特种钢：非碳化构形成元素的变革

一、铁碳不再称老大

人们经过长期的生产和科学实验，对合金元素在钢中所起作用的认识逐步得到了丰富和发展。迄今为止，人们在这方面的认识还不全面，不仅对多种元素在钢中的综合作用和制约关系认识不足，就是对单一元素在钢中的作用也未完全掌握。但事物是发展的，人们的认识也会随着实验技术条件的改善和实验方法的创新而一步一步地得到提高。

铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。实践证明，正是这三者之间的相互作用，根本改变着钢的各种性能。然而，这三者之间的相互作用却十分复杂，特别是合金元素对钢的性能的影响仍需要人们更为深入地开展研究。

我们如道，碳素钢绝非仅含铁和碳两种元素，而是合金含量小于2%的铁碳合金。由于冶炼时所用原料以及冶炼方法和工艺操作等的影响，钢中总不免有少量的其他元素存在，如硅、锰、硼、磷、铜、铬、镍等。然而这些元素并不被作为合金元素来看待，而是被看成杂质或残余元素。只有那些为提高钢的某种性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素，才被认为是合金元素。加入合金元素的这种钢就被称为合金钢。

作为合金化目的加入钢中的元素有那些呢？常见的有硼、氮、铝、铋、硅、钒、铬、锰、钴、镍、锆、铌、钼、钨等。其中，硼、锰、钼、钨、钒、铋等是我国富产元素。特别应该指出的是，我国富产的稀土元素在合金钢中的作用，近年来无论在国内还是国外都受到了极大的重视，已成为合金钢发展中的重要课题。

研究合金元素与铁的相互作用之间的规律，对特种钢的研发和生产实践有直接的指导意义。为了保证钢具备良好的耐蚀性，需要在室温获得单相组织，这就需要运用合金元素与铁相互之间作用的规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量使钢在室温下获得单相的奥氏体或铁素等组织来实现的。另外它还将有助于我们进而了解合金元素对铁碳状态图的影响，也有助于我们更深刻地认识合金元素、铁、碳之间的关系和相互作用。

合金元素与碳的相互作用对合金钢的性能也有重要影响。合金元素与碳在合金钢冶炼过程形成碳化物，其种类、性质和在钢中的分布会直接影响到钢的性能，如钢的强度、硬度、耐磨性和某些特殊性能等。同时对钢的热处理也有较大影响，如奥氏体化的温度和时间、奥氏体晶粒度的长大等。此外，由于合金元素与碳元素之间具有不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度亦有较大的影响，如强碳化物形成元素会阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度，而弱碳化物形成元素，如锰以及大多数非碳化物形成元素就无此作用，甚至某些元素相反还有增大碳原子扩散速度的作用。因而，合金元素与碳的作用对钢的相变有重要的影响。

分析研究合金元素分别与铁和碳的相互作用以及合金元素对铁、碳相图的影响是十分重要的。透过这些分析和研究，可以使我们对合金元素、铁、碳三者之间相互作用规律有所了解，进而为我们讨论合金元素对钢的相变以及性能的影响打下基础。然而仅就此还是不够的，铬在不锈钢中是良好的抗蚀性元素，但必须是在充分溶入固溶体中才能发挥其效应，否则钢中虽然加入了铬，如铬与碳结合形成了碳化物，则不能发挥其提高钢抗蚀性的作用。与此相反，在某些情况下，例如在42Mn2V等锰、钒合金结构钢中，加入合金元素是为了在钢中形成部分细小弥散分布的钒的碳化晶粒，降低锰的过热敏感比，可是如若淬火加热温度过高，钒的碳化物将大部或全部溶解进入奥氏体，上述作用就会消失，从而达不到预期的效果。

因此，并不是合金元素加入钢中就能发挥出其应有的作用，合金元素能不能发挥出预期的效应还需视合金元素在钢中的存在形式及分布状况决定。事实表明，即使是同一种钢，但由于合金元素的存在形式以及分布状况不同，它们的机械性能也会有显著的不同。

合金元素在钢中究竟有哪些存在形式，其分布状况又有哪些变化规律呢？

我们已经知道，不同合金元素与铁和碳作用反映出的特性是不同的，非碳化物形成元素，只以原子状态存在于奥氏体或铁素体中，如硅、铝、镍等。而强碳化物形成元素和碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，在平衡状态下，就会形成它们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态进入固溶体，如钒、铌等。其他碳化物形成元素介于这两者之间，一部分进入团溶体，另一部分进入渗碳体形成合金渗碳体，但当含量超过一定限度时（除锰外）又将形成它们自己的特殊碳化物。这类元素在碳化物中的浓度，一般都高于在奥氏体或铁素体中的浓度，同时碳化物形成元素在钢中的分布还将受合金元素的含量以及碳含量的影响。因此，根据合金元素的特性，在不同外界条件的影响下，合金元素在钢中将会出现不同的存在形式。可以溶入固溶体中（铁素体、奥氏体），形成各种碳化物，存在于夹杂物中，如一些比较活泼的元素，能与钢中氧、氮化合成稳定的氧化物和氯化物等。铬、锆、锰也能与钢中的硫化合，形成硫化物存在。一些合金元素或是存在于金属间化合物中。合金元素的含量超过它在钢中的溶解度后，将以较纯的金属相存在。(www.xing528.com)

由于合金元素与铁、碳作用表现出不同的特性，因而合金元素在钢中的分布是不均匀的。一般说来，要确切判定合金元素在钢中的作用，有必要弄清楚合金元素在钢中的分布状况。不仅如此，合金元素在钢中的分布还受热处理工艺条件的直接影响。机加热温度和保温时间影响合金元素（化合物）的溶解度，冷却速度则影响合金元素的析出程度。所以我们只能分别讨论在退火、正火、淬火、回火状态下合金元素在钢中的分布。

非碳化构形成元素，如镍、铋、铝、钴等，基本上溶于铁素体中，在碳化物中的溶解度极微。碳化物形成元素，当钢中这类元素含量较少，碳量又足够时，则它们大部分处于碳化物中（或者形成合金渗碳体，或者形成特殊碳化物）。其中锰稍有例外，它的一小部分溶于渗碳体，而大部分则镕入铁素体中。当钢中这类元素含量较高，而碳量不足以使之全部形成碳化物时，则和碳亲和力较大的元素优先形成碳化物，如有余量则溶入铁素体中。而与碳亲和力较小的元素则全部溶入铁素体中。

一般在正火状态下，钢材具有铁素体与珠光体并存的组织结构，合金元素的分布与在退火状态下的分布没有质的差别，而有些钢材经正火处理后可形成贝氏体或马氏体的组织结构。

钢的性能主要决定于钢的成分和组织。合金元素的加入改变了碳钢的化学成分和组织，所以合金钢在机械性能、工艺性能、物理性能、化学性能等方面都不同于碳钢。

既然钢的性能主要决定于钢的成分和组织结构，而钢的组织结构在很大程度上又取决于不同的热处理方式，因此，合金元素对钢的机械性能的影响不仅与其性质有关，而且还与钢的热处理状态密切相关。所以我们只能按照钢的不同热处理状态讨论合金元素对性能的影响。

钢的冷轧加工性能与钢的冷轧硬化率是密切相关的。钢的冷轧硬化率高，成形过程中会很快变硬变脆。这对冷轧加工是很不利的。

合金元素溶入固溶体中，将使铁原子的晶体点阵发生不同程度的畸变，因而使固溶体的强度、硬度和冷轧加工硬化率都有所提高，从而使钢的延展性下降。

钢的热压力加工性能与多方面因素有关。合金元素的影响表现在以下几个方面：如增加钢的热变形抗力，使热压力加工变得困难；与钢中氧、硫形成氧化物或硫化物夹杂，增加钢的热脆性，也会给热压力加工造成困难。例如，当钢中硫含量较高时，易于在晶界上与硫化合形成含硫化物的低熔点共晶产物，使钢产生热脆性。相反，锰、钛、铌等能与硫化合形成熔点高的硫化物，使钢的热脆性降低，有利于钢的热压力加工的进行。钢的铸态组织是影响钢的热压力加工性能的重要因素，如铸钢的枝状晶胞增加，可使钢的塑性降低，给热压力加工带来困难。锰奥氏体钢的枝状晶比较严重。某些含有强碳化物形成元素的高合金钢，如高速钢，由于含有大量的共晶碳化物，也会给热压力加工造成困难。然而钒能够细化碳化物和铸态组织，对热压力加工则是有利的。

总之，合金元素对钢的热压力加工性能的影响是多方面的，应该根据具体情况做具体分析。