常见元素对金属材料性能的影响

1. 碳

(1)含碳量的增加，导致碳钢的强度、硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。

(2)一般来说，当含碳量大于0.25%时，碳钢的焊接性开始变差，因此压力管道一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。 随着碳含量的增加，其球化和石墨化的趋势增加。

(3)作为高温耐热用的高合金钢，其碳含量应大于或等于0.04%，但此时奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能下降。

2.硅

(1)硅固溶在铁素体和奥氏体中，可提高其硬度和强度。

(2)硅含量若超过3%，会显着降低钢的塑性、韧性、延展性和焊接性，并易产生冷脆性。 中、高碳钢回火时易产生石墨化。

(3)各种奥氏体不锈钢中添加2%左右的硅，可增强其高温剥离性能。 在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中添加硅，可提高其高温抗氧化性能。 但硅含量过高时，材料表面脱碳倾向增大。

(4)硅含量低，对钢的耐腐蚀性能影响不大。 只有当硅含量达到一定值时，才能显着增强钢的耐腐蚀性能。 硅含量为15%~20%的硅铸铁是一种非常好的耐酸材料，在不同温度和浓度下对硫酸和硝酸都很稳定。 但在盐酸和王水作用下稳定性较差。 在酸中不稳定。 高硅铸铁之所以耐腐蚀，是因为当腐蚀开始时，其表面会形成致密的SiO2薄层，阻挡酸进一步向内侵蚀。

3、硫和氧在碳钢中的作用

作为杂质元素，硫和氧常以非金属化合物（如FeS、FeO）的形式存在于碳钢中，形成非金属杂质，导致材料性能下降。 特别是，硫的存在会导致材料热脆化。 六磷和磷是钢中需要控制的元素，其含量用来评价碳钢的质量。

（由于FeS可以与铁形成共晶并沿晶界分布），Fe-FeS共晶的熔点为985℃。 当材料在1000~1200℃的温度下进行压力加工时，已熔化并引起晶粒裂纹，使材料变脆。 这种现象称为热脆化。 ）

4、磷、砷、锑在碳钢中的作用

(1)磷、砷、锑是杂质元素，对提高碳钢的抗拉强度有一定作用，但同时增加钢的脆性，特别是低温脆性。 （由于磷以固溶体形式存在于铁素体中，影响铁素体的晶格变形，使碳钢在室温下变脆。

这种现象称为冷脆性）。 磷、砷是造成碳钢严重偏析的有害元素。 磷对钢的可焊性有害，并且会增加焊接裂纹的敏感性。

(2)由于低合金钢的熔点较高，磷、砷、锑等杂质元素在高温下容易迁移、聚集，造成低合金钢的高温回火脆性。 （合金钢经过高温回火热处理或长期在高温下工作时，磷、砷、锑等杂质元素在高温下容易发生迁移、聚集。

由于这些元素的熔点一般低于合金元素，它们会“分裂”材料基体，导致合金钢在高温下变脆。 由于合金钢的这种脆性发生在赤热温度下，故称为红脆性。 ）一般来说，低合金钢采用较高水平的冶炼方法（如电炉冶炼），因此其硫、磷含量较低。

五、钨在碳钢中的作用

(1)钢中钨含量高时，有二次硬化作用，具有红硬性，增加耐磨性。 钨对钢的淬透性、回火稳定性和机械性能的影响与钼相似，但就质量而言，其影响不如钼显着。 当与钼结合使用时，钨可提高钢在高温下的抗蠕变性和热强度。 更好的结果。

(2)钨能提高钢对氢的稳定性。 通常在低碳和中碳优质合金结构钢中添加钨。 钨能防止热处理时晶粒长大和粗化，降低回火脆化倾向，显着提高钢的强度和韧性。

6、锰在低合金钢中的作用

(1)锰和铁形成固溶体。 可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。 锰常用于碳锰钢中以提高钢的强度，但它降低了材料的延展性并增加了应力腐蚀开裂的敏感性。 在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量为1%～2%。

(2)锰是良好的脱敏剂和脱硫剂。 锰与硫形成MnS，可防止硫引起的热脆，从而提高钢的热加工性。 因此，工业钢中一般含有一定量的锰。

(3)钢中的锰能降低临界转变温度。 因此，碳锰钢的低温冲击韧性优于碳钢。

(4)锰能强烈提高碳锰钢的淬透性。 当锰含量较高时，有使钢晶粒粗化、增加钢的回火脆性的不利倾向。

(5)锰对钢的焊接性有不利影响。 为了提高钢的焊接性，应在允许的范围内适当降低钢的碳含量。 焊接时还必须采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。

7、铬在低合金钢中的作用

(1)随着铬含量的增加。 使铬钼钢、铬钼钒钢具有良好的耐高温和氧化介质腐蚀的能力，并增加钢的热强度。 但当铬含量过高或处理不当时。 在475℃时易产生δ相并回火脆化。

(2)铬增加钢的淬透性，并具有二次硬化作用。

(3)铬是显着提高钢的脆性转变温度的元素。 随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度逐渐升高，冲击值随着铬含量的增加而降低。

(4)含钼锅炉钢中添加少量铬，可防止钢在长期使用过程中的石墨化。

(5)在单铬钢中，随着铬含量的增加，材料的焊接性能变差。

8、铝在低合金钢中的作用

(1)铝与氮、氧的亲和力很强，因此在炼钢时也用作脱氧、固氮剂，可以细化晶粒，抑制碳钢的时效，提高钢的低温韧性。

(2)铝作为合金元素添加到钢中时，可以提高钢的抗氧化能力，改善钢的电磁性能。 提高氮化钢的耐磨性和疲劳强度。 因此，铝在无皮钢、电热合金、磁钢和氮化钢中得到了广泛的应用。

(3)铁丝、珠光体钢中铝含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。

(4)当铝含量达到一定量时，可使钢钝化，使钢在氧化性酸中具有耐蚀性，但钢的焊接性会变差。

(5)铝还可以提高钢对硫化氢的耐腐蚀性。 含铝量为4%左右的钢在温度不超过600℃时具有良好的抗硫化氢腐蚀能力。

（6）钢材表面渗铝和渗铝，可提高其在工业和海洋气氛中的抗氧化性和耐腐蚀性。

(7)含铝钢氮化后，在钢的表面形成一层坚固的薄而硬的弥散氮化铝层，从而增加其硬度和疲劳强度，提高其耐磨性。

(8)铝是高锰低温钢的主要合金元素。 一定量的铝可以提高铁锰奥氏体的稳定性，抑制β-Mn相变，因此铝已用于低温钢中。

9、钼在低合金钢中的作用

(1)钼是强碳化物形成元素。 当其含量较低时，与铁、碳形成复合渗碳体； 当其含量较高时。 形成特殊碳化物。 在较高的回火温度下，钼的分散分布会导致材料的二次硬化。

(2)钼对铁的紊流有固溶强化作用，还能提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度有益。 钼是提高钢的热强度最有效的合金元素。 钼还可以提高马氏体和奥氏体钢的热强度。

(3)钢中的钼由于形成特殊的碳化物，可提高其在高温高压下的抗氢腐蚀能力。

(4)钼常与锰、铬等其他元素配合使用，可显着提高钢的淬透性； 当钼含量为0.5%左右时，可以抑制或降低其他合金元素引起的回火脆性。

(5)钼在不锈耐热钢中也能钝化钢表面，但其效果不如铬显着。 钼与铬相反。 在还原性酸（HCl、H2SO4、H2SO3）和强氧化性盐溶液（特别是含有氯离子时）中都能钝化钢的表面。 因此，钼一般可以提高钢的耐腐蚀性能。

(6)奥氏体耐酸钢中添加钼可显着提高材料对醋酸和环烷酸的耐腐蚀性。 在含有氯化物的溶液中，常引起奥氏体耐酸钢的点蚀和晶间腐蚀。 腐蚀。 通过在材料中添加钼，这种趋势将在很大程度上减缓或抑制。

10、镍在高合金钢中的作用

(1)镍是扩大γ相区并形成无限固溶体的元素。 它是奥氏体不锈钢的主要元素。

(2)镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。 对于镍含量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显着降低，低温冲击韧性显着提高。 因此，低温材料常采用镍钢。 一般来说，含镍量3.5%的镍钢可在-100℃的低温下使用，含镍量9%的镍钢可在-196℃的超低温下使用。

(3)含镍低合金钢还具有较高的耐腐蚀疲劳性能。 镍钢不宜在含有硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫结合，在晶界上形成低熔点的NiS网状结构，产生热脆性。 在高温下，镍会与二氧化碳结合形成 Ni(CO)4 气体，该气体将从合金中逸出，在材料中留下孔洞。

(4)在不锈耐热钢中，适当地结合镍、铬、钼等元素，使材料在室温下呈奥氏体组织，即得到奥氏体不锈钢或耐热钢。 然而，镍目前在全球范围内是相对稀缺的元素。 因此，作为合金元素，只有在其他元素无法达到所需性能时才应考虑使用。

(5)由于镍能降低临界转变湿度，降低钢中各种元素的扩散速率，因此可以提高钢的淬透性。

(6)镍不增加钢的抗蠕变能力，因此在热强钢中一般不用作强化元素。 在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化，必须通过钼、钨、钒、钛、铝等其他元素来提高钢的强度。

(7)镍是具有一定耐腐蚀性的元素，对酸、碱、盐和大气都有一定的耐腐蚀性。

11、钛在高合金钢中的作用

(1)钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧有极强的亲和力。 是良好的脱气剂和固氮固碳的有效元素。 因为这。 含钛的高台金钢不适用于铸件。

(2)在奥氏体不锈钢中，由于钛能固定碳，因此具有防止和减少材料晶体腐蚀和应力腐蚀的作用。 如果奥氏体不锈钢中钛与碳含量之比超过4.5，由于此时材料中的氧、氮、碳都可以被固定，因此材料非常耐晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆化。 反抗。

(3)当钛以碳化钛颗粒形式存在时，由于它可以细化钢的晶粒，并在奥氏体分解过程中成为有效的晶核，因此可以降低钢的淬透性，但同时也降低了钢的淬透性。 -材料的固溶温度。 强化效果降低。

(4)钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强度。

(5)钛作为强碳化物形成元素，可提高钢在高温、高压、氢下的稳定性。 当钢中钛含量达到碳含量的4倍时，钢在高压下对氢的稳定性几乎可以达到600℃以上。