合金钢(卷名：矿冶)
alloy steels
为了得到或改善某些性能，在碳素钢的基础上添加适量的一种或多种合金元素的铁碳合金叫合金钢。世界各国对合金钢中合金元素的限量范围各不相同。以欧洲标准(Euronorm-20)为例，合金元素限量按表1所示。某单一合金元素含量只有超过一定限量，方被认为是合金钢。
合金钢中由于含有不同种类和数量的合金元素，并采取适当的工艺措施，便可分别具有较高的强度、韧性、淬透性、耐磨性、耐蚀性、耐低温性、耐热性、热强性、红硬性等特殊性能。
发展简况 合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材大约是在19世纪后半期。当时由于钢的生产量和使用量不断增大，机械制造业需要解决钢的加工切削问题，1868年英国人马希特(R.F.Mushet)发明了成分为2.5％Mn-7％W的自硬钢，将切削速度提高到5米／分。随着商业和运输的发展，1870年在美国用铬钢(1.5～2.0％Cr)在密西西比河上建造了跨度为 158.5米的大桥；由于加工构件时发生困难，稍后，一些工业国家改用镍钢(3.5％Ni)建造大跨度的桥梁。与此同时，一些国家还将镍钢用于修造军舰。随着工程技术的发展，要求加快机械的转动速度，1901年在西欧出现了高碳铬滚动轴承钢。1910年又发展出了18W-4Cr-1V型的高速工具钢，进一步把切削速度提高到30米／分。可见合金钢的问世和发展，是适应了社会生产力发展的要求，特别是和机械制造、交通运输和军事工业的需要分不开的。
20世纪20年代以后，由于电弧炉炼钢法被推广使用，为合金钢的大量生产创造了有利条件。化学工业和动力工业的发展，又促进了合金钢品种的扩大，于是不锈钢和耐热钢在这段期间问世了。1920年德国人毛雷尔 (E.Maurer) 发明了18-8型不锈耐酸钢，1929年在美国出现了Fe-Cr-Al电阻丝，到1939年德国在动力工业开始使用奥氏体耐热钢。第二次世界大战以后至60年代，主要是发展高强度钢和超高强度钢的时代，由于航空工业和火箭技术发展的需要，出现了许多高强度钢和超高强度钢新钢种，如沉淀硬化型高强度不锈钢和各种低合金高强度钢等是其代表性的钢种。60年代以后，许多冶金新技术，特别是炉外精炼技术被普遍采用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展，又出现了马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢等新钢种。目前国际上使用的有上千个合金钢钢号，数万个规格，合金钢的产量约占钢总产量的10％，是国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料。
合金钢的分类 合金钢的种类繁多，为了便于生产、使用和科学研究，需要进行分类。合金钢分类的方法很多，其中最常用的方法是按用途分类，大体上可分为：建筑结构用钢，机械结构用钢（除了合金结构钢）外，还包括合金弹簧钢和轴承钢等），工具钢（包括工模具钢和高速工具钢）以及特殊性能钢（不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、无磁钢等）。此外，按合金元素的总含量可分成：低合金钢（5％以下）、中合金钢(5～10％)和高合金钢（超过10％）。按所含主要元素分类，有铬钢、镍钢、钼钢、铬镍钢、铬镍钼钢等。按合金钢的金相组织又可分成：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢，以及亚共析钢和过共析钢等。
合金元素在钢中的存在状态及其与碳的作用 合金钢中常用的合金元素有硅（Si）、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛（Ti）、铌(Nb)、锆(Zr)、钴 (Co)、铝(Al)、铜(Cu)、硼(B)、稀土(RE)等。磷 (P)、硫(S)、氮(N)等在某些情况下也起合金元素的作用。
根据各种元素在钢中形成碳化物的倾向，可分为三类：①强碳化物形成元素，如钒、钛、铌、锆等。这类元素只要有足够的碳，在适当的条件下，就形成各自的碳化物;仅在缺碳或高温的条件下，才以原子状态进入固溶体中。②碳化物形成元素，如锰、铬、钨、钼等。这类元素一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等，如果含量超过一定限度（除锰以外），又将形成各自的碳化物，如(Fe，Cr)7C3、(Fe，W)6C等。③不形成碳化物元素，如硅、铝、铜、镍、钴等。这类元素一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶体中。
合金元素中一些比较活泼的元素，如铝、锰、硅、钛、锆等，极易和钢中的氧和氮化合，形成稳定的氧化物和氮化物，一般以夹杂物的形态存在于钢中。锰、锆等元素也和硫形成硫化物夹杂。钢中含有足够数量的镍、钛、铝、钼等元素时能形成不同类型的金属间化合物。有的合金元素如铜、铅等，如果含量超过它在钢中的溶解度，则以较纯的金属相存在。
合金元素在钢中的作用 钢的性能取决于钢的相组成，相的成分和结构，各种相在钢中所占的体积组分和彼此相对的分布状态。合金元素是通过影响上述因素而起作用的。
对钢的相变点的影响 主要是改变钢中相变点的位置，大致可以归纳为以下三个方面：①改变相变点温度。一般来说，扩大γ相(奥氏体)区的元素，如锰、镍、碳、氮、铜、锌等，使A3点温度降低，A4点温度升高;相反，缩小γ相区的元素，如锆、硼、硅、磷、钛、钒、钼、钨、铌等，则使A3点温度升高，A4点温度降低。惟有钴使A3和A4点温度均升高。铬的作用比较特殊，含铬量小于7％时使A3点温度降低，大于7％时则使A3点温度提高(见铁碳平衡图)。②改变共析点S的位置。缩小γ相区的元素，均使共析点S温度升高；扩大γ相区的元素，则相反。此外几乎所有合金元素均降低共析点S的含碳量，使S点向左移。不过碳化物形成元素如钒、钛、铌等（也包括钨、钼），在含量高至一定限度以后，则使S点向右移。③改变γ相区的形状、大小和位置。这种影响较为复杂，一般在合金元素含量较高时，能使之发生显著改变。例如镍或锰含量高时，可使γ相区扩展至室温以下，使钢成为单相的奥氏体组织；而硅或铬含量高时，则可使γ相区缩得很小甚至完全消失，使钢在任何温度下都是铁素体组织（见铁碳平衡图）。
对钢加热和冷却时相变的影响 钢加热时的主要固态相变是非奥氏体相向奥氏体相的转变，即奥氏体化的过程。整个过程都和碳的扩散有关。合金元素中，非碳化物形成元素如镍、钴等，降低碳在奥氏体中的激活能，增加奥氏体形成的速度；而强碳化物形成元素如钒、钛、钨等，强烈妨碍碳在钢中的扩散，显著减慢奥氏体化的过程。
钢冷却时的相变是指过冷奥氏体的分解，包括珠光体转变（见共析分解）、贝氏体相变及马氏体相变。由于钢中大都存在几种合金元素的相互作用，致使对钢冷却时相变的影响也复杂得多。仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例，大多数合金元素，除钴和铝外，均起减缓奥氏体等温分解的作用（见过冷奥氏体转变图），但各类元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的（如硅、磷、镍、铜）和少量的碳化物形成元素（如钒、钛、钼、钨），对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大，因而使转变曲线向右推移。
碳化物形成元素（如钒、钛、铬、钼、钨）如果含量较多，将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟，但对奥氏体向贝氏体的转变的推迟并不显著，因而使这两种转变的等温转变曲线从“鼻子”处分离，而形成两个 C形。当这类元素增加到一定程度时，在这两个转变区域的中间还将出现过冷奥氏体的亚稳定区。
合金元素对马氏体转变温度Ms (起始转变温度)和Mn (终了转变温度)的影响也很显著，大部分元素均使Ms和Mn点降低，其中以碳的影响最大，其次为锰、钒、铬等；但钴和铝则使Ms和Mn点升高。
对钢的晶粒度和淬透性的影响 影响奥氏体晶粒度的因素很多。钢的脱氧和合金化情况均与“奥氏体本质晶粒度”有关。一般来说，一些不形成碳化物的元素，如镍、硅、铜、钴等，阻止奥氏体晶粒长大的作用较弱，而锰、磷则有促进晶粒长大的倾向。碳化物形成元素如钨、钼、铬等，对阻止奥氏体晶粒长大起中等作用。强碳化物形成元素如钒、钛、铌、锆等，强烈地阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。铝虽然属于不形成碳化物元素，但却是细化晶粒和控制晶粒开始粗化温度的最常用的元素。
钢的淬透性（见淬火）高低主要取决于化学成分和晶粒度。除钴和铝等元素外，大部分合金元素溶入固溶体后都不同程度地抑制过冷奥氏体向珠光体和贝氏体的相变，增加获得马氏体组织的数量，即提高钢的淬透性。一些碳化物形成元素，如钒、钛、锆、钨等，如果形成碳化物而固定了钢中的碳，反而会降低淬透性，易使晶粒粗化的元素如锰，能提高淬透性；使晶粒细化的元素如铝，则降低淬透性。硼是显著影响淬透性的元素，合金钢中即使只含十万分之一的硼，也能显著提高钢的淬透性。但硼的这种影响仅对低、中碳钢有效，对高碳钢完全无效。
对钢的力学性能和回火性能的影响 钢的性能取决于铁的固溶体和碳化物各自性能以及它们相对分布的状态。合金元素对钢的力学性能的影响也与此有关。固溶于铁素体中的合金元素，起固溶强化作用，使强度和硬度提高，但同时使韧性和塑性相对地降低。其中以磷和硅的固溶强化作用最显著，而硅对韧性的影响也最严重。少量的锰、铬或镍，反而对铁素体的韧性有一定提高。
调质钢的韧性－脆性转变温度是评价力学性能的一项重要指标。①提高转变温度的元素有 B、P、C、Si、Cu、Mo、Cr；②降低转变温度的元素有Ni、Mn；③少量时提高、多量时降低转变温度的元素有Ti、V;④少量时降低、多量时提高转变温度的元素有Al。
合金钢的回火稳定性比碳素钢好，这是由于合金元素在回火时阻碍了钢中原子的扩散，因而在同样温度下，起到延迟马氏体分解和抗回火软化的作用。对合金钢的回火稳定性影响比较显著的为：钒、钨、钛、铬、钼、钴、硅等元素；影响不明显的为：铝、锰、镍等元素。可以看到，碳化物形成元素，对回火软化的延迟作用特别显著。钴和硅虽属不形成碳化物元素，但它们对渗碳体晶核的形成和长大，有强烈的延迟作用，因此，也有延迟回火软化的作用。
各种合金元素对回火脆性影响的程度是不同的。定性地说，锰、铬、氮、磷、钒、铜、镍等均有促进回火脆性的倾向。钼的作用较特殊，它加入已有回火脆性的合金钢（例如含锰、铬等）中，能显著地降低回火脆性倾向；若单独加入普通碳素钢中，则成为促进回火脆性倾向的元素。钨的作用与钼相似，但对回火脆性的影响尚未十分确定。
对钢的焊接性和被切削性的影响 焊接性和被切削性是衡量钢的工艺性能好坏的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均对钢的焊接性不利。因为在焊缝热影响区靠近熔合线一侧冷却时易形成马氏体等硬脆组织，有导致开裂的危险。另一方面，热影响区靠近熔合线处的晶粒因受高热容易粗化，因此，合金钢中含有可使晶粒细化的元素如钛、钒等是有益的。硅含量高，焊接时会发生严重喷溅。硫含量高容易产生热裂，同时会逸出二氧化硫气体，在焊接金属内形成气孔和疏松。磷含量高容易导致冷裂。
钢中加入适量的硫、铅等元素可改善钢的被切削性（见易切削钢）。合金钢中的合金元素一般会使钢的硬度增加，因而增高切削抗力，加剧刀具磨损。通过改变钢的基体组织、夹杂物的种类、数量和形状可以影响钢的被切削性。
对钢的耐蚀性能的影响 铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主要合金元素。合金钢中含铬量若达到12％左右，在钢的表面便形成致密的铬的氧化物，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变而大大提高。铬、铝、硅等元素，能提高钢的抗氧化性和抗高温气体的腐蚀性能，但过量的铝和硅则会使钢的热塑性变坏。镍主要用来形成和稳定奥氏体组织，使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。钼能使不锈耐酸钢很快钝化，提高对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的耐蚀能力。钛、铌通常用来固定合金钢中的碳，使它生成稳定的碳化物，以减轻碳对合金钢耐蚀性能的有害作用。铜和磷配合使用时，可提高钢的耐大气腐蚀性能。
上述的合金元素在钢中的作用，大都是定性地指单一合金元素的影响。实际上合金钢中往往存在几种合金元素，因相互作用和复合影响，效果要复杂得多。
参考书目
冶金工业部钢铁研究总院主编：《合金钢手册》，上册，第一分册，冶金工业出版社，北京，1972。
A.S.M.，Metals Handbook，9th ed.，Vol.1，1978.
E.C.Bain & H. W. Paxton， Alloying Elements in Steel，2nd ed.，ASM，1961.
日本鉄鋼協会編：《鉄鋼便覧》第3版，第Ⅰ卷，丸善株式会社，東京，1981。