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在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。钢的合金化目的是希望利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。合金元素与铁、碳的相互作用合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。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。
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经济和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。合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素对钢铸造性能的影响
固、液相线的温度愈低和结晶温区愈窄，其铸造性能愈好。合金元素对铸造性能的影响，主要取决于它们对Fe-Fe3C相图的影响。另外，许多元素，如Cr、Mo、V、Ti、Al等在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大钢的粘度，降低流动性，使铸造性能恶化。
此外，加入少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。常用低合金结构钢16Mn是我国低合金高强钢中用量多、产量的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%。15MnVN中等级别强度钢中使用多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。
强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。
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