影响钢材性能的19种化学元素

        钢铁中有着各种各样的化学元素，组成成百上千的不同牌号，那么这些化学元素在钢材中到底发挥了些什么作用呢？

        今天带您走进钢材中化学元素的世界

        1.碳（Carbon）

        碳元素在钢材中的作用是把双刃剑，随着碳含量的增高，材料屈服点和抗拉强度会逐渐提高，但是可塑形和冲击性却会降低。因此碳含量需要根据不同的材料用途而量身定做。

        当含碳量超过0.23%时，焊接性能会大幅下滑，使得用于焊接场合的低合金结构钢的含碳量不能超过0.20%。过高的碳含量也会导致钢材的耐大气腐蚀能力下滑，在露天料场的高碳钢就很容易遭到腐蚀。

        碳含量高也不净是缺点，高碳含量能提高钢的冷脆性和时效敏感性。

        2.硅（Silicon）

        硅元素作为还原剂和脱氧剂被添加在炼钢过程中，因此镇静钢中会含有0.15-0.30%的硅，当钢中含硅量超过0.50-0.60%，那么硅就算是合金元素。

        硅元素能显著提升钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，故广泛用于弹簧钢中，如65Mn和82B这类弹簧钢就含有0.15-0.37%的硅。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅，可以提升钢材15-20%的强度；硅与钼、钨、铬等接合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢；含硅1.0-4.0%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

        当然，硅也不是百利而无一害的，会降低钢的焊接性能。

        3.锰（Manganese）

        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。

        含锰量高也是有缺点的。含锰量较高时，钢材有较明显的回火脆性现象；锰元素有促进晶粒增长的作用，在热处理过程中需要注意；当锰的质量分数超过1%时，会降低钢材焊接性能。

        4.硫（Sulfur）

        硫来源于炼钢的矿石和燃料焦炭，是钢材中的一种有害元素。

        硫以硫化铁（FeS）的形态存在于钢材中，FeS和Fe形成低熔点（985℃）的化合物，而钢材的热加工温度一般在1150-1200℃，所以当钢材热加工时，FeS化合物会过早熔化导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量越高，热脆现象越严重，故必须对钢材中的含硫量进行控制。

        高级优质钢S＜0.02-0.03%，优质钢S＜0.03-0.045%，普通钢S＜0.055%-0.07%。在个别情况下也会有需要添加硫的情况，比如在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

        硫对焊接性能也不利，会降低耐腐蚀性。

        5.磷（Phosphorus）

        磷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%。

        6.氧（Oxygen）

         氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

        7.氮（Nitrogen）

        铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

        8.铬 （Chromium）

        在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，使钢材具有良好的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；还能提高钢材的淬透性，是很重要的合金元素。

        但是铬也会提高钢材的脆性转变温度，提高钢材的回火脆性，对于加工过程会导致不必要的困扰。

        9.镍（Nickel）

        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。检测不锈钢中的Ni含量，防止供应商以次充好，对生产厂家是至关重要的。

        10.钼（Molybdenum）

    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。在工具钢中添加钼元素，则可提高红性。

        11.钛（Titanium）

        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Cr18Ni9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。

        12.钒（Vanadium）

        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。

        13.钨（Tungsten）

        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。

        14.铌（Niobium）

        铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。

        15.钴（Cobalt）

        钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。

        16.铜（Copper）

        武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

        17.铝（Aluminum）

        铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

        18.硼（Boron）

        钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。

        19.稀土（Rare Earth Element）

        稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。

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