结构钢中合金元素的作用及其对性能的影响

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        结构钢中合金元素的作用及其对性能的影响
    结构钢中加入一定的合金元素，即通常所说的合金
化，是提高结构钢工艺性能和机械性能的有效途径。
    结构钢的组织是由铁素体和碳化物所组成的，所以钢的
性能取决于铁素体和碳化物本身的性质，以及它们在钢中的
分布状态。合金元素溶于铁素体中，使钢的硬度和强度提高，
而塑性有所下降。工程用钢主要靠这一作用来提高其强度。
而机器制造用钢，一些重要零件一般要经调质处理，得到回
火索氏体组织，即细小的粒状碳化物弥散地分布于铁素体的
基体上，从而使钢获得良好的性能。调质处理的关键在于钢
经淬火后，必须获得完全的马氏体组织，以便在随后的回火
时得到所希望的综合性能。所以，合金元素对机器制造用钢
性能的改善，主要是通过它们对钢淬透性和回火转变的影响。
显然，了解合金元素在钢中的作用，如分布状态、对钢临界
点和晶粒长大的影响，对淬透性和回火转变的影响等，对于
制定合理的热处理工艺.发挥钢材潜力具有十分重要的意义。
    1.合金元素在钢中的分布
    结构钢中常加入合金元素有硅(Si),锰(Mn)、铬(Cr),
铝(A1),镍(Ni),钨(W),钼(Mo),钒(V)、钛(Ti), 硼(B)
等。硫(s),磷(P)一般作为钢中的有害元素，但在易切削
钢中则为合金元素。合金元素在钢中的分布，首先取决于它
们与碳作用的性质，及其在钢中的含量和热处理状态等。按
合金元素与碳的作用，可将其分为两类:
    〔1)不形成碳化物元素，如Si, A1, Ni, Cu等。它们不
形成碳化物，而溶于固溶体。在平衡状态溶于铁素体，加热
时溶于奥氏体，在淬火状态下则固溶于马氏体中。            
     (2)形成碳化物元素，按其形成碳化物稳定性的大小，
依次为Ti,V,Mo,W,Cr,Mn,Fe等。这些元素与碳形成简
单或复杂的碳化物。当钢中含碳量较小，不能使钢中所有的
合金元素都形成碳化物时.在这种情况下则溶于铁素体内，
形成所谓合金铁素体。
         2.合金元素对钢临界点的影响
    热处理时的加热温度，主要是参照钢的临界点确定的。
各种元素对钢临界点有着不同的影响。有的
使临界点升高，有的使临界点降低，有的则影响不大。           
        3.合金元素对钢淬透性的形响
    合金元素对钢淬透性有着很大的影响，除钴以外，所有
元素都使奥氏体等温转变曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳
定性，提高钢的淬透性。
    在不同的等温转变区内，各种元素对过冷奥氏体稳定性
的影响程度是不同的。如Mo, V,W,Cr,Ni,Mn等，推迟
奥氏体向珠光体转变的作用很大，其中Mo的作用最强。但
对于推迟奥氏体到贝氏体的转变，钼不起作用，而碳、锰、
铬、镍、硅等，则有较大的影响。硼是影响淬透性最强烈的
元素，硼含量为0.0015%时就可大大提高钢的淬透性。特别
是钢中碳量较低时效果更大。但当硼含量超过0.007%时.其
影响就不再增加。合金元素增加过冷奥氏体稳定的作用，只
有这些元素，特别是形成碳化物元素溶于奥氏体时，才能发
挥出来。否则，在奥氏体化温度不足时.碳化物未被充分溶
解，奥氏体中碳化物形成元素的浓度减小，使过冷奥氏体稳
定性下降，从而降低了钢的淬透性。这在热处理时应引起充
分注意。                        
      4.合金元素对奥氏体晶粒度和马氏体转变的影晌
    加入合金元素细化晶粒、防止过热是结构钢合金化重要
目的之一。除锰以外，所有合金元素对奥氏体晶粒长大倾向
都有不同程度的减小。不形成碳化物元素(Ni,Si,Co, B)
对晶粒长大倾向影响较小，而形成碳化物元素(Cr, W, Mo,
V、Ti、Al),则强烈地阻止奥氏体晶粒的长大。
   合金元素(包括碳)大都降低马氏体转变开始温度
(M s),增加残余奥氏体。其中碳的影响最大。锰、铬、镍
钼、硅次之。而钴、铝则使马氏体转变温度升高，残余奥氏
体量减少。上述关系可用下式表示:                    
Ms(℃) =499一300x(C%)一170 X (N%)
            一33x(Mn%)一22x(Cr%)一17x(Ni%)
              一11x(W%)
    5.合金元素对回火转变的影响
    合金元素对回火转变的影响。主要是减慢马氏体的分解.
降低碳化物聚集和长大的速度，即提高钢的回火稳定性。镍
与锰影响不大，硅在400℃以下影响很大，而在400℃以上影
响甚微.而铬、钼、钨，钒等影响极为强烈。因此，合金结
构钢在回火时，硬度的下降比碳钢缓慢。另外，加入铬,镍、
锰等元素，使钢的回火脆性增大;而加入钼、钨等元素时，则
使钢的回火脆性减小。