常用合金元素及其对钢性能的影响，你了解多少？

在冶炼过程中，为改善和提高钢的某些性能，以及为获得某些特殊性能而有意加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、硅、锰、铝、铜、硼、稀土等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金的作用。

（1）铬（Cr）

铬能增加钢的淬硬性，有二次硬化作用，能提高碳钢的硬度和耐磨性，而不使钢变脆。含量超过12%时，钢具有良好的抗高温氧化性和抗氧化腐蚀性，还能提高钢的热强度。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，降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度会下降，而伸长率和断面收缩率则相应增大。含铬钢件经磨削加工后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，使钢经淬火、回火后具有较好的综合力学性能。在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。

含铬的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，回火稳定性好。在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、抗腐蚀性和强度。

（2）镍（Ni）

镍在钢中起强化铁素体、细化珠光体的作用，总的作用是提高强度，对塑性影响不显著。一般来说，对于不需要调质处理，在轧制、正火或退火状态下使用的低碳钢，一定的镍含量可以提高钢的强度，而不明显降低其韧性。据统计，镍每增加1%，强度可提高约29.4Pa。随着镍含量的增加，钢的屈服度增加得比抗拉强度快。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性等工艺性能的损害比其他合金元素要小。对于中碳钢，镍降低了珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于镍降低了共析点的碳含量，使珠光体量比含碳量相同的碳钢大，所以含镍珠光体铁素体钢的强度比含碳量相同的碳钢高。 相反，在钢的强度相同的情况下，含镍钢可以适当降低碳含量，这样可以提高钢的韧性和塑性。镍能提高钢的抗疲劳性能，降低钢对缺口的敏感性。镍能降低钢的低温脆性转变温度，这对低温钢极为重要。含镍3.5%的钢可在-100℃下使用，含镍9%的钢可在-196℃下工作。镍不会增加钢的抗蠕变性能，所以一般不用作耐热钢的强化元素。

高镍含量的铁镍合金的线膨胀系数随着镍含量的增加或减少而发生显著的变化，利用这一特性可以设计和生产具有极低或一定线膨胀系数的精密合金和双金属材料。

另外，在钢中添加镍，不但能耐酸，而且能耐碱，并能抵抗大气和盐的腐蚀，镍是不锈钢和耐酸钢中的重要元素之一。

（3）钼（Mo）

钢中钼能提高淬透性和热强度，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力，以及在某些介质中的耐腐蚀性能。

在调质钢中，钼可使截面较大的零件获得深而彻底的淬硬，提高钢的抗回火性能或回火稳定性，允许零件在较高的温度下回火，从而更有效地消除（或减少）残余应力，提高塑性。

在渗碳钢中，钼除具有上述作用外，还能降低渗碳层中碳化物在晶界上形成连续网络的趋势，减少渗碳层中的残余奥氏体，相对提高表层的耐磨性。

在锻模钢中，钼还能保持钢的相对稳定的硬度，提高抗变形、开裂和磨损的能力。

在不锈耐酸钢中，钼可进一步提高钢对有机酸（如醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉溶液等的耐蚀性。特别是钼的加入可防止由于氯离子存在而引起的点蚀倾向。

含钼约1%的W12Cr4V4Mo高速钢具有良好的耐磨性、回火硬度和红硬性。

（4）钨（W）

钨在钢中除形成碳化物外，还部分溶解于铁中形成固溶体，其作用与钼相似，但按质量分数计算，一般不如钼显著。钨在钢中的主要作用是由于形成碳化物而增加回火稳定性、红硬性、热强性和耐磨性。因此主要用于工具钢，如高速钢、热锻模具钢等。

钨在优质弹簧钢中形成难熔碳化物，在较高温度回火时，能缓和碳化物的聚集过程，保持较高的高温强度。钨还能降低钢的过热敏感性，增加淬透性，提高硬度。65SiMnWA弹簧钢热轧后空冷后硬度很高。截面为50mm2的弹簧钢可在油中淬硬，可用作承受大载荷、耐热（不大于350℃）、耐冲击的重要弹簧。30W4Cr2VA高强度耐热优质弹簧钢，淬透性很大，经1050～1100℃淬火、550～650℃回火后，抗拉强度达1470～1666Pa。主要用于制造在高温（不大于500℃）条件下使用的弹簧。

由于钨的添加能显著提高钢的耐磨性和切削性能，因此钨是合金工具钢的主要元素。

（5）钒（V）

钒与碳、氨和氧有很强的亲和力，并和它们形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物形式存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。在高温下溶入固溶体时，提高淬透性；反之，以碳化物形式存在时，降低淬透性。钒能提高淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化作用。钢中钒含量，除高速工具钢外，一般不大于0.5%。

钒在一般低碳合金钢中能细化晶粒，提高正火后强度和屈强比，提高低温性能，改善钢的焊接性能。

合金结构钢中的钒在一般热处理条件下能降低淬透性，所以在结构钢中常与锰、铬、钼、钨等元素复合使用。钒在调质钢中主要起提高钢的强度和屈强比、细化晶粒、降低过热敏感性的作用。在渗碳钢中能细化晶粒，使钢渗碳后可直接淬火，不需二次淬火。

钒在弹簧钢、轴承钢中能提高强度、屈强比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而改善表面质量。五铬含钒轴承钢碳化物弥散度高，性能良好。

钒能细化工具钢中的晶粒，降低过热敏感性，提高回火稳定性和耐磨性，从而延长工具的使用寿命。

（6）钛（Ti）

钛与氮、氧、碳都有很强的亲和力，与硫的亲和力比与铁强，因此是良好的脱氧、脱气剂，是固定氮、碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素，但不与其他元素形成复合化合物。碳化钛结合力强，稳定，不易分解，只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶解到钢中的固溶体中。在溶解之前，碳化钛粒子有阻止晶粒长大的作用。由于钛与碳的亲和力远大于铬与碳的亲和力，所以在不锈钢中常用钛来固定其中的碳，以消除铬在晶界的贫化，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，能强烈提高钢的A1、A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛能固定氮、硫并形成碳化钛，使钢的强度提高。正火处理细化晶粒，析出碳化物，可明显提高钢的塑性和冲击韧性。含钛合金结构钢具有良好的力学性能和工艺性能，但其主要缺点是淬透性稍差。

在高铬不锈钢中，通常添加含量为碳含量5倍左右的钛，不仅能提高钢的耐蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温下的晶粒长大倾向，改善钢的焊接性能。

（7）铌/铈（Nb/Cb）

铌、铌常与钽共存，在钢中作用相似。铌、钽部分溶入固溶体，起固溶强化作用。溶于奥氏体中时，明显提高钢的淬硬性，但以碳化物、氧化物粒子形式存在时，则细化晶粒，降低钢的淬硬性。能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量铌可提高钢的强度，而不影响钢的塑性或韧性。由于细化晶粒的作用，可提高钢的冲击韧性，降低其脆性转变温度。当含量大于碳的8倍以上时，可固定钢中几乎所有的碳，使钢具有良好的抗氢性能。在奥氏体钢中，能防止氧化性介质对钢的晶间腐蚀。 由于固定碳和沉淀硬化作用，可以提高耐热钢的蠕变强度等高温性能。

铌能提高普通低合金建筑用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，能增加淬透性，改善钢的韧性和低温性能；能降低低碳马氏体耐热不锈钢的空冷硬化，避免淬火回火脆性，提高蠕变强度。

（8）锆（Zr）

锆是强碳化物形成元素，在钢中的作用与铌、钽、钒相似。加入少量的锆有脱气、净化、细化晶粒的作用，有利于钢的低温性能，提高冲压性能。常用于制造超高强度钢和燃气发动机、弹道导弹结构用的镍基高温合金。

（9）钴（Co）

钴多用于特种钢及合金，含钴高速钢高温硬度高，与钼一起加入马氏体时效钢可获得超高硬度和良好的综合力学性能，此外钴也是耐热钢、磁性材料中重要的合金元素。

钴使钢的淬透性降低，因此单独加入碳钢中会降低淬火、回火后的综合力学性能。钴能强化铁素体，加入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。冲击韧性也随钴含量的增加而下降。由于钴具有抗氧化性能，在耐热钢和耐热合金中得到应用。在钴基合金燃气轮机中，其独特作用更加明显。

（10）氮（N）

氮在铁中可部分用来强化固溶体，提高淬透性，但作用不显著。由于氮化物在晶界析出，能提高晶界的高温强度，提高钢的蠕变强度。与钢中其他元素结合有沉淀硬化作用。对钢的耐蚀性无明显影响，但钢表面氮化后，不但增加其硬度和耐磨性，而且耐蚀性有明显的提高。低碳钢中残留氮，会引起时效脆性。

与渗碳相比，氮化处理后的零件具有：高硬度和耐磨性、高疲劳强度、高抗咬合性、高耐腐蚀性，且氮化过程是在钢的相变温度（450-600℃）以下进行的，因此变形较小，体积略有膨胀。缺点是周期长（一般气体氮化工艺氮化时间长达几十至一百小时），成本高，氮化层薄（一般在0.5mm左右）且性脆，不能承受太大的接触应力和冲击载荷。

渗氮后零件虽然具有很高的硬度、耐磨性和疲劳强度，但只是表面很薄的一层（铬钼铝钢在500-540℃保温35-65h的渗氮层深只有0.3-0.65mm）。必须有强韧的心部组织作为渗氮层的坚实基础，才能最大限度地发挥渗氮的效果。一般情况下，大多数渗氮零件都在摩擦和复杂的动载荷条件下工作，对表面和心部的性能都要求很高。

氮化零件的注意事项

1）氮化前的预备热处理及回火——氮化工件在氮化前应进行回火处理，以获得回火屈氏体组织。回火处理的回火温度一般高于氮化温度。

2）氮化前的预备热处理去应力处理——氮化前应尽可能消除加工过程中产生的内应力，以稳定零件尺寸。去应力的温度应低于回火温度，保温时间应长于回火时间，然后缓慢冷却至室温。正火不适用于截面尺寸较大的零件。工具钢必须经过淬火、回火处理，不允许退火。

（11）硅（Si）

硅能固溶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。但硅含量超过3%时，钢的塑性和韧性会明显降低。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb），也能提高疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）。这就是硅或硅锰钢可用作弹簧钢的原因。

硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。有降低晶体各向异性的趋势，使磁化更容易，降低磁阻，可用来生产电工钢，因此硅钢片的磁滞损耗低。硅能提高铁素体的磁导率，使钢片在较弱的磁场中具有较高的磁感应强度。但在强磁场中硅却使钢的磁感应强度降低。硅有很强的脱氧力，从而降低铁的磁时效作用。

含硅钢在氧化性气氛中加热时，其表面会生成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温下的抗氧化性能。

硅能促使铸钢中柱状晶的生长，降低塑性，硅钢在加热时若迅速冷却，由于其热导率低，造成钢内外温差大，从而发生断裂。

硅能降低钢的焊接性能。由于硅与氧的结合能力比铁强，焊接时易生成低熔点的硅酸盐，使熔渣和熔融金属的流动性增加，引起飞溅，影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂。用铝脱氧时，酌情加入一定量的硅，可明显提高脱氧率。钢中存在一定量的残余硅，是炼铁、炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅的添加量限制在

（12）锰（Mn）

锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，钢中一般都含有一定量的锰，它可以消除或减弱由硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

锰与铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。同时它又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代部分铁原子。钢中的锰降低临界转变温度，起细化珠光体的作用，间接起提高珠光体钢强度的作用。锰稳定奥氏体的能力仅次于镍，同时还强烈增加钢的淬硬性。含量不超过2%的锰已与其他元素配合使用，制成多种合金钢。

锰具有资源丰富、功能多样的特点，得到了广泛的用途，如含锰较高的碳素结构钢、弹簧钢等。

高碳高锰耐磨钢中锰含量可达10%～14%，经固溶处理后，具有良好的韧性，当受到冲击变形时，表层因变形而得到强化，具有较高的耐磨性。

锰和硫形成熔点较高的MnS，能防止FeS引起的热脆性。锰有增加钢晶粒粗化的倾向，增加回火脆性的敏感性。如果冶炼、浇注和锻造后的冷却不彻底，钢中容易出现白点。

（13）铜（Cu）

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。特别是与磷配合使用时，铜还能提高钢的强度和屈强比，且对焊接性能无不良影响。含0.20%～0.50%铜（U-Cu）的钢轨钢，除耐磨外，耐腐蚀寿命是普通碳钢轨的2～5倍。

当铜含量超过0.75%时，经固溶处理和时效处理后，能产生时效强化作用，含量较低时，其作用与镍相似，但较弱，含量较高时，不利于热变形加工，在热变形加工过程中引起铜脆性。奥氏体不锈钢中加入2%～3%的铜，可提高对硫酸、磷酸和盐酸的耐蚀性能和对应力腐蚀的稳定性。

（14）硼（B）

硼在钢中的主要作用是提高钢的淬硬性，从而节省其它稀有贵金属，如镍、铬、钼等。为此目的，其含量一般规定在0.001%～0.005%范围内。可代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼。用硼代替钼时，应注意，钼能防止或减轻回火脆性，而硼有轻微的促进回火脆性的倾向，因此硼不能完全代替钼。

在中碳钢中添加硼，由于淬硬性提高，可使厚度大于20mm的钢材在淬火回火后的性能大大提高。因此，可用40B、40MnB钢代替40Cr，用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳含量的增加而减弱甚至消失，因此，在选用含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬硬性会低于心部。

弹簧钢一般要求充分淬硬，通常弹簧面积不大，使用含硼钢有利，而硼对高硅弹簧钢的影响波动较大，使用不便。

硼与氮、氧有较强的亲和力，在沸腾钢中加入0.007%的硼，可消除钢的时效现象。

（15）稀土（Re）

稀土元素一般指元素周期表中原子序数从57到71的镧系元素（15种元素）加上钪（21）和钇（39），共17种元素。它们的性质相似，难以分离。未分离的稀土称为混合稀土，价格比较便宜。稀土元素可以提高锻钢的塑性和冲击韧性，特别是在铸钢中。它可以提高耐热钢电热合金和高温合金的抗蠕变性能。

稀土元素还能提高钢的抗氧化性能和抗腐蚀性能，抗氧化效果超过硅、铝、钛等元素，能改善钢的流动性，减少非金属夹杂物，使钢组织致密、纯净。

在普通低合金钢中添加适量的稀土元素，有良好的脱氧、脱硫效果，提高冲击韧性（特别是低温韧性），改善各向异性性能。

铁铬铝合金中添加稀土元素，提高了合金的抗氧化性能，在高温下保持钢的细小晶粒，提高了高温强度，从而显著提高了电热合金的寿命。

（16）磷（P）

磷在钢中有很强的固溶强化和冷作硬化作用，将其作为合金元素加入低合金结构钢中，可提高其强度和耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷与硫、锰等配合，可增加钢的切削加工性和加工件的表面质量。它用于易切削钢中，因此易切削钢中磷含量也较高。磷在铁素体中使用时，虽然能提高钢的强度和硬度，但其最大的危害是偏析严重，增加回火脆性，使钢的塑性和韧性明显增加，使钢在冷加工时易开裂，这就是所谓的“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响，磷是有害元素，应严格控制，一般含量不得超过0.03%～0.04%。

（17）硫（S）

增加硫、锰含量，可改善钢的切削加工性。在易切削钢中，硫是作为有益元素加入的。硫在钢中偏析严重，使钢的质量变坏。在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素。它以熔点较低的FeS形式存在，FeS单独的熔点只有1190℃，FeS在钢中的共晶温度更低，只有988℃。钢在凝固时，在初生晶界处析出硫化铁，钢在1100～1200℃轧制时，晶界上的FeS会发生熔化，大大削弱晶粒间的结合力，造成钢的热脆性。因此，应严格控制硫，一般控制在0.020%～0.050%。 为了防止硫引起的脆性，应加入足够的锰，以形成熔点较高的MnS。如果钢中锰含量过高，由于焊接时生成SO2，焊缝金属中会形成气孔和疏松。

（18）铝（Al）

铝主要用于脱氧和细化晶粒。它促使氮化钢中形成坚硬而耐腐蚀的氮化层。铝能抑制低碳钢的时效，提高钢的低温韧性。含量较高时，能提高钢在氧化性酸和H2S气体中的抗氧化和耐腐蚀性能，并能改善钢的电性能和磁性能。铝在钢中具有很大的固溶强化作用，提高了渗碳钢的耐磨性、疲劳强度和心部力学性能。

在耐火合金中，铝与镍形成化合物，提高冶金强度。含铝的铁铬铝合金具有接近恒定电阻的性质，在高温下具有优良的抗氧化性能，适用于电冶金合金材料和铬铝电阻丝。

有些钢在脱氧时，如果加入过多的铝，会引起组织异常，并促使钢的石墨化。在铁素体钢和珠光体钢中，当铝含量较高时，会降低其高温强度和韧性，给冶炼和铸造带来一定的困难。