常见元素对钢性能的影响

常见元素对钢性能的影响1. 碳C由于其对钢的性能的影响常被称为“控制者”。虽然碳本身不具有强度和硬 度，但是在固溶体中作为铁的碳化物Fe3C，碳是强度和硬度的首要控制元素。碳的主要作用：在钢中随着含碳量的增加，可提高钢的强度、硬度和淬透性； 但降低塑性、韧性、磁性和导电性能。碳和钢中某些合金元素化合形成各种碳化 物，对钢的性能产生不同的影响。碳在一些钢中的含量范围：碳素钢0.031.04%， 高速工具钢0.751.60%，热作工具钢0.220.70%，冷作工具钢0.452.85%.2. 锰 Mn广泛用于熔态钢的脱氧和脱硫。它在钢中残留的量小于1%。当锰在钢中的 含量超过1%时，锰就是有意加入的合金元素。锰的主要作用：提高钢的抗拉强度；适度提高钢的淬透性，并且既提高韧性 又提高加工性能；在含硫的钢中，锰使硫造成的热脆性和冷脆性减到最小；含锰 量高的钢，经冷加工或冲击后具有高的耐磨性，但有促使钢的品粒长大和增加第 二类回火脆性的倾向。锰元素在结构钢、钢筋钢、弹簧钢中应用较大。锰在一些钢中的含量范围：碳素钢0.250.65%，锰钢1.61.9%，冷作工具 钢0.302.50%，奥氏体铭-竦不锈钢2.0015.5%.3. 硅 Si硅是铁素体形成元素。它既提高A1温度又提高A3温度。由于硅有石墨化的 作用，所以一般它在钢中与锰结合作为碳化物的稳定剂。为常用的脱氧剂。硅的主要作用：在电工薄板钢中，硅提高磁导率和电阻率并允许获得非常低 的磁滞损失，硅在这些钢中的含量范围是0.54.5% ；硅使一些耐高温钢抗氧化； 硅与锰结合可提高淬透性、强度和冲击韧性；特别是经淬火、回火后能提高钢的 屈服极限和弹性极限；含硅量高的钢，其磁性和电阻均明显提高，但硅有促进石 墨化倾向，当钢中含碳量高的时候，影响更大；对钢还有脱碳和存在第二类回火 脆性倾向。硅元素在钢筋钢、弹簧钢和电工钢中应用较多。含量较高时，对钢的 焊接性不利，焊接时喷溅较严重，有损焊缝质量，并导致冷脆；对高、中碳钢易 产生石墨化。普通钢中硅的含量范围在0.170.37%。铭是碳化物形成元素。它形成硬的碳化物Cr7C3和Cr23C6，另一方面还可以 与碳形成复合碳化物。所有这些碳化物都比初始的渗碳体硬。作为铁素体形成元 素，铭降低了 A4温度并提高A3温度，因此以丫 -相为代价稳定了 a-相。如果在 纯铁中加入大于11%的铭，那么丫 -相会全部消失。4. 铭 Cr铭的主要作用：在钢中含足够的碳时铭提高钢的硬度，含1%碳的低铭钢是 非常硬的；在低碳钢中加入的铭能够提高强度但延展性有所降低；铭提高钢的高 温强度；铭提供中等淬透性；在高碳钢中，铭改善耐磨性能；当加入大量的铭， 直到25%时，由于在钢的表面形成保护性的氧化物层而改善耐腐蚀能力；与竦元 素等配合能提高抗氧化性和钢的热强性，并进一步提高抗腐蚀性；铭促进晶粒长 大，导致钢的脆性增加。铭是结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢和耐热钢中应用 很广的元素。铭在一些钢和合金中的含量范围：铭钢0.301.60%，奥氏体铭-竦不锈钢 15.030.0%，马氏体铭钢4.018.0%，铁索体铭钢10.527.0%，沉淀硬化钢 12.218.0%，5. 钨W钨是非常强的碳化物形成元素。它形成非常硬而又稳定的碳化物W2C、WC 和复合碳化物Fe4W2C。这些碳化物溶解很慢并且只在很高的温度溶解。因此钨 是工具钢的重要成分，尤其是高速工具钢。在这些钢中，钨显著地提高二次硬化 后的硬度。作为铁素体形成元素，钨降低A4温度而提高A3温度。钨的主要作用：钨抑制品粒长大并因此有晶粒细化的作用；钨减少在热加工 和热处理过程中的脱碳；钨提高耐磨性；它提高淬火及回火钢的高温硬度；在一 些高温合金中，钨提高蠕变强度；钨对淬透性的贡献是非常重要的；钨限制回火 软化，含钨的钢加热到600700C碳化物仍不会沉淀，从而避免了钢的软化。是 高速工具钢、合金工具钢中应用较多的元素之一。对钢抗氧化性不利。钨在一些钢中的含量范围：钨-铭钢1.75%，高速工具钢1.1521.0%，热作 工具钢019.0%，冷作工具钢02.0%，抗冲击钢03.0%.6. 钼 Mo钼是强的碳化物形成元素。它形成硬而稳定的碳化物MoC,以及另外的复合2碳化物，例如Fe Mo C和Fe MoC42216钼的主要作用：少量的钼即可有效地降低转变速率；提高高温合金的高温强 度和抗蠕变能力；提高不锈钢的耐腐蚀能力，特别是在盐酸溶液中；与钨有相似 的作用，在高速工具钢中常以钼代钨，从而减轻含钨高速钢碳化物堆集的程度， 提高了力学性能；钼是竦-铭-钼钢中的重要组成部分之一，这种钢具有高的抗拉 强度与良好的塑性的结合;在铭钢中，钼的加入是为了改善加工性能和力学性能； 在竦-钼钢中，钼提高钢的表面硬度。钼在一些钢中的含量范围：钼钢0.150.60%，高速工具钢010.0%，热作工 具钢05.5%，冷作工具钢01.8%，奥氏体铭-竦不锈钢0.4.0%，马氏体铭钢 01.25%，铁索体铭钢01.25%.7. 钒V钒是强的碳化物形成元素。它形成碳化物VC。钒以细小品粒而弥散的碳化 物和氮化物存在于钢中，它们在正常的热处理温度下不分解，它们的存在抑制品 粒长大。足够量的碳和在温度升高时可溶的钒引起可观察到的最大二次硬化效 果。钒的主要作用：钒是非常重要的品粒细化元素，它抑制奥氏体长大，少到 0.1%的钒就会有效地抑制硬化过程中的品粒长大，但是在把钢加热到品粒长大抑 制碳化物和氮化物粒子溶解的温度时，品粒长大马上开始；钒即使少量的溶解也 会提高淬透性；它可抵抗高温软化；在生产脱气铸锭的最后脱氧阶段，钒迅速与 氧化物结合，常用来作为“清洗剂”或“清洁器”铭-钒钢表现出比较高的屈服 应力和断面收缩率；提高钢的强度和和韧性，提高钢的耐磨性和热硬性以及回火 稳定性，在高速工具钢中经多次回火有二次硬化的作用。固溶于铁素体有极强的固溶强化作用，有细化品粒作用，对低温冲击韧性有 利。碳化钒是金属碳化物中最硬、最耐磨的，可提高工具钢的使用寿命。通过细 小碳化钒晶粒弥散分布，可以提高钢的蠕变和持久强度。铁、碳含量比大于5.7时，可防止或减轻介质对不锈耐酸钢的品间腐蚀，并 大大提高钢的抗高温、高压、氢腐蚀的能力，能细化品粒，减缓合金元素的转移 速度，但对钢的高温抗氧化性不利。钒在一些钢和合金中的含量范围：铭-钒钢0.100.20%,高速工具钢0.905.25%，热作工具钢02.20%，冷作工具钢05.15%8. 钻 Co钻是碳化物形成元素。它的碳化物形成倾向稍微比铁强。有固溶强化作用， 赋予钢硬性，改善钢的高温性能和抗氧化及耐腐蚀的能力。钻是某些超硬高速工 具钢、某些永磁合金以及高温合金的重要成分。在一些含竦18%、钻8%12%、钼 3%5%和少量的钛和铝的钢中，钻通过产生更多的（Ti、Al、Mo） Ni3沉淀成核的 部位而促进沉淀硬化。钻的主要作用：钻提高永磁合金的剩余感应和高的矫顽力；钻通过促进沉淀 硬化过程来大量提高强度和韧性；当钻溶解到铁素体或奥氏体中时，它抑制温升 过程中发生的软化；钻降低淬透性。钻在一些钢和合金中的含量范围：高速工具钢013.0%，热作工具钢04.5%9. 钛 Ti钛是非常强的碳化物形成元素。固溶状态时，固溶强化作用极强，但同时降 低固溶体的韧性。钛的主要作用：在中铭钢中，钛从固溶体中拉回碳并降低马氏体硬度及淬透 性；在高铭钢中，钛阻止形成奥氏体；在奥氏体不锈钢中，钛在高温时从固溶体 中拉回碳，并因此阻止因在晶界生成铭的碳化物，使局部的铭被用尽，而造成的 晶界损失；在奥氏体高温合金中，钛促进沉淀硬化；在镇静高强度低合金钢中， 钛能提高钢的韧性，；钛用作脱氧剂；与钒有相似的作用，在以钛为基的合金钢 有较小的密度，较高的高温强度；在竦铭不锈钢中有减少晶间腐蚀的的作用。提 高耐热钢的抗氧化性和热强性。有防止和减轻不锈耐酸钢品间和应力腐蚀的作 用。由于细化品粒和固定碳，对钢的焊接性有利。钛在高强度低合金钢中的含量范围在00.10%10. 铅 Pb铅在熔融的钢中有有限的溶解度。由于它有远大于钢的密度，所以它在熔态 钢中下沉而与钢分开。它在钢中以夹杂物形式存在。这些夹杂是软的并起着间隙 润滑作用。其含量为0.20%左右并以极微小的颗粒存在时，能在不显著影响其他 性能的前提下，改善钢的切削性。11. 竦 Ni竦不形成碳化物。钢中存在的竦使铁的碳化物失去稳定并因此促进石墨化。竦通过形成简单的置换固溶体起着强化铁素体的作用。作为奥氏体形成元素，竦 通过提高A4温度并降低A3温度来稳定奥氏体。如果纯铁中含有大于25%的竦， 所得到的合金即使缓冷到室温也是纯奥氏体。竦的主要作用：在含竦达5%的合金钢中，竦提高强度和韧性；竦使高铭成 分的奥氏体形成，得到了奥氏体铭-竦不锈钢；竦起着进一步细化品粒的作用； 在含有少量碳的高竦钢中，它显著提高同素异品转变的热滞后，以致马氏体时效 钢中的马氏体在加热到600C时仍能够保留；竦降低热膨胀系数；在高竦合金中， 它提高导磁率；含量高时与铭配合能显著提高钢的耐腐蚀性和耐热性。它应用广 泛，特别是在不锈钢和耐热钢中。竦在一些钢和合金中的含量范围：竦钢3.255.25%，奥氏体铭-竦不锈钢 1.037.0%，马氏体铭钢02.50%，沉淀硬化钢3.08.50%12. 铌 Nb铌既可通过沉淀硬化又可通过铁素体景粒进一步细化来提高强度。铌的主要作用：少量的铌（约0.02%）即可有效地提高碳钢的抗拉强度和屈 服强度；强度的提高伴随着显著的缺口韧性的恶化；铌是一些高强度低合金钢的 重要成分。当含量大于碳含量的8倍时，几乎可以固定钢种所有的碳，使钢具有很好的 抗氢性能；在奥氏体钢中，可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定钢中的 碳和沉淀硬化作用，可以提高热强钢的高温性能，如蠕变强度等。13. 铜 Cu铜是奥氏体形成元素。由于铜有石墨化倾向，所以其仅加入低碳钢中，并且 数量不大于1.5%。铜的主要作用：改善耐蚀能力；借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度；铜在 那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微地提高屈服强度，但钢的塑性、韧性下降； 在碳钢中，它提高淬透性并降低延展性；当含铜量超过0.4%-0.5%时，使钢件在 热加工时表面容易产生裂纹。14. 铝 Al铝的碳化物形成能力比铁低。铝促进石墨化。铝的主要作用：铝与氮或氧生成有效的细小弥散物而抑制品粒长大；铝通过 氮的较低温扩散（氮化）而生成有效的表面硬化层；铝借助在钢的表面生成一层 强的氧化铝使钢耐腐蚀；铝是优良的脱氧剂；铝能细化品粒，从而提高钢的强度 和韧性；用铝脱氧的镇静钢，能降低钢的时效倾向，如冷轧低碳薄钢板，经精轧 后可长期存放，不产生应变时效；铝对淬透性的贡献是中等的。铝在一些钢和合金中的含量范围：普通钢中铝的含量在0.010.03%，铁素 体不锈钢00.30%，沉淀硬化不锈钢01.5%15.硼 B硼是在2300C熔化的非常硬的固体。硼的主要作用：在完全脱氧的钢中加入微量的硼（0.00050.005% ）能显著 提高钢的淬透性，这时由于降低了冷却期间相转变速率所致，但当含碳量增加时， 使淬透性下降，因此，硼加入含碳量0.6%的低碳或中碳钢中作用明显；如加入 少量的硼，减少其它更昂贵的合金元素一半的量，仍能使钢保持同样的转变速率； 硼改善了钢的延展性能和力学性能16 .硫 S硫是对钢铁危害大的元素，硫通过形成脆的硫化物FeS对钢产生最有害的影 响。硫化物在钢中存在的数量低到0.01%时，它也可以激发硫化物沿品粒边界 析出。硫的主要作用：通过生成低熔点的脆性硫化物，硫形成钢在热加工中破裂， 这种钢也不适于冷加工过程；当钢中加入足够量的锰时，硫形成在热加工温度下 可塑的MnS；这些硫化物以相当大的球状遍布于钢中，它在钢中不溶解并因此 而不与钢的组织结合；增加钢中非金属夹杂物，使钢的强度降低，还会明显降低 钢的焊接性能。在热加工时，容易产生脆性（热脆性），但稍高的含硫量能改善 低碳钢的切削加工性。普通钢中硫的含量0.045%。17 .磷 P磷是钢材中的有害成分。磷在其含量低于1.0%时溶解于固态钢中。当含量 超过此值时，磷析出生成脆性的磷化物Fe3P。磷的主要作用：在溶体中磷产生重要的硬化效果，然后由于磷增加脆性，所 以其含量一般以0.05%为限，磷化物Fe3P在显微组织中以独立的组成部分存在； 是降低钢的表面张力的的元素；增加钢中的非金属夹杂物，使钢的强度和塑性降 低，并使钢的焊接性能和冷弯性能变差；特别是在低温时更严重（冷脆性），但 稍高的含磷量能改善低碳钢的切削加工性。与铜联合使用，能提高低合金高强度 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，改善钢的切削性。普通钢中磷的含量0.045%。18 .氮 N在钢中氮既可形成氮化物又可以溶解残留在凝固后的间隙中。在这两种方式 中，氮都使钢脆化而不适于冷加工。因此，为了生产高塑性的软钢，氮含量必须 低到0.002%。减少氮的含量也降低了淬火时效。在热轧或锻造的钢中，磷生成 所谓的“反常带”，这些部位成为钢中的薄弱面19 .氢 H氢含量约大于0.0005%就会导致钢的延展性降低。氢在室温就可以在钢中扩 散出去。这种扩散在缓慢的升温过程中更有效。氢含量超过0.0005%，会造成钢 内部破裂。这种现象一般是发生在轧制或锻造后金属冷却过程中。使钢易产生白点等不允许有的缺陷，可导致氢脆，也是导致焊缝热影响区发 生冷裂（延迟裂纹）的重要因素。20. 氧 O在炼钢的吹炼过程中，向熔池吹入了大量的氧气，到吹炼终点，钢水中含有 过量的氧，如果不进行脱氧，将影响其后的浇注操作。而且在钢的凝固过程中， 氧以氧化物的形式大量析出，钢中也将产生氧化物非金属夹杂，降低钢的塑性和 冲击韧性，使钢变脆21. 神 As神含量不超过0.20%时，对钢的一般力学性能影响不大，但增加回火脆性的 的敏感性22. 锆 Zr少量的锆有脱气、净化和细化品粒的作用，对钢的低温韧性有利，并可消除 时效现象，改善钢的冲压性能