49种元素对钢铁性能的影响.docx

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1、元素对钢铁性能的影响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0.52倍）。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

2、.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

3、时效现象。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。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

4、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。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。Mg（镁）镁能使钢中夹杂物数量减

5、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。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。

6、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。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（s/b），以及疲劳强度和疲劳比（-1/b）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

7、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

8、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。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：P0.025%；优质钢：P0.04%；普通钢：P0.085%。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

9、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=0.070.10%）。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45倍。）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11501200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

10、”。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：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；普通钢：S0.055%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（=0.20.4%）。某些高速钢工具钢进行硫化表面。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

11、/碳比从10:113:1降至4:15:1。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。Ti（钛）钛和氮、氧、碳都有极强的亲和

12、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

13、，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。V（钒）钒和碳、氨、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在时，降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。钢中的含钒量，除高速工具钢外，一般均不大于0.5%。钒在普通低碳合金钢中能细化晶粒，提高正火后的强度和屈服比及低温特性，

14、改善钢的焊接性能。钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性，故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比，细化晶粒，捡的过热敏感性。在渗碳钢中因能细化晶粒，可使钢在渗碳后直接淬火，不需二次淬火。钒在弹簧钢和轴承钢中能提高强度和屈服比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而提高了表面质量。五铬含钒的轴承钢，碳化弥散度高，使用性能良好。钒在工具钢中细化晶粒，降低过热敏感性，增加回火稳定性和耐磨性，从而延长了工具的使用寿命。Cr（铬）铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时，使

15、钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，有良好的回火稳定性。在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。Mn（锰）Mn能提高钢材强度：由于Mn

16、价格相对便宜，且能与Fe无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，锰被广泛用于钢中的强化元素。可以说，基本上所有碳钢中，都含有Mn。我们常见的冲压软钢，双相钢(DP钢)，相变诱导塑性钢(TR钢)，马氏体钢(MS钢)，都含有锰元素。一般，软钢中的Mn含量不会超过0.5%；高强钢中的Mn含量会随着强度级别的升高而升高，例如马氏体钢，锰含量可高达3%。Mn提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能：比较典型的例子是40Mn和40号钢。Mn能消除S（硫）的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。但是，Mn的含量也是一把双刃剑。Mn含量并不是越高越好。锰含量的增高