合金中微量元素的作用
几种微量元素在高温合金中的作用与机理
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｍ ｉｎｏｒ ｅｌｅｍ ｅｎｔｓ ｏｎ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ
ＧＵ Ｏ Ｊｉａｎ—ｔｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００１６，Ｃｈｉｎａ）
郭建亭
（中国 科 学 院 金 属 研 究 所 ， 沈 阳 １１００１６１
摘 要 ：研 究 几 种 微量 元 素对 高 温 合 金 力 学 性 能 和微 观 组 织 结 构 的影 响 ；从 晶界 结 合 力 、 晶界 沉 淀 和 凝 固 偏 析 等 方面对微量元素的不 同作用进行讨论 。结果表 明：适量的 Ｂ、Ｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｚｒ和 Ｍｇ明显 改善高温合金的持 久性能；ｓｉ和 Ｓ则明显 降低高温合金的持 久性 能；而 Ｐ对 一些 高温合金特别是变形高温 合金表现 出有益作用，而 对 另 一 些 高温 合 金 特 别 是 铸 造 合 金表 现 出有 害 作 用 。 关 键 词 ： 高温 合 金 ；微 量 元 素 ； 作用 机 理 ：力 学 性 能 ； 微 观 组 织 中图 分 类 号 ：ＴＧ１ １３．２５，ＴＧ１３２．２ 文 献标 志 码 ：Ａ
１ 有益 的微 量 元 素
１．１ Ｂ在 高 温 合 金 中 的作 用 Ｂ 是 高温 合 金 中应 用 最 广 泛 的微 合 金 化 元 素 。绝
大 多数变 形高温合 金和铸 造高 温合金 中都 加入微 量 Ｂ。Ｂ对高温合金 的持久性能和蠕变性 能影响最 明显 ， 通常都有一最佳含量范围 。本文作者 在 ２０世纪 ７０
中国科学 院金属研 究所高温合金与金属 间化合物 研究组先后研究 了 Ｂ、Ｃ、Ｙ、Ｌａ、ｃｅ、Ｚｒ、Ｍｇ等有 益 微 量元 素 在 高 温 合 金 中 的作 用 ， 以及 Ｓｉ、Ｓ等 有 害 元 素 对 高温 合 金 力 学 性 能 和 组 织 结构 的影 响 ， 同时 还 研究 了 Ｐ在高温合金中的双重作用 。
铜的微量元素作用
铜的微量元素作用铜是一种常见的金属，除了主要成分铜外，还含有微量元素。
这些微量元素在铜的性质和用途中起着重要的作用。
本文将针对铜的微量元素作用展开详细的阐述。
铝是铜的一种常见微量元素。
铝的加入可以提高铜的强度和硬度，使其更加耐磨和耐腐蚀。
这使得铜在制造工业中得到广泛应用，如制造机械零件、汽车零部件等。
铝还可以提高铜的导热性能，使其更适合用于制造散热器、电线电缆等产品。
锰是另一个常见的铜的微量元素。
锰的加入可以提高铜的抗氧化性能，使其更加耐高温和耐腐蚀。
这使得铜在航空航天、核工业等高温和腐蚀环境下得到广泛应用。
同时，锰还可以提高铜的强度和硬度，使其更适合用于制造高强度的铜合金。
硅是铜的另一个重要微量元素。
硅的加入可以提高铜的耐磨性能和耐腐蚀性能，使其更适合用于制造摩擦材料、阀门等产品。
硅还可以提高铜的导热性能和导电性能，使其更适合用于制造散热器、电线电缆等产品。
锌是铜的另一个常见微量元素。
锌的加入可以提高铜的耐腐蚀性能和抗菌性能，使其更适合用于制造食品加工设备、医疗器械等产品。
锌还可以提高铜的强度和硬度，使其更适合用于制造紧固件、弹簧等产品。
镍是铜的另一个重要微量元素。
镍的加入可以提高铜的耐腐蚀性能和抗磨性能，使其更适合用于制造化工设备、海洋设备等产品。
镍还可以提高铜的强度和硬度，使其更适合用于制造高强度的铜合金。
铅是铜的另一个常见微量元素。
铅的加入可以提高铜的润滑性能和可加工性，使其更适合用于制造轴承、齿轮等产品。
同时，铅还可以提高铜的耐磨性能和耐蚀性能，使其更适合用于制造化工设备、海洋设备等产品。
总结起来，铜的微量元素对其性质和用途起着重要的作用。
不同的微量元素加入可以改变铜的强度、硬度、导热性能、耐腐蚀性能等特性，使其更适合用于不同的领域和行业。
因此，在铜的制造和应用过程中，合理控制微量元素的含量是十分重要的。
通过调整微量元素的含量，可以使铜的性能得到最大程度的发挥，满足不同领域的需求，推动相关行业的发展。
16317369_微量元素对镍基高温合金微观组织与力学性能的影响
第10卷 第2期 精 密 成 形 工 程2018年3月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING1收稿日期：2017-12-15基金项目：国家自然科学基金（51575129）；山东省重点研发计划（2016GGX102026）作者简介：张鹏（1978—），男，博士，教授，主要研究方向为高温高强材料塑性成形及失效控制。
通讯作者：王传杰（1988—），男，博士，讲师，主要研究方向为金属精密塑性成形。
微量元素对镍基高温合金微观组织与力学性能的影响张鹏，杨凯，朱强，陈刚，王传杰（哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院，山东 威海 264209）摘要：在高温环境中镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能，被广泛应用于航空航天等领域。
镍基高温合金优异的综合性能与其微观组织紧密相关。
综述了微量元素B, C, Y , Ce, Hf, Re, Ru, P 对镍基高温合金微观组织及其力学性能的影响。
针对不同的镍基高温合金，对微量元素的不同作用进行讨论分析。
镍基高温合金微观组织及其力学性能与微量元素的含量及其分布有关。
添加于镍基高温合金中的微量元素分布在合金基体或者其析出相中，通过偏聚于晶界处或者元素偏析等方式，改变合金的微观组织，从而影响其力学性能。
关键词：镍基高温合金；微量元素；微观组织；力学性能 DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2018.02.001中图分类号：TG113.25；TG132.3+2 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2018)02-0001-06Effect of Microelement on Microstructure and Mechanical Propertyof Nickel-base SuperalloyZHANG Peng , YANG Kai , ZHU Qiang , CHEN Gang , WANG Chuan-jie(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China)ABSTRACT: Nickel-base superalloys possess excellent high-temperature strength, oxidation and corrosion resistance, fatigue resistance in a high temperature environment, and are widely used in aerospace and other fields. The excellent comprehensive properties of nickel base high temperature alloy are closely related to microstructure. The effects of B, C, Y, Ce, Hf, Re, Ru and P microelements on microstructure and mechanical properties of nickel-base superalloys were reviewed in this paper. Different effects of microelement were discussed for different nickel-base superalloys. Microstructures and mechanical properties of nick-el-base superalloys were related to content and distribution of microelement. The microelements in nickel-base superalloys were distributed in the alloy matrix or their precipitated phases. The microstructure of the alloy was changed by partial clustering in the grain boundary or the element segregation of microelements, thus affecting its mechanical properties. KEY WORDS: nickel-base superalloy; microelement; microstructure; mechanical property由于镍基高温合金在高温条件下具有良好的高温强度、优异的抗氧化性、抗腐蚀性以及抗疲劳性能等综合性能，在航空航天、船舶、核电等领域得到了广泛的应用，已经成为航空发动机涡轮盘、涡轮叶片等部件的关键材料。
微量合金元素对铜合金组织的影响
微量合金元素对铜合金组织的影响
1.磷（P）：磷是一种常见的微量合金元素，对纯铜和铜合金都有很大的影响。
磷的加入可以提高铜合金的强度和硬度，同
时还能够提高铜合金的耐腐蚀性能。
磷与铜形成的磷化铜溶解
度很低，可以细化铜合金的晶粒结构，从而提高合金的强度。
2.锡（Sn）：锡是一种广泛应用于铜合金中的微量合金元素。
锡的加入可以提高铜合金的耐蚀性，尤其是在海水中具有良好
的抗腐蚀性能。
此外，锡还能够改善铜合金的润滑性能和耐磨
性能。
锡与铜形成的固溶体可以使铜合金晶粒细化，进而提高
合金的强度和硬度。
3.硼（B）：硼是一种强过渡元素，对铜合金具有很强的固溶强化作用。
硼的加入可以显著提高铜合金的强度和硬度，并且
还能够改善其耐腐蚀性能。
硼与铜形成的固溶体具有高的固溶度，可以细化铜合金的晶粒结构，从而提高合金的强度。
4.锌（Zn）：锌是一种常见的微量合金元素，通常与铜形成
黄铜合金。
锌的加入可以显著提高铜合金的强度和硬度，并且
还可以改善合金的耐磨性能和耐腐蚀性能。
锌与铜形成的固溶
体可以细化铜合金的晶粒结构，并且还可以改变合金的相变温
度和熔点。
铝合金中各种主要元素起什么作用
硅(Si)是改善流动性能的主要成份。
从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。
但结晶析出的硅(Si)易形成硬点，使切削性变差，所以一般都不让它超过共晶点。
另外，硅(Si)可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低。
铜(Cu)在铝合金中固溶进铜(Cu)，机械性能可以提高，切削性变好。
不过，耐蚀性降低，容易发生热间裂痕。
作为杂质的铜(Cu)也是这样。
镁(Mg)铝镁合金的耐蚀性最好，因此ADC5、ADC6是耐蚀性合金，它的凝固范围很大，所以有热脆性，铸件易产生裂纹，难以铸造。
作为杂质的镁(Mg)，在AL-Cu-Si这种材料中，Mg2Si会使铸件变脆，所以一般标准在0.3%以内。
铁(Fe)杂质的铁(Fe)会生成FeAl3的针状结晶，由于压铸是急冷，所以析出的晶体很细，不能说是有害成份。
含量低于0.7 %则有不易脱模的现象，所以含铁(Fe)0.8 ~ 1.0 %反而好压铸。
含有大量的铁(Fe)，会生成金属化合物，形成硬点。
并且含铁(Fe)量过1.2 %时，降低合金流动性，损害铸件的品质，缩短压铸设备中金属组件的寿命。
镍(Ni)和铜(Cu)一样，有增加抗拉强度和硬度的倾向，对耐蚀性影响很大。
想要改善高温强度耐热性，有时就加入镍(Ni)，但在耐蚀性及热导性方面有降低的影响。
锰(Mn)能改善含铜(Cu)，含硅(Si)合金的高温强度。
若超过一定限度，易生成Al-Si-Fe- P+o { T*T f;X}Mn四元化合物，容易形成硬点以及降低导热性。
锰(Mn)能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。
再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。
MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁(Fe)，形成(Fe，Mn)Al6减小铁的有害影响。
锰(Mn)是铝合金的重要元素，可以单独加入Al-Mn二元合金，更多的是和其他合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰(Mn)。
7xxx系铝合金中元素的作用
7xxx系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，主要由Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu 系合金组成，有些合金还有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ag、Ti等，属于热处理可强化铝合金。
常用7xxx系近80个，主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，占总数的74.3%。
因其具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的初性等优点,已成为最重要的结构材料之该系合金中，常用的牌号有7A03、7A04、7A09及7005、7075、7475、7050、7055等合金。
可加工成板、棒、线、管材及锻件等半成品,主要用于结构材料。
一、Al-Zn-Mg系合金Al-Zn-Mg合金中主要合金元素为锌、镁，微量的添加元素有锰、铬、铜、锆和钛，杂质主要由铁和硅。
常用的Al-Zn-Mg系合金约有20个，如7003、7004、7005、7008、7108等，Al-Zn-Mg系合金具有良好的热变形能力，淬火范围很宽，在适当的热处理条件下能够得到较高的强度。
焊接性能良好，一般耐蚀性较好，有一定的应用腐蚀倾向，是高强可焊的铝合金，主要用于飞机和船舶部件、车辆装甲、军用浮桥、起重车辆等。
1.1 主要合金元素锌、镁：在Al-Zn-Mg系合金中，Zn和Mg两者含量一般不大于7.5%，Al-Zn-Mg 系合金随着锌、镁含量的提高，强度、硬度大大提高，但塑性、抗应力腐蚀性和断裂韧性降低。
合金的应力腐蚀倾向与Zn、Mg含量总和有关，高Mg低Zn或高Zn低Mg的合金，只要Zn、Mg含量总和不大于7.5%，该合金具有较好的耐应力腐蚀性能。
Zn、Mg含量不仅决定了强化相的数量，而且决定了淬火临界速度，因而决定了自淬火性和时效时的性能变化。
含Zn量低（3%以下）的合金强度低，伸长率高，在人工时效时不发生明显强化。
w（Zn）=4%-6%和w(Mg）=2%-4%合金的淬火时效的强度对淬火冷却速度很敏感，在空气中淬火将导致合金强度降低，并有很高的应力腐蚀倾向。
铝合金中各项元素及微量元素作用
九、锶Sr ¡ Sr可使共晶Si的晶体的头部成为细粒状，有效地 提高了合金的强度，Sr对共晶Si的变质细化产生 非常大的效果。
.24.
未变质ADC12
.25.
锶变质ADC12
.26.
未变质A356
.27.
锶变质A356
.28.
十、Ni镍
¡ Ni在铝合金中形成NiAl3等金属化合物，提高合金的 高温强度和体积、尺寸稳定性，并有使Fe的化合物 变成块状的倾向，即降低杂质Fe的有害作用，，但 使合金的耐蚀性下降。
.17.
未变质
.18.
Ca变质
.19.
七、磷P
¡ P在铝合金中形成AlP结晶，使合金中结晶出细小的 初晶Si，有效的细化了其晶粒。P是通过Cu-P、AlCu-P中间合金加入的，当同时有Ca存在时，则会 生成Ca3P，降低P的变质效果，P会降低Na、Sr、 Sb的细化共晶Si的效果。
.20.
未变质
.29.
十一、钛Ti ¡ Ti使晶粒细化的作用，所生成的TiAl3 TiB2 密度比铝 合液大，所以添加后从保温到浇铸时间不要拖得过 长，否则会产生沉降或密度偏析。
.30.
.31.
十二、锑(Sb) ¡ Sb对Aｌ－Sｉ系合金有变质作用，它对亚共晶和过 共晶都有较好的变质作用，经细化后的共晶Si的晶 粒呈薄层状。
¡ 含硅量较高的Al-Si合金中的共晶硅一般要进行变质处理使之细化。
.9.
二、铁Fe
¡ 长存有害杂质，增加合金脆性,易生成β相（针状）降低合金强度.杂质铁 生成FeAl3针状结晶，由于压铸是急冷，所以析出的晶体很细，不能说 是有害成分，含量低于0.7%则不易脱模,所以Fe含量0.8-1.0%反而好压 铸.含有大量的铁会生成金属化合物,形成硬点.并且含铁量1.2%时,降低合 金流动性,损害铸件的品质,缩短压铸设备中金属组件的寿命.所以应尽量 减少人为致使铁含量增高，对铁质钳和工具有效保护，在生产中控制铁 的含量，并使硅略低度于共晶点。浇铸铝液温度不宜过低
铝合金中各元素对铸造与铸件的影响
铝合金当中各项元素及微量元素对铸造性能和铸件性能有什么影响？以下对几个主要元素略作说明：硅(Si)硅(Si)是改善流动性能的主要成份。
从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。
但结晶析出的硅(Si)易形成硬点，使切削性变差，所以一般都不让它超过共晶点。
另外，硅(Si)可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低。
铜(Cu)在铝合金中固溶进铜(Cu)，机械性能可以提高，切削性变好。
不过，耐蚀性降低，容易发生热间裂痕。
作为杂质的铜(Cu)也是这样。
镁(Mg)铝镁合金的耐蚀性最好，因此ADC5、ADC6是耐蚀性合金，它的凝固范围很大，所以有热脆性，铸件易产生裂纹，难以铸造。
作为杂质的镁(Mg)，在AL-Cu-Si这种材料中，Mg2Si会使铸件变脆，所以一般标准在0.3%以内。
铁(Fe)杂质的铁(Fe)会生成FeAl3的针状结晶，由于压铸是急冷，所以析出的晶体很细，不能说是有害成份。
含量低于0.7 %则有不易脱模的现象，所以含铁(Fe)0.8~ 1.0 %反而好压铸。
含有大量的铁(Fe)，会生成金属化合物，形成硬点。
并且含铁(Fe)量过1.2 %时，降低合金流动性，损害铸件的品质，缩短压铸设备中金属组件的寿命。
镍(Ni)和铜(Cu)一样，有增加抗拉强度和硬度的倾向，对耐蚀性影响很大。
想要改善高温强度耐热性，有时就加入镍(Ni)，但在耐蚀性及热导性方面有降低的影响。
锰(Mn)能改善含铜(Cu)，含硅(Si)合金的高温强度。
若超过一定限度，易生成Al-Si-Fe- Mn四元化合物，容易形成硬点以及降低导热性。
锰(Mn)能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显着细化再结晶晶粒。
再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。
MnAl6的另一作用是能溶解杂质铁(Fe)，形成(Fe，Mn)Al6减小铁的有害影响。
锰(Mn)是铝合金的重要元素，可以单独加入Al-Mn二元合金，更多的是和其他合金元素一同加入，因此大多铝合金中均含有锰(Mn)。
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合金中微量元素的作用
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀
性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。
镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。
但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。
结构钢中加入钼，能提高机械性能。
还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
在工具钢中可提高红性。
9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。
它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。
改善焊接性能。
在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。
10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。
钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。
钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。
钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。
在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。
12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。
在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。
铌可改善焊接性能。
在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。
14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。
铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。
缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。
当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。
15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。
钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。
铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。
铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切
削加工性能。
16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。
这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。
钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。
在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。
24。