合金元素与铁和碳的作用
下面聊聊合金元素与铁和碳的共同作用，可能有的朋友说了，合金元素与铁的作用讲了，合金元素与碳的作用讲了，怎么又出来个合金元素与铁和碳的共同作用呢？道理很简单，前面讲的是单独的作用，这次讲的是混合作用，合金元素的作用并不是简单的叠加，而是互相干扰、互相影响、综合作用的结果。
合金元素与铁和碳的共同作用可以转化为合金元素对铁碳相图的影响。
Fe-C相图是研究铁碳合金的相变以及对碳钢进行热处理时选择加热温度的重要依据。合金元素对铁和碳（其实狭义的说就是钢和铸铁）的共同作用非常复杂，特别是多种元素同时加入钢中时更是如此，由于超过三元的相图现在还无法建立，就是三元相图也很复杂，因此，合金元素对钢的作用就转化为对Fe-C相图的相区、温度临界点、成分点的影响的研究，需要说明的是这些影响只能是定性的，到现在为止还无法定量。
1．对奥氏体相区的影响
凡是扩大γ相区的元素均使A1、A3线下降，这样，如果使γ相区扩展到室温以下，就可能在室温得到奥氏体钢，如含锰为13%的ZGMn13就是奥氏体钢。
凡是缩小γ相区的元素均使A1、A3线上升。这样，如果使γ相区缩小到很小区域，就可能得到铁素体钢，如含铬为17%的1Cr17就是铁素体钢。
2．对温度临界点的影响
凡是扩大γ相区的元素均使温度临界点A1、A3、Acm线下降，凡是缩小γ相区的元素均使温度临界点A1、A3、Acm线上升。从而改变奥氏体化的临界温度。
3．对成分点位置的影响
大多数合金元素均使Fe-C相图中的成分点S点、E点左移。
这就意味着合金钢中碳的质量分数不足0.77％时，也会成为共析钢或过共析钢，也会析出二次渗碳体；钢中碳的质量分数不足2.11%时，就会相应地出现共晶莱氏体，成为莱氏体钢。
例如含碳为0.4％的4Cr13钢已不是亚共析钢而是过共析钢，含碳为0.7～0.8％的W18Cr4V高速钢，在铸态组织中已出现了莱氏体，因此，单单看含碳量应是共析钢，但却是莱氏体钢。合金元素对共析点S的影响见下图所示。
合金元素对共析临界点温度的影响，可以看出除了镍、锰外，其他元素都会提高共析点的温度，也就是说，含有其他元素的钢奥氏体化的加热温度都要提高，含有镍、锰的钢要降低加热温度，这就是理论对热处理实践的指导作用！特别要强调的是：这个只是各元素单独的作用！！！
顺便提到，昨天有个网友问到锰的过热敏感性的问题，从此也可以看得出一点端倪：含有锰的钢（注意：是只单独含有锰）由于锰元素降低共析点温度，所以，你再按照常规的加热温度确定，那么显然奥氏体化温度要偏高了，晶粒长得就大了，也就是过热了，一定程度上也说明了，单单锰这个元素为什么过热敏感性大的缘故。可能又有疑问了，那么镍呢？我这样认为：镍跟锰不同，锰可以单独加入形成合金钢，镍很少单独加入钢中，国家标准、国外各国标准，几乎没有单独含有镍的合金钢，因此就有可能没有给镍留下表演的机会，此外，镍往往是与其他元素混合加入钢中，有可能其他元素就抵消了其副作用。
合金元素对共析成分点的影响可以看出，几乎所有的合金元素都会或多或少地降低共析含碳量！其实有个碳当量的概念可以说明这一点。加入多少多少合金元素，相当于提高了多少多少含碳量，这个有公式，大家可以自行查找。
4、合金元素与铁和碳都不作用
合金元素与铁不作用，与碳不作用，与铁和碳都不作用。可能有人会说了，那加它干啥？吃饱了撑得？
当然不会是吃饱了撑的，这样的合金元素加入钢中会单独以元素单质存在，成为独立存在的组织。例如铅。铅这种元素不溶于或几乎不溶于铁中，跟碳也不起作用，单独以纯铅的形式存在，在钢锭被压延时，沿延伸方向伸长，成为条状或纺锤状，类似无数个微小的缺口，破坏钢的连续性，减少切削时把金属撕裂所需的能量，提高切削性。另一方面由于是以细小条状或纺锤状物的形态存在不会显著影响钢材纵向的力学性能。铅本身的硬度不高，与刀具之间的摩擦系数较低，以降低刀具的磨耗。铅的存在又可以使切屑容易折断，易于处理，便于自动化机床的生产。因此，这类合金元素应用在易切削钢中，由于易切削钢通常不热处理，所以，我就不多讲了。
（以下部分知识稍微有点深度，需要一些基础知识，网友们可以选择性阅读。）
5、合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用
钢和金属中的晶体缺陷包括相界、晶界、亚晶界、位错及层错等。在这些晶体缺陷附近，原子排列的规则性受到破坏，发生点阵的畸变。与完整晶体相比较，这些晶体缺陷区具有较高的畸变能。
合金元素和杂质元素溶于基体后，与晶体缺陷产生交互作用，溶质原子在内界面缺陷区的浓度大大超过其在基体中的平均浓度，我们称这种现象为晶界内吸附现象。
溶质原子在位错的吸附称为科垂耳气团。在层错附近形成溶质原子的成分异常区为铃木气团。所以溶质原子在钢中的总体含量虽极微，但由于和晶体缺陷的交互作用，在缺陷区可以形成很高程度的溶质原子的富集，并对组织和性能产生巨大的影响。如晶界的扩散、高温晶界强化、晶界脆性断裂、晶间腐蚀、组织转变时在晶体缺陷处优先形核等等。
淬火钢高温回火（400～650℃）时，由于磷、砷、锡、锑等杂质原子在原奥氏体晶界的内吸附，引起了钢的高温回火脆化。应用俄歇电子能谱术和离子探针对高温回火脆化的断口的深度分析，均证明了磷在晶界的内吸附。例如镍铬调质钢脆化晶界的浓度沿深度的分布。磷在晶界表面的浓度达4.72%。磷在晶界表面浓度比晶内平均浓度高两个数量级。
硼钢中由于硼在奥氏体晶界的内吸附，提高了硼钢的淬透性，提高了耐热钢和耐热合金的高温持久强度。硼在奥氏体晶界的内吸附，通过中子活化技术而进一步得到证实。由于合金元素在内界面的吸附，使这些缺陷成为新相形核的有利位置，如钢中马氏休分解，如此等等。合金元素与钢中晶体缺陷的相互作用是微合金化的理论基础。
合金元素的五个方面的影响基本上讲完了，我们进入下面的内容。
五、合金元素对钢热处理的影响
1．合金元素对钢加热的影响
合金钢加热进行奥氏体化是为了获得成分均匀的奥氏体，希望有尽可能多的合金元素溶入奥氏体中，只有溶入奥氏体，合金元素才能发挥其提高淬透性的作用。除了少数元素之外，大多数元素均减慢奥氏体的形成过程，奥氏体成分均匀化的时间要比碳钢长得多。因此，为了使奥氏体成分均匀化，必须将合金钢加热到更高的温度和保温更长的时间。合金钢加热也希望获得细小晶粒的奥氏体组织，因为奥氏体的晶粒大小决定着冷却转变生成物的实际晶粒大小。合金元素（除Mn、 P、C、N之外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。一些强碳化物形成元素，如Ti、V、Zr、Nb都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用，所以含有这些元素的合金钢即使在较高温下加热，也易于获得细晶粒组织。
2．合金元素对钢冷却的影响
合金元素对钢冷却的影响表现在对过冷奥氏体分解C-曲线的影响上，除了Co之外，其他的合金元素均使C-曲线右移，由于C-曲线横轴是时间轴，所谓C-曲线右移，也就是说过冷奥氏体分解开始的时间变长了、推迟了、滞后了，温度下降过程中，干等半天也不变化，还是奥氏体，急死人！官方语言就是孕育期加大变长了，或者说过冷奥氏体的稳定性增加了，给马氏体转变创造了更高的先富起来的机会，最终也就是提高了钢的淬透性！其中有些碳化物形成元素还使C-曲线的形状发生变化。提高钢的淬透性往往是合金化的主要目的之一。
（1）合金元素对珠光体转变的影响
除了Co和A1外，只要加热时合金元素能够溶入奥氏体，都会或多或少地推迟奥氏体向珠光体的转变，从而降低钢的临界冷却速度，增加钢的淬透性。此外，同时加入两种或多种合金元素，其推迟珠光体转变的联合作用比单一元素的作用要大得多。
因此。合金钢的退火和正火工艺比碳素钢的加热温度要高，保温时间要长，冷却速度要慢。
（2）合金元素对贝氏体转变的影响
与珠光体转变相比，发生贝氏体转变时，奥氏体的过冷度进一步增大，此时铁与合金元素几乎不能进行扩散，只有碳才可以进行短距离的扩散，因此，合金元素对贝氏体转变的影响主要表现在对转变速度以及对碳扩散速度的影响上。
Cr、Mn、Ni等元素因为能降低过冷奥氏体的转变温度，减小奥氏体转变为铁素体的相变驱动力，Cr与Mn还阻碍碳的扩散，故对贝氏体转变有较大的推迟作用。Si对贝氏体转变也有着强烈地阻滞作用。
强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti提高过冷奥氏体的转变温度，增加了奥氏体转变为铁素体的相变驱动力，但由于降低了碳原子的扩散速度，因此，对贝氏体转变有一定的延缓作用，但比Cr、Mn要小得多。含有W、Mo、V、Ti的钢，贝氏体转变的孕育期短，铁素体-珠光体转变的孕育期长，空冷时容易得到贝氏体组织，如铁素体-珠光体耐热钢12Cr1MoV空冷，即可得到大部分贝氏体组织。此外55SiMnMo也是典型的贝氏体钢，空冷就能够得到贝氏体，是抽油杆常用的材料。
（3）合金元素对马氏体转变的影响
除Co、A1之外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使Ms温度降低，其中碳的作用最强烈，依次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。
每1%合金元素对Ms的影响
合金元素CMnSiCrNiWMoCoAl
变化程度（／℃）－474－33－11－17－17－11－21＋12＋18
3．合金元素对钢淬火后回火的影响
回火是使钢得到技术性能指标的最后关键工序，合金元素主要提高了钢的回火稳定性，使回火过程的转变速度减慢，并把转变温度推向更高的温度。
（1）对马氏体分解的影响
合金元素主要是通过影响碳的扩散而对马氏体分解产生影响。碳化物形成元素V、Nb、Cr、Mo、W等对碳有较强的亲和力，溶入马氏体中的碳化物形成元素就会阻碍碳从马氏体中析出，因而使马氏体分解减慢。在碳钢中，碳从马氏体中的析出温度约在250～300℃左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度（400～500℃），其中V、Nb的作用比Cr、W、Mo更强烈。非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但Si的影响比较特殊。回火时，由于Si完全不能溶解于Fe3C中，所以ε-碳化物要转变为Fe3C，必须把Si全部扩散出去，但是Si的扩散比碳要困难，因此，Si可以显著减慢马氏体的分解速度。
（2）对残余奥氏体转变的影响
合金元素大都使残余奥氏体的分解温度向高温方向推移，其中Cr、Mn的作用最显著。在含有较多的W、Mo、V等元素的高合金钢中（如高速钢），残余奥氏体在回火过程中析出碳化物。残余奥氏体中的碳及合金元素贫化之后，使其Ms点高于室温，因而在冷却过程中转变为马氏体。通过这种回火之后，淬火钢的硬度不但不降低，反而有所升高，这种现象称为二次硬化。
如图为钒钢（WC＝0.32％、WV＝1.36％）、钼钢（WC＝0.11％、WMo＝2.14％）、铬钢（WC＝0.19％、WCr＝2.91％）、碳钢（WC＝0.10％）的回火曲线。
（3）对碳化物的形成、聚集和长大的影响合金元素对ε-碳化物的形成没有影响。随着回火温度的升高，碳钢中的ε-碳化物于260℃转变为渗碳体，合金元素中唯有Si和A1强烈推迟这一转变，使转变温度升高到350℃。此外，Cr也有使转变温度升高的作用，不过比Si和A1的作用要弱得多。
随着回火温度的升高，合金元素能够进行明显地扩散时，开始在α相和渗碳体间重新分配，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换Fe原子，形成合金渗碳体。非碳化物形成元素将离开渗碳体。与此同时，将发生合金渗碳体的聚集长大，Ni对其聚集长大没有影响，而Si和V、W、Mo、Cr则对其聚集长大过程起阻碍作用。
在含有强碳化物形成元素较多的钢中，在回火时可能析出特殊碳化物。如Ti、Nb、Zr、V、Mo等，这些碳化物细小弥散，使钢的强度、硬度显著提高，产生二次硬化。
（4）对铁素体回复再结晶的影响
大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再结晶过程，其中Co、Mo、W、Cr、V显著提高α相的再结晶温度，Si、Mn的影响次之，Ni的影响不大。
合金元素可以显著地提高再结晶温度，例如碳钢中的α相通常高于400℃开始回复过程，500℃开始再结晶，当钢中含有合金元素时，几种元素的综合作用可把再结晶温度提高至650℃。
（5）对回火脆性的影响
第一类回火脆性不可能用热处理和加入合金元素的方法消除，但Si、Mn等元素可将脆化温度提高至350～370℃，从而避开在正常温度回火产生的第一类回火脆性。
Ni、Cr、Mn增加第二类回火脆性的倾向，而Mo和W则有抑制和减轻回火脆性的倾向。
六、合金元素的在钢中的作用总结
钢中加入合金元素的主要目的是为了使钢具有更优异的性能，对于结构材料来说，首先是提高其力学性能，即既要有高的强度，又要保证材料具有足够的韧性。钢材除了具有优良的力学性能之外，还应具有良好的工艺性能（如铸造性能、冷成型性能、压力加工性能、切削性能、焊接性能以及热处理工艺性能等），若钢材的工艺性能不能满足要求，尽管其力学性能优异，也很难被接受。
合金元素加入钢中主要是通过固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化等来提高钢的强度。
通过加入合金元素的固溶方法来强化钢，使钢具有高的强度，根据固溶强化的规律，随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，强化效果越大，则塑性韧性下降得越多，使材料的可靠性受到较大的损害，因此为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应当加以控制。
细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性，这一点是其它强化方式所不具备的。为此，可向钢中加入A1、Ti、V、Zr、Nb等元素，形成难溶的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则对奥氏体化时晶界迁移的阻力越大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，则冷却转变后得到的铁素体、马氏体等的尺寸越小。
第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。第二相粒子越细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。例如，在高温回火条件下，要使碳化物呈细小均匀弥散分布，并防止其聚集长大，需要往钢中加入碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等元素。对于珠光体来说，珠光体的片间距越细小，则其强度越高。为此需要往钢中加入一些增加过冷奥氏体稳定性的元素，如Cr、Mn、Mo等，使C-曲线右移，在同样的冷却条件下，可以得到片间距细小的珠光体，同时还可细化铁素体晶粒。
第二相粒子对钢的塑性有危害作用。均匀弥散分布的细小球状粒子可改善钢的塑性，可采用控制碳化物的尺寸、数量、形状及分布，减少钢中的夹杂物，将片状珠光体改变为粒状珠光体的方法改善钢的塑性。
金属中的位错密度越高，金属的强度越高。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化，金属中的位错密度与变形度有关，变形度越大，位错密度便越大，钢的强度便显著提高，但塑性明显下降。塑性变形可以增加位错密度，而且钢中的相变，尤其是马氏体转变，不论是在母相还是在新相中，均能形成大量的位错。
合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖，加入合金元素细化晶粒，提高钢的淬透性，造成弥散分布的第二相和形成固溶体等，都是增加位错密度十分有效的方法。这也是马氏体能够提高钢的强度的一个重要原因。
