热加工行业论坛：碳元素对钢材性能的主要影响

热加工行业论坛（）——热加工行业人员的在线技术交流家园。行业技术知识以冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、理化检测等为主，机械加工、电脑设计等为辅。点击标题下方蓝色字“热加工论坛”可免费关注。我们将为您提供铸造、锻造、热处理、焊接方面的延伸阅读。

元素名称

影响钢材性能的主要因素

碳（C）

钢中碳含量对冶炼、轧制和热处理的温度制度影响很大。含碳量在0.25%以下的钢，塑性好，无淬硬倾向，焊接性良好。含碳量≥0.60%的中碳钢，综合性能好(即强度和韧性都好)，含碳量≥0.60%的高碳钢，硬度大，可见性差。碳在轴承钢、工模具钢中形成多种高硬度碳化物。可以提高钢的硬度和耐磨性。

硅（Si）

硅是炼钢过程中主要的还原剂和脱氧剂。镇静钢一般含硅0.15%～0.30%。在室温下，钢中的硅能溶解于铁素体中，对钢有一定的强化作用。当钢中硅含量超过0.50%～0.60%时，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，故可用于弹簧钢。硅与钼、钨、铬等结合，有提高耐蚀性和抗氧化作用，可制造耐热钢。硅含量为1%～4%的低碳钢，具有极高的磁导率，是电工硅钢片的原料，硅含量高时，易引起冷脆性，存在于中碳钢和高碳钢中，回火时易发生石墨化。

锰（Mn）

锰在碳素结构钢中含量为0.50%～1.50%，在优质碳素结构钢中为0.20%～1.20%，是主要的脱氧、脱硫元素。对于镇静钢，锰可提高硅、铝的含量。钢中锰的脱氧能力，能部分与硫结合，形成熔点较高的球状硫化锰，在高温下具有一定的塑性，从而缓和硫引起的热脆性，可消除钢中硫的有害影响。另一部分锰溶于铁素体中，引起固溶强化，使钢在轧后冷却时获得比较细小、强度较高的珠光体，可提高钢热轧后的硬度和强度，对断面收缩率（Z）和冲击韧性（Akv）影响较小。锰是强烈扩展γ相区的元素，可用于高锰奥氏体耐磨钢、高强度无磁钢、奥氏体不锈钢和耐磨钢。

磷（P）

磷随原材料一起进入钢中。磷具有很强的固溶强化作用，能完全溶解在铁素体中，在提高钢的强度和硬度的同时，明显降低其塑性和韧性，这种脆化现象在低温下更为严重，称为“冷脆”。特别是磷在结晶过程中易发生晶内偏析，使局部磷含量较高，导致冷脆转变温度升高，危害更大。另外，磷偏析还会使钢在热轧后形成带状组织。钢中磷含量应尽可能降低（一般钢小于0.045，优质钢还要更低）。在一定条件下，磷与铜并用，可提高合金高强度钢的耐大气腐蚀性能。

硫（S）

硫随原料、燃料一起进入钢中。在固态时，钢中的硫以FeS的形式存在，溶解度极低。由于FeS的塑性差，含硫量高的钢很脆。特别是FeS能与Fe形成低熔点共晶，分布在奥氏体的晶界上。当钢加热到1200℃进行压力加工时，晶界处的共晶熔化，晶粒间的结合被破坏，导致钢在加工过程中发生熔融。为了消除硫的有害影响，必须严格限制硫含量，适当提高钢中的锰含量。一般来说，硫被认为是有害成分，但硫在含锰量较高的钢中能形成较多的MnS，在切削时能起润滑、断屑的作用，从而改善钢的切削性能。因此，它是易切削钢常用的添加剂。

铬（Cr）

铬是贵金属，具有固溶强化作用，使钢具有热硬性，提高高温性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能，是高温合金和超硬高速钢的重要合金元素。

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性和韧性，能提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性，因此也是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。

镍（Ni）

镍对酸、碱有较高的抗腐蚀性能，在高温下防锈耐热，但价格昂贵，在我国资源稀缺。在高级合金钢中常与铬、钼等配合使用，制成耐热钢。镍是不锈钢和高温合金的主要合金元素。镍能提高钢的强度，并保持良好的塑性和韧性。

铜（Cu）

铜含量较高时，不利于热变形加工，若超过0.3%，在热变形加工时会引起高温铜脆性；含量高于0.75%时，经固溶处理、时效后，能产生时效强化作用。在碳素合金钢中，特别是铜和磷同时存在，能提高钢的抗大气腐蚀性能。不锈钢中加2%-3%的铜，可提高其对硫酸、磷酸和盐酸的耐腐蚀性能。

钨（W）

钨熔点高、密度大，是我国储量十分丰富的合金。钨与碳形成碳化钨，碳化钨具有较高的硬度和耐磨性，在工具钢中加入钨可显著提高红硬性和热强度，适用于制造工具、模具钢及硬质合金等。

钼（Mo）

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，结构钢中加入钼，可改善力学性能，抑制合金钢因变形、回火引起的脆性，可提高工具钢的红硬性和耐磨性。

钒（V）

钒固溶在铁素体中产生很强的固溶强化作用，能细化晶粒，钒固溶在奥氏体中能提高钢的淬硬性，提高低温冲击韧性，会降低钢的淬硬性，增加钢的回火稳定性，有很强的二次硬化作用，碳化钒是金属硬化剂，具有极高的硬度和优良的耐磨性，能明显提高工具钢的寿命，提高钢的蠕变和持久强度。

钛（Ti）

钛是钢的强力脱氧剂，能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性。钛有很强的固溶强化作用，它溶解于奥氏体中，提高钢的淬硬性，钛的化合物能降低钢的淬硬性，提高回火稳定性并有二次硬化作用，能提高耐热钢的抗氧化性能和热强度、蠕变和持久强度，对改善钢的焊接性有良好的作用。

铌（Nb）

近年来开发的微合金钢（合金元素含量小于0.1%的钢）主要以铌、钒和钛为合金元素，其中铌对提高钢的强度起着突出的作用，它的特点是能与碳、氮结合生成氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出，它们的作用是在加热过程中阻碍原奥氏体晶粒的长大，在轧制过程中抑制再结晶，并使晶粒在低温下长大和析出，从而起到强化钢的作用。微合金钢中加入的微量元素可提高其强度，但必须经过控制轧制加工，否则韧性就会变坏，这是因为控制轧制工艺可以细化晶粒，抵消因析出强化而引起的韧性的变坏。

铝（Al）

铝是化学性质最活泼的元素之一，与氧、氮有很强的亲和力，为了脱氧，炼钢时通常加入铝，它能细化晶粒，抑制低碳钢的老化，提高钢的低温韧性，作为合金元素使用时，可提高钢的抗氧化性能，还可用于改善钢的电磁性能，提高氮化钢的耐磨性和疲劳强度，因此，在氮化钢、耐热不结垢钢、磁钢、电热合金等方面有广泛的应用。

硼（B）

硼是化学性质极其活泼的元素之一，与氮、氧、碳有很强的亲和力，加入钢中主要是为了提高淬透性，经300-400℃回火可提高抗冲击性能，常用于生产齿轮钢、弹簧钢、耐热钢等，但用于高碳钢或残余氧含量较高的钢时，会影响其应有的作用。

氮（N）

钢中的氮来源于炉料，在冶炼和铸造过程中，钢水从炉气和气氛中吸收氮，氮引起碳钢的淬火和变形时效，从而对碳钢的性能产生明显的影响。由于氮的时效作用，虽然钢的硬度和强度有所提高，但塑性和韧性会降低，特别是在变形时效的情况下，塑性和韧性的降低十分显著。对于普通的低合金钢来说，时效现象是有害的。因此，氮被认为是一种有害元素。

但近年来发现氮化物应用于一些细晶粒钢、含钒钢、超级不锈钢时，由于具有强化、细化晶粒的作用，具有有益的效果。氮用于一些不锈钢、耐酸钢和氮化处理中，氮化处理可使机械零件获得优良的综合力学性能，延长零件的使用寿命，因此氮化处理是提高工具钢硬度的一种方法。

铅（Pb）

铅的熔点很低，以低熔点的细小金属颗粒形式分布在钢的晶界中，造成脆性，对普通钢而言是一种有害元素，但用其制造铅易切削钢时，铅会粘附在钢晶界和硫化物周围，切削时熔融的铅向外渗出，起到润滑、断屑的作用，减少刀具的缠绕；而且在改善钢的切削加工性的同时，对室温力学性能影响不大。

稀土元素（Re）

稀土元素是指元素周期表中原子序数从57到71的15种镧系元素以及钇和钪，共17种元素。稀土元素可以改善钢的铸造组织，改变钢中夹杂物的成分、形态、分布和性能，从而改善钢的各项性能，如韧性、焊接性、冷加工性能等，并可提高抗氧化性、高温强度和蠕变强度，增加耐腐蚀性能。

氢 (H)

钢中的氢是由含水或生锈的炉料带入的，或从含有水蒸气的空气中吸收的。氢对钢的危害很大，能引起“氢脆”，即当应力低于钢的许用应力时，钢就会破裂。在过热的条件下，经过一定时间的操作后，钢材会毫无预兆地突然断裂，造成灾难性的后果；还会使钢材内部产生大量的细小裂纹——白斑，即在钢材的横截面上出现光滑的银白色斑点，在酸洗后在纵切面上出现发丝状裂纹。这种发丝状裂纹使钢的延伸率、截面收缩率和冲击韧性明显降低。这种缺陷常出现在合金钢中，造成严重的危害。

氧气 (O)

氧在钢中的溶解度很低，几乎全部以氧化物夹杂物的形式存在于钢中，如Fe0、AL2O3、MnO、CaO、MgO等，此外还有FeS、MnS、硅酸盐、氮化物和磷化物等，这些夹杂物破坏了钢基体的连续性，在静、动载荷作用下成为裂纹源，这些非金属夹杂物的各种状态均不同程度地影响钢的塑性、韧性、疲劳强度和耐腐蚀性能。