合金元素在钢中的作用(完整版)

了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。5O8W2D,}&h'{5H1、硅在钢中的作用:(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。(2)硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。(3)耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。,HlM9k$w,v6i,^5c缺点：（4）使钢的焊接性能恶化。2、锰在钢中的作用（1）锰提高钢的淬透性。（2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。:h%U&e(nk,C/@.[锰钢的主要缺点是，①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：⑧当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。7j$T+i3T&}3、铬在钢中的作用（1）铬可提高钢的强度和硬度。-S.P.[/x0}7A#['R（2）铬可提高钢的高温机械性能。)U+_'f,C,?(z（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性（4）阻止石墨化（5）提高淬透性。缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。+F:V84、镍在钢中的作用5V2@*JL&g!s7r!q!d#v（1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。（3）改善钢的加工性和可焊性。（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5、钼在钢中的作用（1）钼对铁素体有固溶强化作用。（2）提高钢热强性（3）抗氢侵蚀的作用。（4）提高钢的淬透性。W0@5ly1F缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。4E4H1V06、钨在钢中的作用(1)提高强度（2）提高钢的高温强度。（3）提高钢的抗氢性能。J/\9C:`(y;^5d（4）是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。.A/t(v,7、钒在钢中的作用(1)热强性。（2）钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。,H!n*f!A!E0m:8、钛在钢中的作用（1）钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；（金属材料长期在高温条件下受热应力的作用而产生缓慢、连续的塑性变形的现象，叫金属的蠕变）（2）并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9、铌在钢中的作用!h5k,C8C4O0G7o（1）铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。(2)有极好的抗氢性能。9@8a7r$B9g;n(3)铌能提高钢的热强性10、硼在钢中的作用；7i6U(P9r/Y8T（1）提高钢的淬透性。（2）提高钢的高温强度。强化晶界的作用。,k+G:}u7g)|$D/r-A11、铝在钢中的作用-m8}9O4I'p7o:\!s6V(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；'Kq#D;B2f(2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。(3)此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。缺点：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。时效硬化就是钢材在热处理后的放置过程中内部组织发生变化，通常是第二相的析出导致的钢材在放置后比放置前变硬的现象，通常有室温时效和人工时效两种，两者的区别是时效温度的不同钢的应变时效定义为塑性变形时或变形后，固溶状态的间隙溶质（C、N）与位错交互作用，“钉扎”位错阻止变形的物理本质，从而导致强度提高，韧性下降的力学冶金现象。如果钢中的自由碳、氮浓度足够大，就会在变形过程中，强度迅速提高，延性急剧下降，以致脆化。这一过程决定于碳、氮，主要是氮的浓度、温度和变形速率。溶质原子与各种位错均能发生反应，断裂是快速传递的。应变时效脆化事故，往往是灾难性的，顷刻间发生，防不胜防。为确保建筑的安全，建筑用钢，如螺纹钢筋在实际使用中，都要求抗应变时效性。采用模拟应变时效状态：一般是施以10%的塑性变形，然后在100℃加热不大于12h时效，空冷至室温继续变形至断裂，检测应变时效性能。螺纹钢筋的标准方法是反弯试验，试验方法在国际标准和发达国家的标准中都有规定。方法是正弯（按规定弯曲半径）90°后，100℃加热不大于2h，空冷至室温后，反向弯曲20°。观察弯曲面，如果断或裂，均为应变时效脆化的反应。应变时效性是由钢中间隙溶质碳、氮原子引起，主要是氮。碳在100℃以下的作用是微弱的。成分设计的中心内容是降低游离氮含量，达到无时效的水平。铁中有0.0001%（1ppm）的氮即出现时效现象，而0.002%应变时效就达到最大值。以当前炼钢技术，达到这个水平，在经济上不现实，普遍的是0.005%～0.006%。冶金学家的方法是加入固定氮元素，使钢中的起时效作用的游离氮浓度接近于“0”。目的：1.改善热轧过程中产生的内应力和偏析，使珠光体均匀化2.可以提高钢材的强度，硬度3.消除内应力保证钢材的公差尺寸铜是奥氏体形成元素。由于铜有石墨化作用，所以其加入低碳钢中，并且数量不大于1.5%铜的主要作用是：1、改善耐蚀能力。低碳钢含铜1％，抵抗大气腐蚀较不含铜的高出4倍。不锈钢中加铜3－4％，也有帮助不锈钢防蚀作用。可以增加钢的强度，不宜超过0.2％。2、借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度。3、铜在那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微的提高屈服强度。4、在碳钢中它提高淬透性并降低延展性。钢中加入Cu的作用：1、耐候钢使用，提高耐大气腐蚀能力，我个人认为作用有限，就是省钱；2、提高钢的深冲性能，如0Cr18Ni9Cu3，可以做成各种耐蚀的铆钉。3、作为强化元素加入，如0Cr17Ni4Cu4Nb（17－4PH），15－5PH，起到沉淀硬化的作用。3、在抗菌不锈钢中加入，特殊处理后，析出相有较好的杀菌作用。碳（C）：是对钢的性能影响最大的基本元素。不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的，随着钢中碳含量的增加，碳钢在热轧状态下的硬度直线上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内，碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，抗拉强度不断提高，超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。硅（Si）：硅在碳钢的含量≤0.50％。硅也是钢中的有益元素。在沸腾钢中，含硅量很低，硅是作为脱氧元素加入到钢中。在镇静钢中硅的含量一般为0.12～0.37％。硅增大了钢液的流动性，除了形成非金属夹杂外，硅溶于铁素体中。随着硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。锰（Mn）：在碳钢中，锰是有益元素。锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的。对于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。因此，精炼过程中要按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量。磷（P）：一般来说，磷是钢中的有害元素。它来源于矿石和生铁等炼钢原料。磷能提高钢的强度，但使塑性和韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆性（低温变脆）。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严格的控制。但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。在这种情况下，可以用磷来提高钢的强度，如鞍钢生产的高强度IF钢就需要加入磷。另外，在适当的情况下，还利用磷的其他一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，如集装箱用钢；提高磁性，如电工硅钢；改善钢材的易切削加工性，减少热轧薄板的粘结等。硫（S）:一般来说，硫是有害元素，他主要来自于炼铁、炼钢时加入的原材料和燃烧产物，二氧化硫。硫最大的为危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓的热脆。硫能提高钢材的切削加工性，这是硫的有益作用。氮（N）：钢中的氮来自炉料，同时，在冶炼、浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收氮。氮引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能发生显著的影响。由于氮的时效作用，钢的硬度、强度固然提高，但是塑性和韧性降低，特别是在形变时效的情况下，塑性和韧性的降低比较显著。因此，对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而氮是有害元素。但对于一些细晶粒钢以及含钒、铌钢，由于氮化物的强化细化晶粒作用，氮成为有益元素。另外，作为合金元素，氮在不锈耐酸钢中得到应用，此外，氮化处理方法能使机器零件获得极好的综合力学性能，从而使零件的使用寿命延长。氢（H）：钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸收的。氢对钢的危害是很大的。一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂，往往造成灾难性的后果。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点，在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。氧（O）及其他非金属夹杂物：氧在钢中的溶解度很低，几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中，如FeO、AL2O3、MnO、CaO、MgO等。除此之外，钢中还存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的情况下往往成为裂纹的起点。这些非金属夹杂物的各种状态不同程度的影响到钢的各种性能，尤其是对于钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性等危害很大。因此，对于非金属夹杂物应严格控制。求主要取决于它的组织结构。大量的生产实践表明，钢的组织对钢性能的影响起着决定性的作用，而钢的组织又主要取决于它的化学成分和加工的生产工艺过程以及相应的热处理状态。此外，还与钢中气体和非金属夹杂物的含量及其他的冶金缺陷有关。一、合金元素对钢力学性能的影响由于合金钢的种类很多，且不同钢种的化学成分具有不同的规格范围，而某一元素与其他元素共同配合又组成一定的相，才使钢具有一定的力学性能。因此，孤立地分析某一元素对钢力学性能有多大影响不仅是困难的，而且也是片面的。更何况，同一钢种因成分有微小的变化，性能也表现出较大的差异。化学成分的力学性能的影响如下：（1）碳。碳是决定钢力学性能的主要因素。一般说来，随着碳含量的增加，钢的硬度升高，塑性及韧性降低。当碳含量小于0.80％时，钢的强度随碳含量的增加而增加；当碳含量大于0.80％时，随着钢中碳含量的增加强度反而降低。（2）硅。硅能固溶于铁素体和奥氏体中，能提高钢的硬度和强度。在普通碳钢中硅含量不超过0.40％，这时对力学性能影响不大。当硅含量继续增加时，钢的强度指标，特别是屈服点有明显提高，但塑性及韧性降低。硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（／）以及疲劳强度和疲劳比（/）等。此外，硅还能提高钢的脆性转变温度，因而在低温用钢中应控制它的含量。（3）锰。在一般碳钢中，锰含量在0.70％以下，对钢的性能影响不大，锰含