碳钢中添加合金元素如铬、钼、钨等可改善硬度、强度和韧性等性能。提高低合金钢强度的经典方法包括：固溶强化、调质处理、析出强化和控制轧制。在所有这些方法中，钼都是有效的强化元素。大多数低合金钢都经过调质处理即淬火+回火 (Q+T)。

硬化

钢在加热之后淬火的目的是硬化，即在工件的全部横截面产生硬化的显微组织。当一个圆钢棒从高达900°C的温度淬火时，其表面部位将比中心部位冷却更快。

图1 圆棒淬火

在实验室采用末端淬火试验进行模拟 (Jominy 试验)。将标准试样加热，然后一端进行水淬。样品的冷却速率在喷水冷却的一端最高，相对的另一端最低。样品冷却后，打磨表面，获得硬度分布数据。沿试样方向硬度的变化反映了不同冷却速率带来的金相组织的变化。

图3的曲线比较了不同合金含量的钢的硬度分布。不含钼的碳锰钢仅在靠近样品淬火端的部位硬化，远离淬火端的部位硬度下降很快。增加钼含量，则远离淬火端的部位也可保持较硬的金相组织，这意味着对于较高钼含量的钢，可采用较慢的冷却速率来硬化，淬透性得到改善。淬透性表示钢材淬硬层的深度。

       标准的调质钢常常采用一系列合金元素包括锰、铬、钼、镍和硅的组合。

       钢硬化是基于铁存在两种晶体结构这一事实：温度在912°C以下及1394°C至熔点时，铁为体心立方晶体结构，叫做铁素体。较低温度范围的铁素体也被称为 α 铁，在较高温度范围为 δ铁。温度为912°C至 1394°C时，铁为面心立方结构，叫做 γ 铁或奥氏体。将纯铁加热到 912°C 以上，其结构从铁素体转变为奥氏体。当铁从奥氏体化区域冷却到912°C以下，不管冷却速度如何，会形成体心立方结构。

       纯铁不能被硬化处理。添加碳使铁转变为可硬化的钢 (合金元素如锰、钼和铬提高了钢的淬透性)。

       碳在铁中以固溶体和碳化物形式存在。值得注意的是，面心立方结构奥氏体的各个面比体心立方结构铁素体的各个面大约25%，因此碳在奥氏体中的溶解度明显大于其在铁素体中的溶解度。

       当碳含量为0.4%的钢加热到铁素体-奥氏体 (α -γ 铁）转变温度之上时，碳和其它合金元素进入宽敞的奥氏体面心立方结构的固溶体中。随后的冷却经过γ-α 转变温度，进入狭窄的铁素体结构，它没有足够的空间使碳留在固溶体中。

       所以，如果冷却速率低，则在与转变相关的过程中形成碳化物。因此，室温下的金相组织由铁素体和渗碳体组成，铁素体和渗碳体的片层状结构叫做珠光体，见图4。关键因素是，有足够的时间使碳原子移动穿过晶格形成渗碳体，结果形成了较软的铁素体和珠光体组织。

       逐步加快冷却速率减少了渗碳体的形成。水淬的冷却速率很快，它完全压制了渗碳体的形成。在这种情形下，碳被迫进入铁素体结构的狭窄空间，由此形成的金相组织叫做马氏体。这是最硬和最脆的钢，见图5。

图5 马氏体金相组织--硬且脆

metallograph.de提供照片

       在普通碳钢中，仅在靠近淬火表面的区域可达到形成马氏体所需要的高冷却速率，而工件内部结构仍然较软。较大的断面进行水淬也会有淬火开裂的危险。

       这就是钼和其它合金元素发挥作用的地方。合金元素减慢了碳原子扩散进入铁晶格的速度，延迟了奥氏体向铁素体的转变。因为马氏体可在较慢的冷却速度下形成，因此提高了钢的淬透性。如图6所示，钼在这方面的作用非常有效。

       而且，在中等冷却速率下，较大横断面的钢尤其是含钼合金钢中会形成贝氏体结构。此时，在冷却过程中发生奥氏体-铁素体转变之前，已出现一些碳化物的形核。在实践中，调质钢部件金相组织的成分兼有马氏体和贝氏体。


回火

       淬硬钢必须进行回火处理即再次加热，原因有两个：首先，部件边部和核心冷却速率不同造成的内应力必须消除；其次，为避免脆裂，高硬度的马氏体和贝氏体必须进行软化处理。

       软化处理必然带来延展性的改善，强度的损失，碳钢尤为明显。而合金元素的重要功能则是延迟回火软化。

       借助钼形成碳化物的能力，钼与铬、钒的精心组合可十分有效地延迟回火过程中强度的丧失并改善断裂韧性，所产生的回火马氏体结构，强度非常高且韧性尚可。

       图7显示了钼含量对碳含量为0.35%的碳钢回火处理后硬度的影响。钼大大延迟了钢的软化，当钼含量足够高时，硬度曲线甚至会随着回火温度的升高而上升，这叫做二次硬化。回火二次硬化效应是钼在高速钢和某些工具钢及模具钢中发挥的重要作用。

回火脆性

       当钢回火后慢速通过450 - 550°C温度区间时，可能出现回火脆性。这是因为杂质如磷、砷、锑和锡等在晶界的偏析。与其它合金元素和杂质相比，钼原子非常大，它有效地阻碍了这些元素的迁移，因此可抗回火脆性。图8显示了两个钢的韧性-脆性转变温度，表示钢使用温度的低限而不发生脆性失效。

图8 两个回火钢的韧脆转变温度与回火后冷却速率的关系

        两个钢，一个不含钼，一个含0.15%钼，如果回火后水淬，则具有基本相同的韧性-脆性转变行为（转变温度-50°C)，但是，如果钢回火后在炉子里慢慢冷却，情况就不一样了。铬钢的韧脆转变温度变成+25°C，而铬-钼钢仍然保持在 -50°C。缓慢的冷却速率没有使含钼钢脆化，因此，含钼钢不太容易发生回火脆性。


氢脆

氢脆和硫化物应力开裂

       正如前面所描述的，调质钢所获得的强度水平主要是基于马氏体的高强度，马氏体金相组织的特征是高密度位错和高内应力。遗憾的是，正是这些条件增强了氢在钢中的扩散，造成氢脆。回火虽然降低了内应力和马氏体的位错密度，因而减少了氢的扩散，但是强度也下降到不足的水平。而钼通过固溶强化作用和与其它合金元素如铬和铌共同形成复合碳化物两种方式有效地减轻了这种影响。

       在以硫化氢为氢的主要来源的情况下，氢脆现象被称为硫化物应力开裂。钼所具有的抗硫化物应力开裂能力对于开发石油专用管材（OCTG）所需的各类钢种起了关键作用，它们广泛用于化工、石化和油气工业。
 
高温氢腐蚀

       在温度大约200°C 以上的氢腐蚀环境（对于石油蒸馏和催化重整等工艺是常见的工况条件），碳钢的使用受到严重限制。扩散进钢中的氢与钢中的碳结合形成甲烷和其它物质，其结果首先是脱碳，随后是由于局部气体压力大导致的裂纹。

图9 比较了暴露在540°C的加压氢气环境中，各类钢断裂强度的损失。未添加合金元素的碳钢，强度损失明显，暴露不到50小时，损失原来强度的50%以上；添加0.5%Mo或1%Cr-0.5%Mo之后略有改善，但对于此工况条件还是不够的。而2.25%Cr + 1% Mo 的合金含量可提供如下程度的保护：经过500小时的暴露之后，原先的断裂强度丝毫没有降低。

       过去将Cr+Mo在这方面的积极作用解释为碳化物的形成，现在认为是这些元素降低了晶界的能量。无论如何，加入适当含量的Mo和Cr，钢可抗氢腐蚀，避免脱碳、裂纹和强度损失。