在鋼中加入合金元素后，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會(huì)發(fā)生交互作用。鋼的合金化目的是希望利用合金元素與鐵、碳的相互作用和對(duì)鐵碳相圖及對(duì)鋼的熱處理的影響來(lái)改善鋼的組織和性能。

合金元素加入鋼中后，主要以三種形式存在鋼中。即：與鐵形成固溶體；與碳形成碳化物；在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。

1. 溶于鐵中

幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中, 形成合金鐵素體或合金奧氏體, 按其對(duì)α-Fe或γ-Fe的作用, 可將合金元素分為擴(kuò)大奧氏體相區(qū)和縮小奧氏體相區(qū)兩大類(lèi)。

擴(kuò)大γ相區(qū)的元素—亦稱(chēng)奧氏體穩(wěn)定化元素, 主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等, 它們使A3點(diǎn)(γ-Fe α-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn))下降, A4點(diǎn)( γ-Fe的轉(zhuǎn)變點(diǎn))上升, 從而擴(kuò)大γ-相的存在范圍。其中Ni、Mn等加入到一定量后, 可使γ相區(qū)擴(kuò)大到室溫以下, 使α相區(qū)消失, 稱(chēng)為完全擴(kuò)大γ相區(qū)元素。另外一些元素(如C、N、Cu等), 雖然擴(kuò)大γ相區(qū), 但不能擴(kuò)大到室溫, 故稱(chēng)之為部分?jǐn)U大γ相區(qū)的元素。

縮小γ相區(qū)元素——亦稱(chēng)鐵素體穩(wěn)定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它們使A3點(diǎn)上升, A4點(diǎn)下降(鉻除外, 鉻含量小于7%時(shí), A3點(diǎn)下降; 大于7%后,A3點(diǎn)迅速上升), 從而縮小γ相區(qū)存在的范圍, 使鐵素體穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大。按其作用不同可分為完全封閉γ相區(qū)的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)和部分縮小γ相區(qū)的元素(如B、Nb、Zr等)。

2. 形成碳化物

合金元素按其與鋼中碳的親和力的大小, 可分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類(lèi)。

常見(jiàn)非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它們基本上都溶于鐵素體和奧氏體中。常見(jiàn)碳化物形成元素有：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti等(按形成的碳化物的穩(wěn)定性程度由弱到強(qiáng)的次序排列)，它們?cè)阡撝幸徊糠止倘苡诨w相中，一部分形成合金滲碳體, 含量高時(shí)可形成新的合金碳化合物。

1. 對(duì)奧氏體和鐵素體存在范圍的影響

擴(kuò)大或縮小γ相區(qū)的元素均同樣擴(kuò)大或縮小Fe-Fe3C相圖中的γ相區(qū), 且同樣Ni或Mn的含量較多時(shí), 可使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織 (如1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼和ZGMn13高錳鋼等)， 而Cr、Ti、Si等超過(guò)一定含量時(shí), 可使鋼在室溫獲得單相鐵素體組織 (如1Cr17Ti高鉻鐵素體不銹鋼等)。

2. 對(duì)Fe-Fe3C相圖臨界點(diǎn)(S和E點(diǎn))的影響

擴(kuò)大γ相區(qū)的元素使Fe-Fe3C相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降, 縮小γ相區(qū)的元素則使其上升, 并都使共析反應(yīng)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。幾乎所有的合金元素都使共析點(diǎn)(S)和共晶點(diǎn)(E)的碳含量降低，即S點(diǎn)和E點(diǎn)左移, 強(qiáng)碳化物形成元素的作用尤為強(qiáng)烈。

合金元素的加入會(huì)影響鋼在熱處理過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變。

1. 合金元素對(duì)加熱時(shí)相轉(zhuǎn)變的影響

合金元素影響加熱時(shí)奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。

(1)對(duì)奧氏體形成速度的影響： Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素與碳的親合力大, 形成難溶于奧氏體的合金碳化物, 顯著減慢奧氏體形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的擴(kuò)散速度, 使奧氏體的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素對(duì)奧氏體形成速度影響不大。

(2)對(duì)奧氏體晶粒大小的影響：大多數(shù)合金元素都有阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用, 但影響程度不同。強(qiáng)烈阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻礙晶粒長(zhǎng)大的元素有：W、Mn、Cr等；對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的元素：Mn、P等。

2. 合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響 除Co外, 幾乎所有合金元素都增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性, 推遲珠光體類(lèi)型組織的轉(zhuǎn)變, 使C曲線(xiàn)右移, 即提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必須指出, 加入的合金元素, 只有完全溶于奧氏體時(shí), 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 則碳化物會(huì)成為珠光體的核心, 反而降低鋼的淬透性。另外, 兩種或多種合金元素的同時(shí)加入(如, 鉻錳鋼、鉻鎳鋼等), 比單個(gè)元素對(duì)淬透性的影響要強(qiáng)得多。

除Co、Al外, 多數(shù)合金元素都使Ms和Mf點(diǎn)下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強(qiáng), Si實(shí)際上無(wú)影響。Ms和Mf點(diǎn)的下降, 使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多。殘余奧氏體量過(guò)多時(shí),可進(jìn)行冷處理(冷至Mf點(diǎn)以下), 以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體; 或進(jìn)行多次回火, 這時(shí)殘余奧氏體因析出合金碳化物會(huì)使Ms、Mf點(diǎn)上升, 并在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體(即發(fā)生所謂二次淬火)。

3. 合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響

(1)提高回火穩(wěn)定性 合金元素在回火過(guò)程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變(即在較高溫度才開(kāi)始分解和轉(zhuǎn)變)， 提高鐵素體的再結(jié)晶溫度, 使碳化物難以聚集長(zhǎng)大，因此提高了鋼對(duì)回火軟化的抗力, 即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。提高回火穩(wěn)定性作用較強(qiáng)的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。

(2)產(chǎn)生二次硬化 一些Mo、W、V含量較高的高合金鋼回火時(shí), 硬度不是隨回火溫度升高而單調(diào)降低, 而是到某一溫度(約400℃)后反而開(kāi)始增大, 并在另一更高溫度(一般為550℃左右)達(dá)到峰值。這是回火過(guò)程的二次硬化現(xiàn)象, 它與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于450℃時(shí), 鋼中析出滲碳體; 在450℃以上滲碳體溶解, 鋼中開(kāi)始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度重新升高, 稱(chēng)為沉淀硬化。回火時(shí)冷卻過(guò)程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所也可導(dǎo)致二次硬化。

試一試：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系

產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)的合金元素

產(chǎn)生二次硬化的原因 合 金 元 素

殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 沉淀硬化 Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co①、V V、Mo、W、Cr、Ni①、Co①

①僅在高含量并有其他合金元素存在時(shí), 由于能生成彌散分布的金屬間化合物才有效。

(3)增大回火脆性 和碳鋼一樣, 合金鋼也產(chǎn)生回火脆性, 而且更明顯。這是合金元素的不利影響。在450℃-600℃間發(fā)生的第二類(lèi)回火脆性(高溫回火脆性) 主要與某些雜質(zhì)元素以及合金元素本身在原奧氏體晶界上的嚴(yán)重偏聚有關(guān), 多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。 這是一種可逆回火脆性, 回火后快冷(通常用油冷)可防止其發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)Mo或W(0.5%Mo, 1%W)也可基本上消除這類(lèi)脆性。