【正文】 物的類型及基本特性合金元素對鐵碳相圖的影響與對純鐵的影響類似，但更復(fù)雜一些。影響主要分兩方面： 對奧氏體和鐵素體存在范圍的影響 擴大相區(qū)元素均擴大鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域，其中完全擴大區(qū)的元素Ni或Mn的含量較多時，可使鋼在室溫下得到單相奧氏組織，例如lCrl8Ni9高鎳奧氏體不銹鋼和ZGMnl3高錳耐磨鋼等?？s小相區(qū)元素均縮小鐵碳相圖中奧氏體存在的區(qū)域，其中完全封閉區(qū)的元素（例如Cr、Ti、Si等）超過一定含量后，可使鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大溫度范圍內(nèi)獲得單相鐵素體組織，例如lCrl7Ti高鉻鐵素體不銹鋼等。 對鐵碳相圖臨界點（S點和E點）的影響 擴大相區(qū)的元素使鐵碳合金相圖中的共析轉(zhuǎn)變溫度下降；縮小相區(qū)的元素則使其上升，并都使共析反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進行。（a）所示。合金元素還對共析點和共晶點的成分產(chǎn)生影響。（b）所示，幾乎所有合金元素都使共析點碳含量降低；共晶點也有類似的規(guī)律，尤以強碳化物形成元素的作用最強烈。S點和E點的左移，使合金鋼的平衡組織發(fā)生變化（不能完全用鐵碳相圖來分析）。例如，%C的3Cr2W8V熱模具鋼已為過共析鋼，%的Wl8Cr4V高速鋼，在鑄態(tài)下已具有萊氏體組織。 合金元素對熱處理的影響合金元素對熱處理的影響主要表現(xiàn)在對加熱、冷卻和回火過程中相變的影響上。 合金元素影響加熱時奧氏體形成的速度和奧氏體晶粒的大小。1）對奧氏體形成速度的影響 Cr、Mo、W、V等強碳化物形成元素與碳的親合力大，形成難溶于奧氏體中的合金碳化物（），顯著阻礙碳的擴散，大大減慢奧氏體形成速度。為了加速碳化物的溶解和奧氏體成分的勻化，必須提高加熱溫度并保溫更長的時間。Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的擴散速度，使奧氏體的形成速度加快。Al、Si、Mn等合金元素對奧氏體形成速度影響不大。2）對奧氏體晶粒大小的影響 大多數(shù)合金元素有阻止奧氏體晶粒長大的作用，但影響程度不同。碳化物形成元素的作用最明顯，因形成的碳化物在高溫下較穩(wěn)定，不易溶于奧氏體中，能阻礙其晶界外移，顯著細化晶粒。按照對晶粒長大作用的影響，合金元素可分為： 合金元素對共析溫度及共析點碳含量的影響：V、Ti、Nb、Zr等。Al在鋼中易形成高熔點Aln、Al2O3細質(zhì)點，也強烈阻止晶粒長大。：W、Mo 、Cr。：Si、Ni、Cu。：Mn、P、B也略有此傾向。由于錳鋼有較強的熱傾向，其加熱溫度不應(yīng)過高，保溫時間應(yīng)較短。 除Co外，幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲珠光體類型轉(zhuǎn)變，使c曲線右移，即提高鋼的淬透性。 合金元素對碳鋼C曲線的影響這是鋼中加入合金元素的主要目的之一。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。微量硼（%）即能明顯提高淬透性，但其作用不穩(wěn)定。Mo的價格較貴，不單純作提高淬透性的元素使用。必須指出，加入的合金元素，只有完全溶于奧氏體中時才能提高淬透性的元素使用。必須指出，加入的合金元素，只有完全溶于奧氏體中時才能提高淬透性，如果未完全溶解，則碳化物會成為珠光體形成的核心，反而使鋼的淬透性降低。別外，兩種或多種合金元素的同時加入對淬透性的影響，比單元素的影響總和還強得多，例如鉻錳、鉻鎳鋼等。除Co、Al外，多數(shù)合金元素使Ms、Mf點下降（）。其作用強度的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最強，Si實際上無影響。Ms、Mf點的下降，使鋼中殘余奧氏體量增多（），許多高碳高合金鋼中的殘余奧氏體量可高達3040%以上。殘余奧氏體量過多時鋼的硬度和疲勞抗力下降，因此須進行冷處理（將鋼冷至Mf點以下）以使其轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；或進行多次回火，使殘余奧氏體因析出合金碳化物而使Ms、Mf點上升，并在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體（即發(fā)生所謂二次淬火）。此外，合金元素還影響馬氏體的形態(tài)，Ni、Cr、Mn、Mo、Co等均增大片壯馬氏體形成的傾向。1）提高回火穩(wěn)定性 合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（即將其推向較高溫度）；提高鐵素體的再結(jié)晶溫度；使碳化物難以聚集長大而保持較 合金元素對馬氏體轉(zhuǎn)變點M 合金元素對殘余奧氏體量的的影響 影響 大的彌散度，因此提高了鋼對回火軟化的抗力，即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。使得合金鋼在相同溫度下回火時，比同樣碳含量的碳鋼具有更高的硬度和強度（對工具鋼和耐熱鋼特別重要），或者在保證相同強度的條件下，可在更高的溫度下回火，而使韌性更好些（對結(jié)構(gòu)很重要）。提高回火穩(wěn)定性作用較強的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co等。2）產(chǎn)生二次硬化 一些Mo、W、V含量較高的鋼回火時，硬度不是隨回火溫度的升高單調(diào)降低，而是到某一溫度（約400℃）后反而開始增大，并在另一更高溫度（一般為550℃左右）達到峰值。這是回火過程的二次硬化現(xiàn)象，它與回火析出物的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)回火溫度低于約450℃時，鋼中析出滲碳體；在450℃以上滲碳體溶解，鋼中開始沉淀出彌散穩(wěn)定的難熔碳化物M02C、W2C、VC，使硬度重新升高，而在550℃左右沉淀過程完成時，硬度達到峰值。二次硬化也可以由回火時冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的二次淬火所引起。產(chǎn)生以上兩類二次硬化效應(yīng)的合金元素見表2。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、VV、Mo、W、Cr、Ni①Co① %的鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系曲線3）增大回火脆性 和碳鋼一樣，合金鋼也產(chǎn)生回火脆性，而且更顯著，這是合金元素的不利影響。250400℃間的第一類回火脆性，是由相變機制本身決定的，無法消除，只能避開，但加入13%硅，可使其溫區(qū)移向較高溫度。450600℃間發(fā)生的第二類回火脆性，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，這是一種逆回火脆性，回火后快冷，抑制雜質(zhì)元素向晶界偏聚，可防止其發(fā)生。鋼中加入適當(dāng)?shù)腗o或W（%Mo,1%W），因強烈阻礙和延遲雜質(zhì)元素等往晶界的擴散偏聚，也可基本上消除這類脆性。 合金元素對鋼的性能的影響 合金元素對鋼的強度的影響1）強化機制 強化就是強度增高的現(xiàn)象。強度一般指對塑性變形的抗力。金屬的塑性變形是位錯的運動引起的，所以阻礙位錯運動都會使金屬的強度提高，造成強化。由前面已經(jīng)闡述過的金屬結(jié)構(gòu)中能阻礙位錯運動的障礙可以主要歸納為四種，因而強化機制也有四種：溶質(zhì)原子——固溶強化；晶界——細晶強化；第二相粒子——第二相強化；位錯——位錯強化。固溶強化：合金形成固溶體時，由于溶質(zhì)原子與溶劑金屬原子大小不同，溶劑晶格發(fā)生畸變，并在周圍造成一個彈性應(yīng)力場。此應(yīng)力場與運動位錯的應(yīng)力場發(fā)生交互作用，使位錯的運動受阻。 鎳鉻鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系置換式溶質(zhì)原子（如鋼中的Cr、Ni、Mn、Si等）所造成的強化量　與溶質(zhì)濃度之間不存在簡單關(guān)系，但可近似地按線性關(guān)系處理： = 式中Ｃs代表置換式溶質(zhì)的原子百分濃度；Ks 是比例系數(shù)。間隙式溶質(zhì)原子（如鋼中的C、N等）所產(chǎn)生的強化量 ，大致與溶質(zhì)濃度的平方根成正比（強化作用較置換式溶質(zhì)原子大10100倍以上）： =式中Ci代表間隙的原子百分濃度；Ki是比例系數(shù)。其中C、N的強化效果最大；P的強化效果也很顯著，但它增大鋼的冷脆性；一般以Mn、Si等為強化元素較適宜。細晶強化：晶界分大角度晶界（如奧氏體、鐵素體的晶粒邊界等）和小角度晶界（如馬氏體板條間的界面、亞晶粒之間的界面等）兩類。晶界能有效地阻礙位錯運動，使金屬強化。晶粒愈細，強化作用愈大。強化量 與晶粒度有以下關(guān)系：=K式中d代表晶粒的直勁；Kg是與晶粒尺寸無關(guān)的比例系數(shù)。測量表明，奧氏體鋼的Kg值為鐵素體鋼的 ，即奧氏體晶界的強化作用較鐵素體晶界小。大角度晶界的Kg值較大，小角度晶界的Kg值較小，前者比后者的強化作用大得多。鋼中常用細化晶粒的元素有Nb、V、Al、Ti等。 合金元素對鐵素體屈服強度的影響。 純鐵與軟剛的屈服強度與晶粒尺寸的關(guān)系細化晶粒在提高鋼強度的同時也改善韌性，這是其它強化機制不可能做到的。第二相強化：運動位錯通過位于滑移面上的第二相粒子時，需要消耗額外的能量，使合金發(fā)生強化。位錯通過第二相粒子的機制有兩種。當(dāng)粒子間距或粒子直徑很小時，位錯切割粒子而通過[（a）]，強化效應(yīng)隨粒子間距的增大而增強；但當(dāng)粒子間距大于某臨界值時（例如一般工業(yè)合金的情況），位錯則繞過粒[（b）]，其強化量與粒子間距成反比，即粒子愈大，強化量 愈?。? =式中 代表粒子間距：Kp是比例系數(shù)。一般以粒子∠—。因此，要求第二相粒子有很高的彌散度。 位錯通過第二相粒子的示意圖獲得高彌散度粒子的方法有兩種。一種是依靠熱處理從過飽和固溶體中沉淀析出第二相（稱為析出強化或沉淀硬化）；另一種是利用機械、化學(xué)等方法引入極細的第二相粒子（物為分散硬化）。鋼中珠光體內(nèi)滲碳體片所起的強化作用也屬于第二相強化，其強化量與片間距的平方根成反比。片愈細，間距愈小，強化作用愈大。位錯強化運動位錯碰上與滑移面相交的其它位錯時，發(fā)生交割而使運動受阻。位錯所造成的強化量 與金屬中的位錯密度的平方根成比例：=式中P代表位錯密度；Kd是比例系數(shù)。一般說，面心立方金屬中的位錯強化效應(yīng)比體心立方金屬的大。面心立方金屬（例如Cu、Al）利用位錯強化是很有利的。金屬的冷變形能產(chǎn)生大量位錯，所以強化效果顯著。合金中的相變，特別是低溫下伴隨有容積變化的相變，如馬氏體相變等，都會造成大量的位錯，也能使合金顯著強化。實際金屬中，都是幾種強化機制同時起作用，很少只有一種強化機制起作用的。2）鋼的強化 提高鋼強度最重要的方法是淬火和隨后回火。鋼淬火形成馬氏體。馬氏體中溶有過飽和碳和合金元素，產(chǎn)生很強的固溶強化效應(yīng)：馬氏體形成時產(chǎn)生高密度位錯，位錯強化效應(yīng)很大；奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，形成許多極細小的、取向不同的馬氏體束，產(chǎn)生細晶強化效應(yīng)。因此淬火馬氏體具有很高的硬度，但脆性較大。淬火后回火，馬氏 中的同細碳化物粒子，間隙固溶強化效應(yīng)大大減小，但產(chǎn)生強烈的析出強化效應(yīng)。由于基本上保持了淬火態(tài)的細小晶粒，較高密度的位錯及一定的固溶強化作用，所以回火馬氏體仍具有很高的強度，并且因間隙固溶引起的脆性減輕，韌性還大大改善。由此可知，馬氏體強化充分而合理地利用了全部四種強化機制，是鋼的最經(jīng)濟和最有效的強化方法。合金元素加入鋼中，首要的目的是提高淬透性，保證在淬火時容易獲得馬氏體。合金元素通過置換固溶強化機制，能夠直接提高鋼的強度，但作用有限。在完全獲得馬氏體的條件下，碳鋼和合金鋼的強度水平是一樣的。合金元素加入的第二個目的是提高鋼的回火穩(wěn)定性，使鋼回火時析出的碳化物更細小、均勻和穩(wěn)定；并使馬氏體的微細晶粒及高密度位錯保持到較高溫度。這樣，在相同韌性的條件下，合金鋼比碳鋼具有更高的強度。此外，有些合金元素還可使鋼產(chǎn)生二次硬化，得到良好的高溫性能。由上可見，合金元素對鋼的強度的影響，主要是通過對鋼的相變過程的影響起作用的，合金元素的良好作用，也只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍艹浞职l(fā)揮出來。 合金元素對鋼的韌性的影響1）韌性的概念 韌性是指材料對斷裂的抗力。金屬的斷裂為裂紋的形成和擴展的過程。按照斷裂的性質(zhì)分，它可分為兩類：脆性斷裂，斷裂時不發(fā)生明顯的塑性變形；韌性斷裂，斷裂時生顯著的塑性變形。實際金屬存在有三種基本形式的斷裂。第一種是解理斷裂，金屬沿特定的晶面（鋼的解理面為{100}）斷開，為典型的和質(zhì)量重要的脆性斷裂形式，多發(fā)生在溫度低，加載速度大、金屬塑性差的情況下；第二種是韌窩斷裂，以金屬中某