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溶于铁中：几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中，形成合金铁素体或合金奥氏体，按其对α-Fe或γ-Fe的作用，可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。扩大γ相区的元素—亦称奥氏体稳定化元素，主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等，它们使A3点(γ-Feα-Fe的转变点)下降，A4点(γ-Fe的转变点)上升，从而扩大γ-相的存在范围。其中Ni、Mn等加入到一定量后，可使γ相区扩大到室温以下，使α相区消失，称为完全扩大γ相区元素。另外一些元素(如C、N、Cu等)，虽然扩大γ相区，但不能扩大到室温，故称之为部分扩大γ相区的元素。缩小γ相区元素——亦称铁素体稳定化元素，主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升，A4点下降(铬除外，铬含量小于7%时，A3点下降；大于7%后，A3点迅速上升)，从而缩小γ相区存在的范围，使铁素体稳定区域扩大。按其作用不同可分为完全封闭γ相区的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)和部分缩小γ相区的元素(如B、Nb、Zr等)。形成碳化物：合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。常见非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它们基本上都溶于铁素体和奥氏体中。常见碳化物形成元素有：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti等(按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列)，它们在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体，含量高时可形成新的合金碳化合物。
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钛板具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛板的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展。目前世界钛板加工材年产量已达4万余吨,钛板牌号近30种。使用最广泛的钛板是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。
钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm2。有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。钛白粉是颜料和油漆的良好原料。碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。
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抗高温氧化：金属和氧的亲和力大时，且氧在晶铬内溶解度达到饱和时，就在金属表面上形成氮化物。一旦形成了氧化膜，氧化过程的继续进行将取决于两个因素：（a）界面反应速度，包括金属/氧化物界面及氧化物/气体两个界面上的反应速度；（b）参加反应的物质通过氧化膜的扩散速度。在一般情况下，当金属的表面与氧起始反应生产极薄的氧化膜时，界面反应起主导作用，即界面反应是氧化膜生成的控制因素。但随着氧化膜的生长增后，扩散过程将逐渐起着越来越重要的作用，成为继续氧化的控制因素。金属表面形成的氧化膜一般是固态，但是根据氧化膜的性质不同，在较高温度下，有些金属的氧化物是液态，有的还是气态的。在耐热钢中加入铬、铝、硅和稀土元素等，与氧形成一层完整致密具有保护性的氧化膜。在金属表面施加涂层也是提高抗高温氧化能力的重要方法。如在耐热钢表面渗铝、渗硅或铬铝、铬硅共渗都有显著的抗氧化效果。
高温硫化是一种比纯氧化更严重的高温腐蚀形态，因为硫化物膜比氧化膜的缺陷浓度大，更容易开裂和剥落，特别是硫化物的熔点低，蒸汽压高，多数硫化物共晶点低。硫化时硫的存在形式对高温硫化速度有影响。气相的硫可能是以硫蒸汽、二氧化硫、三氧化硫、硫化氢和有机硫化物等形态存在。当硫和氧同时存在时，在金属表面上常形成氧化物和硫化物的混合锈层产物，这种锈层比在H2S或有机硫以及硫蒸汽中产生的硫化物的保护性好。由于硫化与氧化相似，因此，氧化的基本理论和纺织氧化的基本措施都适用于硫化。在钢中加入铬、铝、硅等合金元素都可以在一定程度上防止或减缓高温硫化。
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随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。
碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足：(1)淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mm。(2)强度和屈强比较低如普通碳钢Q235钢的σs为235MPa，而低合金结构钢16Mn的σs则为360MPa以上。40钢的σs/σb仅为0.43，远低于合金钢。(3)回火稳定性差由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。(4)不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。
合金钢的分类：按合金元素含量：1、低合金钢（合金元素总量低于5%）、中合金钢（合金元素总量为5%-10%）、高合金钢（合金元素总量高于10%）。2、按合金元素成分：铬钢（Cr-Fe-C)、铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)、锰钢（Mn-Fe-C)、硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)。3、按小试样正火或铸态组织分：珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢。4、按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
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