探究氢和硼在钢中的作用及对钢性能的影响

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H（氢）

H是一般钢中最有害的元素。钢中溶解的氢可引起氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样，在固态钢中的溶解度很低，它在高温下溶入钢水中，在冷却时来不及逸出，便在组织中聚集形成高压细小孔隙，使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低，严重时会引起裂纹和脆性断裂。“氢脆”主要发生在马氏体钢中，在铁素体钢中并不十分突出。一般随硬度和碳含量的增加而增大。

另一方面，H可以提高钢的磁导率，但也会增大矫顽力和铁损（加H后矫顽力可提高0.5～2倍）。

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B（硼）

B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。

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C（碳）

碳是仅次于铁的主要元素，直接影响钢的强度、塑性、韧性和焊接性能。

当钢中碳含量低于0.8%时，随着碳含量的增加，钢的强度和硬度提高，而塑性和韧性则下降；但当碳含量高于1.0%时，随着碳含量的增加，钢的强度反而下降。

随着碳含量的增加，钢的焊接性能变坏（碳含量大于0.3%的钢的焊接性明显下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气腐蚀性能下降。

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N（氮）

N对钢的性能影响与碳、磷相似。随着氮含量的增加，钢的强度可明显提高，塑性特别是韧性则明显降低，焊接性变坏，冷脆性加剧；同时增大时效倾向、冷脆性和热脆性，破坏钢的焊接性能和冷弯性能。因此，应尽可能降低和限制钢中的氮含量，一般氮含量不宜高于0.018%。

氮可以降低铝、铌、钒等元素的不良影响，改善钢的性能，可作为低合金钢的合金元素。对于某些牌号的不锈钢，适当提高N的含量，可以减少Cr的使用量，有效降低成本。

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O（氧气）

O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。钢水凝固时，溶液中的氧与碳发生反应，生成一氧化碳，会产生气泡。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在，使钢的强度和塑性降低，特别是对疲劳强度和冲击韧性有严重影响。

氧会使硅钢中的铁损增加，减弱磁导率和磁感应强度，加剧磁时效效应。

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Mg（镁）

镁能减少钢中夹杂物的数量、减小其尺寸、使其分布均匀、改善其形态。微量的镁能改善轴承钢中碳化物的尺寸和分布，含镁轴承钢的碳化物颗粒细小而均匀。当镁含量为0.002%～0.003%时，其抗拉强度和屈服强度提高5%以上，而塑性基本保持不变。

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铝

铝作为脱氧剂或合金元素加入钢中，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，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向。例如D级碳素结构钢中酸溶铝含量要求不小于0.015%，深冲用08AL冷轧薄钢板中酸溶铝含量要求为0.015%-0.065%。

铝还可以提高钢的耐腐蚀性，尤其是与钼、铜、硅和铬等元素结合使用时。

铬钼钢和铬钢中加Al可增加其耐磨性，高碳工具钢中加Al可引起淬火脆性，铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削性能。

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Si（硅）

Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂：碳钢中很多物质含有0.5%以下的Si，一般是在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂带入的。

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

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P（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%。

P具有良好的固溶强化和冷作硬化作用，与铜配合使用，可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；与硫、锰配合使用，可改善切削加工性，增加回火脆性和冷脆敏感性。

磷能提高电阻率，又因易使晶粒粗化，故能降低矫顽力和涡流损耗。至于磁感应，在弱磁场和中磁场下，含磷量高的钢的磁感应会增大。含P硅钢热加工不困难，但因会使硅钢产生冷脆性，故含量≯0.15%（如冷轧电机用硅钢含P=0.07～0.10%）。

磷是强化铁素体作用最强的元素。（P对硅钢的再结晶温度和晶粒长大的影响将超过相同硅含量的影响4至5倍。）

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S（硫）

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形成低熔点（985℃）化合物。钢的热加工温度一般在1150-1200℃以上，因此钢在热加工时，由于FeS化合物过早熔化，使工件产生开裂，这种现象称为“热脆”。它降低钢的塑性和韧性，在锻造和轧制过程中产生裂纹。硫对焊接性能也有不利影响，降低耐腐蚀性能。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。

由于其切屑脆性大，且能得到非常光亮的表面，因此可用来制造要求低负荷、高表面光洁度的钢件（称为易切削钢）。（例如Cr14）中有意加入少量硫（=0.2-0.4%）。一些高速钢工具钢经过表面硫化处理。

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K/Na（钾/钠）

钾/钠可作为变质剂，使白口铸铁中的碳化物簇球化，从而使白口铸铁（及莱氏体钢）的韧性提高两倍以上，同时保持原有的硬度；可细化球墨铸铁的组织，稳定蠕墨铸铁的加工过程；是促进奥氏体化的强烈元素，例如可使奥氏体锰钢的锰/碳比由10：1~13：1降低为4：1~5：1。

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Ca（钙）

在钢中添加钙，能细化晶粒，部分脱硫，并能改变非金属夹杂物的成分、数量和形态，与在钢中添加稀土的作用基本相似。

提高钢的耐腐蚀、耐磨、耐高温和耐低温性能；提高钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加钢的冷镦、抗冲击性能、硬度和接触耐久强度。

铸钢中添加钙，大大改善了钢水的流动性；提高了铸件的表面光洁度，消除了铸件内组织的各向异性；其铸造性能、抗热裂性能、力学性能和切削加工性能均有不同程度的提高。

钢中添加钙，可提高其抗氢致开裂和层状撕裂的性能，可延长设备和工具的使用寿命。

中间合金中添加的钙可作为脱氧剂和孕育剂，起到微合金化的作用。

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Ti（钛）

钛与氮、氧、碳有很强的亲和力，与硫的亲和力比铁大，是良好的脱氧剂，也是固定氮、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在钢中固溶体中。

在溶解之前，碳化钛粒子有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳的亲和力比铬和碳的亲和力大得多，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。

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V（钒）

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。

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Cr（铬）

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。

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Mn（锰）

Mn能提高钢的强度：由于Mn比较廉价，又能与Fe无限溶解，在提高钢的强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，锰作为钢中的强化元素被广泛应用。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)、相变诱导塑性钢(TR钢)、马氏体钢(MS钢)等都含有锰。一般低碳钢中Mn含量不会超过0.5%；高强度钢中Mn含量会随着强度等级的提高而增加，如马氏体钢中锰含量可高达3%。

Mn提高钢的淬硬性，改善钢的热加工性能，典型例子有40Mn、40号钢。

Mn能消除S（硫）的影响：Mn在钢冶炼过程中能与S生成高熔点的MnS，从而削弱和消除S的不良影响。

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

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Co（钴）

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。

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Ni（镍）

镍的有益作用是：高强度、高韧性和良好的淬硬性、高电阻、高耐腐蚀性。

它一方面大大提高钢的强度，另一方面又始终使铁的韧性保持在很高的水平，其脆性温度极低。（当镍含量低于0.3%时，其脆性温度在-100℃以下。当Ni含量增加，约4-5%时，其脆性温度可降至-180℃。因此，它能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%的钢，无Cr钢可空淬，含Ni=8%的Cr钢在很低的冷却速度下也能转变为M体。

Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以能形成连续固溶体。这有利于提高钢的淬硬性。Ni能降低临界点，增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬硬性好。一般加Ni钢用于大截面的厚重件。当它与Cr、W或Cr、Mo配合时，可提高淬硬性。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。（Ni钢抗热疲劳性能好，在反复冷热条件下工作，σ和αk都较高）

Ni在不锈钢中的应用，是为了使钢具有均匀的A体组织，以提高耐腐蚀性能。含Ni的钢一般不易过热，因此能阻止高温下晶粒长大，仍能保持细小的晶粒组织。

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Cu（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。含铜0.20%～0.50%的钢轨钢（U-Cu）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。