合金元素在钢中的存在形式

一、合金元素在钢中的存在形式

碳钢中的基本相为铁素体和渗碳体。合金元素加入以后，它们或者溶入碳钢原有的相中，或者形成新相(如化合物)。概括起来，合金元素在钢中主要有四种存在形式。

(一)形成合金铁素体

大多数合金元素都能溶入铁素体中，形成合金铁素体，起固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度提高，塑性和韧性降低。

几种常见的合金元素对铁素体性能的影响如图7-1和图7-2所示。除磷以外，锰、硅、镍对铁素体的强化效果最为显著，但当硅含量w_Si＞0．6%、锰含量w_Mn＞1．5%时将使其韧性下降;而铬、镍则比较特殊，若将其含量控制在适当的范围内(w_Cr≤2%，w_Ni≤5%)，它们在强化铁素体的同时，仍能使钢保持良好的韧性。

图7-1　合金元素对铁素体硬度的影响

图7-2　合金元素对铁素体韧性的影响

(二)形成合金碳化物

钢中能形成碳化物的合金元素(按与碳的亲合力由弱到强依次排列)有Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Zr等。合金元素与碳的亲和力愈大，所形成碳化物的稳定性愈好。其中Zr、Ti、Nb、V与碳的亲和力极强，称为强碳化物形成元素。这些元素在钢中通常都以化合物的形式存在，仅在缺少碳的情况下，才以原子态溶入固溶体中;Mn是弱碳化物形成元素，除少量溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素体和奥氏体中;中强碳化物形成元素有W、Mo、Cr，它们多溶于渗碳体中形成合金渗碳体，当其含量较高时，则可能形成新的碳化物。钢中的合金碳化物主要有以下两类类型。

1．特殊碳化物

强碳化物形成元素和中强碳化物形成元素与碳作用后形成特殊碳化物。这类碳化物与渗碳体完全不同，有自己独立的晶体结构，按其晶格类型可分为两种:

(1)具有简单晶格的间隙相碳化物，如WC、Mo₂C、VC、TiC等。

(2)具有复杂晶格的碳化物，如Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Fe₃W3C等。

特殊碳化物特别是间隙相碳化物的特点是高熔点、高稳定性和高硬度，当其在钢中存在并弥散分布时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性，而不会明显地降低钢的韧性，这一点对提高工具钢的使用性能极为有利。

2．合金渗碳体

合金渗碳体是合金元素溶入渗碳体中所形成的化合物，如(Fe，Mn)₃C、(Fe，Cr)₃C、(Fe，W)₃C等。其特点是部分合金元素的原子置换了Fe₃C中的铁原子，其中铁与合金元素的比例可变，但两者之和与碳的比例固定，仍为Fe₃C型。合金渗碳体较普通渗碳体的稳定性略高，硬度也较高，但不及特殊碳化物。合金渗碳体在一般低合金钢中比较常见。

碳化物是钢组织中的主要强化相，其类型、数量、大小、形态及分布对钢的性能有显著的影响。合金碳化物种类繁多，这是合金钢的组织结构要比碳钢更为复杂的主要原因。