元素对钢铁性能的影响（氢）H（氢）H）

元素

对钢材性能的影响

H（氢）

H是一般钢中危害最大的元素。 钢中溶解的氢会引起钢中氢脆、白点等缺陷。 氢与氧和氮一样，在固态钢中的溶解度很小。 它在高温下溶解在钢水中，在冷却过程中没有时间逸出。 它在组织中积聚并形成高压微孔，使钢材的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低。 ，严重时会产生裂纹、脆断。 “氢脆”主要发生在马氏体钢中，在铁素体钢中不是很突出。 它通常随着硬度和碳含量的增加而增加。

另一方面，H可以增加钢的磁导率，但也会增加矫顽力和铁损（添加H后矫顽力可增加0.5～2倍）。

B（硼）

B在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，从而节省其他较稀有、较贵重的金属，如镍、铬、钼等。为此，其含量一般规定在0.001%～ 0.005%。 可替代1.6%镍、0.3%铬或0.2%钼。 用硼代替钼时应注意，因为钼能防止或减轻回火脆性，而硼有轻微促进回火脆性的倾向，故不能使用。 硼完全替代钼。

在中碳碳钢中添加硼，由于淬透性提高，可大大改善厚度大于20mm的钢淬火回火后的性能。 因此，可用40B、40MnB钢代替40Cr，用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。 但由于硼的作用随着钢中碳含量的增加而减弱甚至消失，因此在选择含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬透性会低于的核心。 这种特性具有渗透性。

弹簧钢一般要求完全硬化，通常弹簧面积不大，因此使用含硼钢是有利的。 硼对高硅弹簧钢的作用波动较大，使用不方便。

硼与氮和氧有很强的亲和力。 在沸腾钢中添加0.007%的硼，可消除钢的时效现象。

C（碳）

C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，钢的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降。 随着强度的增加，钢的强度降低。

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。

N（氮）

N对钢性能的影响与碳、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。 对于某些牌号的不锈钢，适当提高N含量可以减少Cr的使用量，有效降低成本。

O（氧气）

O是钢中的有害元素。 它在炼钢过程中自然进入钢中。 尽管在炼钢过程的最后添加锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能将它们全部去除。 钢水凝固过程中，溶液中的氧与碳发生反应，生成一氧化碳，从而产生气泡。 氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在，降低钢的强度和塑性。 特别是对疲劳强度、冲击韧性等影响严重。

氧会增加硅钢的铁损，削弱磁导率和磁感应强度，加剧磁时效效应。

镁（镁）

镁可以减少钢中夹杂物的数量和尺寸，使其分布均匀，并改善其形状。 微量镁可以改善轴承钢中碳化物的尺寸和分布。 含镁轴承钢中的碳化物颗粒细小且均匀。 当镁含量为0.002%～0.003%时，抗拉强度和屈服强度提高5%以上，而塑性基本保持不变。

铝（铝）

铝作为脱氧剂或合金元素添加到钢中，其脱氧能力比硅、锰强得多。 铝在钢中的主要作用是细化晶粒，固定钢中的氮，从而显着提高钢的冲击韧性，降低冷脆性和时效倾向。 例如，D级碳素结构钢要求钢中酸溶铝含量不低于0.015%，深冲用冷轧薄钢板08AL要求钢中酸溶铝含量0.015%-0.065%。

铝还可以提高钢的耐腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时。

铬钼钢和铬钢含有Al以增加其耐磨性。 高碳工具钢中Al的存在会引起淬火脆性。 铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削性能。

硅（硅）

Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂：碳钢中许多材料的Si含量低于0.5%。 这种Si通常在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂引入。 的。

硅能溶解于铁素体和奥氏体中，提高钢的硬度和强度。 其作用仅次于磷，强于锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素。 但当硅含量超过3%时，钢的塑性和韧性会显着降低。 硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比（σs/σb），以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等，这就是硅或硅锰钢能用作弹簧钢。

硅能降低钢的密度、导热性和导电性。 能促进铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。 它有降低晶体各向异性的倾向，使磁化更容易，降低磁阻。 可用于生产电工钢，因此硅钢片的磁滞损耗较低。 硅能增加铁素体的磁导率，使钢板在较弱的磁场下具有较高的磁感应强度。 但硅会降低钢在强磁场下的磁感应强度。 硅具有很强的脱氧能力，从而减少铁的磁时效作用。

当含硅钢在氧化气氛中加热时，表面会形成一层SiO2膜，从而提高钢在高温下的抗氧化能力。

硅能促进铸钢中柱状晶的长大，降低塑性。 如果硅钢受热时冷却快，由于导热系数低，钢的内外温差就会很大，导致其破裂。

硅能降低钢的焊接性。 由于硅与氧的结合能力比铁强，焊接时易生成低熔点硅酸盐，使熔渣和熔融金属的流动性增加，引起飞溅，影响焊接质量。 硅是一种良好的脱氧剂。 用铝进行脱氧时，酌情添加一定量的硅，可显着提高脱氧率。 钢中残留有一定量的硅，是炼铁过程中作为原料带入的。在沸腾钢中，硅被限制为

P（磷）

P从矿石中提炼成钢。 一般来说，磷也是一种有害元素。 磷虽然能提高钢的强度和硬度，但会导致塑性和冲击韧性显着下降。 特别是在低温下，它使钢显着脆化，这种现象称为“冷脆性”。 冷脆性使钢的冷加工性和焊接性恶化。 磷含量越高，冷脆性越大，因此严格控制钢中的磷含量。 高级优质钢：P＜0.025%； 优质钢：P＜0.04%； 普通钢：P＜0.085%。

P具有良好的固溶强化和冷加工硬化作用。 它可与铜配合使用，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。 它可以与硫和锰结合使用，以改善切削加工性并提高回收率。 火脆性和冷脆性敏感性。

磷可以提高比电阻，并且容易粗化晶粒，可以降低矫顽力和涡流损耗。 从磁感应强度来看，磷含量高的钢在弱、中磁场下磁感应强度会增大。 含P硅钢的热加工并不困难，但由于会使硅钢冷脆，含量≯0.15%（如冷轧电机用硅钢含P=0.07~0.10%）。

磷是对铁素体强化作用最强的元素。 （P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将比同硅含量大4～5倍。）

S（硫）

硫来自炼钢矿石和燃料焦炭。 它是钢中的有害元素。 硫以硫化铁（FeS）的形式存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点（985℃）化合物。 钢材的热加工温度一般在1150-1200℃以上。 因此，当钢进行热加工时，工件会因FeS化合物过早熔化而产生裂纹。 这种现象称为“热脆化”。 降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制过程中引起裂纹。 硫还会损害焊接性能，降低耐腐蚀性。 高级优质钢：S＜0.02%～0.03%； 优质钢：S＜0.03%～0.045%； 普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。

由于其切屑较脆，可产生非常光亮的表面，可用于制造要求低载荷和高表面光洁度的钢零件（称为易切削钢），（如Cr14），并有意添加少量硫（ = 0.2～0.4%）。 一些高速钢工具钢具有硫化表面。

K/Na（钾/钠）

钾/钠可作为变质剂，使白口铁中的碳化物球化，使白口铁（及莱氏体钢）的韧性在保持原有硬度的同时可提高一倍以上； 它还可以改善球墨铸铁的组织。 蠕铁处理工艺的精炼和稳定； 它是一种强烈促进奥氏体化的元素。 例如，可以将奥氏体锰钢的锰/碳比从10:1~13:1降低到4:1~5:1。

钙（钙）

钢中加钙可以细化晶粒，部分脱硫，改变非金属夹杂物的成分、数量和形状。 与钢中添加稀土的效果基本类似。

提高钢材的耐蚀性、耐磨性、耐高温、低温性能； 提高钢材的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能； 提高钢材的冷镦性能、抗冲击性能、硬度和接触耐久性强度。

铸钢中添加钙，大大改善钢水的流动性； 提高铸件表面光洁度，消除铸件内部组织的各向异性； 其铸造性能、抗热裂性能、力学性能和切削性能均有不同程度的提高。 。

在钢中添加钙可以提高抗氢致开裂性能和抗层状撕裂性能，并可以延长设备和工具的使用寿命。

生活。 中间合金中添加钙可作为脱氧剂和孕育剂，并具有微合金化作用。

钛(钛)

钛与氮、氧、碳的亲和力较强，与硫的亲和力比铁强。 是良好的脱氧剂和固氮固碳的有效元素。 尽管钛是一种强碳化物形成元素，但它不会与其他元素结合形成复合化合物。 碳化钛结合力强、稳定性好、不易分解。 在钢中，只有加热到1000℃以上才能缓慢溶解成固溶体。

在溶解之前，碳化钛颗粒可以阻止晶粒长大。 由于钛与碳的亲和力远大于铬与碳的亲和力，因此不锈钢中常用钛来固定其中的碳，以消除晶界处铬的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。

钛也是强铁素体形成元素之一，它会强烈提高钢的 A1 和 A3 温度。 钛能提高普通低合金钢的塑性和韧性。 由于钛固定氮和硫并形成碳化钛，因此增加了钢的强度。 正火后晶粒细化，碳化物析出形成，可显着提高钢的塑性和冲击韧性。 含钛合金结构钢具有良好的机械性能和工艺性能，但其主要缺点是淬透性稍差。

高铬不锈钢中通常添加碳含量5倍左右的钛，不仅可以提高钢的耐腐蚀性（主要是耐晶间腐蚀）和韧性； 还可防止和改善钢在高温下的晶粒长大倾向。 钢的焊接性能。

V（钒）

钒与碳、氨、氧有很强的亲和力，并与它们形成相应的稳定化合物。 钒在钢中主要以碳化物的形式存在。 其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。 高温下固溶时，淬透性增加； 反之，当以碳化物形式存在时，淬透性降低。 钒增加淬火钢的回火稳定性并产生二次硬化效果。 钢中钒含量除高速工具钢外一般不大于0.5%。

钒可以细化普通低碳合金钢中的晶粒，提高正火后的强度、屈强比和低温特性，并改善钢的焊接性能。

在合金结构钢中，钒常与结构钢中的锰、铬、钼、钨等元素结合使用，因为它会降低一般热处理条件下的淬透性。 调质钢中的钒主要提高钢的强度和屈强比，细化晶粒，降低过热敏感性。 由于它能细化渗碳钢中的晶粒，因此钢渗碳后可直接淬火，无需二次淬火。

弹簧钢和轴承钢中的钒可以提高强度和屈强比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时的脱碳敏感性，从而提高表面质量。 五铬含钒轴承钢碳化分散度高，性能良好。

钒可细化工具钢的晶粒，降低过热敏感性，提高回火稳定性和耐磨性，从而延长工具寿命。

铬（铬）

铬能增加钢的淬透性并具有二次硬化作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。 当含量超过12%时，钢具有良好的高温抗氧化性和抗氧化腐蚀性能，同时还增加钢的热强度。 铬是不锈钢、耐酸钢、耐热钢的主要合金元素。

铬能提高碳钢在轧制状态下的强度和硬度，并降低伸长率和断面收缩率。 当铬含量超过15%时，强度和硬度下降，伸长率和断面收缩率相应增大。 含铬钢零件磨削后很容易获得较高的表面加工质量。

铬在调质组织中的主要作用是提高淬透性，使钢在调质后具有较好的综合力学性能。 渗碳钢中还可形成含铬碳化物，从而提高材料的表面电阻。 磨料。

含铬弹簧钢在热处理时不易脱碳。 铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，并具有良好的回火稳定性。 在电热合金中，铬可以提高合金的抗氧化性、电阻和强度。

锰（锰）

Mn能提高钢的强度：由于Mn比较便宜，并且可以与Fe无限固溶，因此在提高钢的强度的同时，对塑性的影响相对较小。 因此，锰被广泛用作钢中的强化元素。 可以说，基本上所有的碳钢都含有Mn。 我们常见的冲压低碳钢、双相钢（DP钢）、相变诱发塑性钢（TR钢）、马氏体钢（MS钢）都含有锰。 一般情况下，低碳钢中Mn含量不会超过0.5%； 高强度钢中的Mn含量随着强度等级的提高而增加。 例如，在马氏体钢中，锰含量可高达3%。

Mn提高钢的淬透性，改善钢的热加工性：典型例子有40Mn、40号钢。

Mn能消除S（硫）的影响：Mn在炼钢时能与S形成高熔点MnS，从而减弱和消除S的不利影响。

然而，Mn含量也是一把双刃剑。 Mn含量越高越好。 锰含量的增加会降低钢的塑性和焊接性能。

钴（钴）

钴主要用于特种钢和合金。 含钴高速钢具有较高的高温硬度。 马氏体时效钢中添加钼可以获得超高的硬度和良好的综合机械性能。 此外，钴还是热强钢和磁性材料中的重要合金元素。

钴降低钢的淬透性。 因此，在碳钢中单独添加它会降低调质后的综合力学性能。 钴能强化铁素体，添加到碳钢中可提高钢在退火或正火状态下的硬度、屈服点和抗拉强度。 对伸长率和断面收缩率有不利影响，冲击韧性也下降。 随着钴含量的增加而降低。 由于钴具有抗氧化性能，因此用于耐热钢和耐热合金。 钴基合金燃气轮机显示出其独特的作用。

镍（镍）

镍的有益效果是：高强度、高韧性、良好的淬透性、高电阻和高耐腐蚀性。

一方面它不仅大大提高了钢的强度，另一方面又使铁的韧性始终保持在极高的水平。 其脆化温度极低。 （当镍含量低于0.3%时，脆性温度达到-100℃以下。当Ni含量增加，约4～5%时，脆性温度可降至-180℃。因此，淬火结构钢可同时提高强度和塑性，含Ni=3.5%的铬钢和无铬钢可空淬，含Ni=8%的铬钢也能在很小的冷却速度下转变为M体。

Ni的晶格常数与γ-铁相似，因此可以形成连续的固溶体。 这有利于提高钢的淬透性。 Ni能降低临界点，增加奥氏体的稳定性，因此其淬火温度可降低，淬透性良好。 通常，加镍钢用于大截面的厚重零件。 当与Cr、W或Cr、Mo结合时，可特别提高淬透性。 镍钼钢还具有较高的疲劳极限。 （镍钢具有良好的抗热疲劳性能，可在反复冷热条件下工作。σ和αk较高）

不锈钢中使用Ni可以使钢具有均匀的A体组织，从而提高耐腐蚀性。 镍钢一般不易过热，因此可以在高温下阻止晶粒长大，仍保持细晶组织。

铜（铜）

铜在钢中的突出作用是提高普通低合金钢的耐大气腐蚀性能。 特别是与磷结合使用时，添加铜还可以提高钢的强度和屈强比，而不会对焊接性能产生不利影响。 含铜0.20%～0.50%的钢轨（U-Cu），除耐磨性外，其耐腐蚀寿命是普通碳轨的2-5倍。

当铜含量超过0.75%时，固溶处理和时效后会出现时效强化。 在低含量时，其作用与镍相似，但较弱。 当含量较高时，不利于热变形加工，并在热变形加工时引起铜脆性。 奥氏体不锈钢中含有2%～3%的铜，可提供对硫酸、磷酸和盐酸的耐腐蚀性以及对应力腐蚀的稳定性。

镓（镓）

镓是钢中的闭合伽玛区元素。 微量的镓很容易溶解在铁氧体中形成替代固溶体。 它不是碳化物形成元素，也不形成氧化物、氮化物或硫化物。 在γ+a两相区，微量的镓容易从奥氏体扩散到铁素体，且在铁素体中浓度较高。 微量镓对钢力学性能的主要作用是固溶强化。 镓对钢的耐腐蚀性能有较小的改善作用。

砷（砷）

矿石中的砷只能在烧结过程中部分去除，也可以通过氯化焙烧去除。 砷在高炉冶炼过程中被完全还原成生铁。 当钢中砷含量超过0.1%时，会增加钢的脆性，使其焊接性能变差。 应控制矿石中砷含量，矿石中砷含量不应超过0.07%。

砷有提高低碳圆钢的屈服点σs、抗拉强度σb和降低伸长率δ5的倾向，对降低普碳圆钢的常温冲击韧性Akv有较明显的作用。

硒（硒）

硒能改善碳钢、不锈钢和铜的切削性能，使零件表面光滑、光洁。

MnSe2常在高磁感取向硅钢中用作抑制剂。 MnSe2有益夹杂物比MnS有益夹杂物对初次再​​结晶晶粒长大有更强的抑制作用，更有利于促进二次再结晶晶粒的择优长大，从而能够获得高度取向的(110)[001]织构。

Zr（锆）

锆是强碳化物形成元素，其在钢中的作用与铌、钽和钒相似。 添加少量锆可以脱气、净化和细化晶粒，有利于钢的低温性能，提高冲压性能。 它常用于制造用于燃气发动机和弹道导弹结构的超高强度钢和镍基高温合金。

铌（铌）

铌常与钽共存，它们在钢中的作用相似。 铌和钽部分溶解到固溶体中，起到固溶强化作用。 当溶解到奥氏体中时，显着提高钢的淬透性。 然而，当以碳化物和氧化物颗粒的形式存在时，它会细化晶粒并降低钢的淬透性。 可增加钢的回火稳定性，并具有二次硬化作用。 微量的铌可以提高钢的强度而不影响其塑性或韧性。 由于细化晶粒的作用，可以提高钢的冲击韧性，降低其脆性转变温度。 当含量大于碳的8倍时，钢中的碳几乎全部被固定，赋予钢良好的抗氢性能。 在奥氏体钢中，可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。 由于固定碳和沉淀硬化的作用，可以提高热强钢的高温性能，如蠕变强度。

铌能提高建筑用普通低合金钢的屈服强度和冲击韧性，降低脆性转变温度，有利于焊接性能。 在渗碳和调质合金结构钢中，可提高淬透性。 提高钢的韧性和低温性能。 可减少低碳马氏体耐热不锈钢的空气硬化，避免淬火、回火脆性，提高蠕变强度。

钼（钼）

钢中钼可提高淬透性和热强度，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的耐蚀性。

在调质钢中，钼可使截面较大的零件进行深度、彻底的淬火，提高钢的回火抗力或回火稳定性，使零件能在较高温度下回火，从而更有效地消除（或减少）残余应力并提高塑性。

在渗碳钢中，钼除具有上述作用外，还可以降低碳化物在渗碳层晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中的残余奥氏体，相对增加表面层。 耐磨性。

在锻造模具钢中，钼还可以使钢保持相对稳定的硬度，增加抗变形能力。 抗开裂和耐磨。

在不锈耐酸钢中，钼能进一步提高对有机酸（如甲酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白剂的耐蚀性特别是钼的添加可以防止因氯离子的存在而引起的点蚀倾向。 含钼1%左右的W12Cr4V4Mo高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性。

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