钢的性能革命：合金元素的加入与效果

合金元素及其在合金中的作用

合金元素在钢中的作用

合金元素是指为了改善和提高钢的某些性能，或赋予其特殊性能，在冶炼过程中有意加入的元素。常用的合金元素包括铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钴(Co)、硅(Si)、锰(Mn)、铝(Al)、铜(Cu)、硼(B)及稀土(Re)等。此外，磷(P)、硫(S)、氮(N)等在某些特定条件下也起到合金元素的作用。

(1) 铬(Cr)

铬能显著提高钢的淬透性并具备二次硬化作用，增强高碳钢的硬度和耐磨性而不致脆化。当含量超过12%时，赋予钢优异的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀能力，同时提升热强性。铬是不锈耐酸钢及耐热钢的关键合金元素。

铬还能提升碳素钢轧制状态下的强度和硬度，但会降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，这一趋势反转，强度和硬度略有下降，而伸长率和断面收缩率则有所提高。含铬钢的部件经研磨后，易于获得高质量的表面加工效果。

在调质结构钢中，铬的主要作用是增强淬透性，使钢在淬火回火后展现出色的综合力学性能。在渗碳钢中，铬能形成含铬碳化物，增强材料表面的耐磨性。

铬元素还使得含铬弹簧钢在热处理过程中不易脱碳，提升工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，并赋予其良好的回火稳定性。在电热合金中，铬则能增强合金的抗氧化性、电阻和强度。

(2) 镍(Ni)

镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，总体效果为提升强度，而对塑性的影响不显著。对于低碳钢，适量镍能在轧制、正火或退火状态下提高强度而不显著降低韧性。镍含量每增加1%，强度约提升29.4MPa。镍还能提高钢的屈服强度比抗拉强度快，增强对疲劳的抵抗力和降低对缺口的敏感性，显著降低低温脆性转变温度，适用于低温用钢。

镍含量高的铁镍合金，其线胀系数随镍含量变化显著，可用于设计生产具有特定线胀系数的精密合金和双金属材料。此外，镍赋予钢耐酸碱、抗大气及盐腐蚀的能力，是不锈耐酸钢的重要元素之一。

(3) 钼(Mo)

钼在钢中提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力，以及在特定介质中的抗蚀性。在调质钢中，钼使大断面零件淬深、淬透，提升抗回火性或回火稳定性，便于在较高温度下回火，消除残余应力，提高塑性。

在渗碳钢中，钼减少碳化物在晶界形成连续网状的倾向，降低残留奥氏体含量，增强表面耐磨性。在锻模钢中，钼保持钢的硬度稳定，增强对变形、开裂和磨损的抵抗力。在不锈耐酸钢中，钼提升对多种有机酸和氧化性介质的抗蚀性，特别是有效防止氯离子引起的点腐蚀。

(4) 钨(W)

钨在钢中部分形成碳化物，部分溶于铁中形成固溶体，作用与钼相似但效果略逊。钨主要用于工具钢，如高速钢和热锻模具钢，增加回火稳定性、红硬性、热强性和耐磨性。在优质弹簧钢中，钨形成难熔碳化物，延缓碳化物聚集，保持高温强度。

(5) 钒(V)

钒与碳、氮、氧形成稳定化合物，主要以碳化物形态存在于钢中，细化组织和晶粒，降低过热敏感性，提升强度和韧性。在高温溶于固溶体时增加淬透性，反之降低。钒还提升淬火钢的回火稳定性和二次硬化效应。在普通低合金钢中，钒细化晶粒，改善焊接性能；在合金结构钢中常与锰、铬等元素联合使用。

(6) 钛(Ti)

钛与氮、氧、碳亲和力强，是良好的脱氧去气剂和固定元素。碳化钛稳定不易分解，阻止晶粒长大。在不锈钢中，钛固定碳以消除晶界贫铬，防止晶间腐蚀。钛提高普通低合金钢的塑性和韧性，改善力学性能。在高铬不锈钢中，钛提升抗蚀性和韧性，阻止晶粒长大，改善焊接性能。

(7) 铌(Nb)

铌与钽作用相近，部分溶于固溶体起强化作用，提高淬透性。以碳化物形态存在时细化晶粒，降低淬透性。铌增加回火稳定性，有二次硬化作用，提升强度而不影响塑性或韧性。在奥氏体钢中防止晶间腐蚀，提升热强钢的高温性能。

(8) 锆(Zr)

锆是强碳化物形成元素，作用与铌、钛、钒相似。少量锆脱气、净化、细化晶粒，有利于低温性能，改善冲压性能，常用于制造高强度钢和镍基高温合金。

(9) 钴(Co)

钴多用于特殊钢和合金中，含钴高速钢高温硬度高，与钼共加入马氏体时效钢中获得超高强度。钴降低钢的淬透性，单独加入会降低综合力学性能，但能强化铁素体，提升硬度和强度。钴在耐热钢和磁性材料中也是重要元素。

(10) 硅(Si)

硅溶于铁素体和奥氏体，提高钢的硬度和强度，但含量超过3%时显著降低塑性和韧性。硅提升钢的弹性极限、屈服强度和疲劳强度，是弹簧钢的重要元素。硅降低钢的密度、热导率和电导率，促进铁素体晶粒粗化，减小磁阻，用于生产电工用钢。硅还能提升钢的抗氧化性，但过多会降低焊接性能。

(11) 锰(Mn)
锰是一种卓越的脱氧剂和脱硫剂，广泛应用于钢铁生产中。通过消除或减轻硫引起的热脆性，锰显著改善了钢的热加工性能。锰与铁形成固溶体，不仅增强了铁素体和奥氏体的硬度和强度，还作为碳化物形成元素进入渗碳体，替代部分铁原子。此外，锰通过降低钢的临界转变温度，细化珠光体结构，间接提升钢的强度。其稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，并显著提升钢的淬透性。目前，已开发出多种合金钢，其锰含量精确控制在2%以下，以优化材料性能。

(12) 铝(Al)
铝在钢铁生产中主要担任脱氧和细化晶粒的角色，同时促进渗氮钢中坚硬耐蚀渗氮层的形成。铝能抑制低碳钢的时效现象，增强钢在低温下的韧性。高铝含量钢表现出优异的抗氧化性和耐氧化性酸及H₂S气体的腐蚀能力，同时改善钢的电、磁性能。铝的固溶强化作用显著，提升渗碳钢的耐磨性、疲劳强度及芯部力学性能。在耐热合金中，铝与镍形成化合物，提高材料的热强性。然而，铝含量过高可能导致钢产生反常组织或促进石墨化，需在生产中严格控制。

(13) 铜(Cu)
铜在钢中的主要作用是提升普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，尤其与磷联合使用时效果更佳。适量铜的加入还能增强钢的强度和屈服比，且不影响焊接性能。特定钢轨钢中含铜0.20%～0.50%，其耐蚀寿命显著优于普通碳素钢轨。高铜含量钢经固溶处理和时效后，可获得时效强化效果。然而，高铜含量对热变形加工不利，可能引发铜脆现象。

(14) 硼(B)
硼在钢中主要用于增强淬透性，从而节省镍、铬、钼等贵重金属的使用。其最佳含量范围通常设定在0.001%～0.005%之间。硼可部分替代镍、铬或钼，但需注意硼可能略微增加回火脆性，不宜完全替代钼。在中碳碳素钢中添加硼，可显著提升大厚度钢材的调质后性能。硼在弹簧钢中的应用亦有利，但需避免在高硅弹簧钢中使用，因其作用波动较大。

(15) 稀土(Re)
稀土元素包括镧系元素（原子序数57-71）及钪、钇，共17种。这些元素性质相近，常以混合稀土形式使用，成本较低。稀土元素显著提升锻轧钢材的塑性和冲击韧性，尤其在铸钢中效果更为显著。它们还能增强耐热钢、电热合金和高温合金的抗蠕变性能及抗氧化性、耐蚀性。在普通低合金钢中加入适量稀土，可优化脱氧去硫效果，提高冲击韧性，特别是低温韧性。

(16) 氮(N)
氮在铁中有一定溶解度，能进行固溶强化并略微提高钢的淬透性。氮化物在晶界析出，显著提升晶界高温强度和钢的蠕变强度。氮与其他元素化合时具有沉淀硬化作用。钢表面渗氮后，不仅硬度和耐磨性增强，抗蚀性也显著改善。但低碳钢中残留氮可能引发时效脆性。

(17) 硫(S)
适量提高硫和锰的含量可改善钢的切削性能，使硫成为易切削钢中的有益元素。然而，硫在钢中偏析严重，恶化材料质量，降低高温塑性，是有害元素之一。它以低熔点的FeS形式存在，易导致热脆现象。因此，需严格控制硫含量，通常不超过0.020%～0.050%。加入足够的锰可形成高熔点MnS，防止硫引起的脆性。

(18) 磷(P)
磷在钢中具有显著的固溶强化和冷作硬化作用，能提高低合金结构钢的强度和耐大气腐蚀性能，但会降低冷冲压性能。磷与硫、锰联合使用可改善切削性能。然而，磷的偏析严重，显著增加回火脆性，降低钢的塑性和韧性，易导致冷脆现象，并对焊接性产生不利影响。因此，磷是有害元素，需严格控制其含量，一般不超过0.030%～0.040%。