走进钢材中化学元素的世界：碳和硅的作用解析

钢铁中含有各种化学元素，组成了数百个不同的牌号。那么这些化学元素在钢铁中起着什么作用呢？

今天我们将带你走进钢铁中的化学元素的世界

1.碳：

碳在钢中的作用是一把双刃剑，随着碳含量的增加，材料的屈服点和抗拉强度会逐渐提高，但塑性和抗冲击性会下降，因此需要根据材料的不同用途量身定制碳含量。

当碳含量超过0.23%时，焊接性能会明显下降，因此焊接用的低合金结构钢碳含量不能超过0.20%。碳含量过高还会导致钢材耐大气腐蚀性能的下降，露天料场的高碳钢就容易发生腐蚀。

碳含量过高并不完全是缺点，它会增加钢的冷脆性和时效敏感性。

2.硅：

硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂加入，因此镇静钢中含有0.15-0.30％的硅。当钢中硅含量超过0.50-0.60％时，硅被视为合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，因此在弹簧钢中应用十分广泛。例如65Mn、82B等弹簧钢含硅0.15-0.37%。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅，可使钢的强度提高15-20%；硅与钼、钨、铬等配合，可提高耐腐蚀性能和抗氧化性能，可用来制造耐热钢；含硅1.0-4.0%的低碳钢具有极高的磁导率，在电气工业中用来制造硅钢片。

当然，硅并不是全是好东西，它能降低钢的焊接性能。

3.锰

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。一般钢中含锰0.30-0.50%，当碳钢中加入0.70%以上时，就称为“锰钢”。与普通钢相比，它不仅具有足够的韧性，而且强度和硬度较高，提高了钢的淬硬性，改善了钢的热加工性能。例如16Mn钢的屈服点比A3高40%。含锰11-14%的钢具有极高的耐磨性，用于挖掘机铲斗、球磨机衬板等。

锰含量过高也有缺点，锰含量较高时，钢会出现明显的回火脆性；锰有促进晶粒长大的作用，热处理时要注意；当锰的质量分数超过1%时，钢的焊接性能会降低。

4.硫磺

硫来自炼钢矿石和燃料焦，是钢中的有害元素。

硫在钢中以硫化铁（FeS）的形式存在。FeS与Fe形成的化合物熔点较低（985℃）。钢的热加工温度一般为1150-1200℃，因此钢在热加工时，FeS化合物会过早熔化，导致工件开裂。这种现象称为“热脆”。硫含量越高，热脆现象越严重，因此必须控制钢中的硫含量。

优质钢S小于0.02-0.03%，优质钢S小于0.03-0.045%，普通钢S小于0.055%-0.07%。有些情况下，还需添加硫，如在钢中加入0.08-0.20%的硫，可改善切削性能，通常称为易切削钢。

硫也会损害焊接性能并会降低耐腐蚀性能。

5.磷：

磷是从矿石中带入钢中的。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，但引起塑性和冲击韧性的明显下降。特别是在低温下，使钢明显变脆，这种现象称为“冷脆”。冷脆性使钢的冷加工性和焊接性变坏。磷含量越高，冷脆性越大，因此对钢中的磷含量有严格的控制。优质钢：P<0.025%；高级优质钢：P<0.04%；普通钢：P<0.085%。

6.氧气：

氧是钢中的有害元素，在炼钢过程中自然进入钢中，虽然在炼钢结束时会加入锰、硅、铁、铝等进行脱氧，但不可能完全除去。钢中的氧以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在，降低钢的强度和塑性，特别是对疲劳强度和冲击韧性有严重影响。

7.氮气：

铁素体溶解氮的能力很低，当钢中溶解过饱和的氮时，经长时间放置或随后加热至200～300℃后，氮会以氮化物形式析出，使钢的硬度和强度增加，塑性降低，并引起时效。在钢水中添加Al、Ti或V进行固氮处理，可将氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

8.铬

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，使钢具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能，因此是不锈钢、耐热钢的重要合金元素，还能提高钢的淬透性，是非常重要的合金元素。

但铬也会提高钢的脆性转变温度，增加钢的回火脆性，在加工过程中带来不必要的麻烦。

9.镍：

镍能提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀性，在高温下防锈耐热。但由于镍是一种稀缺资源，应尽可能使用其他合金元素来替代镍铬钢。对生产厂家来说，检测不锈钢中的Ni含量至关重要，防止供应商以次充好。GNR手持式光谱仪P5可以有效检测Ni含量（右侧超链接）——

10.钼：

钼能细化钢的晶粒，提高淬透性和耐热性，在高温下保持足够的强度和抗蠕变性能（高温下长期受力引起变形，称为蠕变）。结构钢中加入钼，可提高力学性能。还可抑制合金钢因火烧而产生的脆性。工具钢中加入钼，可改善红变性能。

11.钛

钛是钢中强烈的脱氧剂，能使钢的内部组织致密，细化晶粒强度，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。在Cr18Ni9奥氏体不锈钢中加入适量的钛，可避免晶间腐蚀。

12.钒：

钒是钢的优良脱氧剂，钢中加入0.5%左右的钒，能细化晶粒，提高强度和韧性，钒与碳形成的碳化物，能提高钢在高温高压下的抗氢腐蚀性能。

13.钨：

钨熔点高、比重大，是一种珍贵的合金元素。钨与碳形成的碳化钨具有很高的硬度和耐磨性。在工具钢中加入钨，可显著提高红硬性和热强度，可用作切削刀具和锻模。

14.铌：

铌能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高强度，但降低塑性和韧性。在普通低合金钢中加入铌，可提高其在高温下抗大气腐蚀和抗氢、氮、氨腐蚀的能力。铌能改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加入铌，可防止晶间腐蚀。

15.钴：

钴是一种稀有贵金属，主要用于特殊钢和合金，如耐热钢和磁性材料。

16.铜：

武钢用大冶矿生产的钢中常含铜。铜能提高强度和韧性，特别是耐大气腐蚀性能，缺点是在热加工时易产生热脆性。铜含量超过0.5%时，塑性明显下降。铜含量低于0.50%时，对焊接性无影响。

17.铝：

铝是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量铝，能细化晶粒，提高冲击韧性，如深冲薄板用08Al钢。铝还具有抗氧化、抗腐蚀性能，铝与铬、硅等配合可明显提高钢的高温剥落性能和高温抗腐蚀性能。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削性能。

18.硼

钢中加入少量的硼，可以改善钢的密度和热轧性能，提高钢的强度。

19. 稀土元素

稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15种镧系元素。这些元素都是金属，但它们的氧化物与“土”很相似，所以通常被称为稀土。在钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的成分、形态、分布和性质，从而改善钢的各项性能，如韧性、焊接性、冷加工性能等。在犁铧钢中加入稀土，可以提高耐磨性。