手持光谱仪对钢铁性能的影响及铝脱氧剂的作用

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对钢材性能的影响：

可以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。微量镁可以改善轴承钢的碳化物尺寸与分布。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，塑性基本不变。

对钢材性能的影响：

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，从而明显提高钢的冲击韧性，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。

对钢材性能的影响：

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，一般是作为还原剂和脱氧剂带入炼钢过程的。

硅能固溶于铁素体和奥氏体中，增加钢的硬度和强度，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，会显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb）、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。

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，可用于生产电工钢，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，硅却降低钢的磁导率。硅有很强的脱氧力，因而能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，在用铝脱氧时，加入一定量的硅，可明显提高脱氧率。钢中本来就存在一定量的硅，是炼铁炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅的含量限于

对钢材性能的影响：

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%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。

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

磷能提高比电阻，又因易使晶粒粗化，故能降低矫顽力和涡流损耗，至于磁感应强度，含磷量较高的钢的磁感应强度在弱磁场和中磁场下，不难控制，但会使硅钢产生冷脆性，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。）

对钢材性能的影响：

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。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，工件就会开裂，这种现象称为“热脆”。它降低了钢的塑性和韧性。硫对焊接性能也有不利影响，降低耐腐蚀性能。优质钢：S<0.02%～0.03%；高级优质钢：S<0.03%～0.045%；普通钢：S<0.055%～0.7%以下。

由于它的切屑很脆，能产生很光亮的表面，可用来制造要求不大负荷、表面光洁度高的钢件（称易切削钢）。（如Cr14）有意加入少量硫（=0.2～0.4%）。有些高速工具钢经过表面硫化处理。

对钢材性能的影响：

钛与氮、氧、碳的亲和力都很大，与硫的亲和力比铁强，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，但不与其他元素结合形成复杂化合物。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，由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力，所以在不锈钢中常用钛来固定其中的碳，以消除不锈钢中铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。

钛还是强铁素体形成元素之一，强烈提高钢的A1、A3温度，在普通低合金钢中钛能提高塑性和韧性，由于钛能固定氮、硫并形成碳化钛，改善钢的强度，通过正化晶粒和析出碳化物形成钢的塑性和冲击韧性，可显著提高钢的强度，含钛合金结构钢具有良好的力学性能和工艺性能，其主要缺点是淬透性稍差。

在高铬不锈钢中，通常添加约5倍碳含量的钛，不仅能提高钢的耐蚀性(主要是耐晶间腐蚀性)和韧性，而且能组织钢在高温下的晶粒长大倾向，改善钢的焊接性能。

对钢材性能的影响：

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。在高温下溶解于固溶体中时，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。除高速工具钢外，不锈钢含钒量一般不超过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、钨等元素配合使用。钒在调质钢中主要用于提高钢的强度和屈服强度，与其他材料相比，能细化晶粒，降低过热敏感性。在渗碳钢中，能细化晶粒，并允许钢渗碳后直接淬火，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。

对钢材性能的影响：

铬能增加钢的淬硬性，并有二次硬化作用，能提高碳钢的硬度和耐磨性，而不使钢变脆。当含量超过12%时，钢具有良好的高温抗氧化性能，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。用含铬钢制成的零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，还能形成含铬的碳化物，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，并有良好的回火稳定性。在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、电阻性和强度。

对钢材性能的影响：

Mn能提高钢的强度：由于Mn比较廉价，且能无限溶解于Fe中，所以能提高钢的强度，而对塑性的影响相对较小。因此，锰在钢中作为强化元素得到广泛的应用。基本上所有碳钢都含有Mn，普通冲压低碳钢、双相钢（DP钢）、相变诱导塑性钢（TR钢）、马氏体钢（MS钢）等均含有锰。一般低碳钢中Mn含量不超过0.5%；高强度钢中Mn含量随强度等级提高而提高，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。

对钢材性能的影响：

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中可获得超高硬度和良好的综合力学性能，也是磁性材料中重要的合金元素。

钴使钢的淬硬性降低，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淬硬性。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，常用于耐热钢和耐热合金中。钴基合金燃气轮机更显示出其独特的效果。

对钢材性能的影响：

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。它的脆性温度极低。（当镍含量低于0.3%时，其脆性温度在-100℃以下，当Ni含量增加时，约4-5%，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%，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，因此能形成连续固溶体。这对提高钢的淬硬性是有利的。Ni能降低临界点，增加奥氏体的稳定性，所以可降低其淬火温度，提高淬透性。硬度好。一般大截面重物件均采用加Ni钢制造。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钢具有良好的抗热疲劳性能，能在冷热环境中工作。有高的σ和αk。）

Ni用于不锈钢中，使钢具有均匀的A体组织，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。

对钢材性能的影响：

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，铜的加入还可以提高钢的强度和屈强比，而对焊接性能又不产生不良影响。含0.20%～0.50%（U-Cu）的钢轨钢不仅耐磨，而且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。奥氏体不锈钢中加入2%～3%的铜，可提高其对硫酸、磷酸和盐酸的耐蚀性能和对应力腐蚀的稳定性。

对钢材性能的影响：

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，常用于制造燃气发动机、弹道导弹结构件用的超高强度钢和镍基高温合金。

对钢材性能的影响：

铌常与钽共存，它们在钢中的作用相似。铌和钽部分溶入固溶体，起固溶强化作用，当其溶入奥氏体中时，钢的淬硬性明显提高，但以碳化物和氧化物粒子形式存在时，使晶粒细化，降低钢的淬硬性。它能增加钢的回火稳定性，并有二次硬化作用。微量的铌能提高钢的强度，而不影响钢的塑性或韧性。由于其细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性，降低其脆性转变温度。当其含量为碳的8倍以上时，能将钢中几乎所有的碳固定，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，可提高耐热钢的高温性能，如蠕变强度。

铌能提高普通建筑用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，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气淬硬性，避免淬硬回火脆性，提高蠕变强度。

对钢材性能的影响：

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淬火深、硬化彻底，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。

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，提高其抗变形、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、漂白粉等的耐蚀性能，特别是钼的加入可防止因氯离子存在而引起的点蚀倾向。含钼约1%的W12Cr4V4Mo高速钢，具有耐磨性、回火硬度和红硬性。

对钢材性能的影响：

锡一直是钢中有害杂质元素，影响钢材质量特别是连铸坯质量，引起钢材热脆性和回火脆性，产生裂纹和断裂，影响钢材焊接性能，是钢材“五害”之一。1.然而锡在电工钢、铸铁、易切削钢中却起着重要作用。

硅钢晶粒的大小与锡的偏析有关，锡会阻碍晶粒长大。锡含量越高，晶粒析出量越大，能有效阻碍晶粒长大。析出量越大，阻碍晶粒长大的能力越强，晶粒越小，铁损越少。锡能改变硅钢的磁性能，提高取向硅钢产品中有利织构{100}的强度，明显提高磁感应强度。

铸铁中含有少量锡时，能提高其耐磨性，并影响铁水的流动性，珠光体球磨铸铁强度高，耐磨性好，为了得到铸造珠光体，在冶炼时在合金液中加入锡。加入锡。由于锡是阻碍石墨球化作用的元素，所以应控制加入量，一般应控制在≤0.1%。

易切削钢可分为硫基、钙基、铅基及复合易切削钢。锡在夹杂物及缺陷附近有明显的富集倾向，锡不能改变钢中硫化物夹杂的形态，但能通过结晶改变硫化物夹杂的形态。锡在晶界及相界的偏析作用使钢的脆性增大，改善钢的切削性能。当锡含量>0.05%时，钢具有良好的切削性能。

对钢材性能的影响：

高磁感取向硅钢添加Sb后，一次再结晶和二次再结晶晶粒尺寸均得到细化，二次再结晶组织更加完善，磁性能得到改善。其织构组分中，有利于二次再结晶开展的{110}〈115〉或{110}〈001〉组分得到强化，二次晶群数量增多。

在含Sb建筑焊接钢中，在奥氏体温度下，钢中的Sb在MnS夹杂物处及沿原奥氏体晶界析出，增加了在MnS夹杂物上的富集和沉淀，可以使钢的组织得到细化，提高韧性。

对钢材性能的影响：

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，按质量分数计算，其作用一般不如钼显著。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、热强性及增加耐磨性。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，保持较高的高温强度，钨还能降低钢的过热敏感性，增加淬透性和提高硬度。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是一种高强度、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，主要用于制造高温（不大于500℃）条件下的弹簧。

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。

对钢材性能的影响：

铅能改善切削加工性，铅基易切削钢具有良好的力学性能和热处理性能。由于废钢回收冶炼过程中产生的环境污染和有害影响，铅有逐渐被取代的趋势。

铅与铁难以形成固溶体或化合物，容易在晶界处以球状聚集，这是造成钢在200～480℃时变脆，焊缝产生裂纹的原因之一。

对钢材性能的影响：

在易切削钢中添加0.1~0.4%的铋，可改善钢的切削性能。当铋均匀地分散在钢中时，铋质点与切削刀具接触后熔化，起润滑剂的作用，使切削断裂，避免过热。从而可提高切削速度。近来，在不锈钢中大量加入铋，以改善不锈钢的切削性能。

Bi在易切削钢中以三种形式存在：单独存在于钢基体中、被硫化物包裹、存在于钢基体与硫化物之间，随Bi含量的增加而减少。钢中Bi金属在钢锭锻造过程中，可以抑制硫化物的变形。

在铸铁中加入0.002～0.005%的铋，可改善可锻铸铁的铸造性能，增大白口铸铁的倾向并缩短退火时间，提高零件的延伸性能。在球墨铸铁中加入0.005%的铋，可提高其抗冲击性能和延展性。钢中加入铋比较困难，因为铋在1500℃时已大量挥发，很难均匀渗入钢中。目前，国外已用熔点为1050℃的Bi-Mn合金代替铋作为添加剂，但铋的利用率仍只有20%左右。

新日铁、浦项、川崎等公司提出添加Bi可显著提高取向硅钢的B8值。据统计，新日铁、JFE等公司发明了100多种添加Bi的方法，生产出高磁感取向硅钢，添加Bi后磁感达到1.90T以上，最高可达1.99T。

稀土

对钢材性能的影响：

稀土元素一般指元素周期表中原子序数57～71的镧系元素（镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥）加上钪21和钇39，共17种元素。它们的性质相近，难以分离。未分离的稀土称为混合稀土，价格比较便宜。稀土能对钢进行脱氧、脱硫、微合金化。化学变质还可以改变稀土夹杂物的变形能力。特别是对脆性的Al2O3能在一定程度上变质，改善大多数钢种的疲劳性能。

稀土元素Ca、Ti、Zr、Mg、Be等是硫化物最有效的变形剂，在钢中加入适量的RE，能使氧化物和硫化物夹杂转化为细小弥散的球状夹杂物，从而消除了MnS等夹杂物的危害性。在生产实践中，硫在钢中以FeS和MnS的形式存在，钢中Mn含量较高时，MnS形成的倾向性较大，虽然它的高熔点可以避免热脆的产生，但是MnS在变形加工过程中，RE能沿加工方向延伸成条状，使钢的塑性、韧性和疲劳强度明显降低，因此，在钢中加入RE进行变形加工是十分必要的。

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。

稀土在钢中的主要作用是净化、变质和合金化，随着钢中氧、硫含量的逐渐控制，传统的钢水净化、变质作用日益弱化，而被更加完善的净化技术和合金化作用所取代。

Fe-Cr-Al合金中的稀土元素会增加合金的氧化耐药性，在高温下保持钢的细晶粒，并提高高温强度，从而显着提高电加热合金的寿命。

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