化学元素对钢性能的影响

化学元素对钢性能的影响

1、 碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23％超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20％。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。碳是决定碳钢力学性能的主要元素，室温条件下，碳几乎全部以渗碳体Fe3C的形式存在于钢中，由于渗碳体的强度、硬度高，质脆，塑性和韧性差，所以钢中每增加0.1%的碳含量，就相应增加约1.5%的渗碳体，必然引起钢力学性能的变化。屈服强度上升约28MPa,抗拉强度增加约70MPa。

钢的性能除受碳含量的影响外，还与渗碳体的形态、分散度、分布情况有关，如渗碳体呈颗粒状，均匀分布于晶粒心部，不是排列在晶界，就会改善钢的性能。因此，钢可以通过热处理工艺来改善渗碳体在铁基体上的形态、分布状况，从而改善钢的性能。

在727～912℃发生的共析转变，碳含量在0.77%的S点，同时析出铁素体与渗碳体的混合物珠光体。其过程是：

，体积发生膨胀，造成应力，进而造成内部裂纹。因此连续铸钢矫直温度要尽量避开700～900℃范围。

晶型的转变，导致体积膨胀，在0.07~0.16％体积线收缩最大，是铸坯出现裂纹的一个主要原因。

2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30％的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60％,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2％的硅，强度可提高15－20％。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4％的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。

3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50％。在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40％。含锰11－14％的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。

5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，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。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。在钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。硫在钢中通常以MnS的形式存在，在铸坯1/4表面形成条状偏析带，轧制时在钢材里形成条状，冷弯和焊接时易产生裂纹。

6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。

7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。

9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。钢中钛含量较低时，钛首先结合钢中的氮，几乎全部形成TiN(Ti≈3.4N),此时不能形成Ti4C2S2，钢中硫以MnS形式存在；当钛含量增加并超过3.4N%时，开始形成Ti4C2S2 ，此时MnS和 Ti4C2S2并存；当钛含量继续增加可将钢中的氮和硫全部固定时，即钛含量超过Ti%=Ti%-3.4N%-3S%时, MnS将全部被 Ti4C2S2所代替，此时钛的沉淀强化作用很少。

因此钢中加钛的条件控制：

Ti(有效钛)%=Ti(全)%-3.4N%-3S%

从式中可以看出，硫、氮含量越低，则有效钛的含量越高。只有当钢中钛的含量超过Ti%=Ti%-3.4N%-3S%时，TiC粒子的沉淀强化作用才体现出来。

10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5％的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒与钢中的自由氮结合，消除了自由氮带来的时效性，同时提高钢种的氮含量，可以显著地促进钒的析出，在奥氏体中析出的VN能够抑制再结晶奥氏体晶粒长大。同时钢中增加氮含量，使低温析出V(C,N)的数量增多、尺寸减小且使粒子粗化的趋势减小，显著提高钒的沉淀强化效果。当钢中V/N＜3.64时，钢中所有V转化为VN。钒以纯氮化物形式开始在奥氏体内析出。在V0.1%钢中，只有当氮含量低于约0.005%时，V(C,N)中的碳含量才会明显增加。钢中存在的碳化钒主要为

V8C7(VC0.875)和V6C5(VC0.833),钢中形成的碳化钒和氮化钒具有相同的晶体结构且点阵常数相近，因而也可以无限制地互溶形成碳氮化物VCХN1-Х(X的值为0～1)。

11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。