各种合金元素对钢性能的影响

各种合金元素对钢性能的影响

1、Al

（1）Al当钢中其含量小于3～5%时，是一有益的元素。其作用是：高的抗氧化性和电阻。

①作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大（含Al＜10%，在加热＜1200℃才有细化作用，否则其作用甚小）和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。

作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性，①与②都有利于减弱钢的过热倾向。

③可改善钢的抗氧化性，考虑②和③，

④能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%，个别才有8～9%。

⑤对硅钢而言，Al可减少α铁心损失，降低磁感强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al 的氧化物会使磁性变坏。Al（＞0.5%）也会使硅钢变脆。

（2）Al的不良影响

①促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。

②加速脱碳

当Al含量增加至3～5%时，8～9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难，也使钢极易脱碳。（其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构，且其晶体的解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外，它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。

一般合金钢中含Al量：

合金结构钢： Al=0.4～1.1% (38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWV AlA等)

耐热不起皮钢：Al=1.1～4.5% (Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17Al4Si等)

电热合金：Al=3.5～6.5% (Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等)

甚至Al=8% Cr7Al7：考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使用。

2、Si

（1）一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%，更多时（4.8～6.5%）将使钢具有很高的脆性。Si的有益作用：高的热强性和弹性极限，高的导磁率，涡流损失少。

①象Al、Cr一样，其氧化物均是尖晶石类型的组织。其晶格常数与α-Fe、γ-Fe区别小。因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起，氧化皮紧密地被贴在金属上，甚至在高温下也不剥落。所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能，而被加入耐热钢。②有利于提高钢的弹性极限，在中碳钢中加入1～2%的Si，调质中σb将增15～20%，而Aku也提高了，还提高了σs和δ。

③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。此钢可制轴承，甚至作为工具钢代替，制冲头，拉模、弯曲模等。

④脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，故一般钢中均含Si，其量≤0.5%。

⑤硅可减小晶体的各向异性，使磁化容易，使磁阻减小，它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害（使%C石墨化，脱氧，与N形成氢化硅等）。所以可大大减少涡流损失。由于硅的脆性，目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%，最多只为4.8%，正在研究提高至6.5%。⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度。（在较高温度即400～500℃

则作用并不显著）Si是铁素体形成元素，多加Si会使A-α转化。

（2）Si的不良影响

①促使石墨化，促进脱碳（它是阻止碳化物形成的一种元素），含Si钢一般不作渗碳。

②促进回火脆性的发展，使塑性降低。

Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。

当Si=1～1.5%时作用尚良好。Si=2.5～3%时则影响不良，含Si=2～2.5%，则难以锻造。

当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当Si=2.5～3.5%时，对回火脆性和敏感性就高。用这种钢必须采取韧性处理（回火后在水中浸渍，锻时用少韧处理），而当Si＞3.5％时，甚至持用韧性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。（不过，Mo的加入可使其脆性稍许改善），SI=4%时，室温下即可能脆裂。

③对碳素工具钢，Si含量上升时，将降低其淬透性等级。一般结构钢中均不宜加Si，对于高速钢，不大于0.4%。

④由于硅的存在，使钢中增碳困难，并使渗碳速度降低，所以此类钢多不作渗碳处理。

⑤硅锰结合，Mn可下降，因为Si引起的脱碳，Si有微弱的抑制晶粒长大的作用，可稍下降，Mn引起的调质粗晶，有相互改善作用，但易生白点，应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。

⑥硅在钢中还常以Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物而存在，均会降低钢的各种性能，塑性比硫化物低。这类夹杂物透光度很高，而反光度则低，故显微镜下常呈灰黑色。

（3）一般合金钢中Si含量：

一般碳钢：Si＜0.5%

合金结构钢：Si =0.9～1.6% (27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA等)

弹簧钢： Si =1.5～2% (55Si2Mn、60Cr2Mn等)

轴承钢： Si =0.4～0.7% (GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn等)

工具钢： Si =0.65～1.8% (SiMn、9SiCr、5SiMnMoV、6SiMoV等)

耐热钢： Si =1～4.3% (Cr17Al4Si、Cr20Si3、4Cr9Si2、4Cr3Si4等)

电机硅钢片：Si =0.8～1.8% 、1.8～2.8%、2.8～3.8%、3.8～4.8%为低、中、较高、高级硅钢片

3、Mn

（1）锰的有益作用是高的强度和耐磨性),淬透、渗碳、冷工硬化。

14%（高耐磨钢），17～19%（护环钢）

①作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含Mn，其量≤0.7%。

②Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。

③Mn对各类钢的作用是：

珠光体Mn钢：可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。所以它能细化珠光体组织。（对含碳量较高的钢，Mn↑，塑性稍有降低。对低碳钢则含Mn↑，而韧性↑。

奥氏体Mn钢：有足够高的塑性和很高的耐磨性。所以Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点（A1和A3）同碳量碳素钢低25～30℃，所以可提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，因此适于制大截面和复杂的零件。Mn=5%时，Mn降至0℃。

马氏体Mn钢：易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强。所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中，加之其临界点又低，所以晶粒极易粗化、极易淬裂，为此应严格控制淬火加热温度和保温时间，一般均以油淬或流动空气中冷却为宜，只有形状简单件才好用水淬。