各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是一种相当复杂的过程。全面了解其中的规律性是掌握低合金钢焊接冶金和技术的基础。

1.合金元素对低合金钢组织的影响

为便于讨论，可将普通碳钢看做是简单的铁-碳二元合金，其简化的组织相图如图6-1所示。

在这一合金系中，若加入其他合金元素，临界转变温度到达最低点时的铁、碳浓度将发生变化，临界温度的绝对值，即共晶点S的位置也会变动。某些合金元素促使相变点降低并扩大γ区，而另一些合金元素则缩小γ区。各种合金元素对下临界点温度的综合影响可用下列公式来表征（式中的元素符号表示该元素的质量分数）：

由上式可知，Si、Cr、Co和Ti等合金元素会提高下临界点A₁的温度，而Mn、Ni和V等元素则降低A₁点温度。在现代低合金钢中，还加入Mo、Cu、W、Nb、Zr和B等合金元素。

图6-1 简化的铁-碳二元合金组织相图

按照合金元素对组织转变影响的特点，可将其分成两组：一组以Ni元素为代表，称为Ni组元素，其中有Ni、Mn、Co等元素；另一组以Cr元素为代表，称为Cr组元素，包括Cr、Si、P、Al、Ti、V、Mo、W等。由这两组合金元素组成的合金，其组织相图分别示于图6-2和图6-3。

图6-2 Fe-Ni组合金相图

图6-3 Fe-Cr组合金相图

由上述组织相图可见，在α-Fe中具有较大溶解度的元素促使γ区缩小，而在γ晶体中具有较大溶解度的元素则扩大γ区。各种合金元素的影响程度不仅取决于它的浓度，而且还取决于同时存在的其他合金元素的性质和含量。

当以Fe-Ni组元素（即奥氏体形成元素）组成合金时，形成在一定温度范围内稳定的固溶体，其稳定的温度范围取决于合金元素的性质和浓度。所形成的固溶体与纯铁相比，其抗拉强度和屈服强度明显提高，而伸长率、冲击韧度等塑性和韧性指标略有下降。当以Fe-Cr组元素（即铁素体形成元素）形成合金时，可获得α固溶体。这种合金铁素体与纯铁相比，具有较高的热强性和较低的变形能力。当合金中加入碳化物形成元素时，必然会与钢中的碳形成各种形式的碳化物，而碳化物本身是一种高硬度和高脆性的组分。在低合金钢中，碳化物作为组织组分存在时，将促使钢的硬度、抗拉强度和屈服强度提高，而伸长率和冲击韧度则降低。碳化物对钢性能的影响程度取决于合金元素的含量、碳化物的弥散度及其形状和分布特性。(www.daowen.com)

此外，还应考虑到各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，会直接影响钢的淬硬倾向，如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素都能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。

2.合金元素对低合金钢性能的影响

对于w（C）在0.20％以下的低合金钢，C、Mn、Si、Cr、Ni、Cu、P、V、Ti等合金元素对钢的抗拉强度和屈服强度的影响程度示于图6-4和图6-5。

图6-4 各种合金元素对低合金钢抗拉强度的影响

图6-5 各种合金元素对低合金钢屈服强度的影响

由图示曲线可知，w（C）增加0.1％，钢的抗拉强度可提高70MPa，屈服强度提高28MPa。w（P）增加0.1％，抗拉强度可提高46MPa，屈服强度提高55MPa。在w（Ti）为0.06％的钢中，w（Ti）每增加0.01％，抗拉强度约提高5MPa，屈服强度约提高7.5MPa。w（V）增加0.1％，抗拉强度约提高30MPa，屈服强度相应提高35MPa。w（Mn）和w（Si）每增加1％，抗拉强度分别提高90MPa和100MPa，屈服强度相应提高82MPa和55MPa。但应当指出，在低合金钢中，w（Si）超过0.5％会对钢的缺口冲击韧度产生不利的影响。钢中w（Cr）每增加1％，抗拉强度和屈服强度相应提高50MPa和35MPa，Cr元素还能显著地提高钢的高温强度。w（Cu）每增加1％，抗拉强度和屈服强度相应提高55MPa和80MPa，同时还改善了钢的抗大气腐蚀性能。在所讨论的合金元素中，镍对提高钢强度性能的作用最小，w（Ni）每增加1％，抗拉强度和屈服强度相应提高34MPa和45MPa，但镍对改善钢的缺口冲击韧度起着决定性的作用。这些元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按式（6-1）和式（6-2）进行计算：

式中 δ——板厚（mm）；

R_eL——低合金钢的屈服强度（MPa）；

R_m——低合金钢的抗拉强度（MPa）。

在现代低合金钢中，氮已作为一种合金元素被广泛地采用。按照氮在元素周期表中的位置和其原子半径判断，氮在钢中的作用与碳相似。当它溶解在铁中时，力图扩大γ区。氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，并以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服强度和抗脆断能力。氮的影响程度既决定于其浓度，也决定于钢中其他合金元素的种类和含量。Cr、Al、Ti和V等合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物，因此为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。

综上所述，所有这些合金元素，或者与铁形成固溶体，或者形成碳化物，都产生了延迟奥氏体分解的作用，并由此提高了钢的淬硬倾向。各种元素对钢的力学性能和工艺性能的影响，则取决于它的含量和同时存在的其他合金元素。