【钢铁知识】常见化学元素对钢铁性能的影响

　　
　　碳、硅、硫、磷等元素虽然在钢铁中的含量不高，但对于钢铁性能的影响却是显而易见的。下面就由中山华氏抚顺特钢讲解下知识。

      元素1：C（碳）

      对钢铁性能的影响：

      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。

      元素2：Mn（锰）

      对钢铁性能的影响：

      Mn能提高钢材强度：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。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可以提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。

      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。

      Mn含量并不是越高越好。锰含量的增高，会降低钢的塑性以及焊接性能。

      元素3：Si（硅）

      对钢铁性能的影响：

      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，以及疲劳强度和疲劳比等。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。

      元素4：s（硫）

      对钢铁性能的影响：

      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。

      元素5：P（磷）

      对钢铁性能的影响：

      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。

      元素6：Cr（铬）

      对钢铁性能的影响：

      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。

      元素7：V（钒）

      对钢铁性能的影响：

      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，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。

      元素8：Ni（镍）

      对钢铁性能的影响：

     镍的有益作用是：高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。

     一方面既强烈提高钢的强度，另一方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。

     Ni有利于提高钢的淬硬性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好。一般大断面的厚重件都用加Ni  钢。当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候，淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。

     元素9：Cu（铜）

     对钢铁性能的影响：

     铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时，加入铜还能提高钢的强度和屈服比，而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20%～0.50%的钢轨钢（U-Cu），除耐磨外其耐腐蚀寿命为一般碳素钢轨的2-5倍。

     铜含量超过0.75%时，经固溶处理和时效后，可产生时效强化作用。含量低时，其作用与镍相似，但较弱。含量较高时，对热变形加工不利，在热变形加工时导致铜脆现象。2%～3%铜在奥氏体不锈钢中可以对硫酸、磷酸及盐酸等抗腐蚀性能及对应力腐蚀的稳定性。

     元素10：W（钨）

     对钢铁性能的影响：

     钨在钢中除形成碳化物外，部分地溶入铁中形成固溶体。其作用与钼相似，按质量分数计算，一般效果不如钼显著。钨在钢中主要样图是增加回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性。因此它的主要用于工具钢，如高速钢、热锻模具用钢等。

     由于钨的加入，能显著提高钢的耐磨性和切削性，所以，钨是合金工具钢的主要元素。

     元素11：Mo（钼）

     对钢铁性能的影响：

     钼在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。

     在调质钢中，钼能使较大断面的零件淬深、淬透，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。

     在锻模钢中，钼还能保持钢有比较稳定的硬度，增加对变形。开裂和磨损等的抗力。