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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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合金元素对钢的机械性能的影响：1.对退火状态下钢的机械性能的影响结构钢在退火状态下的基本相是铁素体和碳化物。合金元素溶于铁素体中，形成合金铁素体，依靠固溶强化作用，提高强度和硬度，但同时降低塑性和韧性。2.对退火状态下钢的机械性能的影响由于合金元素的加入降低了共析点的碳含量、使C曲线右移，从而使组织中的珠光体的比例增大，使珠光体层片距离减小，这也使钢的强度增加，塑性下降。但是在退火状态下，合金钢没有很大的优越性。由于过冷奥氏体稳定性增大，合金钢在正火状态下可得到层片距离更小的珠光体，或贝氏体甚至马氏体组织，从而强度大为增加。Mn、Cr、Cu的强化作用较大，而Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般结构钢的实际含量)下影响很小。3.对淬火、回火状态下钢的机械性能的影响合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著，因为它充分利用了全部的四种强化机制。淬火时形成马氏体，回火时析出碳化物，造成强烈的第二相强化，同时使韧性大大改善，故获得马氏体并对其回火是钢的最经济和最有效的综合强化方法。合金元素加入钢中，首要的目的是提高钢的淬透性，保证在淬火时容易获得马氏体。其次是提高钢的回火稳定性，使马氏体的保持到较高温度，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定。这样，在同样条件下，合金钢比碳钢具有更高的强度。
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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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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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