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各种元素对钢材性能的影响
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作者:prof19c77
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发布时间: 2017-11-07
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H是一般钢中最有害的元素，钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样，在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。“氢脆”主要出现在马氏体钢中，在铁氧体钢中不十分突出，一般与硬度和含碳量一起增加。
1、H（氢）
H是一般钢中最有害的元素，钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样，在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。“氢脆”主要出现在马氏体钢中，在铁氧体钢中不十分突出，一般与硬度和含碳量一起增加。
另一方面，H能提高钢的磁导率，但也会使矫顽力和铁损增加（加H后矫顽力可增大0.5～2倍）。
2、B（硼）
B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属，与镍、铬、钼等。为了这一目的，其含量一般规定在0.001%～0.005%范围内。它可以代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼，以硼代钼应注意，因钼能防止或降低回火脆性，而硼却略有促进回火脆性的倾向，所以不能用硼将钼完全代替。
中碳碳素钢中加硼，由于提高了淬透性，可使厚20mm以上的钢材调质后性能大为改善，因此，可用40B和40MnB钢代替40Cr，可用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳的含量的增加而减弱，甚至消失，在选用含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬透性将低于芯部的淬透性的这一特点。
弹簧钢一般要求完全淬透，通常弹簧面积不大，采用含硼钢有利。对高硅弹簧钢硼的作用波动较大，不便采用。
硼和氮及氧有强的亲和力，沸腾钢中加入0.007%的硼，可以消除钢的时效现象。
3、C（碳）
C是仅次于铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。
当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。
随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。
4、N（氮）
N对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，塑性特别是韧性也显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧；同时增加时效倾向及冷脆性和热脆性，损坏钢的焊接性能及冷弯性能。因此，应该尽量减小和限制钢中的含氮量。一般规定氮含量应不高于0.018%。
氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。有些牌号的不锈钢，适当增加N的含量，可以减少Cr的使用量，可以有效降低成本。
5、O（氧）
O在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。钢水凝固期间，溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳，可以造成气泡。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式存在，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。
氧会使硅钢中铁损增大，磁导率及磁感强度减弱，磁时效作用加剧。
6、Mg（镁）
镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。微量镁能改善轴承钢的碳化物尺寸及分布，含镁轴承钢的碳化物颗粒细小均匀。当镁含量为0.002%～0.003% ,其抗拉强度和屈服强度增加5%以上，塑性基本保持不变。
7、Al（铝）
铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。如D级碳素结构钢要求钢中酸溶铝含量不小于0.015%，深冲压用冷轧薄钢板08AL要求钢中酸溶铝含量为0.015%―0.065%。
铝还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时，效果更好。
铬钼钢和铬钢中含Al可增加其耐磨性。高碳工具钢中Al的存在可使产生淬火脆性。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
8、Si（硅）
Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂：对于碳钢中的很多材质来说，都含有0.5%以下的Si，这些Si一般是由于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂而带入的。
硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素强。但含硅量超过3%时，将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb），以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。
硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向，使磁化容易，磁阻减小，可用来生产电工用钢，所以硅钢片的磁阻滞损耗较低。硅能提高铁素体的导磁率，使钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。但在强磁场下硅降低钢的磁感强度。硅因有强的脱氧力，从而减少了铁的磁时效作用。
含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅钢若加热时冷却较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而断裂。
硅能降低钢的焊接性能。因为与氧的结合能力硅比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和融化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂。用铝脱氧时酌情加一定量的硅，能显著提高率的脱氧性。硅在钢中本来就有一定的残存，这是由于炼铁炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅限制在<0.07%，有意加入时，则在炼钢时加入硅铁合金。
9、P（磷）
P是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。
P的固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。
磷可提高比电阻，且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低，于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高，含P硅钢的热加工也并不困难，但由于它会使硅钢具冷脆性，含量≯0.15%（如冷轧电机用硅钢含P=0.07～0.10%）。
磷是强化铁素体作用最强的元素。（P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将超过同等硅含量作用的4～5倍。）
10、S（硫）
硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。
由于其切屑发脆而可得到非常光泽的表面，所以可用于制要求负荷不大而具高表面光洁度的钢制件（名为快削钢），（如Cr14）有意加进少量的硫（=0.2～0.4%）。某些高速钢工具钢进行硫化表面。
11、K/Na（钾/钠）
钾/钠可作为变质剂使白口铁中碳化物团球化，使白口铁（以及莱氏体钢）)在保持原有硬度的条件下, 韧性提高二倍以上；使球墨铸铁的组织细化、蠕铁的处理过程稳定化；是强烈的促进奥氏体化的元素，例如，它可使奥氏体锰钢的锰/碳比从10:1~13:1降至4:1~5:1。
12、Ca（钙）
钢中加钙能细化晶粒，部分脱硫，并改变非金属夹杂物的成分、数量和形态。与钢中加稀土的作用基本相似。
改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能；提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。
铸钢中加钙使钢水流动性大为提高；铸件表面光洁度得到改善, 铸件中组织的各向异性得以消除；其铸造性能、抗热裂性能、机械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。
钢中加钙能改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能，可延长设备、工具的使用寿命。钙加入母合金中可用作脱氧剂和孕育剂，并起微合金化作用。
13、Ti（钛）
钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素，但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强，稳定，不易分解，在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。
在未溶入之前，碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力，在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。
钛也是强铁氧体形成元素之一，强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛，提高了钢的强度。经正火使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善，含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能，主要缺点是淬透性稍差。
在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛，不但能提高钢的抗蚀性（主要是抗晶间腐蚀）和韧性；还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。
H是一般钢中最有害的元素，钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样，在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。“氢脆”主要出现在马氏体钢中，在铁氧体钢中不十分突出，一般与硬度和含碳量一起增加。
另一方面，H能提高钢的磁导率，但也会使矫顽力和铁损增加（加H后矫顽力可增大0.5～2倍）。
2、B（硼）
B在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属，与镍、铬、钼等。为了这一目的，其含量一般规定在0.001%～0.005%范围内。它可以代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼，以硼代钼应注意，因钼能防止或降低回火脆性，而硼却略有促进回火脆性的倾向，所以不能用硼将钼完全代替。
中碳碳素钢中加硼，由于提高了淬透性，可使厚20mm以上的钢材调质后性能大为改善，因此，可用40B和40MnB钢代替40Cr，可用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳的含量的增加而减弱，甚至消失，在选用含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬透性将低于芯部的淬透性的这一特点。
弹簧钢一般要求完全淬透，通常弹簧面积不大，采用含硼钢有利。对高硅弹簧钢硼的作用波动较大，不便采用。
硼和氮及氧有强的亲和力，沸腾钢中加入0.007%的硼，可以消除钢的时效现象。
3、C（碳）
C是仅次于铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。
当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。
随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。
4、N（氮）
N对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，塑性特别是韧性也显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧；同时增加时效倾向及冷脆性和热脆性，损坏钢的焊接性能及冷弯性能。因此，应该尽量减小和限制钢中的含氮量。一般规定氮含量应不高于0.018%。
氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。有些牌号的不锈钢，适当增加N的含量，可以减少Cr的使用量，可以有效降低成本。
5、O（氧）
O在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。钢水凝固期间，溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳，可以造成气泡。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式存在，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。
氧会使硅钢中铁损增大，磁导率及磁感强度减弱，磁时效作用加剧。
6、Mg（镁）
镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。微量镁能改善轴承钢的碳化物尺寸及分布，含镁轴承钢的碳化物颗粒细小均匀。当镁含量为0.002%～0.003% ,其抗拉强度和屈服强度增加5%以上，塑性基本保持不变。
7、Al（铝）
铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。如D级碳素结构钢要求钢中酸溶铝含量不小于0.015%，深冲压用冷轧薄钢板08AL要求钢中酸溶铝含量为0.015%―0.065%。
铝还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时，效果更好。
铬钼钢和铬钢中含Al可增加其耐磨性。高碳工具钢中Al的存在可使产生淬火脆性。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
8、Si（硅）
Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂：对于碳钢中的很多材质来说，都含有0.5%以下的Si，这些Si一般是由于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂而带入的。
硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素强。但含硅量超过3%时，将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb），以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。
硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向，使磁化容易，磁阻减小，可用来生产电工用钢，所以硅钢片的磁阻滞损耗较低。硅能提高铁素体的导磁率，使钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。但在强磁场下硅降低钢的磁感强度。硅因有强的脱氧力，从而减少了铁的磁时效作用。
含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
硅能促使铸钢中的柱状晶成长，降低塑性。硅钢若加热时冷却较快，由于热导率低，钢的内部和外部温差较大，因而断裂。
硅能降低钢的焊接性能。因为与氧的结合能力硅比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和融化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂。用铝脱氧时酌情加一定量的硅，能显著提高率的脱氧性。硅在钢中本来就有一定的残存，这是由于炼铁炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅限制在<0.07%，有意加入时，则在炼钢时加入硅铁合金。
9、P（磷）
P是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。
P的固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。
磷可提高比电阻，且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低，于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高，含P硅钢的热加工也并不困难，但由于它会使硅钢具冷脆性，含量≯0.15%（如冷轧电机用硅钢含P=0.07～0.10%）。
磷是强化铁素体作用最强的元素。（P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将超过同等硅含量作用的4～5倍。）
10、S（硫）
硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。
由于其切屑发脆而可得到非常光泽的表面，所以可用于制要求负荷不大而具高表面光洁度的钢制件（名为快削钢），（如Cr14）有意加进少量的硫（=0.2～0.4%）。某些高速钢工具钢进行硫化表面。
11、K/Na（钾/钠）
钾/钠可作为变质剂使白口铁中碳化物团球化，使白口铁（以及莱氏体钢）)在保持原有硬度的条件下, 韧性提高二倍以上；使球墨铸铁的组织细化、蠕铁的处理过程稳定化；是强烈的促进奥氏体化的元素，例如，它可使奥氏体锰钢的锰/碳比从10:1~13:1降至4:1~5:1。
12、Ca（钙）
钢中加钙能细化晶粒，部分脱硫，并改变非金属夹杂物的成分、数量和形态。与钢中加稀土的作用基本相似。
改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能；提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。
铸钢中加钙使钢水流动性大为提高；铸件表面光洁度得到改善, 铸件中组织的各向异性得以消除；其铸造性能、抗热裂性能、机械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。
钢中加钙能改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能，可延长设备、工具的使用寿命。钙加入母合金中可用作脱氧剂和孕育剂，并起微合金化作用。
13、Ti（钛）
钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素，但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强，稳定，不易分解，在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。
在未溶入之前，碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力，在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。
钛也是强铁氧体形成元素之一，强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛，提高了钢的强度。经正火使晶粒细化，析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善，含钛的合金结构钢，有良好的力学性能和工艺性能，主要缺点是淬透性稍差。
在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛，不但能提高钢的抗蚀性（主要是抗晶间腐蚀）和韧性；还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。
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