合金元素对金属材料工艺性能的影响

（1）Al当钢中其含量小于3～5%时，是一有益的元素。其作用是：高的抗氧化性和电阻。

①作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大（含Al＜10%，在加热＜1200℃才有细化作用，否则其作用甚小）和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。

作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性，①与②都有利于减弱钢的过热倾向。

③可改善钢的抗氧化性，考虑②和③，

④能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%，个别才有8～9%。

⑤对硅钢而言，Al可减少α铁心损失，降低磁感强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al的氧化物会使磁性变坏。Al（＞0.5%）也会使硅钢变脆。

（2）Al的不良影响

   ①促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。

  ②加速脱碳

     当Al含量增加至3～5%时，8～9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难，也使钢极易脱碳。（其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构，且其晶体的解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外，它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。

 一般合金钢中含Al量：

  合金结构钢：  Al=0.4～1.1% (38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等)

  耐热不起皮钢：Al=1.1～4.5%(Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17Al4Si等)

电热合金：Al=3.5～6.5% (Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等)

     甚至Al=8% Cr7Al7：考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使用。

（1）一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%，更多时（4.8～6.5%）将使钢具有很高的脆性。

  Si的有益作用：高的热强性和弹性极限，高的导磁率，涡流损失少。

  ①象Al、Cr一样，其氧化物均是尖晶石类型的组织。其晶格常数与α-Fe、γ-Fe区别小。因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起，氧化皮紧密地被贴在金属上，甚至在高温下也不剥落。所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能，而被加入耐热钢。

②有利于提高钢的弹性极限，在中碳钢中加入1～2%的Si，调质中σb将增15～20%，而Aku也提高了，还提高了σs和δ。

③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。此钢可制轴承，甚至作为工具钢代替，制冲头，拉模、弯曲模等。

④脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，故一般钢中均含Si，其量≤0.5%。

⑤硅可减小晶体的各向异性，使磁化容易，使磁阻减小，它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害（使%C石墨化，脱氧，与N形成氢化硅等）。所以可大大减少涡流损失。由于硅的脆性，目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%，最多只为4.8%，正在研究提高至6.5%。

⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度。（在较高温度即400～500℃则作用并不显著）Si是铁素体形成元素，多加Si会使A-α转化。

 （2）Si的不良影响

①促使石墨化，促进脱碳（它是阻止碳化物形成的一种元素），含Si钢一般不作渗碳。

②促进回火脆性的发展，使塑性降低。

 Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。当Si=1～1.5%时作用尚良好。Si=2.5～3%时则影响不良，含Si=2～2.5%，则难以锻造。

当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当Si=2.5～3.5%时，对回火脆性和敏感性就高。用这种钢必须采取韧性处理（回火后在水中浸渍，锻时用少韧处理），而当Si＞3.5％时，甚至持用韧性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。（不过，Mo的加入可使其脆性稍许改善），SI=4%时，室温下即可能脆裂。

③对碳素工具钢，Si含量上升时，将降低其淬透性等级。一般结构钢中均不宜加Si，对于高速钢，不大于0.4%。

④由于硅的存在，使钢中增碳困难，并使渗碳速度降低，所以此类钢多不作渗碳处理。

⑤硅锰结合，Mn可下降，因为Si引起的脱碳，Si有微弱的抑制晶粒长大的作用，可稍下降，Mn引起的调质粗晶，有相互改善作用，但易生白点，应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。

⑥硅在钢中还常以Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物而存在，均会降低钢的各种性能，塑性比硫化物低。这类夹杂物透光度很高，而反光度则低，故显微镜下常呈灰黑色。

（3）一般合金钢中Si含量：

一般碳钢：Si＜0.5%

合金结构钢：Si =0.9～1.6% (27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA等)

弹簧钢：Si =1.5～2% (55Si2Mn、60Cr2Mn等)

轴承钢：Si =0.4～0.7% (GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn等)

工具钢：Si =0.65～1.8% (SiMn、9SiCr、5SiMnMoV、6SiMoV等)

耐热钢：Si =1～4.3% (Cr17Al4Si、Cr20Si3、4Cr9Si2、4Cr3Si4等)

电机硅钢片： Si =0.8～1.8% 、1.8～2.8%、2.8～3.8%、3.8～4.8%为低、中、较高、高级硅钢片

（1）锰的有益作用是:(高的强度和耐磨性),淬透、渗碳、冷工硬化。

14%（高耐磨钢），17～19%（护环钢）

① 作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含Mn，其量≤0.7%。

② Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。

③ Mn对各类钢的作用是：

 珠光体Mn钢：可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。所以它能细化珠光体组织。（对含碳量较高的钢，Mn↑，塑性稍有降低。对低碳钢则含Mn↑，而韧性↑。

奥氏体Mn钢：有足够高的塑性和很高的耐磨性。所以Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点（A1和A3）同碳量碳素钢低25～30℃，所以可提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，因此适于制大截面和复杂的零件。Mn=5%时，Mn降至0℃。

马氏体Mn钢：易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强。所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中，加之其临界点又低，所以晶粒极易粗化、极易淬裂，为此应严格控制淬火加热温度和保温时间，一般均以油淬或流动空气中冷却为宜，只有形状简单件才好用水淬。

调质钢：将降低其塑性（回火脆性影响）。

渗碳钢：Mn的存在能促进渗碳作用，所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性，尤其可贵的是在渗碳时表面软点较少，也不改变过分增碳的倾向。（渗碳后的锰钢，在最后淬火前，应进行一次正火或退火处理，以消除因长时间渗碳造成的心部过热）。

结构钢：将促使其回火脆性增强。

工具钢：加入约1%Mn，可减少淬火时的体积变形，这对于精密工具和长形工具来说有重要的意义。（如CrMn、CrWMn钢等）。

④ Mn可改善钢的焊接性和低温性能，还可减慢钢的脱碳作用。

⑤ Mn量中还可适当改善钢的切削性能。

⑥ 对某些钢，Mn的作用可代Ni，能扩大γ相区得奥氏体，如模具钢（增强淬透性）、奥氏体钢等。

⑦ 高锰钢对冷工硬化敏感，可提高钢的强度和耐磨性。（Mn=10～14%，而C=1～1.4%）

⑧ 铬锰奥氏体钢的热强性很好，甚至可超过Cr、Ni钢，加4%Cr、Ni红热耐磨性更好。Mn价廉。

（2）锰的不良影响是：

  ① 增加钢的过热敏感性（粗晶）：这是由于含Mn渗碳体的稳定性不强，在加热过程中很容易完全溶于奥氏体中。加之，Mn钢的临界点亦较低，所以就易粗晶了。为此锻造和热处理加热都要严格控制加热温度和保温时间。所有合金元素中，Mn是不能减低奥氏体晶粒长大倾向的元素，相反引起粗晶。

 ② 增强钢对白点的敏感性，故要缓冷。（含C＞0.3%时影响即较大）

  ③增强回火脆性，且易形成带状和纤维组织。故纵、横向性能差较大（Mn＞2.4% 延伸率↓↓）

  ④ 高锰钢熔点低（Mn13～14%，T熔1350～1400℃）平均线膨胀系数大（相当于钢类矽钢的1.9倍），导热系数小（约为同类矽钢的1/3～1/4），热加工稍难。

  ⑤ 高锰钢在冷速不够时，易生成块状碳化物沿晶界析出，使钢变脆，采用水淬速冷时，可使碳化物来不及析出，得到均匀奥氏体组织，性能改善。但因为含Mn量高，导热性差，速冷则温差应力大而易淬裂，所以淬火次数不宜多。

（3）含Mn钢的分类

 ① 碳钢：a、正常含Mn量碳钢  Mn=0.25～0.8%

          b、较高含Mn量碳钢  Mn=0.7～1.0%   及0.9～1.2%

 ② 锰钢：                    Mn=1.1～1.8%   少数 ～2.4%

 ③ 高锰钢：                  Mn=13～14%   （C=1.0～1.3%）

 注：Mn＜1.2%为炼钢脱氧及稍许改变钢性能，作一般矽钢。Mn=1.1～1.8%或2.4%为具高塑性、耐磨性，强度而被采用。Mn=2.4～13%为粗晶极脆而不可用。Mn=13～14%为冷工硬化而成为高耐磨钢。

（1）镍的有益作用是：高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。

 ① 一方面既强烈提高钢的强度，另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。（当镍＜0.3%时，其变脆温度即达-100℃以下，当Ni量增高时，约4～5%，其变脆温度竞可降至-180℃。所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%，无Cr钢可空淬，含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。

 ② Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。一般大断面的厚重伯都用加Ni钢。当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候，淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。（Ni钢有良好的耐热疲劳性，工作在冷热反复。σ、αk高）

 ③ 在不锈钢中用Ni，是为了使钢具有均匀的A体组织，以改善耐蚀性。

④ 有Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。

⑤ 含Ni量相当高的钢，其热膨胀系数很小而用作不变钢（Ni36%）和代用白金（Ni42%）。

⑥ 含Ni更高时，与Cr结合作高电阻合金（Cr15Ni60、Cr20Ni80）。

⑦ Ni和V一样，对脱碳过程没有影响。

Ni本身不是有效的抗氧化学元素，所以很少单独用作不锈钢的合金元素，但对浓苛性碱有好的作用。

⑨ Ni可提高A体钢的蠕变抗力，但还一定值作用则减弱，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。

⑩ Cr、Ni钢的焊接性能和低温性能也不错。

（2）Ni的不良作用：

① Ni不能提高铁素体的蠕变抗力，相反会使珠光体M体钢热脆性增大。所以珠光体、马氏体钢不加镍。

② 含硫气氛中的Ni钢耐蚀性也不及无Ni钢，因硫化镍会引起钢的赤热脆性。

③ 铬镍钢容易感受回火脆性和易形成白点（前者可在回火后采用速冷防止，后者应采用正确的熔炼规范和锻造、冷却规范防止。）

④ 对高速钢，因为它降低了它的硬度而被视为有害杂质，当Ni≈2%时或更高时，由于其抗600～660℃回火稳定性降低而热硬性变坏（使A体稳定不分解），所以硬度降低。

⑤ 同样，因为Ni降低钢之淬火层的硬度，在轴承钢中也不希望有它，Ni不大于0.30%，且Ni+Cu不大于0.50%（Cu不大于0.25%）。

⑥ Ni虽可提高电阻，促使矽石墨化，但会降低磁感和最大磁导率。所以硅钢片也不希望有Ni。

⑦ Ni在我国早，价钱高。

⑧ Ni钢氧化容易起鳞，所镍钢的氧化铁皮粘在钢表面上不易脱落。

（3）一般合金钢中的Ni含量：

渗碳钢：含C=0.15～0.25%    Ni=1～4.5%

调质钢：含C=0.35～0.55%    Ni=1～1.75%

 不锈钢：含Ni≤2% M体不锈钢，含Ni=8～18% A体不锈钢。含Ni=2～8%M-P体类不锈钢。

 耐热不起皮钢：含Ni达9～36%，属A 体钢。

 磁钢：含Ni＜25%的（Ni25、Ni9Mn9等）为弱磁性钢，用930～1000℃淬火能很好不被磁化，可用于制机器，仪表等不应被磁化零件（电机环、指南针盒、电阻等）。

    含Ni=25～30%的是陈化磁性钢，它具有非常高的磁性，当残余磁感应为5000～7500高斯时，矫顽磁力可达500～700奥斯特甚至1000，但它具有高的脆性（和硬度），所以多做铸造磁铁。

   含Ni=35～37%的是恒范合金（不变合金） Ni=42～44%的是类铂合金。

   含Ni=50～80%的是高导磁率的合金，（但要很纯，才能发挥作用）

（1）铬的有益作用：具有许多有价值的性能：高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大，高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻和导磁率等等。

  1）Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。

 2）Cr的碳化物也较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，长时间渗碳还会粗晶。所以可减小过热敏感效应。

3）Cr可使A 体分解速度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于M体形成和提高M体的稳定性，所以Cr钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。注意：Cr是铁素体形成元素，缩小γ区，所以在没A体化元素存在时，高Cr钢将呈铁素体组织。

4）Cr与W或Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。

5）Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。如12CrNi3N等。

6）Cr≥12%时，有好的耐蚀性，再加8～9%的Ni，耐蚀性更会大大提高。Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低，因为Cr与C结合后不起作用。