導語

　　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，有高的強度和韌性的配合，或高的低溫韌性，在高溫下有高的蠕變強度、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構、原子尺寸及晶體點陣之間的差異，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，常溫基體相鐵素體趨于熱力學不平衡狀態(tài)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵鄪W氏體，這是一種擴散型轉(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，但也不隨機分布，而是有偏聚和短程有序兩種現(xiàn)象。研究結果指出，強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 中的擴散激活能，減緩碳的擴散，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，實現(xiàn)擴散均勻化。晶粒長大的驅(qū)動力是晶界兩側(cè)晶粒的表面自由能之差，元素 C、P、Mn提高表面 自由能，促進晶界的移動，晶粒長大 。

　　(2)影響鐵素體形成的元素

　　這里所述的鐵素體，不是指結構形態(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原子擴散過程的控制，也受C原子從鐵素體前沿向奧氏體中擴散的影響。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)變是一個形核長大的過程。合金元素對反應孕育期、碳化物的形成、α-Fe形核長大的影響實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℃間完成的半擴散型的相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程只是碳進行長程擴散，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;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)生的無擴散型相變，是強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，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的驅(qū)動力。

　　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化機制

　　(1)細晶強化

　　通過細化晶粒而使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化，工業(yè)上通過細化晶粒以提高材料強度。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。實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為細晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，塑性變形較均勻，應力集中較小;此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。故工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度的方法稱為細晶強化。

　　在低C-Mn鋼中，Nb、V、Ti等強碳氮化物形成元素有效地細化鐵素體晶粒尺寸。這些元素及AI、N的細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，實驗室內(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細化晶粒主要是以如下機制抑制奧氏體再結晶：①在固溶體中的溶質(zhì)拖拽作用;②細小析出物在γ晶界的釘扎作用;③在變形晶粒內(nèi)的位錯排列作用。這些作用的結果是推遲奧氏體再結晶直到奧氏體晶粒承受更大的變形，大大提高了γ再結晶開始所要求的臨界變形量，以致一旦發(fā)生再結晶，將有較高的形核率，得到細小的晶粒尺寸。細化晶粒是唯一能夠同時提高鋼的強度和韌性的方法。在一般的普碳鋼中大約一半的強度來自于晶粒細化，可見晶粒細化是鋼中最為重要的強化方式之一。因此，多年來人們一直通過多種手段致力于晶粒細化的研究。鋼鐵材料晶粒細化到μm或亞μm級范圍內(nèi)。鋼鐵材料從傳統(tǒng)晶粒尺寸(10μm或稍大)細化到1μm，強度將提高一倍。

　　(2)析出強化

　　析出強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℃進行沉淀硬化處理，可獲得很高的強度。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)原子會在固溶點陣的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相，從而導致合金的硬度升高的現(xiàn)象。

　　Nb、V、Ti在鋼中形成的細小碳氮化物起著阻止晶粒長大，抑制再結晶及在γ未再結晶區(qū)形變時熔化生核的作用，同時又具有很強的析出強化作用。即使在相當?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，晶體結構相似，又互相溶解。這些化合物析出強化的原型，不僅在于位錯的遷移所造成的切變和 Oroman機構的交互作用，還在于析出相與鐵素體的晶體學關系。微合金元素原子在基體中的擴散控制著析出速率，強化效果與析出物質(zhì)點的平均直徑成反比，與析出物質(zhì)點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微合金元素的細化晶粒和析出強化的效應，獲得高達400-600MPa的屈服強度和良好的韌性。

　　(3)固溶強化

　　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運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融人某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，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度、屈服強度和硬度，并且隨著溶質(zhì)濃度的提高，硬度、強度將顯著提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。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系不大。因此，一些高電阻材料應用在工程技術上，大多是固溶體合金。仍然保持溶劑的晶體結構是固溶體的一個重要特點。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構比較簡單。但是由于溶人了溶質(zhì)原子，使晶體結構某些方面發(fā)生了變化。元素Mn、Si及N的固溶強化，在低合金高強度鋼中，其強化貢獻是很小的。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。