合金元素

合金元素指的是在鍊金屬的時候加入一定量一種或多種的金屬或非金屬元素可以獲得材料的特殊性能，如提高強度、改善抗氧化性能、提高塑性和工藝性能等。而這些加進去的輔助性元素材料就叫作合金元素。

基本介紹

• 中文名：合金元素
• 外文名：alloying element
• 性質：組成合金的化學元素
• 作用：提高基體元素的性能
• 形式：合金碳化物及特殊合金體
• 套用：合金鋼，合金鈮等

合金元素特性

合金元素（alloying element），組成合金的化學元素多數是金屬元素，如銅、錫、鉛、鋁、錳、鉻、鉬、鎳及稀有金屬等。少數是非金屬元素，如碳、矽、磷等。

合金鋼是工業上運用最廣泛的一種材料，那可想而知對於材料的檢測從一般到精確都是有需求的。那么鋁合金分析儀是如何分析鋼鐵裡面的其他元素雜質。

磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小於0.045%，優質鋼要求更低些。

那么Delta合金分析儀對鋼裡面所含的有害元素磷的檢測的精度能否達到0.045%以下，

下面是美國innov-x 合金分析對合金鋼里磷元素檢測標準表

碳鋼等級	P標準值	P測試值
FXS313	0.014	0.012
FXS314	0.037	0.036
FXS315	0.056	0.053
FXS316	0.077	0.079
FXS317	0.109	0.114
FXS318	0.0321	0.319

從上面的表格不難看出，鋁合金分析儀是能夠檢測鋼中的有害元素含量，最低的檢測值 0.012，所以，合金分析儀的的這個特點就足以收到重視。

合金元素強化機理

合金化是改善金屬鈮性能的最重要措施。向鈮中加入合金元素可以獲得材料的特殊性能，如提高強度、改善抗氧化性能、提高塑性和工藝性能等。有兩類元素可以影響鈮的性能，一類是金屬元素，另一類是氧、氫、氮、碳等間歇元素。金屬元素主要是元素周期表中的ⅥB族元素Cr、Mo、W，V B族元素V和Ta，ⅣB族元素Ti、Zr、Hf以及Al、Si、Sn等。它們可以一種或者多種金屬加入，形成兩元或者多元合金，其強化機理是依靠固溶強化、沉澱強化和加工硬化等來實現的。間歇元素是室溫下鈮的最強的強化劑，它們只有在存在有易於生成氧化物、氮化物、碳化物的元素（主要是Ti、Zr、Hf）時，才能對鈮的強度產生積極影響。

合金元素的分類

①按照與鐵相互作用的特點分類。可分為奧氏體形成元素（如C，N，Cu，Mn，Ni，Co，W等）和鐵素體形成元素（如Cr，V，Si，Al，Ti，Mo，W等）。

一般情況下，奧氏體形成元素易於優先分布在奧氏體中，鐵素體形成元素易於優先分布在鐵索體中。而合金元素的實際分布狀態還與加入量和熱處理條件有關。

②按照與碳相互作用的特點分類。可分為非碳化物形成元素（如Ni，Cu，Si，Al，P等）和碳化物形成元素（如Cr，Mo，V，Ti，Zr，Nb等）。

雖然非碳化物形成元素易溶人鐵素體或奧氏體中，而碳化物形成元素易存在於碳化物中，但當加入的數量較少時，碳化物形成元素也可溶入固溶體或滲碳體，當加人數量較多時，可形成特殊碳化物。

③按照對奧氏體層錯能的影響分類。可分為提高奧氏體層錯能的元素（如Ni，Cu，C等）和降低奧氏體層錯能的元素（如Mn，Cr，Ru，Ir等）。

實際上，每種分類方法都從不同的側面反映了合金元素的特性。以上三種分類方法很好地揭示了鋼中合金元素三個方面的基本特性，對深入了解合金元素在鋼中的基本作用有一定的指導意義。

合金元素在鋼中的作用

為了改善鋼的力學性能或獲得某些特殊性能，有目的地在冶煉鋼的過程中加入一些元素，這些元素稱為合金元素。常用的合金元素有：錳（ω（Mn）>1.0%）、矽（ω（Si）>0.5%）、鉻、鎳、鉬、鎢、鈦、鈷、鋁、硼、稀土（RE）等。磷、硫、氮等在某些情況下也起合金元素的作用。鋼中合金元素含量高者達百分之幾十，如鉻、鎳、錳等，有的則低至萬分之幾，如硼的質量分數一般為ω（B）=0.005%一0.0035%。

根據我國資源情況，富產元素有矽、錳、鉬、鎢、釩、硼及稀土元素。選用合金鋼時，在保證產品質量的前提下，應優先考慮採用我國資源豐富的鋼種。

由於合金元素與鋼中的鐵、碳兩個基本組元的作用，以及它們彼·此間的作用，促使鋼中晶體結構和顯微組織發生有利的變化。因此．通過合金化可提高和改善鋼的性能。

合金元素在鋼中的存在形式

1．形成合金鐵素體

幾乎所有合金元素都可或多或少地溶入鐵素體中，形成合金鐵素體。其中原子直徑很小的合金元素（如氮、硼等）與鐵形成間隙固溶體；原子直徑較大的合金元素（如錳、鎳、鈷等）與鐵形成置換固溶體。

合金元素在溶入鐵素體後，由於它與鐵的晶格類型和原子半徑有差異，必然引起鐵素體晶格畸變，產生固溶強化，使鐵素體的強度、硬度提高，但塑性、韌性卻有下降趨勢。下圖為幾種合金元素對鐵素體硬度和韌性的影響。

合金元素對鐵素體的影響

由圖可知，矽、錳能顯著地提高鐵素體的強度和硬度，但當ω（Si）>0.6%、ω（Mn）>1.5%時，將降低其韌性。而鉻與鎳比較特殊，在鐵素體中的含量適當時（ω（Cr）≤2%、ω（Ni）≤5%），在強化鐵素體的同時，仍能提高韌性。

2．形成合金碳化物

在鋼中能形成碳化物的元素有：鐵、錳、鉻、鉬、鎢、鉬、釩、鈮、鋯、鈦等（按照與碳的親和力由弱到強，依次排列）。在周期表中，碳化物形成元素都是位於鐵左邊的過渡族金屬元素，離鐵越遠，則其與鐵的親和力越強，形成碳化物的能力越大，形成的碳化物穩定而不易分解。其中釩、鈮、鋯、鈦為強碳化物形成元素；錳為弱碳化物形成元素；鉻、鉬、鎢為中碳化物形成元素。鋼中形成的合金碳化物的類型主要有以下兩類：

（1）合金滲碳體。它是合金元素溶入滲碳體（置換其中鐵原子）所形成的化合物。它仍具有滲碳體的複雜晶格，其中鐵與合金元素的比例可變，但兩者的總和與碳的比例則固定不變。

錳一般是溶人鋼中的滲碳體，形成合金滲碳體（Fe，Mn），C。當中強碳化物形成元素在鋼中的質量分數不大（0.5%～3%）時，一般也傾向於形成合金滲碳體，如（Fe，Cr），C、（Fe，W），C等。

合金滲碳體較滲碳體略為穩定，硬度也較高，是一般低合金鋼中碳化物的主要存在形式。

（2）特殊碳化物。它是與滲碳體晶格完全不同的合金碳化物。通常是中強或強碳化物形成元素所構成的碳化物。

特殊碳化物有兩種類型：

1）具有簡單晶格的間隙相碳化物，如WC、Mo₂C、VC、TiC等；

2）具有複雜晶格的碳化物，如Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Fe₃W₃C等。

強碳化物形成元素，即使含量較少，但只要有足夠的碳，就傾向於形成特殊碳化物；而中強碳化物形成元素，只要當其質量分數較高 （>5%）時，才傾向於形成特殊碳化物。

特殊碳化物特別是問隙相碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度與耐磨性，並且更為穩定，不易分解。

合金碳化物的種類、性能和在鋼中分布狀態會直接影響到鋼的性能及熱處理時的相變。例如，當鋼中存在彌散分布的特殊碳化物時，將顯著增加鋼的硬度、強度與耐磨性，而不降低韌性，這對提高工具的使用性能極為有利。

3．形成非金屬夾雜物

大多數元素與鋼中的氧、氮、硫可形成簡單的或複合的非金屬夾雜物，如AI₂O₃、AlN、TiN、FeO等。非金屬夾雜物都會降低鋼的質量。