49種元素對鋼鐵性能的影響
元素 | 對鋼鐵性能的影響 |
H（氫） | H是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。氫與氧、氮一樣，在固態鋼中溶解度極小，在高溫時溶入鋼液，冷卻時來不及逸出而積聚在組織中形成高壓細微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強度急劇降低，嚴重時會造成裂紋、脆斷。“氫脆”主要出現在馬氏體鋼中，在鐵氧體鋼中不十分突出，一般與硬度和含碳量一起增加。 另一方面，H能提高鋼的磁導率，但也會使矯頑力和鐵損增加（加H后矯頑力可增大0.5～2倍）。 |
B（硼） | B在鋼中的主要作用是增加鋼的淬透性，從而節約其他較稀貴的金屬，與鎳、鉻、鉬等。為了這一目的，其含量一般規定在0.001%～0.005%范圍內。它可以代替1.6%的鎳、0.3%的鉻或0.2%的鉬，以硼代鉬應注意，因鉬能防止或降低回火脆性，而硼卻略有促進回火脆性的傾向，所以不能用硼將鉬完全代替。 中碳碳素鋼中加硼，由于提高了淬透性，可使厚20mm以上的鋼材調質后性能大為改善，因此，可用40B和40MnB鋼代替40Cr，可用20Mn2TiB鋼代替20CrMnTi滲碳鋼。但由于硼的作用隨鋼中碳的含量的增加而減弱，甚至消失，在選用含硼滲碳鋼時，必須考慮到零件滲碳后，滲碳層的淬透性將低于芯部的淬透性的這一特點。 彈簧鋼一般要求完全淬透，通常彈簧面積不大，采用含硼鋼有利。對高硅彈簧鋼硼的作用波動較大，不便采用。 硼和氮及氧有強的親和力，沸騰鋼中加入0.007%的硼，可以消除鋼的時效現象。 |
C（碳） | C是僅次于鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性能等。 當鋼中含碳量在0.8%以下時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低；但當含碳量在1.0%以上時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度反而下降。 隨著含碳量的增加，鋼材的焊接性能變差（含碳量大于0.3%的鋼材，可焊性顯著下降），冷脆性和時效敏感性增大，耐大氣銹蝕性下降。 |
N（氮） | N對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度顯著提高，塑性特別是韌性也顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇；同時增加時效傾向及冷脆性和熱脆性，損壞鋼的焊接性能及冷彎性能。因此，應該盡量減小和限制鋼中的含氮量。一般規定氮含量應不高于0.018%。 氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。有些牌號的不銹鋼，適當增加N的含量，可以減少Cr的使用量，可以有效降低成本。 |
O（氧） | O在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧，但不可能除盡。鋼水凝固期間，溶液中氧和碳反應會生成一氧化碳，可以造成氣泡。氧在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在，使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。 氧會使硅鋼中鐵損增大，磁導率及磁感強度減弱，磁時效作用加劇。 |
Mg（鎂） | 鎂能使鋼中夾雜物數量減少、尺寸減小、分布均勻、形態改善等。微量鎂能改善軸承鋼的碳化物尺寸及分布，含鎂軸承鋼的碳化物顆粒細小均勻。當鎂含量為0.002%～0.003% ,其抗拉強度和屈服強度增加5%以上，塑性基本保持不變。 |
Al（鋁） | 鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中，鋁脫氧能力比硅、錳強得多。鋁在鋼中的主要作用是細化晶粒、固定鋼中的氮，從而顯著提高鋼的沖擊韌性，降低冷脆傾向和時效傾向性。如D級碳素結構鋼要求鋼中酸溶鋁含量不小于0.015%，深沖壓用冷軋薄鋼板08AL要求鋼中酸溶鋁含量為0.015%―0.065%。 鋁還可提高鋼的抗腐蝕性能，特別是與鉬、銅、硅、鉻等元素配合使用時，效果更好。 鉻鉬鋼和鉻鋼中含Al可增加其耐磨性。高碳工具鋼中Al的存在可使產生淬火脆性。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。 |
Si（硅） | Si是煉鋼過程中重要的還原劑和脫氧劑：對于碳鋼中的很多材質來說，都含有0.5%以下的Si，這些Si一般是由于煉鋼過程中作為還原劑和脫氧劑而帶入的。 硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強。但含硅量超過3%時，將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比（σs/σb），以及疲勞強度和疲勞比（σ-1/σb）等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。 硅能降低鋼的密度、熱導率和電導率。能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向，使磁化容易，磁阻減小，可用來生產電工用鋼，所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導磁率，使鋼片在較弱磁場下有較高的磁感強度。但在強磁場下硅降低鋼的磁感強度。硅因有強的脫氧力，從而減少了鐵的磁時效作用。 含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。 硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長，降低塑性。硅鋼若加熱時冷卻較快，由于熱導率低，鋼的內部和外部溫差較大，因而斷裂。 硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的結合能力硅比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，增加熔渣和融化金屬的流動性，引起噴濺現象，影響焊接質量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌情加一定量的硅，能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來就有一定的殘存，這是由于煉鐵煉鋼時作為原料帶入的。在沸騰鋼中，硅限制在<0.07%，有意加入時，則在煉鋼時加入硅鐵合金。 |
P（磷） | P是由礦石帶入鋼中的，一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時，它使鋼材顯著變脆，這種現象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優質鋼：P＜0.025%；優質鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。 P的固溶強化及冷作硬化作用很好，與銅聯合使用，提高低合金高強度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能，與硫、錳聯合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。 磷可提高比電阻，且由于容易粗晶而可使矯頑力和渦流損失降低，于磁感而言，則在弱中磁場下磷含量高的鋼磁感會提高，含P硅鋼的熱加工也并不困難，但由于它會使硅鋼具冷脆性，含量≯0.15%（如冷軋電機用硅鋼含P=0.07～0.10%）。 磷是強化鐵素體作用最強的元素。（P對硅鋼再結晶溫度和晶粒長大的影響將超過同等硅含量作用的4～5倍。） |
S（硫） | 硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態存在于鋼中，FeS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當鋼材熱加工時，由于FeS化合物的過早熔化而導致工件開裂，這種現象稱為“熱脆”。降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫對焊接性能也不利，降低耐腐蝕性。高級優質鋼：S＜0.02%～0.03%；優質鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。 由于其切屑發脆而可得到非常光澤的表面，所以可用于制要求負荷不大而具高表面光潔度的鋼制件（名為快削鋼），（如Cr14）有意加進少量的硫（=0.2～0.4%）。某些高速鋼工具鋼進行硫化表面。 |
K/Na（鉀/鈉） | 鉀/鈉可作為變質劑使白口鐵中碳化物團球化，使白口鐵（以及萊氏體鋼）)在保持原有硬度的條件下, 韌性提高二倍以上；使球墨鑄鐵的組織細化、蠕鐵的處理過程穩定化；是強烈的促進奧氏體化的元素，例如，它可使奧氏體錳鋼的錳/碳比從10:1~13:1降至4:1~5:1。 |
Ca（鈣） | 鋼中加鈣能細化晶粒，部分脫硫，并改變非金屬夾雜物的成分、數量和形態。與鋼中加稀土的作用基本相似。 改善鋼的耐蝕性、耐磨性、耐高溫和低溫性能；提高了鋼的沖擊韌性、疲勞強度、塑性和焊接性能；增加了鋼的冷鐓性、防震性、硬度和接觸持久強度。 鑄鋼中加鈣使鋼水流動性大為提高；鑄件表面光潔度得到改善, 鑄件中組織的各向異性得以消除；其鑄造性能、抗熱裂性能、機械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。 鋼中加鈣能改善抗氫致裂紋性能和抗層狀撕裂性能，可延長設備、工具的使用 壽命。鈣加入母合金中可用作脫氧劑和孕育劑，并起微合金化作用。 |
Ti（鈦） | 鈦和氮、氧、碳都有極強的親和力，與硫的親和力比鐵強，是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。鈦雖然是強碳化物形成元素，但不和其他元素聯合形成復合化合物。碳化鈦結合力強，穩定，不易分解，在鋼中只有加熱到1000℃以上才能緩慢地溶入固溶體中。 在未溶入之前，碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用。由于鈦和碳之間的親和力遠大于鉻和碳之間的親和力，在不銹鋼中常用鈦來固定其中的碳以消除鉻在晶界處的貧化，從而消除或減輕鋼的晶間腐蝕。 鈦也是強鐵氧體形成元素之一，強烈的提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在普通低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮和硫并形成碳化鈦，提高了鋼的強度。經正火使晶粒細化，析出形成碳化物可使鋼的塑性和沖擊韌性得到顯著改善，含鈦的合金結構鋼，有良好的力學性能和工藝性能，主要缺點是淬透性稍差。 在高鉻不銹鋼中通常需加入約5倍碳含量的鈦，不但能提高鋼的抗蝕性（主要是抗晶間腐蝕）和韌性；還能組織鋼在高溫時的晶粒長大傾向和改善鋼的焊接性能。 |
V（釩） | 釩和碳、氨、氧有極強的親和力，與之形成相應的穩定化合物。釩在鋼中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是細化鋼的組織和晶粒，降低鋼的強度和韌性。當在高溫溶入固溶體時，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在時，降低淬透性。釩增加淬火鋼的回火穩定性，并產生二次硬化效應。鋼中的含釩量，除高速工具鋼外，一般均不大于0.5%。 釩在普通低碳合金鋼中能細化晶粒，提高正火后的強度和屈服比及低溫特性，改善鋼的焊接性能。 釩在合金結構鋼中由于在一般熱處理條件下會降低淬透性，故在結構鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯合使用。釩在調質鋼中主要是提高鋼的強度和屈服比，細化晶粒，撿的過熱敏感性。在滲碳鋼中因能細化晶粒，可使鋼在滲碳后直接淬火，不需二次淬火。 釩在彈簧鋼和軸承鋼中能提高強度和屈服比，特別是提高比例極限和彈性極限，降低熱處理時脫碳敏感性，從而提高了表面質量。五鉻含釩的軸承鋼，碳化彌散度高，使用性能良好。 釩在工具鋼中細化晶粒，降低過熱敏感性，增加回火穩定性和耐磨性，從而延長了工具的使用壽命。 |
Cr（鉻） | 鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。含量超過12%時，使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕的作用，還增加鋼的熱強性。鉻為不銹鋼耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。 鉻能提高碳素鋼軋制狀態的強度和硬度，降低伸長率和斷面收縮率。當鉻含量超過15%時，強度和硬度將下降，伸長率和斷面收縮率則相應地有所提高。含鉻鋼的零件經研磨容易獲得較高的表面加工質量。 鉻在調質結構中的主要作用是提高淬透性，使鋼經淬火回火后具有較好的綜合力學性能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。 含鉻的彈簧鋼在熱處理時不易脫碳。鉻能提高工具鋼的耐磨性、硬度和紅硬性，有良好的回火穩定性。在電熱合金中，鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強度。 |
Mn（錳） | Mn能提高鋼材強度：由于Mn價格相對便宜，且能與Fe無限固溶，在提高鋼材強度的同時，對塑性的影響相對較小。因此，錳被廣泛用于鋼中的強化元素。可以說，基本上所有碳鋼中，都含有Mn。我們常見的沖壓軟鋼，雙相鋼(DP鋼)，相變誘導塑性鋼(TR鋼)，馬氏體鋼(MS鋼)，都含有錳元素。一般，軟鋼中的Mn含量不會超過0.5%；高強鋼中的Mn含量會隨著強度級別的升高而升高，例如馬氏體鋼，錳含量可高達3%。 Mn提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能：比較典型的例子是40Mn和40號鋼。 Mn能消除S（硫）的影響：Mn在鋼鐵冶煉中可與S形成高熔點的MnS，進而消弱和消除S的不良影響。 但是，Mn的含量也是一把雙刃劍。Mn含量并不是越高越好。錳含量的增高，會降低鋼的塑性以及焊接性能。 |
Co（鈷） | 鈷多用于特殊的鋼和合金中，含鈷的高速鋼有高的高溫硬度，與鉬同時加入馬氏體時效鋼中可以獲得超高硬度和良好綜合力學性能。此外，鈷在熱強鋼和磁性材料中也是重要的合金元素。 鈷降低鋼的淬透性，因此，單獨加入碳素鋼中會降低調質后的綜合力學性能。鈷能強化鐵素體，加入碳素鋼中，在退火或正火狀態下能提高鋼的硬度、屈服點和抗拉強度，對伸長率和斷面收縮率有不利的影響，沖擊韌性也隨著鈷含量的增加而降低。由于鈷具有抗氧化性能，在耐熱鋼和耐熱合金中得到應用。鈷基合金燃氣渦輪中更顯示了它特有的作用。 |
Ni（鎳） | 鎳的有益作用是：高的強度、高的韌性和良好的淬透性、高電阻、高的耐腐蝕性。 一方面既強烈提高鋼的強度，另方面又始終使鐵的韌性保持極高的水平。其變脆溫度則極低。（當鎳＜0.3%時，其變脆溫度即達‐100℃以下，當Ni量增高時，約4～5%，其變脆溫度競可降至‐180℃。所以能同時提高淬火結構鋼的強度和塑性。含Ni=3.5%，無Cr鋼可空淬，含Ni=8%的Cr鋼在很小冷速下也可轉變為M體。 Ni的晶格常數與γ‐鐵相近，所以可成連續固溶體。這就有利于提高鋼的淬硬性，Ni可降低臨界點并增加奧氏體的穩定性，所以其淬火溫度可降低，淬透性好。一般大斷面的厚重件都用加Ni鋼。當它同Cr、W或Cr、Mo結合的時候，淬透性尤可增高。鎳鉬鋼還具有很高的疲勞極限。（Ni鋼有良好的耐熱疲勞性，工作在冷熱反復。σ、αk高） 在不銹鋼中用Ni，是為了使鋼具有均勻的A體組織，以改善耐蝕性。有Ni鋼一般不易過熱，所以它可阻止高溫時晶粒的增長，仍可保持細晶粒組織。 |
Cu（銅） | 銅在鋼中的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時，加入銅還能提高鋼的強度和屈服比，而對焊接性能沒有不利的影響。含銅0.20%～0.50%的鋼軌鋼（U-Cu），除耐磨外其耐腐蝕壽命為一般碳素鋼軌的2-5倍。 銅含量超過0.75%時，經固溶處理和時效后，可產生時效強化作用。含量低時，其作用與鎳相似，但較弱。含量較高時，對熱變形加工不利，在熱變形加工時導致銅脆現象。2%～3%銅在奧氏體不銹鋼中可以對硫酸、磷酸及鹽酸等抗腐蝕性能及對應力腐蝕的穩定性。 |
Ga（鎵） | 鎵在鋼中是封閉γ區的元素。微量鎵易固溶于鐵素體中，形成代位式固溶體。它不是碳化物形成元素，同時也不形成氧化物、氮化物、硫化物。在γ+a兩相區時，微量鎵易于從奧氏體向鐵素體擴散，它在鐵素體中濃度高。微量鎵對鋼的力學性能的影響主要是固溶強化。鎵對鋼的耐腐蝕性有很小的改善作用。 |
As（砷） | 礦石中的砷在燒結過程中只能除去一部分,也可以用氯化焙燒方法去除，砷在高爐冶煉過程中全部還原進入生鐵中，鋼中含砷大于0.1%以上時，使鋼增加脆性并使焊接性能變壞。應控制礦石中砷含量，要求礦石中含砷量不應超過0.07%。 砷有提高低碳圓鋼屈服點σs、抗拉強度σb 和降低延伸率δ5的傾向，降低普碳圓鋼常溫沖擊韌性Akv的作用較明顯。 |
Se（硒） | 硒可以改善碳素鋼、不銹鋼和銅的切削加工性能，零件表面光潔。 高磁感取向硅鋼中常以MnSe2作抑制劑，MnSe2有益夾雜要比 MnS 有益夾雜對初次再結晶晶粒長大的抑制作用更強、更有利于促進二次再結晶晶粒擇優長大，從而可獲得高取向（110）[001]織構。 |
Zr（鋯） | 鋯是強碳化物形成元素，它在鋼中的作用與鈮、鉭、釩相似。加入少量鋯有脫氣、凈化和細化晶粒作用，有利于鋼的低溫性能，改善沖壓性能，它常用于制造燃氣發動機和彈道導彈結構使用的超高強度鋼和鎳基高溫合金中。 |
Nb（鈮） | 鈮常和鉭共生，它們在鋼中的作用相近。鈮和鉭部分溶入固溶體，起固溶強化作用。溶入奧氏體時顯著提高鋼的淬透性。但以碳化物和氧化物微粒形式存在時，細化晶粒并降低鋼的淬透性。它能增加鋼的回火穩定性，有二次硬化作用。微量鈮可以在不影響鋼的塑性或韌性的情況下提高鋼的強度。由于有細化晶粒的作用，能提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉變溫度。當含量大于碳的8倍時，幾乎可以固定鋼中所有的碳，使鋼具有良好的抗氫性能。在奧氏體鋼中可以防止氧化介質對鋼的晶間腐蝕。由于固定碳和沉淀硬化作用，能提高熱強鋼的高溫性能，如蠕變強度等。 鈮在建筑用普通低合金鋼中能提高屈服強度和沖擊韌性，降低脆性轉變溫度有益焊接性能。在滲碳及調質合金結構鋼中在增加淬透性的同時。提高鋼的韌性和低溫性能。能降低低碳馬氏體耐熱不銹鋼的空氣硬化性，避免硬化回火脆性，提高蠕變強度。 |
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