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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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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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合金元素对回火转变的影响：(1)提高回火稳定性合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变)，提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大，因此提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。(2)产生二次硬化一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时，硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值。这是回火过程的二次硬化现象，它与回火析出物的性质有关。当回火温度低于450℃时，钢中析出渗碳体；在450℃以上渗碳体溶解，钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等，，使硬度重新升高，称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所也可导致二次硬化。(3)增大回火脆性和碳钢一样，合金钢也产生回火脆性，而且更明显。这是合金元素的不利影响。在450℃-600℃间发生的第二类回火脆性(高温回火脆性)主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，多发生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中。这是一种可逆回火脆性，回火后快冷(通常用油冷)可防止其发生。钢中加入适当Mo或W(0.5%Mo，1%W)也可基本上消除这类脆性。
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抗热腐蚀：热腐蚀是金属材料在高温含硫的燃气工作条件下与沉积在其表面上的盐发生的反应引起的高温腐蚀形态。最典型的实例是在含氯化纳的大气与含硫的油料燃烧时沉积在其表面上的硫酸钠引起高温腐蚀。环境中的硫与氯化钠是导致产生热腐蚀的主要环境因素。硫主要来自燃料，而氯化纳主要来自大气，当一旦形成硫酸盐类时，会加速材料的热腐蚀过程。燃料中的硫含量及燃烧用的空气中的氯化纳含量是影响热腐蚀的主要环境因素。因此，提高燃料的质量，减少燃料中杂志含量是减缓热腐蚀的重要措施。提高合金元素氧化物的稳定性是抗热腐蚀的主要因素。材料中含有钨、钼、钒等合金元素易于形成酸性熔融热腐蚀，特别是番，它对热腐蚀的影响较大。但材料中含有铬、铝等合金元素对材料的抗热腐蚀极为有利。一方面他们能与氧形成保护性良好的氧化膜，也可能形成尖晶石型复合氧化膜，这对提高材料的抗热腐蚀性能有很大好处。在材料中加入稀土元素等量元素也能提高材料的抗热腐蚀能力。在材料表面涂覆高温涂层是提高材料抗热腐蚀的重要措施。在航空发动机叶片表面上涂高温涂层，能显著地提高叶片抗热腐蚀能力。
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