元素

對鋼鐵性能的影響

H（氫）

H是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。氫與氧、氮一樣，在固態(tài)鋼中溶解度極小，在高溫時溶入鋼液，冷卻時來不及逸出而積聚在組織中形成高壓細微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強度急劇降低，嚴重時會造成裂紋、脆斷。“氫脆”主要出現(xiàn)在馬氏體鋼中，在鐵氧體鋼中不十分突出，一般與硬度和含碳量一起增加。

另一方面，H能提高鋼的磁導(dǎo)率，但也會使矯頑力和鐵損增加（加H后矯頑力可增大0.5～2倍）。

B（硼）

B在鋼中的主要作用是增加鋼的淬透性，從而節(jié)約其他較稀貴的金屬，與鎳、鉻、鉬等。為了這一目的，其含量一般規(guī)定在0.001%～0.005%范圍內(nèi)。它可以代替1.6%的鎳、0.3%的鉻或0.2%的鉬，以硼代鉬應(yīng)注意，因鉬能防止或降低回火脆性，而硼卻略有促進回火脆性的傾向，所以不能用硼將鉬完全代替。

中碳碳素鋼中加硼，由于提高了淬透性，可使厚20mm以上的鋼材調(diào)質(zhì)后性能大為改善，因此，可用40B和40MnB鋼代替40Cr，可用20Mn2TiB鋼代替20CrMnTi滲碳鋼。但由于硼的作用隨鋼中碳的含量的增加而減弱，甚至消失，在選用含硼滲碳鋼時，必須考慮到零件滲碳后，滲碳層的淬透性將低于芯部的淬透性的這一特點。

彈簧鋼一般要求完全淬透，通常彈簧面積不大，采用含硼鋼有利。對高硅彈簧鋼硼的作用波動較大，不便采用。

硼和氮及氧有強的親和力，沸騰鋼中加入0.007%的硼，可以消除鋼的時效現(xiàn)象。

C（碳）

C是僅次于鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性能等。  

當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低；但當(dāng)含碳量在1.0%以上時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度反而下降。

隨著含碳量的增加，鋼材的焊接性能變差（含碳量大于0.3%的鋼材，可焊性顯著下降），冷脆性和時效敏感性增大，耐大氣銹蝕性下降。

N（氮）

N對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度顯著提高，塑性特別是韌性也顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇；同時增加時效傾向及冷脆性和熱脆性，損壞鋼的焊接性能及冷彎性能。因此，應(yīng)該盡量減小和限制鋼中的含氮量。一般規(guī)定氮含量應(yīng)不高于0.018%。

氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。有些牌號的不銹鋼，適當(dāng)增加N的含量，可以減少Cr的使用量，可以有效降低成本。

O（氧）

O在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧，但不可能除盡。鋼水凝固期間，溶液中氧和碳反應(yīng)會生成一氧化碳，可以造成氣泡。氧在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在，使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。

氧會使硅鋼中鐵損增大，磁導(dǎo)率及磁感強度減弱，磁時效作用加劇。

Mg（鎂）

鎂能使鋼中夾雜物數(shù)量減少、尺寸減小、分布均勻、形態(tài)改善等。微量鎂能改善軸承鋼的碳化物尺寸及分布，含鎂軸承鋼的碳化物顆粒細小均勻。當(dāng)鎂含量為0.002%～0.003% ,其抗拉強度和屈服強度增加5%以上，塑性基本保持不變。

Al（鋁）

鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中，鋁脫氧能力比硅、錳強得多。鋁在鋼中的主要作用是細化晶粒、固定鋼中的氮，從而顯著提高鋼的沖擊韌性，降低冷脆傾向和時效傾向性。如D級碳素結(jié)構(gòu)鋼要求鋼中酸溶鋁含量不小于0.015%，深沖壓用冷軋薄鋼板08AL要求鋼中酸溶鋁含量為0.015%―0.065%。

鋁還可提高鋼的抗腐蝕性能，特別是與鉬、銅、硅、鉻等元素配合使用時，效果更好。

鉻鉬鋼和鉻鋼中含Al可增加其耐磨性。高碳工具鋼中Al的存在可使產(chǎn)生淬火脆性。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Si（硅）

Si是煉鋼過程中重要的還原劑和脫氧劑：對于碳鋼中的很多材質(zhì)來說，都含有0.5%以下的Si，這些Si一般是由于煉鋼過程中作為還原劑和脫氧劑而帶入的。

硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強。但含硅量超過3%時，將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比（σs/σb），以及疲勞強度和疲勞比（σ-1/σb）等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。

硅能降低鋼的密度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。能促使鐵素體晶粒粗化，降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向，使磁化容易，磁阻減小，可用來生產(chǎn)電工用鋼，所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導(dǎo)磁率，使鋼片在較弱磁場下有較高的磁感強度。但在強磁場下硅降低鋼的磁感強度。硅因有強的脫氧力，從而減少了鐵的磁時效作用。

含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。

硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長，降低塑性。硅鋼若加熱時冷卻較快，由于熱導(dǎo)率低，鋼的內(nèi)部和外部溫差較大，因而斷裂。

硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的結(jié)合能力硅比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，增加熔渣和融化金屬的流動性，引起噴濺現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌情加一定量的硅，能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來就有一定的殘存，這是由于煉鐵煉鋼時作為原料帶入的。在沸騰鋼中，硅限制在<0.07%，有意加入時，則在煉鋼時加入硅鐵合金。

P（磷）

P是由礦石帶入鋼中的，一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。

P的固溶強化及冷作硬化作用很好，與銅聯(lián)合使用，提高低合金高強度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能，與硫、錳聯(lián)合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。

磷可提高比電阻，且由于容易粗晶而可使矯頑力和渦流損失降低，于磁感而言，則在弱中磁場下磷含量高的鋼磁感會提高，含P硅鋼的熱加工也并不困難，但由于它會使硅鋼具冷脆性，含量≯0.15%（如冷軋電機用硅鋼含P=0.07～0.10%）。

磷是強化鐵素體作用最強的元素。（P對硅鋼再結(jié)晶溫度和晶粒長大的影響將超過同等硅含量作用的4～5倍。）

S（硫）

硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時，由于FeS化合物的過早熔化而導(dǎo)致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。高級優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%～0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。

由于其切屑發(fā)脆而可得到非常光澤的表面，所以可用于制要求負荷不大而具高表面光潔度的鋼制件（名為快削鋼），（如Cr14）有意加進少量的硫（=0.2～0.4%）。 某些高速鋼工具鋼進行硫化表面。

K/Na（鉀/鈉）

鉀/鈉可作為變質(zhì)劑使白口鐵中碳化物團球化，使白口鐵（以及萊氏體鋼）)在保持原有硬度的條件下, 韌性提高二倍以上；使球墨鑄鐵的組織細化、蠕鐵的處理過程穩(wěn)定化；是強烈的促進奧氏體化的元素，例如，它可使奧氏體錳鋼的錳/碳比從10:1~13:1降至4:1~5:1。

Ca（鈣）

鋼中加鈣能細化晶粒，部分脫硫，并改變非金屬夾雜物的成分、數(shù)量和形態(tài)。與鋼中加稀土的作用基本相似。

改善鋼的耐蝕性、耐磨性、耐高溫和低溫性能；提高了鋼的沖擊韌性、疲勞強度、塑性和焊接性能；增加了鋼的冷鐓性、防震性、硬度和接觸持久強度。

鑄鋼中加鈣使鋼水流動性大為提高；鑄件表面光潔度得到改善, 鑄件中組織的各向異性得以消除；其鑄造性能、抗熱裂性能、機械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。

鋼中加鈣能改善抗氫致裂紋性能和抗層狀撕裂性能，可延長設(shè)備、工具的使用

壽命。鈣加入母合金中可用作脫氧劑和孕育劑，并起微合金化作用。

Ti（鈦）

鈦和氮、氧、碳都有極強的親和力，與硫的親和力比鐵強，是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。鈦雖然是強碳化物形成元素，但不和其他元素聯(lián)合形成復(fù)合化合物。碳化鈦結(jié)合力強，穩(wěn)定，不易分解，在鋼中只有加熱到1000℃以上才能緩慢地溶入固溶體中。

在未溶入之前，碳化鈦微粒有阻止晶粒長大的作用。由于鈦和碳之間的親和力遠大于鉻和碳之間的親和力，在不銹鋼中常用鈦來固定其中的碳以消除鉻在晶界處的貧化，從而消除或減輕鋼的晶間腐蝕。

鈦也是強鐵氧體形成元素之一，強烈的提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在普通低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮和硫并形成碳化鈦，提高了鋼的強度。經(jīng)正火使晶粒細化，析出形成碳化物可使鋼的塑性和沖擊韌性得到顯著改善，含鈦的合金結(jié)構(gòu)鋼，有良好的力學(xué)性能和工藝性能，主要缺點是淬透性稍差。

在高鉻不銹鋼中通常需加入約5倍碳含量的鈦，不但能提高鋼的抗蝕性（主要是抗晶間腐蝕）和韌性；還能組織鋼在高溫時的晶粒長大傾向和改善鋼的焊接性能。

V（釩）

釩和碳、氨、氧有極強的親和力，與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。釩在鋼中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是細化鋼的組織和晶粒，降低鋼的強度和韌性。當(dāng)在高溫溶入固溶體時，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在時，降低淬透性。釩增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。鋼中的含釩量，除高速工具鋼外，一般均不大于0.5%。

釩在普通低碳合金鋼中能細化晶粒，提高正火后的強度和屈服比及低溫特性，改善鋼的焊接性能。

釩在合金結(jié)構(gòu)鋼中由于在一般熱處理條件下會降低淬透性，故在結(jié)構(gòu)鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯(lián)合使用。釩在調(diào)質(zhì)鋼中主要是提高鋼的強度和屈服比，細化晶粒，撿的過熱敏感性。在滲碳鋼中因能細化晶粒，可使鋼在滲碳后直接淬火，不需二次淬火。

釩在彈簧鋼和軸承鋼中能提高強度和屈服比，特別是提高比例極限和彈性極限，降低熱處理時脫碳敏感性，從而提高了表面質(zhì)量。五鉻含釩的軸承鋼，碳化彌散度高，使用性能良好。

釩在工具鋼中細化晶粒，降低過熱敏感性，增加回火穩(wěn)定性和耐磨性，從而延長了工具的使用壽命。

Cr（鉻）

鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。含量超過12%時，使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕的作用，還增加鋼的熱強性。鉻為不銹鋼耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。

鉻能提高碳素鋼軋制狀態(tài)的強度和硬度，降低伸長率和斷面收縮率。當(dāng)鉻含量超過15%時，強度和硬度將下降，伸長率和斷面收縮率則相應(yīng)地有所提高。含鉻鋼的零件經(jīng)研磨容易獲得較高的表面加工質(zhì)量。

鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。

含鉻的彈簧鋼在熱處理時不易脫碳。鉻能提高工具鋼的耐磨性、硬度和紅硬性，有良好的回火穩(wěn)定性。在電熱合金中，鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強度。

Mn（錳）

Mn能提高鋼材強度：由于Mn價格相對便宜，且能與Fe無限固溶，在提高鋼材強度的同時，對塑性的影響相對較小。因此，錳被廣泛用于鋼中的強化元素。可以說，基本上所有碳鋼中，都含有Mn。我們常見的沖壓軟鋼，雙相鋼(DP鋼)，相變誘導(dǎo)塑性鋼(TR鋼)，馬氏體鋼(MS鋼)，都含有錳元素。一般，軟鋼中的Mn含量不會超過0.5%；高強鋼中的Mn含量會隨著強度級別的升高而升高，例如馬氏體鋼，錳含量可高達3%。

Mn提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能：比較典型的例子是40Mn和40號鋼。

Mn能消除S（硫）的影響：Mn在鋼鐵冶煉中可與S形成高熔點的MnS，進而消弱和消除S的不良影響。

但是，Mn的含量也是一把雙刃劍。Mn含量并不是越高越好。錳含量的增高，會降低鋼的塑性以及焊接性能。

Co（鈷）

鈷多用于特殊的鋼和合金中，含鈷的高速鋼有高的高溫硬度，與鉬同時加入馬氏體時效鋼中可以獲得超高硬度和良好綜合力學(xué)性能。此外，鈷在熱強鋼和磁性材料中也是重要的合金元素。

鈷降低鋼的淬透性，因此，單獨加入碳素鋼中會降低調(diào)質(zhì)后的綜合力學(xué)性能。鈷能強化鐵素體，加入碳素鋼中，在退火或正火狀態(tài)下能提高鋼的硬度、屈服點和抗拉強度，對伸長率和斷面收縮率有不利的影響，沖擊韌性也隨著鈷含量的增加而降低。由于鈷具有抗氧化性能，在耐熱鋼和耐熱合金中得到應(yīng)用。鈷基合金燃氣渦輪中更顯示了它特有的作用。

Ni（鎳）

鎳的有益作用是：高的強度、高的韌性和良好的淬透性、高電阻、高的耐腐蝕性。

一方面既強烈提高鋼的強度，另方面又始終使鐵的韌性保持極高的水平。其變脆溫度則極低。（當(dāng)鎳＜0.3%時，其變脆溫度即達‐100℃以下，當(dāng)Ni量增高時，約4～5%，其變脆溫度競可降至‐180℃。所以能同時提高淬火結(jié)構(gòu)鋼的強度和塑性。含Ni=3.5%，無Cr鋼可空淬，含Ni=8%的Cr鋼在很小冷速下也可轉(zhuǎn)變?yōu)镸體。

Ni的晶格常數(shù)與γ‐鐵相近，所以可成連續(xù)固溶體。這就有利于提高鋼的淬硬性，Ni可降低臨界點并增加奧氏體的穩(wěn)定性，所以其淬火溫度可降低，淬透性好。一般大斷面的厚重件都用加Ni鋼。當(dāng)它同Cr、W或Cr、Mo結(jié)合的時候，淬透性尤可增高。鎳鉬鋼還具有很高的疲勞極限。（Ni鋼有良好的耐熱疲勞性，工作在冷熱反復(fù)。σ、αk高）

在不銹鋼中用Ni，是為了使鋼具有均勻的A體組織，以改善耐蝕性。有Ni鋼一般不易過熱，所以它可阻止高溫時晶粒的增長，仍可保持細晶粒組織。

Cu（銅）

銅在鋼中的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時，加入銅還能提高鋼的強度和屈服比，而對焊接性能沒有不利的影響。含銅0.20%～0.50%的鋼軌鋼（U-Cu），除耐磨外其耐腐蝕壽命為一般碳素鋼軌的2-5倍。

銅含量超過0.75%時，經(jīng)固溶處理和時效后，可產(chǎn)生時效強化作用。含量低時，其作用與鎳相似，但較弱。含量較高時，對熱變形加工不利，在熱變形加工時導(dǎo)致銅脆現(xiàn)象。2%～3%銅在奧氏體不銹鋼中可以對硫酸、磷酸及鹽酸等抗腐蝕性能及對應(yīng)力腐蝕的穩(wěn)定性。

Ga（鎵）

鎵在鋼中是封閉γ區(qū)的元素。微量鎵易固溶于鐵素體中，形成代位式固溶體。它不是碳化物形成元素，同時也不形成氧化物、氮化物、硫化物。在γ+a兩相區(qū)時，微量鎵易于從奧氏體向鐵素體擴散，它在鐵素體中濃度高。微量鎵對鋼的力學(xué)性能的影響主要是固溶強化。鎵對鋼的耐腐蝕性有很小的改善作用。

As（砷）

礦石中的砷在燒結(jié)過程中只能除去一部分,也可以用氯化焙燒方法去除，砷在高爐冶煉過程中全部還原進入生鐵中，鋼中含砷大于0.1%以上時，使鋼增加脆性并使焊接性能變壞。應(yīng)控制礦石中砷含量，要求礦石中含砷量不應(yīng)超過0.07%。

砷有提高低碳圓鋼屈服點σs、抗拉強度σb 和降低延伸率δ5的傾向，降低普碳圓鋼常溫沖擊韌性Akv的作用較明顯。

Se（硒）

硒可以改善碳素鋼、不銹鋼和銅的切削加工性能，零件表面光潔。

高磁感取向硅鋼中常以MnSe2作抑制劑，MnSe2有益夾雜要比 MnS 有益夾雜對初次再結(jié)晶晶粒長大的抑制作用更強、更有利于促進二次再結(jié)晶晶粒擇優(yōu)長大，從而可獲得高取向（110）[001]織構(gòu)。

Zr（鋯）

鋯是強碳化物形成元素，它在鋼中的作用與鈮、鉭、釩相似。加入少量鋯有脫氣、凈化和細化晶粒作用，有利于鋼的低溫性能，改善沖壓性能，它常用于制造燃氣發(fā)動機和彈道導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)使用的超高強度鋼和鎳基高溫合金中。

Nb（鈮）

鈮常和鉭共生，它們在鋼中的作用相近。鈮和鉭部分溶入固溶體，起固溶強化作用。溶入奧氏體時顯著提高鋼的淬透性。但以碳化物和氧化物微粒形式存在時，細化晶粒并降低鋼的淬透性。它能增加鋼的回火穩(wěn)定性，有二次硬化作用。微量鈮可以在不影響鋼的塑性或韌性的情況下提高鋼的強度。由于有細化晶粒的作用，能提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)含量大于碳的8倍時，幾乎可以固定鋼中所有的碳，使鋼具有良好的抗氫性能。在奧氏體鋼中可以防止氧化介質(zhì)對鋼的晶間腐蝕。由于固定碳和沉淀硬化作用，能提高熱強鋼的高溫性能，如蠕變強度等。

鈮在建筑用普通低合金鋼中能提高屈服強度和沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度有益焊接性能。在滲碳及調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼中在增加淬透性的同時。提高鋼的韌性和低溫性能。能降低低碳馬氏體耐熱不銹鋼的空氣硬化性，避免硬化回火脆性，提高蠕變強度。

Mo（鉬）

鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質(zhì)中的抗蝕性。

在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。

在滲碳鋼中鉬除了具有上述作用外，還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層中殘留的奧氏體，相對地增加了表面層的耐磨性。

在鍛模鋼中，鉬還能保持鋼有比較穩(wěn)定的硬度，增加對變形。開裂和磨損等的抗力。

在不銹耐酸鋼中，鉬能進一步提高對有機酸（如蟻酸、醋酸、草酸等）以及過氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸鹽、酸性染料、漂白粉液等的抗蝕性。特別是由于鉬的加入，防止了氯離子的存在所產(chǎn)生的點腐蝕傾向。含1%左右鉬的W12Cr4V4Mo高速鋼具有耐磨性、回火硬度和紅硬性等。