金屬材料與水泥非金屬材料在耐磨性能方面的故事
今天了解合金元素在材料中的作用及與材料性能的關系，大凡關于金屬材料這部分的書籍資料極為浩繁，成千上萬的鋼種，各種性能數據如汪洋大海，這顯然不是急行軍能攻而克之的。我們不妨嘗試用一些淺顯通俗的生活哲理來幫助理解。
在前一講說過金屬材料與水泥非金屬材料在晶核孕育、晶粒長大、相變過程有諸多相似之處。如水泥有抗壓、抗折等力學性能指標一樣，金屬材料同樣有類似的強度、硬度與韌性等指標。在耐磨材料中有時還需關注材料的疲勞極限及斷裂韌性（一種觀測材料抗裂紋擴展的性能指標）等，而耐磨材料業內人士最為關注的首先是硬度與韌性這兩個水火不容、相生相克的冤家對頭。為了追求硬度與韌性雙高雙升的性能，真是不知愁白了多少少年頭。不論是錘頭還是鋼球、襯板或是磨輥、磨盤，為了提高耐磨性，專家們極盡所能去提高硬度，但高硬度伴隨著脆性增大，倘若在生產應用中轟然斷裂，恐怕這不是各位所愿見到的。反過來為了確保可靠性，專家們又想盡辦法去提高韌性，這樣硬度就又下降了，材料的抗磨性隨之犧牲。真是按下葫蘆浮起瓢，令人無所適從。
然而這就是耐磨材料研發工作的挑戰與魅力所在。
上一講我們通過講述鉬的故事導出了合金元素在材料中的作用做為引子，這就是初級“合金化理論”，了解這一點對進一步掌握材料是相當重要的。我們在材料中往往采用幾種甚至多達十幾種元素來共同作用，以實現最終綜合性能指標。因為往往一種元素在對一個或者幾個方面性能有貢獻的同時，往往對另一個或幾個方面性能產生副作用。那么用一個或幾個元素做主要性能貢獻單位，而用另外一個或幾個元素來抑制克服它的不良影響，這類似于中藥的“配伍”理論中所表述“君臣佐使”機理。
比如拿中藥知識的例子講一下：手頭有本《太平惠民和劑局方》記錄了中國名藥“十全大補丸”的配方及炮制工藝如下：采用黨參80g 白術（炒）80g 茯苓80g 炙甘草40g 當歸120g 川芎40g 白芍（酒炒）80g 熟地黃120g 炙黃芪80g 肉桂20g 十種藥材經破碎、篩分、均化，最后用蜜調和制丸即得。主治氣血兩虛、體倦乏力等癥，國內多家藥企均有生產。其中尤以奉行“炮制雖繁必不敢省人力、品味雖貴必不敢減物力”之宗旨為企業核心價值觀的“同仁堂”所產為上品。注意，這劑藥用材達十種之多，但配比合理，各種藥材搭配使用、互相輔佐，真正體現“君臣佐使”的中藥配伍理念，是一方溫補氣血、強身健體的良藥，此藥療效不錯，價錢不貴，古往今來不知多少官民百姓受惠此方。反觀清末咸豐帝面對太平天國內憂和二次鴉片戰爭外患，苦無良策，終日急火攻心，卻又三宮六院、萬千佳麗，經年花天酒地，夜夜貪歡，身體極度疲虛，便今日野參、明日鹿茸，直補得兩眼發綠，剛過三十壽辰，便留下一群美女寡婦，一縷魂兒追著道光老爹去了，這正是用品追極，補此失彼，最后全盤皆崩。那真叫不懂配伍，換句新學的話叫“合金化理論”沒搞懂，真可惜了那些好補品，全是真貨極品吶，擱如今哪個不都是天價啊！欄主使勁咽了咽口水……
談到這里朋友們慢慢品出一點滋味了，其實你只要大致了解常用元素在金屬材料中的主要作用，慢慢積累、循序漸進，很快會對材料由生至熟，漸漸就能悟出規律了。這里要特別敘述一個金屬材料的重要性能指標：“淬透性”。從字面您可以大致理解這是一個反映鋼鐵能否被淬火淬透的性能，舉一個大概齊的比方：“開封天下第一樓”灌湯包子汁鮮味美是指蒸熟了以后，倘若您非要嘗一口生包子或是半熟的，呵呵……這就是材料淬透性不足、淬火淬不透的問題了。告訴您一個秘密：大多數鋼材無論多貴重，一般在未做熱處理之前性能是不靠譜的，甚至和廉價鋼材差不多，好的材料只有經過合適的熱處理工藝才能真正發揮性能潛力，有句專業俗語叫“搞好熱處理、零件一頂幾” 說的就是這個理。
一定要注意的是，合金元素在鋼中的作用類似中藥組份，設計合金鋼成分就如中藥配伍，合金元素在鋼中所起的作用與其在鋼中存在的形態有很大關系。所以，同種元素、不同含量、不同配伍、不同工藝條件，會顯示出不同的作用和性能。這一點必須對合金化理論有充分掌握的專業人士才能依據不同情況靈活判斷分析。下表是合金元素在鋼中基本作用的一些簡述：
| 元 素 | 作 用 |
| Mn | 1.在低含量范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性。2.降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。3.稍稍改善鋼的低溫韌性。4.在高含量范圍內，作為主要奧氏體化元素。 |
| Si | 1.強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度。2.降低鋼臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。3.提高鋼在氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性。4.磁鋼中的主要合金元素。 |
| Cr | 1.在低合金范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性。2.降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。3.提高鋼的耐熱性，是耐熱鋼的主要合金元素。4.在高合金范圍內，使鋼具有對強氧化性酸等腐蝕介質的耐腐蝕能力。 |
| Mo | 1.強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度。2.降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。3.提高鋼的耐熱性和高溫強度，是熱強鋼中的重要合金元素。 |
| V | 1.在低含量（質量分數為0.05%～0.10%）時，細化晶粒，提高韌性。2.在較高含量（質量分數大于0.20%）時，形成V4C3碳化物，提高鋼的熱強性。 |
| Ni | 1.提高鋼的強度，而不降低其塑性。2.降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。3.改善鋼的低溫韌性。4.擴大奧氏體區，是奧氏體化的有效元素。5.本身具有一定耐腐蝕性，對一些還原性酸類（硫酸、鹽酸）有良好的抗腐蝕能力。 |
| Al | 1.煉鋼中起很好的脫氧作用。2.細化鋼的晶粒，提高鋼的強度。3.提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強氧化酸類的抗腐蝕能力。 |
| Ti Nb | 1.細化鋼的晶粒。2.在不銹鋼中改善抗晶間腐蝕的能力。 |
| B | 強烈提高過冷奧氏體穩定性，在提高鋼的淬透性方面所起的作用比Cr、Mo、Ni等合金元素強得多（每w（B）=0.001%相當于w(Mn)=0.85%，或w(Ni)=2.4%，或w(Cr)=0.45%，或w(Mo)=0.35% |
| Cu | 1.強化鐵素體（w(Cu) ＜1.5%）2.產生析出強化作用（w(Cu) >3.0%）3.提高鋼的耐腐蝕性（特別是硫酸）性能。 |
| W | 1細化鋼的晶粒。2.提高鋼的淬透性。3.生成高熱穩定碳化物和氮化物（W2C、W2N），提高鋼的熱強性。 |
| Re(Ce、La) | 1.煉鋼中起脫硫、去氣、凈化鋼液的作用。2.細化鋼的晶粒，改善鑄態組織（縮小柱狀晶粒） |
有朋友問：合金鋼編號方法為何高錳鋼對不上號？關于鋼鐵編號欄主教您第三招，那就是除了上兩講所述編號方法外，有許多特殊用途鋼用的是特定的方法，高錳鋼便是其中一例。欄主有幸于2007年成為我國高錳鋼最新國標修訂者之一，這點發言權還是有的，高錳鋼老國標您可參看GB/T5680-1998，它僅有5個牌號，見下表
| 牌號 | 化學成分（%） | ||||||
| C | Mn | Si | Cr | Mo | S ≤ | P ≤ | |
| ZGMn13-1 | 1.00～1.45 | 11.00～14.00 | 0.30～1.00 | － | － | 0.040 | 0.090 |
| ZGMn13-2 | 0.90～1.35 | 11.00～14.00 | 0.30～1.00 | － | － | 0.040 | 0.070 |
| ZGMn13-3 | 0.95～1.35 | 11.00～14.00 | 0.30～0.80 | － | － | 0.035 | 0.070 |
| ZGMn13-4 | 0.90～1.30 | 11.00～14.00 | 0.30～0.80 | 1.50～2.50 | － | 0.040 | 0.070 |
| ZGMn13-5 | 0.75～1.30 | 11.00～14.00 | 0.30～1.00 | － | 0.90－1.20 | 0.040 | 0.070 |
| 注：ZGMn13系鑄造高錳鋼，“－”后阿拉伯數字表示品種代號。 | |||||||
| 牌號 | 化學成分（質量分數，%） | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | |
| ZG120Mn7Mo1 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 6～8 | ≤0.060 | ≤0.040 | | 0.9～1.2 | |
| ZG110Mn13Mo1 | 0.75～1.35 | 0.3～0.9 | 11～14 | ≤0.060 | ≤0.040 | | 0.9～1.2 | |
| ZG100Mn13 | 0.90～1.05 | 0.3～0.9 | 11～14 | ≤0.060 | ≤0.040 | | | |
| ZG120Mn13 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 11～14 | ≤0.060 | ≤0.040 | | | |
| ZG120Mn13Cr2 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 11～14 | ≤0.060 | ≤0.040 | 1.5～2.5 | | |
| ZG120Mn13Ni3 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 11～14 | ≤0.060 | ≤0.040 | | | 3～4 |
| ZG90Mn14Mo1 | 0.70～1.00 | 0.3～0.6 | 13～15 | ≤0.070 | ≤0.040 | | 1.0～1.8 | |
| ZG120Mn17 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 16～19 | ≤0.060 | ≤0.040 | | | |
| ZG120Mn17Cr2 | 1.05～1.35 | 0.3～0.9 | 16～19 | ≤0.060 | ≤0.040 | 1.5～2.5 | | |
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