钢的化学成分对性能的影响：碳和硅的作用

钢是由多种化学成分组成的。铁（Fe）是基本元素，其次是碳（C）和其他元素。各种化学元素对钢的性能有不同的影响。

①碳（C）

碳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。

当钢中含碳量低于0.8%时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢的强度随之增加。

随着含碳量的增加，钢的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢，焊接性显着下降），冷脆性和时效敏感性增加，耐大气腐蚀性能下降。

②硅（Si）

硅是一种脱氧剂，其脱氧作用比锰强，是钢中的有益元素。当硅含量较低时，可提高钢的强度，而不会对塑性和韧性产生明显影响。但当硅含量超过0.8%~1.0%时，塑性下降，特别是冲击韧性下降。

含硅量为1%～4%的低碳钢，具有极高的导磁率，常用于电气工业和硅钢片。但随着硅含量的增加，钢的焊接性能会降低。

③锰（Mn）

锰作为脱氧、除硫元素添加到钢中，是钢中的有益元素。

锰具有很强的脱氧、脱硫能力。它能与硫结合形成MnS，从而在相当程度上消除硫的有害影响，显着提高钢的热加工性能。

同时，锰对碳钢的机械性能有良好的影响。它可以提高钢的硬度、强度和耐磨性。锰含量小于0.8%，可大幅度提高碳钢的屈服极限和强度极限，同时保持（或仅轻微降低）原有的塑性和冲击韧性。

锰还影响钢的焊接性能。当锰含量很低时，锰主要起消除热脆性的作用。此时，锰对焊接性能的影响，特别是硫含量稍高时，是有利的；但当锰含量远远超过消除热脆性所必需的含量时，过量的锰会显着增加奥氏体的过冷能力。此时，锰主要起到增加冷裂纹形成的作用，使钢的焊接性能变差。

④磷（P）

磷是钢中一种难以去除的有害杂质。它会导致钢材的冷脆性增加，损害钢材的焊接性能。产生“冷脆性”的原因是磷形成硬而脆的化合物Fe2P。

此外，磷还能改善切削性能和耐蚀性，因此在易切削钢或耐候钢中可适当提高磷含量。

⑤硫（S）

硫主要来自炼钢原料，炼钢过程中很难去除。硫在钢中以硫化物夹杂物的形式存在，对钢的塑性、韧性、焊接性能、厚度方向性能、疲劳性能和耐蚀性能产生不良影响。

其中，最有害的因素是与铁生成FeS并形成Fe-FeS二元低熔点共晶，使钢变脆，在800~1200℃时容易产生裂纹，称为“热脆性” ”。

⑥氧气（O）

氧是一种有害的杂质元素。钢中的氧几乎全部以氧化物的形式存在。钢中各种氧化物的总量随着氧含量的增加而增加。这些氧化物杂质对钢的力学性能等方面都有负面影响。不良影响。

随着钢中氧含量的增加，钢的塑性和冲击韧性下降。氧化物夹杂物降低钢的耐蚀性和耐磨性，使冷冲压、锻造加工性和切削加工性变差。

⑦氮气（N）

氮对钢性能的影响与碳和磷相似。随着氮含量的增加，钢的强度可显着提高，塑性特别是韧性也显着降低，焊接性变差，冷脆性加剧；同时，时效倾向和冷脆性、热脆性损害钢材的焊接性能和冷弯性能。因此，应尽量减少和限制钢中的氮含量。一般情况下，氮含量不应高于0.018%。

氮与铝、铌、钒等元素结合，可减少其不利影响，改善钢的性能。可作为低合金钢中的合金元素。

⑧氢气(H)

氢也是钢中的有害元素。与氧气和氮气一样，气体元素在固态钢中的溶解度很小。它们在高温下溶解到钢水中，冷却时来不及逸出，在组织中积聚形成高压微孔，降低钢的塑性、韧性和疲劳强度。急剧下降，严重时会引起裂纹、脆性断裂。它是一种必须严格控制的有害元素。

⑨铬（Cr）

铬能显着提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因此是不锈钢和耐热钢的重要合金元素。

⑩镍（Ni）

镍可以提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。镍对酸、碱具有较高的耐腐蚀性，在高温下具有防锈和耐热性能。

⑪钼（Mo）

铝可以细化钢的晶粒，提高淬透性和热强性能，并在高温下保持足够的强度和抗蠕变能力（在高温下长期受应力引起的变形称为蠕变）。在结构钢中添加钼，可以改善合金钢的力学性能，并抑制因火引起的脆性。

⑫钛（Ti）

钛是强脱氧剂，可使钢的内部组织致密，细化晶粒；降低时效敏感性和冷脆性，提高焊接性能。在某些奥氏体不锈钢中添加适量的钛可以避免晶间腐蚀。

⑬钒(V)

钒是优良的钢脱氧剂。钢中添加0.5%钒，可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物可提高高温高压下的抗氢腐蚀性能。

⑭铌（Nb）

铌能细化晶粒，降低钢的过热敏感性，提高强度，但塑性和韧性降低。在普通低合金钢中添加铌，可提高其耐大气腐蚀和高温下耐氢、氮、氨腐蚀的能力。铌还可以改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中添加铌可以防止晶间腐蚀。

⑮铜(Cu)

铜能提高强度和韧性，具有良好的耐大气腐蚀性能。缺点是热加工时易产生热脆性，当铜含量超过0.5%时塑性显着降低。当铜含量小于0.5%时，对焊接性能无影响。

⑯硼(B)

钢中添加微量硼，可改善钢的密度和热轧性能，提高其强度。

⑰铝（Al）

铝是钢中常用的脱氧剂。钢中添加少量铝可以细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化和防腐蚀的特性。铝、铬、硅的组合可显着提高钢的高温剥离性能和高温耐腐蚀性能。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削性能。

⑱钨（W）

钨具有二次硬化作用，赋予钢红硬性并提高耐磨性。其对钢的淬透性、回火稳定性、机械性能和热强度的影响与钼相似，略降低钢的抗氧化能力。 。

⑲ 铅（Pb）

铅可以改善切削加工性。铅基易切削钢具有良好的力学性能和热处理性能。由于废钢回收和冶炼过程中对环境的污染和有害影响，铅有被逐渐替代的趋势。

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