合金元素在合金結構鋼中的作用

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合金元素在合金結構鋼中的主要作用可歸納為3個方面：1.增加淬透性；2.影響回火過程；3.影響綜合力學性能。
    1、合金元素對淬透性的影響
    碳是一種能有效增加淬透性的元素。其他常用合金元素提高淬透性的能力，大體按下列順序增長：鎳、硅、鉻、錳、鉬、硼。
    鋼的淬透性來自所含各合金元素對淬透性的貢獻。這種貢獻只有當合金元素溶入奧氏體后才有可能表現(xiàn)出。
    鎳增大淬透性的效果較弱。銅對淬透性的貢獻與鎳相似。
    硅能有效地增加高碳奧氏體的淬透性。當奧氏體碳含量和硅含量較低時，硅對淬透性的貢獻較小。
    錳對淬透性貢獻顯著，特別是當錳的含量超過0.8%時。錳對淬透性的貢獻與鎳相近。
    鉻對淬透性的影響，在低碳鋼中略低于錳；在中碳鋼時，其效果最好。
    鉬能有效地提高淬透性，與中碳鋼相比，在高碳鋼中鉬有更大效果。鎳與鉬之間有強的交互作用。
    鎢在過冷奧氏體分解中所起的作用與鉬相近，其影響程度約為鉬的一半(含量按重量百分數(shù)計算時)。同鉬一樣，鎢在高碳鋼中比在低碳鋼中更為有效。
    鈦、鈮和鋯是強碳化物和強氮化物形成元素，其行為與釩相似。這些元素在奧氏體中的溶解度較小或很小，對淬透性的貢獻也小。
    硼在提高淬透性方面是一個強有力的元素，對淬透性的影響有其獨特性和復雜性。硼在鋼中有兩種狀態(tài)，即固溶態(tài)和結合態(tài)。只有當硼溶解在奧氏體中時才能起提高淬透性的作用。硼同氧和氮結合形成硼的氧化物和氮化物，使相當一部分硼含量處于結合態(tài)，因而失去增加淬透性的能力，因此，要采取保護硼的方法，使硼保留為非結合態(tài)而轉移到固溶體中，成為隨后淬火后能對淬透性起作用的所謂“有效硼”。
    2、合金元素對淬火鋼回火轉變的影響
    合金結構鋼與碳鋼相比其特點在于有較高的抗回火軟化能力，同時，在某些情況下，能顯示出二次硬化現(xiàn)象。
    合金結構鋼之所以具有抗回火穩(wěn)定性是因為在添加合金元素的情況下，馬氏體分解、殘余奧氏體轉變及滲碳體析出、集聚，均不同程度地被推向較高的溫度范圍。
    不同合金元素在減慢回火軟化方面作用不同。非碳化物形成元素鎳、鋁和弱碳化物形成元素錳對回火鋼的軟化較小，在抗回火軟化方面比較有效的是碳化物形成元素。
    碳化物形成元素能較多地把碳保留在馬氏體中，從而阻礙馬氏體的分解。其中以強碳化物形成元素釩的作用最為顯著，鎢、鉬其次，鉻又次之。碳化物形成元素還阻礙殘余奧氏體轉變，阻礙了合金滲碳體的集聚，使含碳化物形成元素的鋼能在更高的回火溫度下保持細小的滲碳體顆粒。
    非碳化物形成元素硅在回火轉變中的作用比較獨特，低溫下硅不擴散。添加石豐可提高馬氏體的分解溫度。硅也阻礙滲碳體顆粒的集聚長大。
    3、鋼中合金元素和雜質元素對淬火、回火后鋼的力學性能的影響
    鋼中合金元素和雜質元素對鋼力學性能的影響與鋼的組織狀態(tài)有密切關系。在淬火馬氏體狀態(tài)下，鋼的硬度僅取決于馬氏體中的碳含量而與其合金元素無關，但是，經(jīng)回火后，在給定屈服強度下鋼的塑性和韌性與鋼的成分有密切關系。
    碳是不利于調質鋼沖擊韌性的元素，雜質元素磷，對沖擊韌性危害很大，凋質鋼中加入1.0%～1.5%錳后，沖擊韌性可得到改善(如果未出現(xiàn)回火脆性)。鉻含量從1%增加到4%對調質鋼的脆性轉變溫度無太大影響，鎳顯苦降低脆性轉變溫度。鋼中少量鉬和釩并不增大冷脆性。
    奧氏體晶粒大小對淬火、回火后鋼的韌性有顯著影響。當奧氏體晶粒細小時，才會有細小的馬氏體組織和高的韌性。鋼的晶粒粗化溫度是合金結構鋼重要的冶金質量指標之一。鋁與氮結合形成彌散的AIN粒子，可提高晶粒粗化溫度，釩、鈦、鋯、鈮提高奧氏體晶粒粗化溫度的作用比鋁顯著。為此，釩的含量應不小于0.12%，鈦、鋯、鈮的含量均應高于0.04%。
    回火脆性對合金結構鋼淬火、回火后的韌性有相當大的影響。在250～400攝氏度回火出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。有些人認為，低溫回火脆性與鋼中微量的銻、磷、錫、砷等元素在晶界上的富集與吸附有關。添加1.5%～2.0%硅，能將發(fā)生低溫回火脆性的溫度提高100攝氏度左右。
    在回火加熱后緩慢冷卻條件下，在450～600攝氏度區(qū)間回火出現(xiàn)沖擊韌性最低值。此現(xiàn)象稱為高溫回火脆性。高溫回火脆性的本質是，回火時，鋼中磷、錫、銻、砷等雜質元素沿原奧氏體晶界發(fā)生了，偏聚，造成晶界弱化和脆化。一般認為，主要是在有一定碳含量并含有磷、錫、銻、砷等雜質元素的合金鋼中才出現(xiàn)比較顯著的高溫回火脆性。鋼中的碳和合金元素通過影響雜質元素的晶界偏聚，從而對高溫回火脆性產(chǎn)生影響。鈦、鉻、錳、鎳等增加鋼對高溫回火脆性的敏感性，而鉬、鎢、釩等能減小敏感性，是降低高溫回火脆性的元素。