對鋼的顯微組織及熱處理的作用

對鋼的物理、化學及工藝性能的作用

在鋼中的作用

Ni

1）鎳和鐵能無限固溶，鎳擴大鐵的奧氏體區(qū)，即升高A₄點，降低A₃點，是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素；

2）鎳和碳不形成碳化物；

3）降低臨界轉變溫度，降低鋼中各元素的擴散速率，提高淬透性；

1）強化鐵素體并細化和增多珠光體，提高鋼的強度，不顯著影響鋼的塑性；

2）含鎳鋼的碳含量可適當降低，因而可使韌性和塑性有所改善；

3）提高鋼的疲勞抗力，減小鋼對缺口的敏感性；

4）由于對鋼的淬透性和耐回火性的作用并不十分明顯，鎳對調質鋼的意義不大；

1）強烈降低鋼的熱導率和電導率；

2）鎳的質量分數(shù)<30%的奧氏體鋼呈順磁性，即無磁鋼。鎳的質量分數(shù)>30%的Fe-Ni合金是重要的精密軟磁材料；

3）鎳的質量分數(shù)超過15%~20%的鋼對硫酸和鹽酸有很高的耐蝕性，但不能耐硝酸的腐蝕。總的來說，含鎳鋼對酸、堿、鹽以及大氣都有一定的耐蝕性。含鎳的低合金鋼還有較高的腐蝕疲勞抗力。含鎳鋼在含硫和CO的氣氛中加熱時易發(fā)生熱脆和侵蝕性氣孔；

4）含鎳較高的鋼在按焊接時應采用奧氏體焊條，以防止裂縫；

1）單純的鎳鋼只在要求有特別高的沖擊韌性或很低的工作溫度時才使用；

2）機械制造中使用的鎳鉻或鎳鉻鉬鋼，在熱處理后能獲得強度和韌性配合良好的綜合力學性能。含鎳鋼特別適用于需要表面滲碳部件；

3）在高合金奧氏體不銹耐熱鋼中鎳是奧氏體化元素，能提供良好的綜合性能，主要為NiCr系鋼。CrMnN、CrAlSi、FeAlMn鋼，在一定用途上可取代CrNi系鋼；

Co

1）鈷和鎳、錳一樣，和鐵形成連續(xù)固溶體；

2）鈷和鋁同是降低鋼的淬透性的元素，升高馬氏體轉變開始溫度Ms；

3）鈷不是形成碳化物的元素；

1）強化鋼的基體，在退火或正火狀態(tài)的碳素鋼中提高硬度和強度，但會引起塑性和沖擊韌性的下降；

2）顯著提高特殊用途鋼和合金的熱強性和高溫硬度；

1）提高耐熱鋼和耐熱合金的抗氧化能力；

1）不在碳素鋼和低合金鋼中使用；

2）主要用于高速鋼、馬氏體時效鋼、耐熱鋼及精密合金等；

Cr

1）Cr與Fe形成連續(xù)固溶體，縮小奧氏體相區(qū)域。鉻與碳形成多種碳化物，與碳的親和力大于鐵和錳而低于鎢、鉬等。Cr與Fe可形成金屬間化合物σ相（FeCr）；

2）Cr使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限溶解度減少；

1）提高鋼的強度和硬度，同時加入其它合金元素時，效果較顯著；

2）顯著提高鋼的韌脆轉變溫度；

1）提高鋼的耐磨性，經研磨，易獲得較低的表面粗糙度值；

2）降低鋼的電導率，降低電阻溫度系數(shù)；

3）提高鋼的矯頑力和剩余磁感，廣泛用于制造永磁鋼；

4）鉻促使鋼的表面形成鈍化膜，當有一定含量的Cr時，顯著提高鋼的耐蝕性（特別是硝酸）。若有鉻的碳化物析出時，使鋼的耐蝕性下降；

5）提高鋼的抗氧化性能；

6）鉻鋼中易形成樹枝狀偏析，降低鋼的塑性；

1）合金結構鋼中主要利用鉻提高次頭型，并可在滲碳表面形成含鉻碳化物以提高耐磨性；

2）彈簧鋼中利用Cr和其他合金元素一起提供的綜合性能；

3）軸承鋼中主要利用Cr的特殊碳化物對耐磨性的貢獻及研磨后表面粗糙度值低的優(yōu)點；

4）工具鋼和高速鋼中主要利用鉻提高耐磨性的作用，并具有一定的耐回火性和韌性；

5）不銹鋼、耐熱鋼中鉻常與錳、氮、鎳等聯(lián)合使用，當需形成奧氏體鋼時，穩(wěn)定鐵素體的鉻與穩(wěn)定奧氏體的錳、鎳之間須有一定比例，如12Cr18Ni9等；

Mo

1）Mo在鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，是縮小奧氏體相區(qū)的元素；

2）當Mo含量較低時，可與碳、鐵形成復合的滲碳體；含量較高時可形成鉬的特殊碳化物；

3）鉬提高鋼的淬透性，其作用較鉻強，而稍遜于錳；

1）鉬對鐵素體有固溶強化作用，同時也提高碳化物的穩(wěn)定性，從而提高鋼的強度；

2）鉬對改善鋼的延展性和韌性以及耐磨性起到有利作用；

1）在碳的質量分數(shù)為1.5%的磁鋼中，質量分數(shù)為2%~3%的鉬提高剩余磁感和矯頑力；

2）在還原性酸及強氧化性鹽溶液中都能使鋼表面鈍化，因此鉬可以普遍提高鋼的耐蝕性，防止鋼在氯化物溶液中的點蝕；

3）鉬含量較高（質量分數(shù)>3%）時使鋼的抗氧化性惡化；

1）在調質和滲碳結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、不銹耐酸鋼、耐熱鋼、磁鋼中都得到廣泛應用；

2）鉻鉬鋼在許多情況下可代替鉻鎳鋼來制造重要部件；

Cu

1）銅是擴大奧氏體相區(qū)的元素，但在鐵中的固溶度不大，銅與碳不形成碳化物；

1）提高鋼的強度特別是屈強比；

2）隨著銅含量的提高，鋼的室溫沖擊韌性略有提高；

1）少量的銅加入鋼中可以提高低合金結構鋼和鋼軌鋼的抗大氣腐蝕性能，與磷配合使用時效果更為顯著。銅對鋼抗土壤及海水腐蝕性能的改善不顯著。銅也能略為提高鋼的高溫抗氧化性；

2）在不銹耐酸鋼中加入質量分數(shù)為2%~3%的銅可改善鋼對硫酸和鹽酸的耐蝕性和對應力腐蝕的穩(wěn)定性；

3）改善鋼液的流動性，對鑄造性能有利；

1）鋼中加入銅應用于：普通低合金鋼、調質與滲碳結構鋼、鋼軌鋼、不銹鋼和鑄鋼；

2）我國有豐富的含銅鐵礦，其中的銅不易分選，鋼中的銅也不能在冶煉過程中分離，發(fā)展含銅鋼有重大經濟意義；

Al

1）鋁與氧和氮有很強的親和力，是煉鋼時的脫氧定氮劑；

2）鋁強烈縮小鋼中的奧氏體相區(qū)；

3）鋁和碳的親和力小，在鋼中一般不出現(xiàn)鋁的碳化物。鋁強烈促進碳的石墨化，加入Cr、Ti、V、Nb等強碳化物形成元素可抵制Al的石墨化作用；

4）鋁細化鋼的本質晶粒，提高鋼粗化的溫度，但當鋼中的固溶金屬鋁含量超過一定值時，奧氏體晶粒反而容易長大粗化；

1）鋁減輕鋼對缺口的敏感性，減少或消除鋼的失效現(xiàn)象，特鄙視降低鋼的韌脆轉變溫度，改善了鋼在低溫下的韌性；

2）鋁有較大的固溶強化作用，高鋁鋼具有比強度較高的優(yōu)點，鐵素體型的鐵鋁系合金其高溫強度和持久強度超過了Cr13鋼，但其室溫塑性和韌性低，冷變形加工困難；

1）鋁加入質量分數(shù)為20%~30%Cr的Fe-Cr合金中，其電阻溫度系數(shù)很小，因而可用作電熱合金材料；

2）鋁與硅在減少變壓器鋼的鐵芯損耗方面有相近的作用。不同鋁量對矯頑力及磁滯損耗有特殊而復雜的影響；

3）含鋁的鋼滲碳后表面形成氮化鋁層，可提高硬度和疲勞強度，改善耐磨性能；

4）鋁含量達一定值時，使鋼的表面產生鈍化現(xiàn)象，使鋼在氧化性算中具有耐蝕性，并提高了對硫化氫的耐蝕性。鋁對鋼在氯氣及氯化物氣氛中的耐蝕性不利；

5）鋁作為合金元素加入鋼中，可顯著提高鋼的抗氧化性。在鋼的表現(xiàn)鍍鋁或滲鋁可提高其抗氧化性和耐蝕性；

1）鋁在一般的鋼中主要起脫氧和控制晶粒度的作用；

V

1）V和Fe形成連續(xù)的固溶體，強烈地縮小奧氏體相區(qū)；

2）釩和碳、氮、氧都有極強的親和力，在鋼中主要以碳化物或氮化物、氧化物的形態(tài)存在；

3）通過控制奧氏體化溫度來改變釩在奧氏體中的含量和未溶碳化物的數(shù)量以及鋼的實際晶粒度，可以調節(jié)鋼的淬透性；

1）少量的釩使鋼晶粒細化，韌性增大，對低溫鋼尤為有利；

2）釩量較高導致聚集的碳化物出現(xiàn)時，會降低強度；碳化物在晶內析出會降低室溫韌性；

3）適當?shù)奶幚硎固蓟飶浬⑽龀鰰r，釩可提高鋼的高溫持久強度和蠕變抗力；

1）在高鐵鎳合金中加入釩，經適當熱處理后可提高磁導率。在永磁鋼中加入釩，能提高磁矯頑力；

2）加入足夠量的釩（碳的5.7倍以上），將碳固定于釩碳化物中時，可大大增加鋼在高溫高壓下對氫的穩(wěn)定性，其強烈作用與Nb、Zr、Ti相似。不銹耐酸鋼中，釩可改善抗晶間腐蝕的性能，但作用不及Ti、Nb顯著；

3）出現(xiàn)釩的氧化物時，對鋼的高溫抗氧化性不利；

4）含釩鋼在加工溫度較低時顯著增加變形抗力；

1）在普通低合金鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、合金工具鋼、高速鋼、耐熱鋼、抗氫鋼、低溫用鋼等系列中得到廣泛應用；

Ti

1）鈦和氮、氧、碳都有極強的親和力，是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素；

2）鈦和碳的化合物結合力極強，穩(wěn)定性高，只有加熱到1000℃以上才會緩慢溶入鐵的固溶體中。TiC微粒有阻止鋼晶粒長大粗化的作用，使粗化溫度提高至1000℃以上；

3）鈦是強鐵素體形成元素之一，使奧氏體相區(qū)縮小，強烈提高A₁、A₃；固溶態(tài)的鈦提高鋼的淬透性，而以TiC微粒存在時則降低鋼的淬透性；

1）當鈦以固溶態(tài)存在于鐵素體之中時，其強化作用高于Al、Mn、Ni、Mo等，次于Be、P、Cu、Si；

2）鈦對鋼力學性能的影響取決于其存在形態(tài)和Ti與C質量比以及熱處理制度。微量的鈦使屈服強度有所提高，但當Ti與C質量比超過4時，其強度和韌性急劇下降。過高的加熱溫度（>1000℃）進行正火或淬火，雖可使強度提高50%，但劇烈降低塑性及韌性；

3）鈦對鋼的韌性，特別是低溫沖擊韌性少有改善作用；

1）提高鋼在高溫、高壓氫氣中的穩(wěn)定性；

2）提高不銹耐酸鋼的耐蝕性，特別是對晶間腐蝕的抗力，原因是防止鉻碳化物在晶界析出而導致的貧鉻；

3）低碳鋼中，當Ti與C質量比達到4.5以上時，由于氧、氮、碳全部被固定，具有很好的應力腐蝕和堿脆抗力；

4）在鉻的質量分數(shù)為4%~6%的鋼中加入鈦，能提高再高溫時的抗氧化性；

5）鋼中加入鈦可促進淡化層的形成和較迅速獲得所需的表面硬度，成為“快速氮化鋼”；

1）鈦的質量分數(shù)超過0.025%時，可作為合金元素考慮；

2）鈦作為合金元素在普通低合金鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、永磁鋼、永磁合金及鑄鋼中均已得到應用；

Zr

1）鋯是高熔點的稀有金屬，是碳化物形成元素，在煉鋼過程中是強力的脫氧和脫氮元素，并有脫氫及脫硫的作用；

2）鋯能細化鋼的奧氏體晶粒；

1）鋯降低鋼的應變時效傾向和回火脆性；

2）在改善低合金鋼的低溫脆性方面的作用，鋯強于釩；

1）低碳鎳鉻不銹鋼中加入少量的鋯可防止晶間腐蝕；

2）鋯與硫形成硫化物，可有效防止鋼的熱脆；含銅鋼中加入鋯，可顯著減輕龜裂傾向；

3）高顯著提高高碳工具鋼和高速鋼的切削壽命；

1）鋯產量稀少，價格昂貴，在鋼中的溶解度很小，在普通鋼中很少使用，而主要用于特殊用途的鋼和合金中。

Nb/Ta

1）Nb、Ta均為難熔的稀有金屬元素，在元素周期表中與V同族，其在鋼中的作用與V、Ti、Zr類似，和碳、氮、氧都有很強的親和力，形成極為穩(wěn)定的化合物；

2）Nb、Ta在鋼中的主要作用是細化晶粒，提高晶粒粗化溫度；

1）鋼中加入質量分數(shù)為0.005%~0.05%Nb能提高屈服強度和沖擊韌性，降低其韌脆轉變溫度；

1）改善奧氏體型不銹鋼抗晶間腐蝕的性能；在高鉻鐵素體鋼中，改善高溫不起皮性和抗?jié)庀跛崆治g的性能；

2）在奧氏體型無磁鋼中，加入鈮和采用沉淀強化熱處理，可有效提高其屈服強度而不損害其磁性能；

1）加入少量鈮應用于：建筑用低碳普通合金鋼、滲碳及調質合金鋼、高鉻耐熱不銹鋼、奧氏體不銹耐熱鋼、無磁鋼等；

W

1）鎢是難熔金屬，在鋼中的行為與Mo類似，即縮小奧氏體相區(qū)。并是強碳化物形成元素，部分地溶于鐵中；

2）鎢對鋼的淬透性的作用不如Mo和Cr，當以W的特殊碳化物存在時，則降低鋼的淬透性和淬硬性；

3）鎢的特殊碳化物阻止鋼晶粒的長大，降低鋼的熱敏感性；

1）鎢提高了耐回火性，其碳化物十分剪影，因而提高了鋼的耐磨性，還使鋼具有一定的熱硬性；

2）提高鋼在高溫時的蠕變抗力，其作用不如鉬強

1）鎢顯著提高鋼的密度，強烈降低鋼的熱導率；

2）顯著提高鋼矯頑力和剩余磁感；

3）鎢對鋼的耐蝕性和高溫抗氧化性無有利作用，含鎢鋼在高溫時的耐熱性顯著下降，但鎢能提高鋼的抗氫作用的穩(wěn)定性；

4）含鎢的高速鋼塑性低，變形抗力高，熱加工性能較差；

1）主要用于工具鋼，如高速鋼和熱鍛模具鋼等；

1）Be是稀有輕金屬元素，和氧及硫都有極強的親和力，在煉鋼中是立項的脫氧去硫劑；

2）Be在鋼中縮小奧氏體相區(qū)，以固溶態(tài)存在的Be增加鋼的淬透性；

1）對鐵素體有很強的固溶強化作用；

1）在因瓦而今和恒彈性合金中加入質量分數(shù)為0.5%~1.0%的Be并調整其它成分可改善性能；

1）由于Be屬于稀有元素，價格昂貴，在一般合金鋼中較少使用；

1）稀土元素化學性質活潑，在鋼中與硫、氧、氫等化合，是很好的脫硫劑和去氣劑，能消除砷、銻、鉍等元素的有害作用，改變鋼中夾雜物的形態(tài)和分布，起到凈化作用，改善鋼的質量；

2）稀土元素在鐵中的溶解度很低，不超過0.5%；

1）提高鋼的塑性和沖擊韌度，特別是低溫韌性；

2）提高耐熱鋼、電熱合金和高溫合金的抗蠕變性能；

1）提高鋼的抗氧化性；

2）提高18-8型不銹鋼的乃是性能（包括在濃硝酸中的耐蝕性）；

3）稀土元素能提高鋼液的流動性，改善澆注的成品率，減少鑄鋼的熱裂傾向；

4）顯著改善高鉻不銹鋼的熱加工性能；

1）在普通低合金鋼、合金結構鋼、軸承鋼、工具鋼、不銹和耐蝕鋼、電熱合金以及鑄鋼中得到應用；

2）為了穩(wěn)定獲得稀土元素改善鋼的組織和性能的效果，應注意準確控制稀土在鋼中的含量；

3）我國富產稀土元素，有關稀土在鋼中的作用機理和開發(fā)應用還應大力加強。

1）鉛與鉍實際上不溶于鋼中，其沸點都很低，冶煉過程中大部分化為蒸汽逸出，因而在鋼中的殘留量很低，為了特殊用途需要增加Pb、Bi含量時，須在澆鑄過程中加入；

1）對鋼的強度無明顯影響，使鋼的塑性略有下降，使沖擊韌性有較大降低；

1）鉛顯著改善鋼的切削加工性能，使切削碎斷，增加切削時工具與工件之間的潤滑，降低切削溫度和動力消耗，延長工具壽命，提高切削速度；

1）含有質量分數(shù)為0.2%左右鉛的鋼有“超級易切鋼”之稱；

2）含鉛鋼中需防止鉛的偏析，并對鉛蒸氣進行防護。

1）硼與氮、氧之間有很強的親和力。硼與碳形成碳化物B₄C，硼和鐵形成兩種及時在高溫時也很穩(wěn)定的中間化合物Fe₂B和FeB；

2）硼在鋼中與殘留的氮、氧化合形成穩(wěn)定的夾雜物后會失去其本身的有益作用，只有以固溶形式存在于鋼中的硼才起到特殊的有益作用，這歸功于硼大都析集和吸附在晶界上；

3）由于鋼中的硼的質量分數(shù)一般在0.001%~0.005%的范圍，對鋼的顯微組織沒有明顯的影響。鋼中“有效硼”的作用主要是增加鋼的淬透性；

1）微量硼可提高鋼在淬火和低溫回火后的強度，并使塑性略有提高；

2）經300~400℃回火的含硼鋼，其沖擊韌性較不含硼的鋼有所改善，且能降低鋼的韌脆轉變溫度；

3）奧氏體鉻鎳鋼中加入硼，經固溶和時效處理后，由于沉淀硬化的作用，其強度有適當提高，但韌性有所下降；

1）硼的質量分為超過0.007%將導致鋼的熱脆現(xiàn)象，影響熱加工性能，故鋼中硼的總質量分數(shù)應控制在0.005%以下；

2）在含硼結構鋼中，用微量硼代替較多量的其它合金元素后，期總合金元素含量降低，在高溫時對變形的抗力減小，有利于模鍛加工和延長鍛模壽命。此外，含硼鋼的氧化皮較松，易于脫落清理；

1）硼在鋼中的主要用途是增加鋼的淬透性，從而節(jié)約其它合金元素，如Ni、Cr、Mo等。質量分數(shù)為0.001%~0.005%的硼約可代替質量分數(shù)為1.6%的Ni，或質量分數(shù)為0.3%的Cr，或質量分數(shù)為0.2%的鉬。以硼部分代替鉬最為恰當；

在一定條件下，氮可作為有益元素使用：

1）氮和碳一樣可固溶于鐵，形成間歇式固溶體；

2）氮擴大鋼的奧氏體相區(qū)，是一種很強的形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，其效力約20倍于鎳，在一定限度內可代替一部分鎳用于鋼；

3）滲入鋼表現(xiàn)的氮與鉻、鋁、釩、鈦等元素可化合成極穩(wěn)定的氮化物，稱為表面硬化和強化元素；

4）氮使高鉻和高鉻鎳鋼的組織致密堅實；

1）氮有固溶強化作用；

2）含氮鐵素體鋼中國，在快冷后的回火或在室溫長時間停留時，由于析出超顯微氮化物，可發(fā)生沉淀硬化過程，氮也使低碳鋼發(fā)生應變時效現(xiàn)象。在強度和硬度提高的同時，鋼的韌性下降，缺口敏感性增加。氮導致鋼的脆性的特性近似磷，其作用遠大于磷。氮也是導致鋼產生藍脆的主要原因；

3）提高高鉻和高鉻鎳鋼的強度，而塑性并不降低，沖擊韌性還是有顯著提高；

1）氮對不銹鋼的耐蝕性無顯著影響；

2）度鋼的高溫抗氧化性也無顯著影響，氮含量過高可使抗氧化性惡化；

3）含氮鋼冷作變形硬化率較高，采用冷變形工藝時，應予注意；

1）氮在鋼中質量分數(shù)一般小于0.3%，特殊情況下可高達0.6%；

氧對鋼的性能不利，是有害元素：

1）鋼中殘留的氧以氧化物及極少量的固溶態(tài)的形態(tài)存在；

1）氧對鋼的力學性能影響主要與氧化夾雜物的組成、性質、分布和數(shù)量有關；

2）所有夾雜物都在不同程度上降低鋼的力學性能，特別是塑性、韌性和疲勞強度；

1）氧化鋁等夾雜物提高鋼的硬度和耐磨性，但惡化切削加工性能；

1）氫以原子或離子形態(tài)固溶于鋼中，形成間歇式固溶體，有一些合金化作用；

2）殘留于鋼中的氫造成許多嚴重缺陷，如白點、點狀偏析，其危害巨大；

1）氫脆是氫使鋼塑性下降的基本原因，鋼的強度越高，其氫脆敏感性越大。氫脆可以用時效處理來清除；

1）氫在鋼中除了會產生氫脆以外，還會形成一系列的嚴重缺陷，包括白點、點狀偏析、靜載疲勞斷裂、“魚眼”、表面凸泡等；

1）硫在大多數(shù)情況下是鋼中的有害元素，在優(yōu)質鋼中其質量分數(shù)不應超高0.04%。Se、Te與其性質相近；

2）硫、硒、碲可與鐵形成化合物，化合物在鐵中的溶解度很低；

1）降低鋼的延展性及韌性，沖擊韌性下降最為顯著；

1）使軟鋼的磁學性能惡化；

2）損害鋼的耐蝕性；

3）FeS等低熔點化合物增大鋼在鍛、軋時的過熱和過燒傾向，產生表面網狀裂紋和開裂；

4）造成焊縫熱裂、氣孔及疏松；

1）只有在易切削鋼中才利用硫、硒、碲來改善切削性能。硒較為昂貴，只在高級不銹鋼中使用；

1）磷、砷、銻在周期表中同族，在鋼中作用類似，均使奧氏體相區(qū)減??；

2）在鐵中有一定溶解度，與鐵形成低熔點化合物；

3）都有嚴重的偏析傾向；

1）提高鋼的強度；

1）改善鋼的耐磨性；

2）改善鋼的耐蝕性；

3）改善鋼的切削加工性能；

1）應用于鋼軌鋼及易切削鋼，也用于炮彈鋼；