合金元素在合金結(jié)構(gòu)鋼中的作用

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合金元素在合金結(jié)構(gòu)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(xué)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(xiàn)。這種貢獻(xiàn)只有當(dāng)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(xiàn)與鎳相似。
    硅能有效地增加高碳奧氏體的淬透性。當(dāng)奧氏體碳含量和硅含量較低時，硅對淬透性的貢獻(xiàn)較小。
    錳對淬透性貢獻(xiàn)顯著，特別是當(dāng)錳的含量超過0.8%時。錳對淬透性的貢獻(xiàn)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(qiáng)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?jǐn)?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(qiáng)碳化物和強(qiáng)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(xiàn)也小。
    硼在提高淬透性方面是一個強(qiáng)有力的元素，對淬透性的影響有其獨(dú)特性和復(fù)雜性。硼在鋼中有兩種狀態(tài)，即固溶態(tài)和結(jié)合態(tài)。只有當(dāng)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(jié)合形成硼的氧化物和氮化物，使相當(dāng)一部分硼含量處于結(jié)合態(tài)，因而失去增加淬透性的能力，因此，要采取保護(hù)硼的方法，使硼保留為非結(jié)合態(tài)而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變的影響
    合金結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(qiáng)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(zhuǎn)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(xì)小的滲碳體顆粒。
    非碳化物形成元素硅在回火轉(zhuǎn)變中的作用比較獨(dú)特，低溫下硅不擴(kuò)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(zhì)元素對淬火、回火后鋼的力學(xué)性能的影響
    鋼中合金元素和雜質(zhì)元素對鋼力學(xué)性能的影響與鋼的組織狀態(tài)有密切關(guān)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?zé)o關(guān)，但是，經(jīng)回火后，在給定屈服強(qiáng)度下鋼的塑性和韌性與鋼的成分有密切關(guān)系。
    碳是不利于調(diào)質(zhì)鋼沖擊韌性的元素，雜質(zhì)元素磷，對沖擊韌性危害很大，凋質(zhì)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(diào)質(zhì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度無太大影響，鎳顯苦降低脆性轉(zhuǎn)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(dāng)奧氏體晶粒細(xì)小時，才會有細(xì)小的馬氏體組織和高的韌性。鋼的晶粒粗化溫度是合金結(jié)構(gòu)鋼重要的冶金質(zhì)量指標(biāo)之一。鋁與氮結(jié)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(yīng)不小于0.12%，鈦、鋯、鈮的含量均應(yīng)高于0.04%。
    回火脆性對合金結(jié)構(gòu)鋼淬火、回火后的韌性有相當(dāng)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(rèn)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(guān)。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(zhì)是，回火時，鋼中磷、錫、銻、砷等雜質(zhì)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(rèn)為，主要是在有一定碳含量并含有磷、錫、銻、砷等雜質(zhì)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(zhì)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。