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1、常见元素对钢性能的影响常见元素对钢性能的影响1.碳 C由于其对钢的性能的影响常被称为“控制者”。虽然碳本身不具有强度和硬度，但是在固溶体中作为铁的碳化物 Fe3C，碳是强度和硬度的首要控制元素。碳的主要作用：在钢中随着含碳量的增加，可提高钢的强度、硬度和淬透性；但降低塑性、韧性、磁性和导电性能。碳和钢中某些合金元素化合形成各种碳化物，对钢的性能产生不同的影响。碳在一些钢中的含量范围：碳素钢0.031.04%，高速工具钢 0.751.60%，热作工具钢 0.220.70%，冷作工具钢0.452.85%.2.锰 Mn广泛用于熔态钢的脱氧和脱硫。它在钢中残留的量小于 1%。当锰在钢中的含量超过 1%
2、时，锰就是有意加入的合金元素。锰的主要作用：提高钢的抗拉强度；适度提高钢的淬透性，并且既提高韧性又提高加工性能；在含硫的钢中，锰使硫造成的热脆性和冷脆性减到最小；含锰量高的钢，经冷加工或冲击后具有高的耐磨性，但有促使钢的晶粒长大和增加第二类回火脆性的倾向。锰元素在结构钢、钢筋钢、弹簧钢中应用较大。锰在一些钢中的含量范围：碳素钢 0.250.65%，锰钢 1.61.9%，冷作工具钢 0.302.50%，奥氏体铬-镍不锈钢 2.0015.5%.3.硅 Si硅是铁素体形成元素。它既提高 A1温度又提高 A3温度。由于硅有石墨化的作用，所以一般它在钢中与锰结合作为碳化物的稳定剂。为常用的脱氧剂。硅的主
3、要作用：在电工薄板钢中，硅提高磁导率和电阻率并允许获得非常低的磁滞损失，硅在这些钢中的含量范围是 0.54.5%；硅使一些耐高温钢抗氧化；硅与锰结合可提高淬透性、强度和冲击韧性；特别是经淬火、回火后能提高钢的屈服极限和弹性极限；含硅量高的钢，其磁性和电阻均明显提高，但硅有促进石墨化倾向，当钢中含碳量高的时候，影响更大；对钢还有脱碳和存在第二类回火脆性倾向。硅元素在钢筋、弹簧钢钢和电工钢中应用较多。含量较高时，对钢的焊接性不利，焊接时喷溅较严重，有损焊缝质量，并导致冷脆；对高、中碳钢易产生石墨化。普通钢中硅的含量范围在 0.170.37%。铬是碳化物形成元素。它形成硬的碳化物 Cr7C3和 Cr
4、23C6，另一方面还可以与碳形成复合碳化物。所有这些碳化物都比初始的渗碳体硬。作为铁素体形成元素，铬降低了 A4温度并提高 A3温度，因此以-相为代价稳定了 -相。如果在纯铁中加入大于 11%的铬，那么-相会全部消失。4.铬 Cr铬的主要作用：在钢中含足够的碳时铬提高钢的硬度，含 1%碳的低铬钢是非常硬的；在低碳钢中加入的铬能够提高强度但延展性有所降低；铬提高钢的高温强度；铬提供中等淬透性；在高碳钢中，铬改善耐磨性能；当加入大量的铬，直到 25%时，由于在钢的表面形成保护性的氧化物层而改善耐腐蚀能力；与镍元素等配合能提高抗氧化性和钢的热强性，并进一步提高抗腐蚀性；铬促进晶粒长大，导致钢的脆性增
5、加。铬是结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢和耐热钢中应用很广的元素。铬在一些钢和合金中的含量范围：铬钢 0.301.60%，奥氏体铬-镍不锈钢15.030.0%，马氏体铬钢 4.018.0%，铁索体铬钢 10.527.0%，沉淀硬化钢12.218.0%，5.钨 W钨是非常强的碳化物形成元素。它形成非常硬而又稳定的碳化物W2C、WC 和复合碳化物 Fe4W2C。这些碳化物溶解很慢并且只在很高的温度溶解。因此钨是工具钢的重要成分，尤其是高速工具钢。在这些钢中，钨显著地提高二次硬化后的硬度。作为铁素体形成元素，钨降低 A4温度而提高 A3温度。钨的主要作用：钨抑制晶粒长大并因此有晶粒细化的作用；钨减少在
6、热加工和热处理过程中的脱碳；钨提高耐磨性；它提高淬火及回火钢的高温硬度；在一些高温合金中，钨提高蠕变强度；钨对淬透性的贡献是非常重要的；钨限制回火软化，含钨的钢加热到 600700碳化物仍不会沉淀，从而避免了钢的软化。是高速工具钢、合金工具钢中应用较多的元素之一。对钢抗氧化性不利。钨在一些钢中的含量范围：钨-铬钢 1.75%，高速工具钢 1.1521.0%，热作工具钢 019.0%，冷作工具钢 02.0%，抗冲击钢 03.0%.6.钼 Mo钼是强的碳化物形成元素。它形成硬而稳定的碳化物 Mo2C，以及另外的复合碳化物，例如 Fe4Mo2C 和 Fe21MoC6钼的主要作用：少量的钼即可有效地降
7、低转变速率；提高高温合金的高温强度和抗蠕变能力；提高不锈钢的耐腐蚀能力，特别是在盐酸溶液中；与钨有相似的作用，在高速工具钢中常以钼代钨，从而减轻含钨高速钢碳化物堆集的程度，提高了力学性能；钼是镍-铬-钼钢中的重要组成部分之一，这种钢具有高的抗拉强度与良好的塑性的结合；在铬钢中，钼的加入是为了改善加工性能和力学性能；在镍-钼钢中，钼提高钢的表面硬度。钼在一些钢中的含量范围：钼钢 0.150.60%，高速工具钢 010.0%，热作工具钢 05.5%，冷作工具钢 01.8%，奥氏体铬-镍不锈钢 0.4.0%，马氏体铬钢 01.25%，铁索体铬钢 01.25%.7.钒 V钒是强的碳化物形成元素。它形成
8、碳化物 VC。钒以细小晶粒而弥散的碳化物和氮化物存在于钢中，它们在正常的热处理温度下不分解，它们的存在抑制晶粒长大。足够量的碳和在温度升高时可溶的钒引起可观察到的最大二次硬化效果。钒的主要作用：钒是非常重要的晶粒细化元素，它抑制奥氏体长大，少到0.1%的钒就会有效地抑制硬化过程中的晶粒长大，但是在把钢加热到晶粒长大抑制碳化物和氮化物粒子溶解的温度时，晶粒长大马上开始；钒即使少量的溶解也会提高淬透性；它可抵抗高温软化；在生产脱气铸锭的最后脱氧阶段，钒迅速与氧化物结合，常用来作为“清洗剂”或“清洁器” ；铬-钒钢表现出比较高的屈服应力和断面收缩率；提高钢的强度和和韧性，提高钢的耐磨性和热硬性以及回
9、火稳定性，在高速工具钢中经多次回火有二次硬化的作用。固溶于铁素体有极强的固溶强化作用，有细化晶粒作用，对低温冲击韧性有利。碳化钒是金属碳化物中最硬、最耐磨的，可提高工具钢的使用寿命。通过细小碳化钒晶粒弥散分布，可以提高钢的蠕变和持久强度。铁、碳含量比大于 5.7 时，可防止或减轻介质对不锈耐酸钢的晶间腐蚀，并大大提高钢的抗高温、高压、氢腐蚀的能力，能细化晶粒，减缓合金元素的转移速度，但对钢的高温抗氧化性不利。钒在一些钢和合金中的含量范围：铬-钒钢 0.100.20%，高速工具钢0.905.25%，热作工具钢 02.20%，冷作工具钢 05.15%8.钴 Co钴是碳化物形成元素。它的碳化物形成倾
10、向稍微比铁强。有固溶强化作用，赋予钢硬性，改善钢的高温性能和抗氧化及耐腐蚀的能力。钴是某些超硬高速工具钢、某些永磁合金以及高温合金的重要成分。在一些含镍 18%、钴8%12%、钼 3%5%和少量的钛和铝的钢中，钴通过产生更多的（Ti、Al、Mo）Ni3沉淀成核的部位而促进沉淀硬化。钴的主要作用：钴提高永磁合金的剩余感应和高的矫顽力；钴通过促进沉淀硬化过程来大量提高强度和韧性；当钴溶解到铁素体或奥氏体中时，它抑制温升过程中发生的软化；钴降低淬透性。钴在一些钢和合金中的含量范围：高速工具钢 013.0%，热作工具钢 04.5%9.钛 Ti钛是非常强的碳化物形成元素。固溶状态时，固溶强化作用极强，但
11、同时降低固溶体的韧性。钛的主要作用：在中铬钢中，钛从固溶体中拉回碳并降低马氏体硬度及淬透性；在高铬钢中，钛阻止形成奥氏体；在奥氏体不锈钢中，钛在高温时从固溶体中拉回碳，并因此阻止因在晶界生成铬的碳化物，使局部的铬被用尽，而造成的晶界损失；在奥氏体高温合金中，钛促进沉淀硬化；在镇静高强度低合金钢中，钛能提高钢的韧性， ；钛用作脱氧剂；与钒有相似的作用，在以钛为基的合金钢有较小的密度，较高的高温强度；在镍铬不锈钢中有减少晶间腐蚀的的作用。提高耐热钢的抗氧化性和热强性。有防止和减轻不锈耐酸钢晶间和应力腐蚀的作用。由于细化晶粒和固定碳，对钢的焊接性有利。钛在高强度低合金钢中的含量范围在 00.10%1
12、0.铅 Pb铅在熔融的钢中有有限的溶解度。由于它有远大于钢的密度，所以它在熔态钢中下沉而与钢分开。它在钢中以夹杂物形式存在。这些夹杂是软的并起着间隙润滑作用。其含量为 0.20%左右并以极微小的颗粒存在时，能在不显著影响其他性能的前提下，改善钢的切削性。11.镍 Ni镍不形成碳化物。钢中存在的镍使铁的碳化物失去稳定并因此促进石墨化。镍通过形成简单的置换固溶体起着强化铁素体的作用。作为奥氏体形成元素，镍通过提高 A4温度并降低 A3温度来稳定奥氏体。如果纯铁中含有大于 25%的镍，所得到的合金即使缓冷到室温也是纯奥氏体。镍的主要作用：在含镍达 5%的合金钢中，镍提高强度和韧性；镍使高铬成分的奥氏
13、体形成，得到了奥氏体铬-镍不锈钢；镍起着进一步细化晶粒的作用；在含有少量碳的高镍钢中，它显著提高同素异晶转变的热滞后，以致马氏体时效钢中的马氏体在加热到 600时仍能够保留；镍降低热膨胀系数；在高镍合金中，它提高导磁率；含量高时与铬配合能显著提高钢的耐腐蚀性和耐热性。它应用广泛，特别是在不锈钢和耐热钢中。镍在一些钢和合金中的含量范围：镍钢 3.255.25%，奥氏体铬-镍不锈钢1.037.0%，马氏体铬钢 02.50%，沉淀硬化钢 3.08.50%12.铌 Nb铌既可通过沉淀硬化又可通过铁素体景粒进一步细化来提高强度。铌的主要作用：少量的铌（约 0.02%）即可有效地提高碳钢的抗拉强度和屈服强
14、度；强度的提高伴随着显著的缺口韧性的恶化；铌是一些高强度低合金钢的重要成分。当含量大于碳含量的 8 倍时，几乎可以固定钢种所有的碳，使钢具有很好的抗氢性能；在奥氏体钢中，可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定钢中的碳和沉淀硬化作用，可以提高热强钢的高温性能，如蠕变强度等。13.铜 Cu铜是奥氏体形成元素。由于铜有石墨化倾向，所以其仅加入低碳钢中，并且数量不大于 1.5%。铜的主要作用：改善耐蚀能力；借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度；铜在那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微地提高屈服强度，但钢的塑性、韧性下降；在碳钢中，它提高淬透性并降低延展性；当含铜量超过 0.4%-0.5%时，使钢件在热加工时
15、表面容易产生裂纹。14.铝 Al铝的碳化物形成能力比铁低。铝促进石墨化。铝的主要作用：铝与氮或氧生成有效的细小弥散物而抑制晶粒长大；铝通过氮的较低温扩散（氮化）而生成有效的表面硬化层；铝借助在钢的表面生成一层强的氧化铝使钢耐腐蚀；铝是优良的脱氧剂；铝能细化晶粒，从而提高钢的强度和韧性；用铝脱氧的镇静钢，能降低钢的时效倾向，如冷轧低碳薄钢板，经精轧后可长期存放，不产生应变时效；铝对淬透性的贡献是中等的。铝在一些钢和合金中的含量范围：普通钢中铝的含量在 0.010.03%，铁素体不锈钢 00.30%，沉淀硬化不锈钢 01.5%15.硼 B硼是在 2300熔化的非常硬的固体。硼的主要作用：在完全脱氧
16、的钢中加入微量的硼（0.00050.005%）能显著提高钢的淬透性，这时由于降低了冷却期间相转变速率所致，但当含碳量增加时，使淬透性下降，因此，硼加入含碳量0.6%的低碳或中碳钢中作用明显；如加入少量的硼，减少其它更昂贵的合金元素一半的量，仍能使钢保持同样的转变速率；硼改善了钢的延展性能和力学性能16.硫 S硫是对钢铁危害大的元素，硫通过形成脆的硫化物 FeS 对钢产生最有害的影响。硫化物在钢中存在的数量低到 0.01%时，它也可以激发硫化物沿晶粒 边界析出。硫的主要作用：通过生成低熔点的脆性硫化物，硫形成钢在热加工中破裂，这种钢也不适于冷加工过程；当钢中加入足够量的锰时，硫形成在热加工温度下可塑的 MnS；这些硫化物以相当大的球状遍布于钢中，它在钢中不溶解并因此而不与钢的组织结合；增加钢中非金属夹杂物，使钢的强度降低，还会明显降低钢的焊接性能。在热加工时，容易产生脆性（热脆性） ，但稍高的含硫量能改善低碳钢的切削加工性。普通钢中硫的含量0.045%。17.磷 P磷是钢材中的有害成分
