杂质及合金元素在钢中的作用

任务2　碳、杂质及合金元素在钢中的作用

为了正确选用碳钢及合金钢，必须了解碳、杂质及合金元素在钢中的基本作用。合金元素对钢的转变、组织和性能的影响一般取决于合金元素与铁和碳的相互作用。

一、碳及常存杂质对钢的性能的影响

1．碳的影响

钢的性能主要取决于碳的质量分数。如前所述，在退火、正火状态（即平衡状态），随着碳的质量分数的增高，珠光体增加，铁素体减少，钢的强度、硬度升高而塑性、韧性降低。钢淬火后（即非平衡状态）得到马氏体，其具有良好的综合力学性能，即有较高的强度、硬度，同时具有良好的塑性、韧性。

碳的质量分数对钢的工艺性能也有重要影响。中碳钢硬度、强度、塑性、韧性配合较好，切削加工性能最好；低碳钢具有良好的压力加工及焊接性能，随着碳的质量分数的增加，塑性变形抗力也不断增加，冷压力加工性及焊接性能下降。

2．四大常存杂质对钢的性能的影响

碳钢中除铁和碳外，在冶炼过程中不可避免地存在一些杂质元素，除四大常存元素锰、硅、硫、磷外，还有氧、氢、氮等隐存元素。

锰是为脱氧而加入的，可溶入铁素体和渗碳体中，可明显提高钢的强度、淬透性和热加工性能。锰还可以消除硫对钢的有害影响，锰作为杂质，其质量分数不大于0．8%。

硅是作为脱氧剂加入的，硅溶入铁素体中可提高其强度和硬度，硅作为杂质，其质量分数不超过0．4%，是一种有益元素。

硫是由矿石和燃料带入的，硫不溶入铁素体，生成的FeS与Fe在988℃时形成共晶体，分布于晶界上，当加热到1 000～1 200℃进行轧制或锻压时，共晶体熔化，钢材开裂，此现象称为热脆。因此，对硫要严格限制，根据不同质量，质量分数不超过0．055%～0．030%的锰可消除硫的危害，FeS＋Mn→MnS＋Fe，MnS的熔点为1600℃，且塑性好，但现已发现硫化锰也常是钢件断裂的发源点。

磷来源于矿石、生铁等炼钢原料，可溶入铁素体造成固溶强化，但其塑性、韧性显著降低，当质量分数达0．3%时完全变脆，在低温下影响更大，此现象称为冷脆。磷的质量分数不能超过0．045%～0．035%。

3．钢的冶金质量

钢材的生产要通过冶炼、铸锭、轧制（或锻造）等工序，控制这些工艺过程的质量称为冶金质量。钢的冶金质量对钢的性能有直接影响，常见的组织缺陷有夹杂物（非金属夹杂物、金属夹杂物）、化学成分的不均匀（偏析）、组织的不均匀（带状组织）及裂纹（发纹、白点等）、缩松等。非金属夹杂物是冶炼时钢中气体与脱离氧剂及合金元素的反应产物，以及混入钢中的耐火材料，一般为氧化物、硫化物、硅酸盐等，非金属夹杂物的成分、数量、形状、大小及分布对性能有着重要影响。非金属夹杂物将引起应力集中及破坏金属的连续性，降低钢的力学性能，特别是塑性、韧性和疲劳强度。

综上所述，影响钢的性能和钢材质量的因素有碳的质量分数、杂质的质量分数及冶金质量，为保证质量，除冶金厂按规定进行各项检查外，作为机械制造厂也应对钢材质量进行复查，保证产品质量。

二、合金元素在钢中的作用

1．合金元素对铁与碳的作用及对状态图的影响

1）合金元素与铁的作用

大多合金元素能溶入铁素体中，由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径不同，必将引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，从而使强度、硬度升高，而对塑性、韧性来说则没有简单规律。由图6－1、图6－2可知，磷、硅、锰对提高铁素体硬度的作用最强，镍、钼、钒、钨次之，而铬最小。硅、锰会强烈地降低铁素体的塑性和韧性，但值得注意的是，镍及少量的锰（≤1．2%）、铬（≤1．8%）溶入铁素体后，对铁素体的韧性还有提高的作用。

2）合金元素与碳的作用

根据合金元素在钢中与碳的相互作用，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。非碳化物形成元素包括镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等，碳化物形成元素都是在元素周期表中铁左边的过渡族元素；在周期表中离铁原子越远的过渡族元素与碳原子的亲和力越强，按它们的强弱排列如下：钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁。其中钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素；钨、钼、铬是较强碳化物形成元素；锰和铁则是弱碳化物形成元素。

图6－1　合金元素对铁素体硬度的影响

图6－2　合金元素对铁素体冲击韧性的影响

合金渗碳体是弱碳化物形成元素和较强碳化物形成元素置换了渗碳体中的部分铁所形成的化合物，仍为复杂斜方结构，可用表达式（Fe，Me）₃CM代表锰、铬、钨等合金元素来表示。合金渗碳体较渗碳体更稳定，较难溶入奥氏体中，硬度会明显增加，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

特殊碳化物是较强碳化物形成元素、强碳化物形成元素和碳所形成的化合物。特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与韧性，加热时很难溶入奥氏体中，对钢的机械性能、工艺性能的影响很大。

非碳化物形成元素几乎都溶入铁素体中。碳化物形成元素随钢中元素及碳的质量分数的不同，其分布也较复杂。弱碳化物形成元素锰，除少量溶入渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分溶入铁素体中。较强碳化物形成元素铬、钼、钨等，当其质量分数较低时，多半溶入铁素体中及形成合金渗碳体，当其质量分数较高（w_Me＞5%）时，可形成特殊碳化物。强碳化物形成元素钒、铌、锆、钛等，只要有碳存在，都会形成特殊碳化物，其余的也会溶入铁素体中。

3）合金元素对铁碳合金状态图的影响

合金元素对铁碳合金状态图的影响分以下两种情况。

（1）合金元素对y相区的影响。①扩大y相区。扩大y相区的元素有锰、镍、铂、钴、碳、氮、铜等，这类合金元素使奥氏体稳定区域扩大，使A₄点上升，A₃点下降，其中锰、镍、钴等质量分数达一定量后，可把y相区扩大到室温，如图6－3所示，使钢在室温上保持奥氏体组织，即奥氏体钢。②缩小y相区。缩小y相区的元素有铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、磷、铌、锆等，这类合金元素使铁素体稳定区扩大，使A₄点下降，A₃点上升，其中铬、钼、钨、钛、硅、铝、磷等质量分数达到一定量后，能使y相区缩小并封闭，如图6－4所示，在室温下获得单相铁素体组织，即铁素体钢。

图6－3　合金元素扩大y相区的状态

图6－4　合金元素缩小y相区的状态图

（2）对铁碳状态图中E、S点的影响。凡扩大y相区的合金元素均会使E、S点向左下方移动；凡缩小y相区的合金元素均会使E、S点向左上方移动。例如，当w_Cr＞12%时，共析点S 的w_C降至0．4%。又如，W18Cr4V高速钢中w_C＝0．7%～0．8%，由于加入了大量合金元素，在组织中已有莱氏体出现。

2．合金元素对钢热处理的影响

1）合金元素加热时对奥氏体形成的影响

合金钢的奥氏体化过程仍包括奥氏体的形核、奥氏体的长大、残余碳化物的溶解、奥氏体均匀化及奥氏体晶粒长大等阶段。

奥氏体的形核、奥氏体的长大与铁、碳及合金元素在奥氏体中扩散速度密切相关，铬、钼、钨、钒等较强、强碳化物形成元素强烈阻碍了原子的扩散，所以，大大地降低了奥氏体的形成速度。

奥氏体均匀化还包括合金元素的均匀化，合金元素在奥氏体中的扩散速度仅为碳的1／1 000～1／10 000，同时大多合金元素还将降低碳的扩散速度，因此，奥氏体的均匀化过程非常缓慢。

由此可见，除了使碳扩散加速的部分非碳化物形成元素（如钴、镍等）外，一般合金钢比碳钢的加热温度更高，保温时间更长。

奥氏体晶粒长大是奥氏体晶界原子扩散移动的结果，强碳化物形成元素如钛、钒、铌等的碳化物熔点高、稳定性高，能强烈地阻碍晶粒长大，可细化奥氏体晶粒。钨、钼、铬等可以中等程度地细化奥氏体晶粒。非碳化物形成元素镍、硅、铜、钴等的作用较轻，而锰、磷、碳、硼等则起到助长奥氏体晶粒长大的作用。

2）合金元素对过冷奥氏体转变的影响

除钴外，非碳化物形成元素镍、硅、铝、铜等基本上不改变C曲线的形状，只会使C曲线右移，如图6－5所示。

碳化物形成元素不但会使C曲线显著右移，且改变了C曲线的形状，强碳化物形成元素钛、铌、钒、钨、钼等能强烈地推迟珠光体转变，对贝氏体转变推迟则较少，因此会出现两个C曲线，如图6－6所示。

图6－5　非碳化物形成元素对C曲线的影响

图6－6　强碳化物形成元素对C曲线的影响

铬、锰是较强碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，二者都会强烈地推迟珠光体的贝氏体转变，但对后者的作用更显著，因此会使C曲线出现另一种形式，如图6－7所示。

图6－7　较强、弱碳化物形成元素对C曲线的影响

由于除Co外的合金元素都会不同程度地使C曲线右移，提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了临界冷却速度，提高了钢的淬透性，这是在钢中加入合金元素的主要目的之一。但应指出的是，只有当合金元素溶入奥氏体中时，才能提高淬透性，若碳化物未溶解，一方面会使奥氏体中的碳和合金元素的质量分数下降，另一方面未溶解碳化物能成为珠光体转变的核心，反而使淬透性下降，如钛、锆、钒等超过一定质量分数后就会使淬透性下降。多种合金元素同时加入，其影响比单元素加入时更大，因此，多元少量合金化原则上可获得高淬透性的钢。

除钴、铝外的合金元素都会使马氏体转变温度M_s－M_f下降，碳能最强烈地降低钢的M_s点温度，其次是锰、铬、镍。实践证明：M_s点越低，淬火钢中的残余奥氏体越多，图6－8所示为不同合金元素对w_C＝1%的钢在1 150℃淬火后残余奥氏体数量的影响。

3）合金元素对淬火钢回火转变的影响

淬火钢的回火转变包括以下四个过程：①马氏体分解；②残余奥氏体的转变；③铁素体的再结晶及碳化物的形成；④转变及聚集长大。钢中合金元素的存在并不改变这四个过程的一般规律的基本特征，其主要表现在以下几个方面。

（1）提高回火稳定性。回火稳定性是钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力，即回火抗力。合金元素阻碍碳原子的扩散，延缓马氏体的分解，提高残余奥氏体转变的温度和铁素体的回复与再结晶温度，阻碍碳化物的析出和聚集长大，使合金钢与碳钢相比在相同温度回火后具有较高硬度与强度。在达到相同硬度时，合金钢的回火温度比碳钢高，可进一步消除残余内应力，因而合金钢的塑性、韧性比碳钢高。

（2）二次硬化现象。含有钒、铌、钨、钼等强碳化物形成元素、较强碳化物形成元素的合金钢，在500～600℃温度范围内回火时，钢的硬度不但不降低，反而会有所回升，在硬度－回火温度曲线上出现“二次硬化峰”，如图6－9所示，这种现象称为“二次硬化”。

图6－8　合金元素对淬火钢中残余奥氏体数量的影响（w_C＝1．0%，1 150℃淬火）

图6－9　合金元素对回火后钢硬度的影响

产生二次硬化的原因是因为在回火过程中从铁素体析出的特殊碳化物如VC、NbC及Mo₂C、W₂C等，这些特殊碳化物硬度高、形状细小，弥散地分布在位错线附近，并和基体保持共格，阻碍位错运动，造成二次硬化现象。二次硬化现象对需要较高红硬性的工具钢具有重要意义。

（3）回火脆性。与碳钢相比，合金钢的回火脆性要明显得多。如图5－31所示，在250～400℃之间出现第一类回火脆性，这是与回火马氏体分解的碳化物析出有关，与回火后的冷却速度无关，铬、锰、镍能增加这类回火脆性；钼、钨、钒、铝则能稍减弱这类回火脆性，目前还不能完全抑制这类回火脆性，加入铬、硅可以使发生回火脆性的温度方向移动。

在400～650℃回火时发生的第二类回火脆性，与磷、锑、锡等杂质在原奥氏体晶界偏聚有关。铬、镍（与其他元素一起加入）、锰等元素不但促进杂质元素的偏聚，而且本身也向晶界偏聚，从而增大回火脆性。钛、锆、铌、硅（单一元素作用时）等元素对回火脆性无明显影响，钼、钨等降低回火脆性的敏感性，但钼只有加入脆性倾向大的合金钢中才有良好的作用，单独加入碳钢中，反而会促进脆性倾向。

综上所述，通过合金元素对钢热处理（相变过程）的影响，可以细化奥氏体晶粒，明显提高淬透性，有高的回火稳定性及二次硬化现象，使合金元素在钢中的作用充分发挥出来，表现出合金钢的优越性能。