合金元素对钢性能的影响

1、合金元素对钢板性能的影响华北理工大学 崔 岩1. 钢中五种有害的元素是指：Pb-铅，Sn-锡，As-砷，Sb-锑，Bi-铋，1.1. Pb-铅周期系第A族元素，原子序数82，原子量207.2，熔点327.5，沸点1740，密度11.34g/cm³，银灰色重金属，质柔软。钢中残余铅极微，因绝大部分铅在冶炼过程中以蒸汽逸出钢液。由于铅和铁不生成固熔体，一般它是以微小的球状形态而存在于钢中，易发生偏析，对钢的性质有一定不良影响，铅能使钢的塑性略有降低，使钢的冲击值有较大降低。如因特殊用途则是在浇注过程中加入，钢中含少量铅可改善钢的切削加工性能。1.2. Sn-锡周期系第A族元素，原子序数5

2、0，原子量118.69，有白锡，灰锡，脆锡三种同素异构体，密度：白锡7.28g/cm³，灰锡5.75g/cm³，脆锡6.32-6.56g/cm³，熔点：白锡231.88，灰锡231.99，脆锡231.99。沸点：白锡2260，灰锡2270，脆锡2260。锡可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加工性能也十分有害。在钢中加入少量锡时能提高钢的耐腐蚀性，其强度也有一定提高，而对塑性却影响不大。1.3. As-砷周期系A族元素，原子序数33，原子量74.92，俗名砒，有灰，黄，黑三种同素异构体，密度5.727g/cm³熔点717，613升华。砷在钢中常以Fe

3、2As，Fe3As2，FeAs及固溶体形式存在，易发生偏析现象，砷与磷，锑同族，对钢性能影响有类似之处，砷能提高钢的抗拉强度和屈服点，增强抗腐蚀和抗氧化性能，但砷含量较高时(如大于0.2%)，则使钢的脆性增加，延伸率，断面收缩率及冲击韧性降低，并影响焊接。1.4. Sb-锑周期系A族元素，原子序数51，原子量121.8，密度6.684g/cm³，熔点630.74，沸点1750，锑对钢的性质有恶劣影响，一般使钢的强度降低，脆性增加，但如在钢中加入一定量的锑，会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。1.5. Bi-铋周期系A族元素，原子序数83，原子量208.98，密度9.8g/cm&#

4、179;，熔点271.4，沸点1560±5，由于铋在钢中含量几乎不熔，在冶炼过程中，绝大部分以蒸汽逸出，故铋在钢中含量极微。它易偏析于晶间，相间，它在晶间浓度甚至可为在合金整体浓度的8100倍，它的存在因而引起钢的脆性，它能使不锈钢热态韧性降低，如含铋量较多，还会降低钢的塑性，影响钢的高温强度，致使不锈钢挤压材产生裂纹。如作特殊用途加入少量铋入钢中，则可显著改善钢的切削加工性能。科技的迅速发展，对钢铁材料提出了更高的要求。石油钻采行业在特殊条件下，例如含有腐蚀介质(如H2S、CO2、Cl-等)的环境，对石油管材的质量提出了严格要求。因此，必须用高洁净的、有害元素少的钢材来生产石油管材

5、。抗硫化氢(H2S)的石油套管(钢级：T95、TP8OSS等)。直读光谱仪作为钢材检测的重要手段，在检测C、S、Si、Mn、P、Ni等元素的同时可对五害元素进行分析，将其控制于合理的含量范围。2. 31种元素对钢的性能的影响2.1. C元素含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差当碳量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。2.2. Si元素1.它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能2

6、.硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。3.在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.500.60%，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。4.在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐

7、蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。5.硅量增加，会降低钢的焊接性能。6.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。7.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。8.耐腐蚀性。硅的质量分数为1520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。2.3. Mn元素1.能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢(高锰钢)具有良好的耐磨性能和其它的物理性能2.锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于

8、锰可以与硫形成高熔点(1600)的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%1.2%。3.在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。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

9、工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%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.锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下:a在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。b锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。c锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。d可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。5.在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。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16

10、Mn钢比A3屈服点高40%。含锰1114%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。(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。锰钢的主要缺点是含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；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：当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低。6.降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能

11、明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向。7.锰的有益作用是：高的强度和耐磨性)，淬透、渗碳、冷工硬化。14%(高耐磨钢)，1719%(护环钢)作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含Mn，其量0.7%。Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。Mn对各类钢的作用是：珠光体Mn钢：可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。所以它能细化珠光体组织。(对含碳量较高的钢，Mn，塑性稍有降低。对低碳钢则含Mn，而韧性。奥氏体Mn钢：有足够高的塑性和很高的耐磨性。所以Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点(A1和A3)同碳量碳素钢低2530，所以可提高钢的淬透性

12、，淬火时的变形也比较小，因此适于制大截面和复杂的零件。Mn=5%时，Mn降至0。马氏体Mn钢：易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强。所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中，加之其临界点又低，所以晶粒极易粗化、极易淬裂，为此应严格控制淬火加热温度和保温时间，一般均以油淬或流动空气中冷却为宜，只有形状简单件才好用水淬。调质钢：将降低其塑性(回火脆性影响)。渗碳钢：Mn的存在能促进渗碳作用，所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性，尤其可贵的是在渗碳时表面软点较少，也不改变过分增碳的倾向。(渗碳后的锰钢，在最后淬火前，应进行一次正火或退火处理，以消除因长时间渗碳造成的心部过热)。结构

13、钢：将促使其回火脆性增强。工具钢：加入约1%Mn，可减少淬火时的体积变形，这对于精密工具和长形工具来说有重要的意义。(如CrMn、CrWMn钢等)。Mn可改善钢的焊接性和低温性能，还可减慢钢的脱碳作用。Mn量中还可适当改善钢的切削性能。对某些钢，Mn的作用可代Ni，能扩大相区得奥氏体，如模具钢(增强淬透性)、奥氏体钢等。高锰钢对冷工硬化敏感，可提高钢的强度和耐磨性。(Mn=1014%，而C=11.4%)铬锰奥氏体钢的热强性很好，甚至可超过Cr、Ni钢，加4%Cr、Ni红热耐磨性更好。Mn价廉。2.4. Cr元素1.能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用2.铬在钢中的角色多元

14、且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性，其主要作用有：a增进钢的硬化能和渗碳作用。b使钢在高温畤仍具高强度。c能增加耐磨耗性。d增高钢之淬火温度。f能增进钢的抗腐蚀性。3.铬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。(1)铬可提高钢的强度和硬度。(2)铬可提高钢的高温机械性能。(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：铬是显著提高钢的脆性转变温度铬能促进钢的回火脆性。4.铬的有益作用：具有许多有价值的性能：高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、

15、韧性影响又不大，高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻和导磁率等等。1)Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。2)Cr的碳化物也较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，长时间渗碳还会粗晶。所以可减小过热敏感效应。3)Cr可使奥氏体分解速度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于M体形成和提高M体的稳定性，所以Cr钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。注意：Cr是铁素体形成元素，缩小区，所以在没奥氏体化元素存在时，高Cr钢将呈

16、铁素体组织。4)Cr与W或Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。5)Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。如12CrNi3N等。6)Cr12%时，有好的耐蚀性，再加89%的Ni，耐蚀性更会大大提高。Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低，因为Cr与C结合后不起作用。7)Cr2530%时，有好抗氧化性。如Cr=2728%即可作1300的热电偶温度计的防护罩，当Cr与Si、Al结合时，甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。如Cr=610%+Si=23%就有高的耐热性和抗氧性。8)Cr、Al结合(1Cr17AL5、Cr13AL

17、4等)及Cr、Ni结合(如Cr15Ni60、Cr20Ni80等)均有很高的电阻。9)Cr能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效，所以Cr钢用于制造永久磁铁。10)Cr价较低。11)因为Cr可形成稳定的碳化物，减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜，所以可降低脱碳作用。12)含Cr2.5%的多元素合金钢。(18Cr3MoWVA、20Cr3MoWVA等)是良好的抗氢蚀钢。含Cr0.08%这是石墨钢的要求，所以Cr是阻止石墨化的一种元素。含Cr1.2%低合金高强度钢(一般Mn钢和SiMn钢)。1.2%含Cr=0.51.65%作轴承钢(C1%)其合金含量低，价廉，而又具有高强度、高耐磨性、良好的耐疲劳性和淬透性

18、，且热处理也简便。含Cr=310%的钢Cr对钢强度和韧性的影响是Cr2%时逐渐增强到2%时，强化作用最为显著。但超过此限则会损害其热强性。310%时最为明显，当含Cr12%时，则强度又复升高。但是当含Cr量增至3%时，由于其马氏体回火稳定性显著增高。所以有较高的硬度和耐磨性而用于模具。当含Cr量增至3%时，其与含C1%的磁性配合也最好。所以又用作磁钢。含Cr4%而与18%W及1%V结合可得到很好的红硬性(620 HRC=60)，所以广泛用于高速工具钢中，含Cr5%的钢(含C1%)即可空气中淬火。含Cr56%及含Cr610%且含Si23%的矽铬钢，尽管强度不是很高，但亦具有足够的耐热性和抗氧化性

19、而用于气阀中及石油、化学工业(氨合成设备等)。含Cr=1214%的钢是最典型的不锈钢(1Cr134Cr13)它们都有较高的抗蚀力，强度也不错，面Cr12、Cr12Mo等则是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。(此类多属马氏体钢)含Cr=1618%的钢有的只具单相(铁素体)，有的双相(M体铁素体)，此类具单相的Cr钢耐蚀力比含Cr=1214%的钢还高。如Cr17、9Cr18等，如再加89%的Ni其耐蚀力又将大大增高。如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等都是典型的不锈钢、耐酸性较好，CrNi钢的缺点是有晶间腐蚀，加Ti、Nb可改善。含Cr=2332%的钢具有很好的抗蚀稳定性，极高的抗氧化性

20、，甚至在普通温度下能抵抗浓硝酸、浓磷酸、浓硫酸的浸蚀。含Cr 2728%的钢可作1300的热电偶温度计的防护罩。这类钢是纯铁素体钢，所以不能通过热处理改变其组织及性能。且再结晶温度较低，粗晶作用较强，有高的脆性，所以不能作受振及打击零件。加入Mo、W、V可适当改变性能。减少Cr含量，加Si量可提高其热强度如Cr9Si2、Cr10Si2Mo等。加Ni也成，如Cr20Ni14Si、Cr25Ni20、Cr18Ni25Si、Cr14Mn14W、Cr18Ni6Mn5等等。Cr不同于Mn、Ni，它是缩小区的合金元素。(它同Fe都具有体心立方晶格，且自熔点1849至绝对0ºK，纯铬均为这一晶格不变

21、)，所以随含Cr量增加Ac3虽也从910开始降低，但其速很慢，而Ac4却从1400迅速降低，至含铬达8%时Ac3为850已为最低。含Cr再增加，Ac3即迅速上升。当含Cr量达13%时，Ac3与Ac4会合为一点，区被封闭，所以含Cr13%时变为纯铁素体相，不再发生转变，用热处理也不能再改变其晶粒尺寸。即为铁素体钢。当Cr量继续增加，约在2560%特别是4548%区域，当温度低于950时(多在820)慢冷，将会析出一种无磁性脆性组分相。这些在进行二次加热后将会游离析出，致使得在固溶体中产生巨大体积改变造成颇大应力，故极脆。但在950以下急冷时，相可由于固溶体内不析出，影响则较小。相问题：有人指出，

22、当Cr和C含量搭配时，特别在含左右时，将极易生成游离态的铁素体即相，它将使钢的工艺性能和耐热性降低，所以要很好注意在含Cr=0.11%时，含Cr=10.9%可使相量减至最少。Cr对抗腐性的改善上很有利的，但对抗蠕变的影响则较复杂。因为作耐热钢应注意，当含Cr=1%抗蠕变强度最高。含Cr则出现，CrC3三方晶格，至Cr=7%抗蠕强降至最低点，当含Cr增至12%时，Cr23C6将取代Cr7C3，抗蠕强(耐热性)可有少许提高，添加V、Nb、Ti可得极细弥散相，对抗蠕强(耐热性)改善极为有利。2.5. Ni元素1.能提高钢的强度和韧性，提高淬透性含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐

23、蚀能力2.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。3.镍在钢中的影响有:a增进钢的硬化能。b能降低热处理时的淬火温度，因之在处理时变形小。c能增加钢的韧性。d高镍合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就含有8%左右的镍。4. a在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。b锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。c锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。d可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。5.提高塑性及韧性，(提高低温韧性更明显)，改善耐蚀性能，与铬、钼联合使

24、用，提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一；6.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。(当镍0.3%时，其变脆温度即达-100以下，当Ni量增高时，约45%，其变脆温度竞可降至-180。所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%，无Cr钢可空淬，含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。Ni的晶格常数与铁相近，所以可成连续固溶体。这就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。一般大断面的厚重伯都用加N

25、i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。(Ni钢有良好的耐热疲劳性，工作在冷热反复。、k高)在不锈钢中用Ni，是为了使钢具有均匀的A体组织，以改善耐蚀性。有Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。含Ni量相当高的钢，其热膨胀系数很小而用作不变钢(Ni36%)和代用白金(Ni42%)。含Ni更高时，与Cr结合作高电阻合金(Cr15Ni60、Cr20Ni80)。 Ni和V一样，对脱碳过程没有影响。Ni本身不是有效的抗氧化学元素，所以很少单独用作不锈钢的合金元素，但对浓苛性碱有好的作用。 Ni可提高A体钢的蠕变抗力，但还一

26、定值作用则减弱，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬化的途径来解决。 Cr、Ni钢的焊接性能和低温性能也不错。2.6. S元素1、钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性2、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11501200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”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S0.02%0.03%；优质钢：S0.03%0.045%；

27、普通钢：S0.055%0.7%以下。3、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0.080.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。4、硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果：a会增加钢的热脆性b硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性c硫可使钢强度降低，因此有利於钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。5、对焊接性产生不好影响；6、硫的有益作用是：1)由于其切屑发脆而可得到非常光泽的表面，所以可

28、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)。2)某些高速钢工具钢进行硫化表面以达到如下目的。7、硫的不良影响是：1)引起热脆：主要是因易生成(Fe+FeS)易熔共晶体分布于奥氏体晶界所致。2)硫能使结构钢的塑性银屏剧降低，使工具钢的淬裂敏感性增高。8、一般合金钢中的含S量：1)一般地说，硫对各种钢均为有害的杂质元素，所以均限制它的含量。普通碳钢S0.05%，酸性转炉冶炼，18MnSi及25MnSi钢允许含S0.05%).轴承钢S0.02%优质碳钢S0.04%高级优质钢S0.03%仅有极个别要求表面很光洁的钢(如Cr14)有意加进少量的硫(=0.20.4%)(Cr14可做螺钉、螺母

29、、磁轮及其它螺纹零件，其表面光滑，耐磨性好)2.7. P元素1、能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性在优质钢中，硫和磷要严格控制但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的2、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：P0.025%；优质钢：P0.04%；普通钢：P0.085%。3、在一般情况下，

30、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。4、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；5、磷的有益作用：1)由于其切屑发脆得到光洁的表面而加进快削钢，制受荷不大的零件。2)某些高速钢，工具钢进行磷化表面处理以达到如下目的3)磷可提高比电阻，且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低，于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高。而在磁场下则磷含量增高而磁感略有减弱。含P硅钢的热加工也并不困

31、难。所以硅钢中有时加磷，但由于它会使硅钢具冷脆性。所以其量甚微0.15%(如冷轧电机用硅钢含P=0.070.10%)。4)磷是强化铁素体作用最强的元素。(P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将超过同等硅含量作用的45倍。)6、磷的不良影响：1)磷溶于铁素体中，会使其晶格歪曲，晶粒长大，而且有冷脆性。P0.13%时脆性特甚，P使钢破断能转变温度增高的作用比碳强约20倍。2)和Mn一样使钢晶粒粗化。7、一般合金钢的磷含量：普通碳钢P0.055%；轴承钢P0.027%、P+S0.045%；优质碳钢P0.045%，合金钢P0.15%，P+C0.025%，高级优质钢P0.035%2.8. H元素1)H 能

32、提高钢的磁导率，但也会使矫顽力和铁损增加(加H后矫顽力可增大0.52倍)。2)H与C作用能生成甲烷(CH4)，所以H 的存在会促进脱碳。氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。3)H是一般钢中最有害的元素。因为它是产生钢中白点的罪魁祸首，实验知钢中形成白点的危险含H量为56cm³/100g Fe，主要是因为A体可溶H量大，而冷至低温珠光体则溶解度大大减小，所以当冷却过快，高压氢气来不及析出钢外，高压氢的张力与其它诸种应力作用，即可能超过材料的b，因此产生许多微裂，在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形

33、的银白色斑点称之为“白点”，实为交错的细小裂纹。实践知640650最易使A体转变为珠光体，200则最关于钢中的危险含H量，不同的资料有不同的数据。一般白点产生的温度低于200。2.9. O元素1)残存于钢锭中的氧，或扩散到金属表层的氧，均易使晶界氧化而形成脆性的氧化物夹层，把(A体晶粒隔绝开来。以至在随后的变形加工中引起晶间裂纹(后者也即常说的过烧)。实践知，只要钢中含O量超过0.030.04%，其强度和塑性就明显下降。2)氧与碳的作用，可能将钢中碳烧损以至造成脱碳，但是当有过量氧的情况下，则表面脱碳层将被完全烧成氧化皮而反而成了一层保护膜，而使脱碳过程减慢。(此时烧损金属较多，其作用还要看氧

34、化皮的组织改善性。3)氧会使硅钢中铁损增大，磁导率及磁感强度减弱，磁时效作用加剧。4)FeO在高温时稳定，但当温度降低至560以下时则易分解成Fe3O4及-Fe，钢加热后在空气中慢冷则可能出现Fe2O3。(钢中氧化物塑性差，氧化后则几乎无塑性)脱氧的任务：根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构；使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标，得到细晶结构组织。常用的脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。2.10. N元素1、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

35、后在200300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。2、氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。(1)氮的有益作用：1)N亦是强烈的A体形成元素，在这点上它与Ni相似，比Ni作用强27倍，特别在不锈钢中得到广泛注意。它有可能是代替Ni的重要元素之一，特别与Ni其同作用，稳定A体效果更好，有利代Ni。2)N还可在复杂的A体钢中借氮化物的析出而产生弥散硬化。因此，可在无显著成绩脆性的情况下提高它的热强性。3)N能提高高铬钢，特别是含V的的高铬工具钢的热硬性。

36、N能使这些钢的二次硬度的回火温度的间段增大，并使此间段向更高温方面移动，所以可得到较好的综合性能，在高铬钢中N还能改善其热加工性能。4)N在铁素体中可促使A体形成，由于相的出现，可减小晶粒粗化倾向，所以可改善钢的韧性和焊接性能。5)N对磁钢的影响较大：如当N溶解在钢中的固溶体状态存在时会使矫顽力稍增而磁导率降低，当形成AlN、FeN等非金属夹杂影响就加剧。N还是引起硅钢片磁时效的主要因素之一。一般说一定数量的夹杂对得到取向组织是有益的。所以它可阻碍位向不适合的晶粒生长。从而使取向合适的晶粒加速成长。N对取向冷轧变压的质量也有很大影响，过多或过少的含N量都不易使N量使冷轧硅钢片获得大晶粒和高磁性

37、。适宜的含量是N =0.010.1%或更低至0.001%，但要获得更好磁性，最好能在热处理后将冷轧硅钢片中残留N除去。6)钢的表面渗N，可使它得到高的表面硬度(RC70)500600中进行和耐磨性，高的疲劳极限和抗蚀性(600700中进行)。7)铬锰钢中加入0.350.45%以上的N即可得单一的A体组织。(2)氮的不良影响：1)它与合金元素生成氮化物是非金属夹杂，更重要的是降低了合金元素的作用。钢中氮含量高时，在250-450温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。2)含N钢在退火过程中因氮化物析出而会显著降低它的塑性。钢中加入适量的铝，

38、可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮可以作为合金元素起到细化晶粒的作用。在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性能。3)含N钢在锻造过程中N会产生挥发，所以工业用钢中含N成分标准是很难拟订的。4)由实际表明，在一定含量的Cr，N钢中，必有一与其相适应的最小Mn含量，如低于这一Mn含量，钢在凝固时N就会逸出，而成气孔。例含Cr 15%，N 0.45%，Mn的最小含量为14.515%。(3)一般合金钢中含N量：1)硅钢(冷轧)：N=0.010.1%或更低至0.001%2)不锈铬钢：N=(1/751

39、/100)Cr%3)氮化钢：38CrMoAlA、25CrMo2VA等Cr18Mn10Ni5Mo3N钢其含N0.3%(用于尿素工业)，有铬锰氮钢及铬锰氮镍钢等。如Cr17Mn8Ni5N，目前铬锰氮钢因为具有良好的耐氧化可抗腐蚀的性能，其它性能需求也不坏，故它用来代替铬镍A体钢而取得相当成效，但无镍之铬锰氮钢，因为锭中容易产生严重气泡而未能多用。注：TiN常呈规则晶状，颜色金黄。2.11. V元素1、能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性2、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

40、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。3、钒可以无限量固溶入铁中，并阻止奥氏体铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有：a能提高淬火温度。b改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。c有助於钢之结晶组织细微化。4、固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性，但化合状态存在的钒，会降低钢的淬透性，增加钢的回火稳定性，并有很强的二次硬化作用，固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。细化晶粒以提高低温冲击韧性，碳化钒是最硬耐磨性最好的金属碳化物，明显提高工具钢的寿命，提高钢的蠕变和持久强度，钒、碳含量比超过5.7时，可大大提高钢抗高温高压氢腐蚀的

41、能力，但会稍微降低高温抗氧化性；(1)钒的良好作用是：1)细化晶粒作用强，可提高钢的强度和韧性，减小过热敏感性，提高热稳定性。2)提高M体的回火稳定性。它对淬火钢硬度的影响，与温度有关：在正常淬火温度下(稍高于AC3点时)。因为V与C化合成VC而降低了固溶体的合金度，所以硬度降低，当淬火温度提高至超过AC3点很多时(且有较长保温时间)，则VC都转进固溶体，所以硬度可提高。一般地说V对淬透性有不利的影响，但韧性较好，加了V不易淬裂。中碳钢加V强度，韧性不变低。3)V与O、N都有很大的亲和力，亦是强碳化物元素。一般VC的弥散度很高，且极稳定。所以它既利脱氧、脱气得到致密细晶组织，提高塑性、韧性及高

42、强度，其冲击性能和疲劳强度都较无V钢高，在高温及低温(0)均有高强度、韧性。由于碳化钒的高度分散阻止焊缝晶粒粗大，所以可改善钢的可焊性能，但加热到VC溶解温度后即会引起钢晶强烈长大。4)由于V可提高钢的高温蠕变能，所以是热强钢合金元素之一。5)由于V钢表面内部均有细晶组织，所以对渗碳有利，可延长渗碳进行时间，无须进行二次淬火，一次即可直接淬至要求性能。6)V对结构钢机械性能的影响尚无定论。(2)钒的不良影响：1)V无减低回火脆性的作用，因为V可提高回火稳定性，可细化晶粒，所以当V量不高时，也可适当提高韧性，而降低回火脆性。2)有阻碍钢的脱碳及石墨化的作用。3)含量达0.05%时将使硅钢矫顽力降

43、低，这可能由于脱氧的作用。4)含碳一定时，V会使HB，所以一般含V1%(因为不溶入固溶体)。(3)一般钢中的含V量：合金结构钢：V=0.070.35(例20MnV、10CrV、45CrV、12CrMoV、25Cr2Mo1VA等)在合金结构钢中，由于含V0.3%时将使回火脆性倾向急，则增大而少用。耐热钢：V=0.11 (例20Cr3MoVA等)V可提高高温蠕变性能，有脱氧能力。氮化钒的弥散硬化作用可使其有耐蚀和高的热强性，但V的时效脆性使含其量不宜过高。高速钢：V=0.12.6 最近在研究增至5%，主要因为它能提高工具的热强度，特别是可提高它的切削性能(对切削高硬度材料亦很有利)所以加得多，但其

44、量达一定值后，性能再增就不显著了。2.12. B元素(1)硼的有益作用：1)钢中加入微量的硼(0.00050.005%)即可显著提高钢的淬透性，此时对其它性能等无影响或影响甚小。这在一定程度上可代替Ni(Cr、Mo)2)硼对钢的淬裂敏感性影响很小。3)结构钢中的硼会降低钢材在正火后的冲击值，但在淬火+低温回火后，却能得到良好的冲击值。4)低碳硼钢渗碳性能良好，表面碳浓度不易过度增大。所以可得到高强度和疲劳强度，渗碳后可直接淬火，对缺口敏感性也很小。渗碳硼钢以含C1%为宜。5)中碳硼钢在调质后有良好的综合机械性能。(其回火稳定性，回火脆性、疲劳极限与强度、硬度的关系等基本上同无硼钢)。6)硼钢的

45、热加工性能良好，同一般合金结构钢。7)硼溶于固溶体，晶格变大，使强度提高，晶界中硼有阻止再结晶扩散作用，所以可增加钢的热强性。(2)硼的不良影响：1)含B量超过0.007%时，容易引起脆性(有说珠光体为此值，其它类钢可多些)。2)会降低A体晶粒粗化的温度，易粗晶，但加铝可改善。3)在尺寸硼钢热处理时心部易生针状铁素体而影响机械性能。4)硼与O、N亲和力很强，易生非金属夹杂，且因此应多加硼量。为克服此缺陷可于冶炼时加0.10.12%Al和0.060.04%Ti以脱氧，去氮(Al、Ti未考虑烧损值)。一般合金钢中含B量：0.0010.005%，目前仅合金结构钢中有硼，国外硼钢品种较多，但其含量均不

46、超过0.005%，否则淬透性反而变劣。2.13. Ti元素1、能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象2、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。3、钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其他特性：a钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其防蚀的能力b可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。4、固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性，固溶于奥氏体中提高钢的淬透性，但化合钛却降低钢的淬透性。改善回火稳定性，并有二次硬化作用，提高耐热钢的抗氧化性和热

47、强性，如蠕变和持久强度，且改善钢的焊接性；(1)钛的有益作用是：1)能形成很强固的TiC，可稳定到1300，有此稳定到高温的高度分散的TiC质点，所以可细化晶粒，降低钢的过热倾向性。2)能防止产生晶间腐蚀现象，实践知：当Ti：C=5(一般C=0.03)时，效果最佳。当Ti：C=3，抗蠕变强度最高。满足上条件时的钢，因为所有的游离碳都被结合成了强固TiC，所以在加热过程中就不会再沿奥氏体晶界析出碳化铬。否则，晶界碳化铬的生成就将出现晶界固溶体的贫铬区，其电位就相对地降低了，而与固溶体基体和碳化物形成微温差电偶，晶间固溶体本身即为阳极而被腐蚀。晶间腐蚀的程度将随含碳量增加而加强。(粗晶亦易蚀)3)

48、钛钢易产生时效硬化，含钛量超过2%的低碳合金，其时效硬化就尤其明显。4)钛可改善不锈钢的焊接性能。5)Ti是强烈的铁素体形成元素。0.65%Ti就能使区完全封闭。它又是强碳化物形成元素。6)Ti能与S作用，降低硫的热脆作用，这与Mn相似。(2)钛的不良影响：1)含Ti钢，特别是低碳之Ti钢，往往因其钢液粘度较大，而使其中非金属加杂，不易分离浮出应一致，在防止造成缺陷应注意。可在冶炼时注意高温操作和钢液的脱氧。2)淬火钛钢硬度随含Ti量增加而降低。因为TiC非常稳定，甚至加热到1300都不能溶入到固溶体而减少了合金固溶体中的碳浓度的缘故。3)钛与N、O有很大的亲和力而极易成形TiN和TiO2，钢

49、锭在较低温度时，就形成了较多的非金属夹杂和皮下多孔等缺陷。4)Ti也是铁素体形成元素，所以其含量较多(>2%)就易生成铁素体相或其它脆性相而使韧性降低。5)铜V一样，含Ti达0.05%时就将使硅钢矫顽力降低，这可能是脱氧的作用，它对硅钢还会促进其二次再结晶，这倒可得粗晶而改善磁性。(3)一般钢中的Ti含量：1)通常钢中含Ti量取决于它的含碳量，一般约为Ti%=48倍*C%。2)合金结构钢中有铬锰钛钢、不锈钢和耐热钢中也含Ti，一般为0.06%2%。2.14. Mo元素(1)钼的良好作用是1)细化晶粒的作用比W更强，所以可降低钢的过热倾向性，提高强度、硬度、热稳定性。2)Mo在钢中会使锻件

50、b、s、HB，而使、k。提高M体回火稳定性，与Cr、Ni结合可大大提高淬透性，可细化晶粒，提高韧性，使锻造加工容易。3)降低回火脆性，对某些结构钢可消灭回火脆性(如24CrMoV5)，所以可提高强度而塑性并不降低，钼可提高钢的冲击韧性。又一说是合金元素(包括Mo在内)均只有抑制回火脆性的作用而不能达到消除回火脆性。Mo的影响是：含量达0.2%即有良好作用。所以普通合金结构钢含Mo0.250.4%对放置回火脆性温度范围550600长期工作的钢才规定含Mo为0.50.6%，当含Mo量超过一定值时(对低碳钢此限为1.0%)，则反而会使高温回火水冷钢变脆。Mo钢长时间回火易变脆。当含P和Mo较高时，即

51、使有Mo或W等也仍不能避免回火脆性产生。附带说说降低回火脆性的方法(见上段)。4)提高钢的的矫顽力，改善磁性。5)其碳化物也很稳定，它并阻止其它碳化物析出。高温也很难向固溶体转移。6)钼可代钨(因为原子量成半关系，所以可用1%Mo代替2%W)。7)同样Mo亦可提高奥氏体稳定性而用于阀门钢。8)可提高Cr、Ni不锈钢的抗晶间腐蚀能力。9)在某些还原性介质中易使耐酸不锈钢钝化，从而提高耐腐蚀能力。(如亚硫酸、沸磷酸及醋酸、草酸、蚁酸等)。10)可提高珠光体耐热钢的热强性，并可单一加进耐热钢，其量约0.51%(并独作合金元素时会使钢有石墨化倾向)。(2)钼的不良影响：1)有挥发性，在加热时，会生成褐

52、色烟气(氧化钼)发生蒸发。2)促进脱碳，所以为防止脱碳其淬火温度应较一般降低1020，阻碍石墨化。3)Mo是铁素体形成元素，所以为了得到奥氏体，应相应多加Ni、Mn等奥氏体形成元素。否则当Mo含量较多时就易出现铁素体相或其它脆性相而使韧性降低。4)Mo降低钢导热率的作用同W，但Mo可防止过热。5)Mo钢比碳钢变形抗力高。(3)一般合金钢中的钼含量：合金结构钢和工具钢：Mo=0.150.30% (例5CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、38CrMoAlA等)不锈耐酸钢：Mo =12.6% (如Cr17Mo2Ti、Cr25MoTi、Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等)耐热不起皮钢：Mo

53、=0.41%(16Mo、20CrMo、Cr5Mo、25Cr2Mo1VA、15Cr11MoV等)航空用高温合金：Mo =0.357% (如901合金=Cr12Ni43Mo6Ti3BMo2Ti)2.15. Al元素(1)Al当钢中其含量小于35%时，是一有益的元素。其作用是：高的抗氧化性和电阻。作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大(含Al10%，在加热1200才有细化作用，否则其作用甚小)和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性，AlN

54、本身在加热时具有高稳定性，与都有利于减弱钢的过热倾向。可改善钢的抗氧化性，铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，Al多在0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3-1.0kg/t钢。能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%，个别才有89%。对硅钢而言，Al可减少铁心损失，降低磁感强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al的氧化物会使磁性变坏。Al(0.5%)也会使

55、硅钢变脆。(2)Al的不良影响促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。加速脱碳当Al含量增加至35%时，89%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难，也使钢极易脱碳。(其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构，且其晶体的解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外，它在800以上的高温长时间停置也极易变脆。一般合金钢中含Al量：合金结构钢： Al=0.41.1% (38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA)耐热不起皮钢：Al=1.14.5% (Cr13SiAl、Cr2

56、4Al2Si、Cr17Al4Si)电热合金： Al=3.56.5% (Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5)甚至Al8% Cr7Al7，考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使用。5、Al当钢中其含量小于35%时，是一是：高的抗氧化性和电阻。作为强烈脱氧剂加进的Al，可生成高度细碎的、超显微有益的元素。其作用的氧化物，分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大(含Al10%，在加热1200才有细化作用，否则其作用甚小)和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性，与都有利于减弱钢的过热倾向。可改善钢的抗氧化性，考虑和，能提高钢的电阻，与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金：如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过5%，个别才有89%。对硅钢而言，Al可减少铁心损失，降低磁感强度，与氧结合可减弱磁时效现象，但Al的氧化物会使磁性变坏。Al(0.5%)也会使硅钢变脆。6、Al的不良影响促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。加速脱碳当Al含量增加至35%时，89%将会大大地促进钢