金属的合金化改性

3.2　金属的合金化改性

纯金属的力学性能一般较低，价格也较贵，一般很少用于机械零件及工程结构。通过人为地加入一些合金元素使之合金化，不但可改进其力学性能，以满足工程需要，而且不少合金还具有某些特别的电、磁、热及化学性能，以满足特殊的工程需要。

碳素钢（非合金钢）价格便宜，加工性能优良，通过热处理可以获得不同的性能，可以满足工业生产中的多种需求，因而得到了广泛应用。但由于淬透性差，综合力学性能低，不适合制造尺寸较大的重要零件，加之其耐热、耐蚀、耐磨性能均较差，难以满足一些重要场合和特殊环境对性能的要求。为提高钢的力学性能和理化性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（合金化），就形成了合金钢。合金化也是改善和提高钢铁材料和其他材料（非铁合金、陶瓷材料甚至发展聚合物“合金”）性能的主要途径之一。

3.2.1　合金元素的存在形式

对应用最广泛的钢铁材料，根据合金元素与碳的作用不同，可将合金元素分为两大类:一类是碳化物形成元素，它们比Fe具有更强的亲碳能力，在钢中将优先形成碳化物，依其强弱顺序为Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等；另一类是非碳化物形成元素，主要包括Ni、Si、Co、Al等，它们与C一般不生成碳化物而固溶于固溶体中，或生成其他化合物如AlN。合金元素在钢中的存在形式主要有下列三种。

1.固溶体

合金元素溶入钢中的铁素体、奥氏体和马氏体中，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金马氏体。此时，合金元素的直接作用是固溶强化。

2.化合物

合金元素与钢中的碳、其他合金元素及常存杂质元素之间可以形成碳化物、金属间化合物和非金属夹杂物。

碳化物的主要形式有合金渗碳体如（Fe、Mn）₃C等和特殊碳化物如VC、TiC、WC、MoC、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等。碳化物一般具有硬而脆的特点。合金元素的亲碳能力越强，则所形成的碳化物就越稳定，并具有更高硬度及熔点。合金元素形成碳化物的直接作用主要是弥散强化。

在某些高合金钢中，金属元素之间还可能形成金属化合物，如FeSi、FeCr、Fe₂W、Ni₃Al、Ni₃Ti等，它们在钢中的作用类似于碳化合物。

合金元素与钢中常存杂质元素（如O、N、S、P等）所形成的化合物多属于非金属夹杂物，它们在大多数情况下是有害的，主要降低了钢的强度、尤其是韧度与抗疲劳性能，故应严格控制钢中夹杂物的量。

3.游离态

钢中有些元素如Pb、Cu等既难溶于铁、也不易生成化合物，而是以游离状态存在；在某些条件下钢中的碳也可能以自由状态（石墨）存在。通常情况下，游离态元素将对钢的性能产生不利影响，但对改善钢的切削加工性能有利。

3.2.2　合金元素的作用

钢中常用的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、B、Nb等。这些元素既可单独加入钢中，也可将两种、三种或更多元素同时加入钢中。

合金元素在钢中的作用如下。

1.形成固溶体，产生固溶强化

大多数合金元素可以溶解在铁素体、奥氏体和马氏体中，形成合金铁素体、合金奥氏体和合金马氏体，产生固溶强化，各种常见合金元素对铁素体硬度及韧度的影响如图3－30（a）、（b）所示。显然，合金元素的量应控制在一定范围，才有很好的强韧化效果。

2.形成金属化合物，产生弥散强化或第二相强化

合金渗碳体、合金碳化物和特殊碳化物都比渗碳体具有更高的稳定性、硬度和耐磨性，当它们分布在固溶体基体上时，可起到更为明显的第二相强化作用。如果合金经重新低温加热或长时间放置，而从过饱和的基体中沉淀析出细小弥散的第二相粒子（特殊碳化物或其他金属化合物），使材料得到很大强化，这种强化作用也称沉淀或时效强化。W、Mo、Ti、V、Nb等元素与碳的结合能力很强，可形成细小的特殊碳化物，如TiC、WC、VC等，它们的弥散强化效果很强，常作为高硬度、高耐热、高耐磨性钢的主要强化相。

图3－30　合金元素对铁素体性能的影响

3.溶入奥氏体，提高钢的淬透性

除Co和Al以外，其他所有溶入奥氏体中的合金元素都能阻碍铁、碳的扩散，使奥氏体稳定性增加，导致C曲线右移，从而提高钢的淬透性，并使M_s线下降，甚至改变C曲线形状。其中硼（B）的作用特别值得一提，微量的B（wB为0.000　5%～0.003%）就能明显提高钢的淬透性。而M_s的下降，则使淬火钢中残余奥氏体的数量增多。

4.提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性

溶入马氏体的合金元素大多阻碍马氏体分解，使合金碳化物也不易聚集长大，从而可提高钢的抗回火软化能力，使钢在高温下仍能保持较高的强度、硬度和耐磨性。材料在高温下保持高硬度的能力，称为材料的热硬性。

5.细化晶粒，产生细晶强韧化

合金元素形成的各种碳化物、氮化物等金属化合物，其稳定性都比渗碳体高，加热时不易溶解，未溶的金属化合物会强烈阻碍奥氏体晶粒的长大，而获得细小的奥氏体晶粒，冷却后得到细小的组织，从而可产生细晶强韧化作用。

6.形成钝化保护膜

当钢中含有一定数量的Cr、Al、Si等元素时，会形成致密、稳定的Cr₂O₃、Al₂O₃、SiO₂钝化膜，使钢具有一定的耐蚀性和耐热性，如不锈钢、耐蚀铸铁就是如此。

7.对奥氏体和铁素体存在范围的影响

Ni、Mn、Cu等面心立方晶格的元素使Fe－C相图中A₁、A₃温度降低，A₄点上移，并使S、E点向左下方移动，从而使奥氏体区扩大。当w_Mn＞13%，或wNi＞9%时，其S点已降到室温以下，使在常温下的奥氏体仍处于稳定状态，称为奥氏体钢。而Cr、Mo、Si、W等体心立方晶格元素则使相图中A₁、A₃升高，A₄下降，使S、E点向左上方移动，从而使奥氏体区缩小。其中Cr、Ti、Si等超过一定含量时，奥氏体区消失，在室温下得到单相铁素体，称为铁素体钢。

另外，由于S点左移，使相同碳含量的合金钢比普通钢的珠光体数量增多，使钢得以强化；而E点左移，则会使原属于过共析钢的合金中具有莱氏体组织，而成为莱氏体钢。

8.其他作用

不同的合金元素及数量还对材料的铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削性能、热处理工艺性能及一些电、磁等物理性能和化学性能有影响。