生铁中各元素的作用及对性能的影响

1、生铁：

生铁除含铁外，还含有碳、硅、锰、磷、硫等元素。这些元素对生铁的性能有一定的影响。

碳（C）：它以两种形式存在于生铁中。一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中。另一种是复合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中。碳化铁硬而脆，塑性低。适当的含量可以提高生铁的强度和硬度。如果含量过多，生铁将难以切割和加工。这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨非常软，强度低。它的存在可以提高生铁的可铸性。

硅（Si）：能促进生铁中所含的碳析出成石墨，能除去氧，还可以减少铸件中的气孔。能改善生铁水的流动性，减少铸件的收缩。但如果含硅过多，也会使生铁变硬变脆。

锰（Mn）：溶于铁素体和渗碳体。在高炉精炼生铁时，适当的锰含量可以改善铸铁的铸造性能和切削性能。在高炉中，锰还可与有害杂质硫形成硫化锰而进入炉渣。

磷（P）：是有害元素，但磷能增加铁水的流动性。这是因为硫会降低生铁的熔点，因此某些产品往往含有较高的磷。然而，磷的存在使铁变得更硬、更脆。优良的生铁应含有较少的磷。有时为了增加流动性，磷含量可达1.2%。

硫（S）：是生铁中的有害元素。它促进铁与碳的结合，使铁硬而脆，并与铁结合形成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性。降低铁水的流动性，因为含硫量高的生铁不适合铸造精细零件。铸造生铁中的硫含量规定不超过0.06%（车轮生铁除外）。

2、钢材：

除碳外，钢中还含有少量的锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）和氢（H）。这些元素并不是为了提高钢的质量而有意添加的，而是从矿石和冶炼过程中带入的，所以称为杂质元素。这些杂质对钢的性能有一定的影响。为了保证钢材的质量，国家标准对各类钢材的化学成分进行了严格规定。

1) 硫磺

硫来自炼钢矿石和燃料焦炭。它是钢中的有害元素。硫以硫化铁（FeS）的形式存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点（985℃）化合物。钢材的热加工温度一般在1150-1200℃以上。因此，当钢进行热加工时，工件会因FeS化合物过早熔化而产生裂纹。这种现象称为“热脆化”。硫含量越高，热脆现象越严重，因此必须控制钢中的硫含量。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。

2) 磷

磷是从矿石中带入钢中的，通常被认为是有害元素。磷虽然能提高钢的强度和硬度，但会导致塑性和冲击韧性显着下降。特别是在低温下，它使钢显着脆化，这种现象称为“冷脆性”。冷脆性使钢的冷加工性和焊接性恶化。磷含量越高，冷脆性越大，因此严格控制钢中的磷含量。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。

3) 锰

锰在炼钢过程中作为脱氧剂添加到钢中。由于锰能与硫形成高熔点（1600℃）的MnS，因此在一定程度上消除了硫的有害影响。锰具有良好的脱氧能力，能与钢中的FeO结合形成MnO进入炉渣，从而提高钢的质量，特别是降低钢的脆性，增加钢的强度和硬度。因此，锰是钢中的有益元素。一般认为，当钢中锰含量低于0.5%～0.8%时，锰被视为永久性杂质。技术条件规定优质碳素结构钢一般含锰量为0.5%～0.8%；而在含锰量较高的结构钢中，其用量可达0.7%～1.2%。

4) 硅

硅也是炼钢过程中作为脱氧剂添加到钢中的元素。钢水中的硅和FeO可形成密度较低的硅酸盐渣而被去除，因此硅是有益元素。硅溶解在钢中的铁素体中，使钢的强度和硬度增加，塑性和韧性降低。镇静钢的硅含量通常为0.1%～0.37%，而沸腾钢的硅含量仅为0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，因此对钢的性能影响不大。

5) 氧气

氧是钢中的有害元素。它在炼钢过程中自然进入钢中。虽然在炼钢过程的最后添加锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能将它们全部去除。氧以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等形式含在钢中，降低钢的强度和塑性。特别是对疲劳强度、冲击韧性等影响严重。

6）氮铁氧体溶解氮的能力很低。当过饱和氮溶解在钢中时，经长时间放置或随后在200～300℃加热后，氮会以氮化物的形式析出，使钢的硬度和强度增加，塑性降低。 ，并导致老化。 。在钢水中添加Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

7) 氢气

钢中溶解的氢会导致钢出现氢脆、白点等缺陷。白点常出现在轧制厚板和大型锻件上。纵切面可见圆形或椭圆形白点；横截面看，是细长的发丝状裂纹。如果锻件出现白点，则在使用过程中可能会突然断裂，造成事故。因此，用于化学品容器的钢材不允许有白点。氢产生白点和冷裂纹的主要原因是因为当高温奥氏体冷却到较低温度时，氢在钢中的溶解度急剧下降。当快速冷却时，氢原子来不及扩散到钢的表面并逸出，在钢的某些缺陷处原子氢转变为分子氢。氢分子在无法扩散的情况下，在局部区域产生巨大的压力。这种压力超过了钢材的强度极限，并在那里形成裂纹，即白点。

3、合金钢

合金钢中元素的作用

合金化中最常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。

1) 硅

①增加钢中固溶体的强度和冷作硬化，降低钢的韧性和塑性；

②硅能显着提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；

③耐腐蚀。硅质量分数为15%～20%的高硅铸铁是良好的耐酸材料。当含硅钢在氧化气氛中加热时，表面也会形成一层SiO2膜，从而提高钢在高温下的抗氧化能力。

缺点：降低钢材的焊接性能。

2) 锰

①锰能提高钢的淬透性。

②锰对提高低碳、中碳珠光体钢的强度有显着效果。

③锰提高钢的高温瞬时强度。

缺点：

①含锰量较高时，会出现明显的回火脆性；

②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感。热处理过程中必须小心。这一缺点可以通过添加钼、钒、钛等细化晶粒元素来克服：

③当锰的质量分数超过1%时，钢的焊接性能会恶化

3）铬在钢中的作用

①铬能提高钢的强度和硬度。

②铬能改善钢的高温力学性能。

③ 使钢材具有良好的耐蚀性和抗氧化性

④防止石墨化

⑤提高淬透性。

缺点：

① 显着提高钢的脆性转变温度

②铬能促进钢的回火脆性。

4）镍在钢中的作用

① 能提高钢的强度而不显着降低其韧性；

②镍能降低钢的脆性转变温度，可提高钢的低温韧性；

③提高钢材的加工性能和焊接性能；

④镍能提高钢的耐腐蚀性能。它不仅耐酸，而且耐碱和大气腐蚀。

5）钼在钢中的作用

①钼对铁素体有固溶强化作用。

②提高钢材的热强度

③耐氢腐蚀。

④提高钢的淬透性。

缺点：

钼的主要不利影响是其使低合金钼钢石墨化的倾向。

6）钨在钢中的作用

①增加强度

②提高钢的高温强度。

③提高钢的抗氢能力。

④是使钢材热硬化。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

7）钒在钢中的作用

①热强度。

②钒能显着改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

8）钛在钢中的作用

①钛能提高钢的热强度，提高钢的抗蠕变性和高温持久强度；

②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。钢在高压下的抗氢稳定性可达600℃以上。在珠光体低合金钢中，钛可以防止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温部件用热强钢的重要合金元素之一。

9）铌在钢中的作用

①铌与碳、氮、氧有极强的结合力，并与其形成相应的极稳定的化合物，从而细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

②具有优异的耐氢性。

③铌能提高钢的热强度

10）硼在钢中的作用

①提高钢的淬透性。

②提高钢的高温强度。强化晶界作用。

11）铝在钢中的作用

① 炼钢时用作脱氧、固氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢时效，提高钢的低温韧性，特别是降低钢的脆性转变温度；

②提高钢的抗氧化能力。人们对铁铝合金的抗氧化性能进行了大量的研究； 4%的Al可改变氧化皮的结构，添加6%的Al可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬一起使用时，其抗氧化性能大大提高。例如，含有50％～55％铁、30％～35％铬、10％～15％铝的合金在1400℃的高温下仍具有非常好的抗氧化性。由于铝的这一功能，近年来常将铝作为合金元素添加到耐热钢中。

③此外，铝还可以提高对硫化氢和V2O5的耐腐蚀性。

缺点：

①脱氧时若使用过多的铝，会促进钢的石墨化倾向。

②铝含量较高时，其高温强度和韧性较低。