導(dǎo)語

　　合金元素在鋼中能夠改變鋼鐵材料的使用性能和工藝性能 ，使鋼鐵材料能夠得到更加優(yōu)良的或特殊的性能。在使用性能方面，有高的強(qiáng)度和韌性的配合，或高的低溫韌性，在高溫下有高的蠕變強(qiáng)度、硬度及抗氧化性，或具有良好的耐腐蝕性。在工藝性能方面，有良好的熱塑性、冷變形性、切削性、淬透性和焊接性等。這主要是合金元素加入后改變了鋼和鐵的內(nèi)部組織。合金元素的加入產(chǎn)生了合金元素與鐵、碳及合金元素之間的相互作用，改變了鋼鐵中各相的穩(wěn)定性，并產(chǎn)生了許多新相，從而改變了原有的組織或形成新的組織。這些元素之間在原子結(jié)構(gòu)、原子尺寸及晶體點(diǎn)陣之間的差異，則是產(chǎn)生這些變化的根源。

　　01

　　合金在鋼中的分布

　　在鋼中經(jīng)常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B、RE等，在某種情況下 P、S、N等也可以起合金元素的作用。這些元素加入到鋼中之后究竟以什么狀態(tài)存在呢?一般來說，它們或是溶于碳鋼原有的相(如鐵素體、奧氏體、滲碳體等)中，或者是形成碳鋼中原來沒有的新相。概括來講，它們有以下四種存在形式：

　　(1)溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在。

　　(2)形成強(qiáng)化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。

　　(3)形成非金屬夾雜物如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。

　　(4)有些元素如Pb、Cu等既不溶于鐵，也不形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在。在高碳鋼中碳有時(shí)也以自由狀態(tài)(石墨)存在。

　　在這四種可能的存在形式中，合金元素究竟以哪一種形式存在，主要取決于合金元素的本質(zhì)，即取決于它們與鐵和碳的相互作用情況。

　　02

　　合金元素的作用

　　鋼中添加的合金元素，通過對鋼的基體相和各種形式的析出相的影響，對鋼的特性起作用。當(dāng)然對性能起決定作用的還是基體相，在鋼中通常是鐵素體、貝氏體、馬氏體或者是不同比例構(gòu)成的雙相或多相組織，從而形成不同的鋼種，限定于各種用途。

　　(1)影響奧氏體形成的元素

　　鋼加熱時(shí)，常溫基體相鐵素體趨于熱力學(xué)不平衡狀態(tài)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵鄪W氏體，這是一種擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。無限固溶于γ-Fe的元素 Mn、Co、Ni和有限固溶于γ-Fe的元素 C、N、Cu都擴(kuò)大γ相區(qū)，而無限固溶于α-Fe的元素 V、Cr和有限固溶于α-Fe的元素 Ti,、Mo、Al、P則縮小γ相區(qū)，從而對奧氏體的形成產(chǎn)生不同程度的影響。這些元素中，C和N在基體相中構(gòu)成間隙固溶體，畸變和溫度對其溶解度起主要作用。除 C、N外的其他合金元素進(jìn)入固溶體形成置換固溶體，原子尺寸對溶解度起重要作用。溶質(zhì)原子在奧氏體中并不均勻，但也不隨機(jī)分布，而是有偏聚和短程有序兩種現(xiàn)象。研究結(jié)果指出，強(qiáng)碳氮化物形成元素阻礙碳化物溶解，如MC型化合物，NbC、VC和 TiC等。又能提高碳在 γ-Fe 中的擴(kuò)散激活能，減緩碳的擴(kuò)散，對 γ-Fe的形成有一定的阻礙作用。弱碳氮化物形成元素 w 和 Mo，非碳氮化物形成元素 Ni和 Co，則有利于 γ-Fe的形成。隨著加熱溫度的提高，合金元素的晶界偏聚將消失，碳化物溶解加速，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散均勻化。晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是晶界兩側(cè)晶粒的表面自由能之差，元素 C、P、Mn提高表面 自由能，促進(jìn)晶界的移動(dòng)，晶粒長大 。

　　(2)影響鐵素體形成的元素

　　這里所述的鐵素體，不是指結(jié)構(gòu)形態(tài)各異的廣義的α-Fe相，而僅僅指在γ-Fe晶內(nèi)形成的，又沿著晶界優(yōu)先長大的等軸α-Fe。奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，受Fe原子擴(kuò)散過程的控制，也受C原子從鐵素體前沿向奧氏體中擴(kuò)散的影響。一般不發(fā)生合金元素在α/γ相的重新分配，只是出現(xiàn)α/γ間界前沿的合金元素的富集區(qū)和貧化區(qū)，所以鐵素體長大的速率將較高。在局部平衡條件下，Mn、Ni、Si、Mo、Co、Al、Cr、Cu等才是促進(jìn)鐵素體形核的元素。

　　(3)影響珠光體形成的元素

　　珠光體是α-Fe和碳化物的層狀(或粒狀)混合相，珠光體轉(zhuǎn)變是一個(gè)形核長大的過程。合金元素對反應(yīng)孕育期、碳化物的形成、α-Fe形核長大的影響實(shí)際上是合金元素的重新分布。因此，Cr、Mn、Ni元素提高了形核功和轉(zhuǎn)變激活能，實(shí)現(xiàn)濃度起伏和能量起伏的條件，致使形核率和長大速度都降低。

　　(4)影響貝氏體形成的元素

　　貝氏體轉(zhuǎn)變是在 550-250℃間完成的半擴(kuò)散型的相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程只是碳進(jìn)行長程擴(kuò)散，而不需要合金元素的重新分布。碳是影響貝氏體形成的最重要元素;元素Ni、Cr、Mn的綜合影響，降低形成貝氏體最大速率的溫度，從而控制了貝氏體反應(yīng);含鉬鋼中添加硼，可以得到單一的貝氏體組織;元素V和Ti，使貝氏體形成開始點(diǎn)降低。

　　(5)影響馬氏體形成的元素

　　馬氏體轉(zhuǎn)變是鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生的無擴(kuò)散型相變，是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。大多數(shù)固溶于γ-Fe的合金元素，除元素Co和Al外，都降低馬氏體轉(zhuǎn)變臨界溫度Ms點(diǎn)，間隙固溶元素C和N比金屬溶質(zhì)原子的影響大得多。用合金元素在奧氏體相和馬氏體相中焓的差值來表征馬氏體反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。

　　合金元素在鋼中的主要作用見表1。

　　03

　　合金元素在鋼中的主要強(qiáng)化機(jī)制

　　(1)細(xì)晶強(qiáng)化

　　通過細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，工業(yè)上通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度。通常金屬是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小可以用單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)量來表示，數(shù)量越多，晶粒越細(xì)。實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小;此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。故工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

　　在低C-Mn鋼中，Nb、V、Ti等強(qiáng)碳氮化物形成元素有效地細(xì)化鐵素體晶粒尺寸。這些元素及AI、N的細(xì)化晶粒的作用通常用于正火鋼，但是在控制軋制的微合金鋼中則有更明顯的效果，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最佳控制軋制狀態(tài)的最小平均鐵素體晶粒尺寸為1-2μm，而工業(yè)生產(chǎn)則為5-10μm。微合金元素Nb、V、Ti細(xì)化晶粒主要是以如下機(jī)制抑制奧氏體再結(jié)晶：①在固溶體中的溶質(zhì)拖拽作用;②細(xì)小析出物在γ晶界的釘扎作用;③在變形晶粒內(nèi)的位錯(cuò)排列作用。這些作用的結(jié)果是推遲奧氏體再結(jié)晶直到奧氏體晶粒承受更大的變形，大大提高了γ再結(jié)晶開始所要求的臨界變形量，以致一旦發(fā)生再結(jié)晶，將有較高的形核率，得到細(xì)小的晶粒尺寸。細(xì)化晶粒是唯一能夠同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性的方法。在一般的普碳鋼中大約一半的強(qiáng)度來自于晶粒細(xì)化，可見晶粒細(xì)化是鋼中最為重要的強(qiáng)化方式之一。因此，多年來人們一直通過多種手段致力于晶粒細(xì)化的研究。鋼鐵材料晶粒細(xì)化到μm或亞μm級(jí)范圍內(nèi)。鋼鐵材料從傳統(tǒng)晶粒尺寸(10μm或稍大)細(xì)化到1μm，強(qiáng)度將提高一倍。

　　(2)析出強(qiáng)化

　　析出強(qiáng)化指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和(或)由之脫溶出的微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。如奧氏體沉淀不銹鋼在固溶處理后或經(jīng)冷加工后，在400-500℃或700-800℃進(jìn)行沉淀硬化處理，可獲得很高的強(qiáng)度。即某些合金的過飽和固溶體在室溫下放置或者將它加熱到一定溫度，溶質(zhì)原子會(huì)在固溶點(diǎn)陣的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相，從而導(dǎo)致合金的硬度升高的現(xiàn)象。

　　Nb、V、Ti在鋼中形成的細(xì)小碳氮化物起著阻止晶粒長大，抑制再結(jié)晶及在γ未再結(jié)晶區(qū)形變時(shí)熔化生核的作用，同時(shí)又具有很強(qiáng)的析出強(qiáng)化作用。即使在相當(dāng)?shù)偷臐舛认拢部梢砸姷焦倘芘c析出的過程。NbC、VN、TiC是低碳微合金鋼中三種基本的化合物，晶體結(jié)構(gòu)相似，又互相溶解。這些化合物析出強(qiáng)化的原型，不僅在于位錯(cuò)的遷移所造成的切變和 Oroman機(jī)構(gòu)的交互作用，還在于析出相與鐵素體的晶體學(xué)關(guān)系。微合金元素原子在基體中的擴(kuò)散控制著析出速率，強(qiáng)化效果與析出物質(zhì)點(diǎn)的平均直徑成反比，與析出物質(zhì)點(diǎn)體分量的平方根成正比。微合金鋼的控制軋制和控制冷卻，正是利用了Nb、V、Ti微合金元素的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的效應(yīng)，獲得高達(dá)400-600MPa的屈服強(qiáng)度和良好的韌性。

　　(3)固溶強(qiáng)化

　　溶入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。這種通過融人某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強(qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

　　一般來說，組成固溶體的純金屬的平均值總是低于固溶體的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度，并且隨著溶質(zhì)濃度的提高，硬度、強(qiáng)度將顯著提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。另外，組成固溶體的純金屬的平均值高于其本身的塑性和韌性。隨著溶質(zhì)原子的溶入，將引起固溶體電阻、磁矯頑力等物理性能發(fā)生改變。濃度提高，電阻增加，并且溫度變化與固溶體的電阻值關(guān)系不大。因此，一些高電阻材料應(yīng)用在工程技術(shù)上，大多是固溶體合金。仍然保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)是固溶體的一個(gè)重要特點(diǎn)。工業(yè)材料中大部分固溶體的溶劑基本上是金屬，因此固溶體的晶體結(jié)構(gòu)比較簡單。但是由于溶人了溶質(zhì)原子，使晶體結(jié)構(gòu)某些方面發(fā)生了變化。元素Mn、Si及N的固溶強(qiáng)化，在低合金高強(qiáng)度鋼中，其強(qiáng)化貢獻(xiàn)是很小的。幾乎所有的固溶元素對鋼的韌性都不利，尤以元素C和 N為甚。