合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：
非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；
碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。
此外，还有稀土元素，一般用符号RE表示。
（1）合金元素对钢中基本相的影响 碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。
所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了在极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，一般溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊合金碳化物。与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。
合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的移动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。
碳化物是钢中的重要相之一，碳化物类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有重要影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，故可提高钢的耐磨性。同时它们在加热时也较难溶于奥氏体中，因此热处理时加热温度应该高一些。
当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的力学性能及工艺性能有很大影响。
（2）合金元素对铁碳相图的影响 合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化。加入合金元素，可使α-Fe与γ-Fe存在范围发生变化。按照对α-Fe或γ-Fe的作用，可将合金元素分为两大类：
1）扩大奥氏体区的元素 扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ-Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如w（Ni）＞9%的不锈钢、w（Mn）>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。由于A1和A3温度降低，就直接地影响热处理加热温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢。图3-1是锰对奥氏体区的影响。
同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样碳含量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的碳含量降低，在碳含量较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然碳的质量分数只有0.7%～0.8%，但是由于E点的左移，在铸态下会得到莱氏体组织，成为莱氏体钢。
图3-1 锰对奥氏体区的影响
图3-2 铬对奥氏体区的影响
2）缩小奥氏体区的元素。缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应提高。
图3-2表示铬对奥氏体区域位置的影响。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。
（3）合金元素对钢热处理的影响 合金钢一般都经过热处理后使用，主要是通过改变钢在热处理过程中的组织转变来显示合金元素的作用。合金元素对钢热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的相变等方面。
1）合金元素对加热转变的影响。钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长大，碳化物的分解和溶解，以及奥氏体成分均匀化等过程。整个过程的进行，与碳和合金元素的扩散以及碳化物的稳定程度有关。合金元素对奥氏体化过程的影响体现在以下两个方面：
① 大多数合金元素（除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。含有碳化物形成元素的钢，由于碳化物不易分解，使奥氏体化过程大大减缓。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或延长保温时间，才能保证奥氏体化过程充分进行。
② 几乎所有的合金元素（除锰以外）都能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒。尤其是碳化物形成元素钛、矾、钼、钨、铌、锆等，在化学元素周期表中，这些元素都位于铁的左侧，越远离铁，越易形成比铁的碳化物更稳定的碳化物，如TiC、VC、MoC等，这些碳化物在加热时很难溶解，强烈阻碍奥氏体晶粒长大。此外，一些晶粒细化剂如AlN等在钢中可形成弥散质点分布于奥氏体晶界上，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。所以，与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，力学性能更高。
2）合金元素对冷却转变的影响
① 大多数合金元素（除钴以外），都能提高过冷奥氏体的稳定性，使等温转变图位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。所以对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂冷却，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。
合金元素对钢淬透性的影响，由强到弱可以排列成下列次序：钼、锰、钨、铬、镍、硅、矾。通过复合元素，采用多元少量的合金化原则，对提高钢的淬透性会更有效。
图3-3 合金元素对等温转变图的影响
a）非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素 b）强碳化物形成元素
碳钢 ——合金钢
对于非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，会使等温转变图右移，如图3-3a所示。而对中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、矾等，溶于奥氏体后，不仅使等温转变图右移，提高钢的淬透性，而且能改变等温转变图的形状，把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，如图3-3b所示。
② 除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf点下降，钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。因此，凡是降低Ms点的元素都使淬火后钢中残留奥氏体含量增加。而钢中残留奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。
3）合金元素对淬火钢回火转变的影响
① 对淬火钢回火稳定性的影响。淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大的过程，使回火硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样碳含量的碳钢高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。所以，当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。
② 一些碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用。例如高速钢在560℃回火时，又析出了新的更细的特殊碳化物，发挥了第二相弥散强化作用，使硬度进一步提高。这种二次硬化现象在合金工具钢中是很有价值的。
③ 含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢，在450～600℃范围内长期保温或回火后缓冷均出现高温回火脆性。这是因为合金元素促进了锑、锡、磷等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚和析出，削弱了晶界联系，降低了晶界强度而造成的。因此，对这类钢应该在回火后采用快冷工艺，以防止高温回火脆性产生。
4）合金元素对钢力学和工艺性能的影响。加入合金元素的目的是使钢具有更优异的性能，所以合金元素对性能的影响是我们最关心的问题。合金元素主要通过对组织的影响而对性能起作用，因此，必须根据合金元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对力学性能的影响。
① 合金元素对强度的影响。强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构件材料的主要目的。金属的强度一般是指金属对塑性变形的抗力。金属强化一般有以下几种方式：
a.固溶强化。由于溶质原子与基体原子的大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力，产生强化。固溶强化的强化量与溶质浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越大，强化效果越好。
一般而言，间隙固溶强化效果比置换固溶强化效果要强烈得多，其强化作用甚至可差1～2个数量级。但是，固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的，固溶强化效果越好，塑性和韧性下降越多。
b.细晶强化。晶界或其他界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化。晶界强化的强化量与晶界数量，即晶粒大小有密切的关系。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，则强化量越大。
许多碳化物形成元素（如钒、钛、铌）由于其容易与碳形成熔点非常高的碳化物，可以阻碍晶粒长大，所以具有细化晶粒的作用。
晶粒细化是一种非常有效的强化手段，当晶粒细化达到5级以后，得到所谓的超细晶粒，这时纯铁或软钢的屈服强度可以达到400～600MPa，接近于中强度钢的屈服强度。晶粒细化不仅可以提高强度，还可以改善钢的韧性，这是其他强化方式难以达到的。因此细晶化，特别是超细晶化，是目前正在大力发展的重要强化手段。
c.弥散强化。合金元素加入到金属中，在一定条件下会析出第二相粒子，而这些第二相粒子可以有效地阻止位错运动。当运动位错碰到位于滑移面上的第二相粒子时，必须通过它，滑移变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外能量，或者需要提高外加应力，这就造成了强化。
但是，只有当粒子很小时，第二相粒子才能起到明显的强化作用，如果粒子太大，则强化效应将微不足道。因此，第二相粒子应该细小而分散，即要求有高的弥散度。粒子越细小，弥散度越高，则强化效果越好。
② 合金元素对塑性和韧性的影响。除了极少数几个置换式合金元素外，所有的合金元素都会降低钢材塑性和韧性，使钢脆化。一般而言，除了细晶强化能同时提高强度和塑性、韧性外，所有强化方式都会降低塑性和韧性。在这些强化方式中，危害最大的是间隙固溶强化，因此，间隙固溶强化尽管能显著提高强度，也不能作为一种实用的基本强化机制。而淬火马氏体必须进行回火，也是为了减轻间隙固溶强化对塑性和韧性的影响。冷变形强化也会降低塑性和韧性，所以，对于大多数钢来说，冷变形强化只能作为一种辅助强化方式。相对而言，析出强化（即第二相强化）的脆化作用最小，因此，它是应用最广泛的强化方法之一。
③ 合金元素对钢工艺性能的影响。合金元素对钢工艺性能的影响，是一个重要问题。材料没有良好的工艺性能，在实际中很难获得广泛的应用。合金元素对钢工艺性能的影响，主要体现在以下几个方面：
a.合金元素对铸造性能的影响。铸造性能主要与钢固相线和液相线温度的高低，以及它们之间温度差（结晶区间）有关。固、液相线温度越低，结晶温度区间越窄，则铸造性能越好。因此，合金元素对铸造性能的影响，主要体现在其对相图的影响。一般共晶成分合金的铸造性能最好，由于钢的成分离共晶点很远，所以铸造性能不好。加入高熔点合金元素后，液态金属粘度增大，铸造性能下降。
b.合金元素对锻造性能的影响。金属的锻造性能主要取决于热加工时的变形抗力、热加工温度的范围大小、抗氧化能力及氧化皮性质等因素。由于合金元素的影响，许多合金钢，特别是含有大量碳化物的合金钢与普通碳钢相比，高温强度很高，热塑性明显下降，锻造时容易锻裂。由于合金元素使钢的导热性能下降，所以锻造加热必须缓慢，以免造成热应力。与普通碳钢相比，合金钢的锻造性能明显下降。
c.合金元素对焊接性能的影响。在钢的焊接性能中，最重要的是钢焊后开裂的敏感性和焊接区硬度。通常用“碳当量”来表示成分对焊接性能的影响。对钢而言，碳含量是影响其焊接性能的最重要因素，碳含量越低，焊接性能越好。在相同碳含量下，合金元素含量越高，则焊接性能越差。
d.合金元素对可加工性的影响。由于许多合金钢含有大量硬而脆的碳化物，所以其可加工性比普通碳钢差。而有些合金钢的加工硬化能力很强，其可加工性也很差。
为了提高钢的可加工性，可以在钢中加入一些改善切削性能的合金元素，得到所谓易切削钢。最常用的元素是硫，在易切削钢中，硫质量分数可高达0.08%～0.2%。易切削钢不但使工具寿命延长，动力消耗减少，表面粗糙度值降低，而且断屑性好，因此，广泛用于自动车床上的高速切削中，对于大批生产的一般零件是很有利的。