影响钢材性能的19种化学元素

钢铁中有着各种各样的化学元素,组成成百上千的不同牌号,那么这些化学元素在钢材中到底发挥了些什么作用呢？

今天带您走进钢材中化学元素的世界

1.碳（Carbon）

碳元素在钢材中的作用是把双刃剑,随着碳含量的增高,材料屈服点和抗拉强度会逐渐提高,但是可塑形和冲击性却会降低。因此碳含量需要根据不同的材料用途而量身定做。

当含碳量超过0.23%时,焊接性能会大幅下滑,使得用于焊接场合的低合金结构钢的含碳量不能超过0.20%。过高的碳含量也会导致钢材的耐大气腐蚀能力下滑,在露天料场的高碳钢就很容易遭到腐蚀。

碳含量高也不净是缺点,高碳含量能提高钢的冷脆性和时效敏感性。

2.硅（Silicon）

硅元素作为还原剂和脱氧剂被添加在炼钢过程中,因此镇静钢中会含有0.15-0.30%的硅,当钢中含硅量超过0.50-0.60%,那么硅就算是合金元素。

硅元素能显著提升钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度,故广泛用于弹簧钢中,如65Mn和82B这类弹簧钢就含有0.15-0.37%的硅。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,可以提升钢材15-20%的强度；硅与钼、钨、铬等接合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢；含硅1.0-4.0%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。

当然,硅也不是百利而无一害的,会降低钢的焊接性能。

3.锰（Manganese）

在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算"锰钢",较一般的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。

含锰量高也是有缺点的。含锰量较高时,钢材有较明显的回火脆性现象；锰元素有促进晶粒增长的作用,在热处理过程中需要注意；当锰的质量分数超过1%时,会降低钢材焊接性能。

4.硫（Sulfur）

硫来源于炼钢的矿石和燃料焦炭,是钢材中的一种有害元素。

硫以硫化铁（FeS）的形态存在于钢材中,FeS和Fe形成低熔点（985℃）的化合物,而钢材的热加工温度一般在1150-1200℃,所以当钢材热加工时,FeS化合物会过早熔化导致工件开裂,这种现象称为"热脆"。含硫量越高,热脆现象越严重,故必须对钢材中的含硫量进行控制。

高级优质钢S＜0.02-0.03%,优质钢S＜0.03-0.045%,普通钢S＜0.055%-0.07%。在个别情况下也会有需要添加硫的情况,比如在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。

硫对焊接性能也不利,会降低耐腐蚀性。

5.磷（Phosphorus）

磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。

6.氧（Oxygen）

氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

7.氮（Nitrogen）

铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。钢液中加入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。

8.铬 （Chromium）

在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,使钢材具有良好的的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素；还能提高钢材的淬透性,是很重要的合金元素。

但是铬也会提高钢材的脆性转变温度,提高钢材的回火脆性,对于加工过程会导致不必要的困扰。

9.镍（Nickel）

镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。检测不锈钢中的Ni含量,防止供应商以次充好,对生产厂家是至关重要的。GNR手持式光谱仪P5能够有效的检测Ni含量（右侧超链接）--GNR手持式光谱仪 | 镍合金检测报告

10.钼（Molybdenum）

钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变）。结构钢中加入钼,能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中添加钼元素,则可提高红性。

11.钛（Titanium）

钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在Cr18Ni9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。

12.钒（Vanadium）

钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

13.钨（Tungsten）

钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。

14.铌（Niobium）

铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。

15.钴（Cobalt）

钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。

16.铜（Copper）

武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

17.铝（Aluminum）

铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

18.硼（Boron）

钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。

19.稀土（Rare Earth Element）

稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象"土",所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。