对钢的显微组织及热处理的作用

对钢的物理、化学及工艺性能的作用

在钢中的作用

Ni

1）镍和铁能无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，即升高A₄点，降低A₃点，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素；

2）镍和碳不形成碳化物；

3）降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性；

1）强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度，不显著影响钢的塑性；

2）含镍钢的碳含量可适当降低，因而可使韧性和塑性有所改善；

3）提高钢的疲劳抗力，减小钢对缺口的敏感性；

4）由于对钢的淬透性和耐回火性的作用并不十分明显，镍对调质钢的意义不大；

1）强烈降低钢的热导率和电导率；

2）镍的质量分数<30%的奥氏体钢呈顺磁性，即无磁钢。镍的质量分数>30%的Fe-Ni合金是重要的精密软磁材料；

3）镍的质量分数超过15%~20%的钢对硫酸和盐酸有很高的耐蚀性，但不能耐硝酸的腐蚀。总的来说，含镍钢对酸、碱、盐以及大气都有一定的耐蚀性。含镍的低合金钢还有较高的腐蚀疲劳抗力。含镍钢在含硫和CO的气氛中加热时易发生热脆和侵蚀性气孔；

4）含镍较高的钢在按焊接时应采用奥氏体焊条，以防止裂缝；

1）单纯的镍钢只在要求有特别高的冲击韧性或很低的工作温度时才使用；

2）机械制造中使用的镍铬或镍铬钼钢，在热处理后能获得强度和韧性配合良好的综合力学性能。含镍钢特别适用于需要表面渗碳部件；

3）在高合金奥氏体不锈耐热钢中镍是奥氏体化元素，能提供良好的综合性能，主要为NiCr系钢。CrMnN、CrAlSi、FeAlMn钢，在一定用途上可取代CrNi系钢；

Co

1）钴和镍、锰一样，和铁形成连续固溶体；

2）钴和铝同是降低钢的淬透性的元素，升高马氏体转变开始温度Ms；

3）钴不是形成碳化物的元素；

1）强化钢的基体，在退火或正火状态的碳素钢中提高硬度和强度，但会引起塑性和冲击韧性的下降；

2）显著提高特殊用途钢和合金的热强性和高温硬度；

1）提高耐热钢和耐热合金的抗氧化能力；

1）不在碳素钢和低合金钢中使用；

2）主要用于高速钢、马氏体时效钢、耐热钢及精密合金等；

Cr

1）Cr与Fe形成连续固溶体，缩小奥氏体相区域。铬与碳形成多种碳化物，与碳的亲和力大于铁和锰而低于钨、钼等。Cr与Fe可形成金属间化合物σ相（FeCr）；

2）Cr使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少；

1）提高钢的强度和硬度，同时加入其它合金元素时，效果较显著；

2）显著提高钢的韧脆转变温度；

1）提高钢的耐磨性，经研磨，易获得较低的表面粗糙度值；

2）降低钢的电导率，降低电阻温度系数；

3）提高钢的矫顽力和剩余磁感，广泛用于制造永磁钢；

4）铬促使钢的表面形成钝化膜，当有一定含量的Cr时，显著提高钢的耐蚀性（特别是硝酸）。若有铬的碳化物析出时，使钢的耐蚀性下降；

5）提高钢的抗氧化性能；

6）铬钢中易形成树枝状偏析，降低钢的塑性；

1）合金结构钢中主要利用铬提高次头型，并可在渗碳表面形成含铬碳化物以提高耐磨性；

2）弹簧钢中利用Cr和其他合金元素一起提供的综合性能；

3）轴承钢中主要利用Cr的特殊碳化物对耐磨性的贡献及研磨后表面粗糙度值低的优点；

4）工具钢和高速钢中主要利用铬提高耐磨性的作用，并具有一定的耐回火性和韧性；

5）不锈钢、耐热钢中铬常与锰、氮、镍等联合使用，当需形成奥氏体钢时，稳定铁素体的铬与稳定奥氏体的锰、镍之间须有一定比例，如12Cr18Ni9等；

Mo

1）Mo在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，是缩小奥氏体相区的元素；

2）当Mo含量较低时，可与碳、铁形成复合的渗碳体；含量较高时可形成钼的特殊碳化物；

3）钼提高钢的淬透性，其作用较铬强，而稍逊于锰；

1）钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度；

2）钼对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用；

1）在碳的质量分数为1.5%的磁钢中，质量分数为2%~3%的钼提高剩余磁感和矫顽力；

2）在还原性酸及强氧化性盐溶液中都能使钢表面钝化，因此钼可以普遍提高钢的耐蚀性，防止钢在氯化物溶液中的点蚀；

3）钼含量较高（质量分数>3%）时使钢的抗氧化性恶化；

1）在调质和渗碳结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢、磁钢中都得到广泛应用；

2）铬钼钢在许多情况下可代替铬镍钢来制造重要部件；

Cu

1）铜是扩大奥氏体相区的元素，但在铁中的固溶度不大，铜与碳不形成碳化物；

1）提高钢的强度特别是屈强比；

2）随着铜含量的提高，钢的室温冲击韧性略有提高；

1）少量的铜加入钢中可以提高低合金结构钢和钢轨钢的抗大气腐蚀性能，与磷配合使用时效果更为显著。铜对钢抗土壤及海水腐蚀性能的改善不显著。铜也能略为提高钢的高温抗氧化性；

2）在不锈耐酸钢中加入质量分数为2%~3%的铜可改善钢对硫酸和盐酸的耐蚀性和对应力腐蚀的稳定性；

3）改善钢液的流动性，对铸造性能有利；

1）钢中加入铜应用于：普通低合金钢、调质与渗碳结构钢、钢轨钢、不锈钢和铸钢；

2）我国有丰富的含铜铁矿，其中的铜不易分选，钢中的铜也不能在冶炼过程中分离，发展含铜钢有重大经济意义；

Al

1）铝与氧和氮有很强的亲和力，是炼钢时的脱氧定氮剂；

2）铝强烈缩小钢中的奥氏体相区；

3）铝和碳的亲和力小，在钢中一般不出现铝的碳化物。铝强烈促进碳的石墨化，加入Cr、Ti、V、Nb等强碳化物形成元素可抵制Al的石墨化作用；

4）铝细化钢的本质晶粒，提高钢粗化的温度，但当钢中的固溶金属铝含量超过一定值时，奥氏体晶粒反而容易长大粗化；

1）铝减轻钢对缺口的敏感性，减少或消除钢的失效现象，特鄙视降低钢的韧脆转变温度，改善了钢在低温下的韧性；

2）铝有较大的固溶强化作用，高铝钢具有比强度较高的优点，铁素体型的铁铝系合金其高温强度和持久强度超过了Cr13钢，但其室温塑性和韧性低，冷变形加工困难；

1）铝加入质量分数为20%~30%Cr的Fe-Cr合金中，其电阻温度系数很小，因而可用作电热合金材料；

2）铝与硅在减少变压器钢的铁芯损耗方面有相近的作用。不同铝量对矫顽力及磁滞损耗有特殊而复杂的影响；

3）含铝的钢渗碳后表面形成氮化铝层，可提高硬度和疲劳强度，改善耐磨性能；

4）铝含量达一定值时，使钢的表面产生钝化现象，使钢在氧化性算中具有耐蚀性，并提高了对硫化氢的耐蚀性。铝对钢在氯气及氯化物气氛中的耐蚀性不利；

5）铝作为合金元素加入钢中，可显著提高钢的抗氧化性。在钢的表现镀铝或渗铝可提高其抗氧化性和耐蚀性；

1）铝在一般的钢中主要起脱氧和控制晶粒度的作用；

V

1）V和Fe形成连续的固溶体，强烈地缩小奥氏体相区；

2）钒和碳、氮、氧都有极强的亲和力，在钢中主要以碳化物或氮化物、氧化物的形态存在；

3）通过控制奥氏体化温度来改变钒在奥氏体中的含量和未溶碳化物的数量以及钢的实际晶粒度，可以调节钢的淬透性；

1）少量的钒使钢晶粒细化，韧性增大，对低温钢尤为有利；

2）钒量较高导致聚集的碳化物出现时，会降低强度；碳化物在晶内析出会降低室温韧性；

3）适当的处理使碳化物弥散析出时，钒可提高钢的高温持久强度和蠕变抗力；

1）在高铁镍合金中加入钒，经适当热处理后可提高磁导率。在永磁钢中加入钒，能提高磁矫顽力；

2）加入足够量的钒（碳的5.7倍以上），将碳固定于钒碳化物中时，可大大增加钢在高温高压下对氢的稳定性，其强烈作用与Nb、Zr、Ti相似。不锈耐酸钢中，钒可改善抗晶间腐蚀的性能，但作用不及Ti、Nb显著；

3）出现钒的氧化物时，对钢的高温抗氧化性不利；

4）含钒钢在加工温度较低时显著增加变形抗力；

1）在普通低合金钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速钢、耐热钢、抗氢钢、低温用钢等系列中得到广泛应用；

Ti

1）钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素；

2）钛和碳的化合物结合力极强，稳定性高，只有加热到1000℃以上才会缓慢溶入铁的固溶体中。TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用，使粗化温度提高至1000℃以上；

3）钛是强铁素体形成元素之一，使奥氏体相区缩小，强烈提高A₁、A₃；固溶态的钛提高钢的淬透性，而以TiC微粒存在时则降低钢的淬透性；

1）当钛以固溶态存在于铁素体之中时，其强化作用高于Al、Mn、Ni、Mo等，次于Be、P、Cu、Si；

2）钛对钢力学性能的影响取决于其存在形态和Ti与C质量比以及热处理制度。微量的钛使屈服强度有所提高，但当Ti与C质量比超过4时，其强度和韧性急剧下降。过高的加热温度（>1000℃）进行正火或淬火，虽可使强度提高50%，但剧烈降低塑性及韧性；

3）钛对钢的韧性，特别是低温冲击韧性少有改善作用；

1）提高钢在高温、高压氢气中的稳定性；

2）提高不锈耐酸钢的耐蚀性，特别是对晶间腐蚀的抗力，原因是防止铬碳化物在晶界析出而导致的贫铬；

3）低碳钢中，当Ti与C质量比达到4.5以上时，由于氧、氮、碳全部被固定，具有很好的应力腐蚀和碱脆抗力；

4）在铬的质量分数为4%~6%的钢中加入钛，能提高再高温时的抗氧化性；

5）钢中加入钛可促进淡化层的形成和较迅速获得所需的表面硬度，成为“快速氮化钢”；

1）钛的质量分数超过0.025%时，可作为合金元素考虑；

2）钛作为合金元素在普通低合金钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢、永磁钢、永磁合金及铸钢中均已得到应用；

Zr

1）锆是高熔点的稀有金属，是碳化物形成元素，在炼钢过程中是强力的脱氧和脱氮元素，并有脱氢及脱硫的作用；

2）锆能细化钢的奥氏体晶粒；

1）锆降低钢的应变时效倾向和回火脆性；

2）在改善低合金钢的低温脆性方面的作用，锆强于钒；

1）低碳镍铬不锈钢中加入少量的锆可防止晶间腐蚀；

2）锆与硫形成硫化物，可有效防止钢的热脆；含铜钢中加入锆，可显著减轻龟裂倾向；

3）高显著提高高碳工具钢和高速钢的切削寿命；

1）锆产量稀少，价格昂贵，在钢中的溶解度很小，在普通钢中很少使用，而主要用于特殊用途的钢和合金中。

Nb/Ta

1）Nb、Ta均为难熔的稀有金属元素，在元素周期表中与V同族，其在钢中的作用与V、Ti、Zr类似，和碳、氮、氧都有很强的亲和力，形成极为稳定的化合物；

2）Nb、Ta在钢中的主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度；

1）钢中加入质量分数为0.005%~0.05%Nb能提高屈服强度和冲击韧性，降低其韧脆转变温度；

1）改善奥氏体型不锈钢抗晶间腐蚀的性能；在高铬铁素体钢中，改善高温不起皮性和抗浓硝酸侵蚀的性能；

2）在奥氏体型无磁钢中，加入铌和采用沉淀强化热处理，可有效提高其屈服强度而不损害其磁性能；

1）加入少量铌应用于：建筑用低碳普通合金钢、渗碳及调质合金钢、高铬耐热不锈钢、奥氏体不锈耐热钢、无磁钢等；

W

1）钨是难熔金属，在钢中的行为与Mo类似，即缩小奥氏体相区。并是强碳化物形成元素，部分地溶于铁中；

2）钨对钢的淬透性的作用不如Mo和Cr，当以W的特殊碳化物存在时，则降低钢的淬透性和淬硬性；

3）钨的特殊碳化物阻止钢晶粒的长大，降低钢的热敏感性；

1）钨提高了耐回火性，其碳化物十分剪影，因而提高了钢的耐磨性，还使钢具有一定的热硬性；

2）提高钢在高温时的蠕变抗力，其作用不如钼强

1）钨显著提高钢的密度，强烈降低钢的热导率；

2）显著提高钢矫顽力和剩余磁感；

3）钨对钢的耐蚀性和高温抗氧化性无有利作用，含钨钢在高温时的耐热性显著下降，但钨能提高钢的抗氢作用的稳定性；

4）含钨的高速钢塑性低，变形抗力高，热加工性能较差；

1）主要用于工具钢，如高速钢和热锻模具钢等；

1）Be是稀有轻金属元素，和氧及硫都有极强的亲和力，在炼钢中是立项的脱氧去硫剂；

2）Be在钢中缩小奥氏体相区，以固溶态存在的Be增加钢的淬透性；

1）对铁素体有很强的固溶强化作用；

1）在因瓦而今和恒弹性合金中加入质量分数为0.5%~1.0%的Be并调整其它成分可改善性能；

1）由于Be属于稀有元素，价格昂贵，在一般合金钢中较少使用；

1）稀土元素化学性质活泼，在钢中与硫、氧、氢等化合，是很好的脱硫剂和去气剂，能消除砷、锑、铋等元素的有害作用，改变钢中夹杂物的形态和分布，起到净化作用，改善钢的质量；

2）稀土元素在铁中的溶解度很低，不超过0.5%；

1）提高钢的塑性和冲击韧度，特别是低温韧性；

2）提高耐热钢、电热合金和高温合金的抗蠕变性能；

1）提高钢的抗氧化性；

2）提高18-8型不锈钢的乃是性能（包括在浓硝酸中的耐蚀性）；

3）稀土元素能提高钢液的流动性，改善浇注的成品率，减少铸钢的热裂倾向；

4）显著改善高铬不锈钢的热加工性能；

1）在普通低合金钢、合金结构钢、轴承钢、工具钢、不锈和耐蚀钢、电热合金以及铸钢中得到应用；

2）为了稳定获得稀土元素改善钢的组织和性能的效果，应注意准确控制稀土在钢中的含量；

3）我国富产稀土元素，有关稀土在钢中的作用机理和开发应用还应大力加强。

1）铅与铋实际上不溶于钢中，其沸点都很低，冶炼过程中大部分化为蒸汽逸出，因而在钢中的残留量很低，为了特殊用途需要增加Pb、Bi含量时，须在浇铸过程中加入；

1）对钢的强度无明显影响，使钢的塑性略有下降，使冲击韧性有较大降低；

1）铅显著改善钢的切削加工性能，使切削碎断，增加切削时工具与工件之间的润滑，降低切削温度和动力消耗，延长工具寿命，提高切削速度；

1）含有质量分数为0.2%左右铅的钢有“超级易切钢”之称；

2）含铅钢中需防止铅的偏析，并对铅蒸气进行防护。

1）硼与氮、氧之间有很强的亲和力。硼与碳形成碳化物B₄C，硼和铁形成两种及时在高温时也很稳定的中间化合物Fe₂B和FeB；

2）硼在钢中与残留的氮、氧化合形成稳定的夹杂物后会失去其本身的有益作用，只有以固溶形式存在于钢中的硼才起到特殊的有益作用，这归功于硼大都析集和吸附在晶界上；

3）由于钢中的硼的质量分数一般在0.001%~0.005%的范围，对钢的显微组织没有明显的影响。钢中“有效硼”的作用主要是增加钢的淬透性；

1）微量硼可提高钢在淬火和低温回火后的强度，并使塑性略有提高；

2）经300~400℃回火的含硼钢，其冲击韧性较不含硼的钢有所改善，且能降低钢的韧脆转变温度；

3）奥氏体铬镍钢中加入硼，经固溶和时效处理后，由于沉淀硬化的作用，其强度有适当提高，但韧性有所下降；

1）硼的质量分为超过0.007%将导致钢的热脆现象，影响热加工性能，故钢中硼的总质量分数应控制在0.005%以下；

2）在含硼结构钢中，用微量硼代替较多量的其它合金元素后，期总合金元素含量降低，在高温时对变形的抗力减小，有利于模锻加工和延长锻模寿命。此外，含硼钢的氧化皮较松，易于脱落清理；

1）硼在钢中的主要用途是增加钢的淬透性，从而节约其它合金元素，如Ni、Cr、Mo等。质量分数为0.001%~0.005%的硼约可代替质量分数为1.6%的Ni，或质量分数为0.3%的Cr，或质量分数为0.2%的钼。以硼部分代替钼最为恰当；

在一定条件下，氮可作为有益元素使用：

1）氮和碳一样可固溶于铁，形成间歇式固溶体；

2）氮扩大钢的奥氏体相区，是一种很强的形成和稳定奥氏体的元素，其效力约20倍于镍，在一定限度内可代替一部分镍用于钢；

3）渗入钢表现的氮与铬、铝、钒、钛等元素可化合成极稳定的氮化物，称为表面硬化和强化元素；

4）氮使高铬和高铬镍钢的组织致密坚实；

1）氮有固溶强化作用；

2）含氮铁素体钢中国，在快冷后的回火或在室温长时间停留时，由于析出超显微氮化物，可发生沉淀硬化过程，氮也使低碳钢发生应变时效现象。在强度和硬度提高的同时，钢的韧性下降，缺口敏感性增加。氮导致钢的脆性的特性近似磷，其作用远大于磷。氮也是导致钢产生蓝脆的主要原因；

3）提高高铬和高铬镍钢的强度，而塑性并不降低，冲击韧性还是有显著提高；

1）氮对不锈钢的耐蚀性无显著影响；

2）度钢的高温抗氧化性也无显著影响，氮含量过高可使抗氧化性恶化；

3）含氮钢冷作变形硬化率较高，采用冷变形工艺时，应予注意；

1）氮在钢中质量分数一般小于0.3%，特殊情况下可高达0.6%；

氧对钢的性能不利，是有害元素：

1）钢中残留的氧以氧化物及极少量的固溶态的形态存在；

1）氧对钢的力学性能影响主要与氧化夹杂物的组成、性质、分布和数量有关；

2）所有夹杂物都在不同程度上降低钢的力学性能，特别是塑性、韧性和疲劳强度；

1）氧化铝等夹杂物提高钢的硬度和耐磨性，但恶化切削加工性能；

1）氢以原子或离子形态固溶于钢中，形成间歇式固溶体，有一些合金化作用；

2）残留于钢中的氢造成许多严重缺陷，如白点、点状偏析，其危害巨大；

1）氢脆是氢使钢塑性下降的基本原因，钢的强度越高，其氢脆敏感性越大。氢脆可以用时效处理来清除；

1）氢在钢中除了会产生氢脆以外，还会形成一系列的严重缺陷，包括白点、点状偏析、静载疲劳断裂、“鱼眼”、表面凸泡等；

1）硫在大多数情况下是钢中的有害元素，在优质钢中其质量分数不应超高0.04%。Se、Te与其性质相近；

2）硫、硒、碲可与铁形成化合物，化合物在铁中的溶解度很低；

1）降低钢的延展性及韧性，冲击韧性下降最为显著；

1）使软钢的磁学性能恶化；

2）损害钢的耐蚀性；

3）FeS等低熔点化合物增大钢在锻、轧时的过热和过烧倾向，产生表面网状裂纹和开裂；

4）造成焊缝热裂、气孔及疏松；

1）只有在易切削钢中才利用硫、硒、碲来改善切削性能。硒较为昂贵，只在高级不锈钢中使用；

1）磷、砷、锑在周期表中同族，在钢中作用类似，均使奥氏体相区减小；

2）在铁中有一定溶解度，与铁形成低熔点化合物；

3）都有严重的偏析倾向；

1）提高钢的强度；

1）改善钢的耐磨性；

2）改善钢的耐蚀性；

3）改善钢的切削加工性能；

1）应用于钢轨钢及易切削钢，也用于炮弹钢；