的元素有：W、Mn、Cr等；對晶粒長大影響不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促進(jìn)晶粒長大的元素：Mn、P等。 2.合金元素對過冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 除Co外幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變使C曲線右移即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必須指出加入的合金元素只有完全溶于奧氏體時(shí)才能提高淬透性。如果未完全溶解則碳化物會成為珠光體的核心反而降低鋼的淬透性。另外兩種或多種合金元素的同時(shí)加入(如鉻錳鋼、鉻鎳鋼等)比單個(gè)元素對淬透性的影響要強(qiáng)得多。 除Co、Al外多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點(diǎn)下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強(qiáng)Si實(shí)際上無影響。Ms和Mf點(diǎn)的下降使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。殘余奧氏體量過多時(shí)可進(jìn)行冷處理(冷至Mf點(diǎn)以下)以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;或進(jìn)行多次回火這時(shí)殘余奧氏體因析出合金碳化物會使Ms、Mf點(diǎn)上升并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(即發(fā)生所謂二次淬火)。 3.合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響 (1)提高回火穩(wěn)定性合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(即在較高溫度才開始分解和轉(zhuǎn)變)，提高鐵素體的再結(jié)晶溫度使碳化物難以聚集長大，因此提高了鋼對回火軟化的抗力即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。 (2)產(chǎn)生二次硬化一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時(shí)硬度不是隨回火溫度升高而單調(diào)降低而是到某一溫度(約400℃)后反而開始增大并在另一更高溫度(一般為550℃左右)達(dá)到峰值。這是回火過程的二次硬化現(xiàn)象它與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于450℃時(shí)鋼中析出滲碳體;在450℃以上滲碳體溶解鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等使硬度重新升高稱為沉淀硬化?；鼗饡r(shí)冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所也可導(dǎo)致二次硬化。 試一試：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系 產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)的合金元素 產(chǎn)生二次硬化的原因合金元素 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變沉淀硬化Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co①、VV、Mo、W、Cr、Ni①、Co① ①僅在高含量并有其他合金元素存在時(shí)由于能生成彌散分布的金屬間化合物才有效。 (3)增大回火脆性和碳鋼一樣合金鋼也產(chǎn)生回火脆性而且更明顯。這是合金元素的不利影響。在450℃-600℃間發(fā)生的第二類回火脆性(高溫回火脆性)主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān)多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。這是一種可逆回火脆性回火后快冷(通常用油冷)可防止其發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo1%W)也可基本上消除這類脆性。 四、合金元素對鋼的機(jī)械性能的影響 提高鋼的強(qiáng)度是加入合金元素的主要目的之一。欲提高強(qiáng)度就要設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動的阻力。金屬中的強(qiáng)化機(jī)制主要有固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相(沉淀和彌散)強(qiáng)化。合金元素的強(qiáng)化作用正是利用了這些強(qiáng)化機(jī)制。 1.對退火狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能的影響 結(jié)構(gòu)鋼在退火狀態(tài)下的基本相是鐵素體和碳化物。合金元素溶于鐵素體中形成合金鐵素體依靠固溶強(qiáng)化作用提高強(qiáng)度和硬度但同時(shí)降低塑性和韌性。 2.對退火狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能的影響 由于合金元素的加入降低了共析點(diǎn)的碳含量、使C曲線右移從而使組織中的珠光體的比例增大使珠光體層片距離減小這也使鋼的強(qiáng)度增加塑性下降。但是在退火狀態(tài)下合金鋼沒有很大的優(yōu)越性。 由于過冷奧氏體穩(wěn)定性增大合金鋼在正火狀態(tài)下可得到層片距離更小的珠光體或貝氏體甚至馬氏體組織從而強(qiáng)度大為增加。Mn、Cr、Cu的強(qiáng)化作用較大而Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般結(jié)構(gòu)鋼的實(shí)際含量)下影響很小。 3.對淬火、回火狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能的影響 合金元素對淬火、回火狀態(tài)下鋼的強(qiáng)化作用最顯著因?yàn)樗浞掷昧巳康乃姆N強(qiáng)化機(jī)制。淬火時(shí)形成馬氏體回火時(shí)析出碳化物造成強(qiáng)烈的第二相強(qiáng)化，同時(shí)使韌性大大改善故獲得馬氏體并對其回火是鋼的最經(jīng)濟(jì)和最有效的綜合強(qiáng)化方法。 合金元素加入鋼中首要的目的是提高鋼的淬透性保證在淬火時(shí)容易獲得馬氏體。其次是提高鋼的回火穩(wěn)定性使馬氏體的保持到較高溫度，使淬火鋼在回火時(shí)析出的碳化物更細(xì)小、均勻和穩(wěn)定。這樣在同樣條件下合金鋼比碳鋼具有更高的強(qiáng)度。 五、合金元素對鋼的工藝性能的影響 1.合金元素對鋼鑄造性能的影響 固、液相線的溫度愈低和結(jié)晶溫區(qū)愈窄其鑄造性能愈好。合金元素對鑄造性能的影響主要取決于它們對Fe-Fe3C相圖的影響。另外許多元素如Cr、Mo、V、Ti、Al等在鋼中形成高熔點(diǎn)碳化物或氧化物質(zhì)點(diǎn)增大鋼的粘度降低流動性使鑄造性能惡化。 2.合金元素對鋼塑性加工性能的影響 塑性加工分熱加工和冷加工。合金元素溶入固溶體中或形成碳化物(如Cr、Mo、W等)都使鋼的熱變形抗力提高和熱塑性明顯下降而容易鍛裂。一般合金鋼的熱加工工藝性能比碳鋼要差得多。 3.合金元素對鋼焊接性能的影響 合金元素都提高鋼的淬透性促進(jìn)脆性組織(馬氏體)的形成使焊接性能變壞。但鋼中含有少量Ti和V可改善鋼的焊接性能。 4.合金元素對鋼切削性能的影響切削性能與鋼的硬度密切相關(guān)鋼是適合于切削加工的硬度范圍為170HB～230HB。一般合金鋼的切削性能比碳鋼差。但適當(dāng)加入S、P、Pb等元素可以大大改善鋼的切削性能。 5.合金元素對鋼熱處理工藝性能的影響 熱處理工藝性能反映鋼熱處理的難易程度和熱處理產(chǎn)生缺陷的傾向。主要包括淬透性、過熱敏感性、回火脆化傾向和氧化脫碳傾向等。合金鋼的淬透性高淬火時(shí)可以采用比較緩慢的冷卻方法可減少工件的變形和開裂傾向。加入錳、硅會增大鋼的過熱敏感性。