合金元素對鋼材性能的影響

合金元素

對鋼材性能的影響

硅（Si）

是鋼中常見元素之一，在煉鋼過程中用作還原劑和脫氧劑。所以鋼中常含有0.20%～0.30％的硅。如果鋼中硅含量超過0.50％～0.60％時，硅就算作特殊的合金元素，這種鋼就稱為“硅鋼” 硅能顯著提高鋼的彈性極限、屈服強度和抗拉強度，故可廣泛用于制造重負的彈簧鋼。在凋質結構鋼中，硅不僅能增加鋼的淬透性，還增加鋼淬火后的抗回火性。因此，常被用作調質結構鋼的合金元素，并可用于制造承受重負荷的較大截面零件的無鎳鉻、高強度、高韌性的高級調質鋼。硅和其他合金元素如鉬、鎢、鉻等結合，有提高鋼抗腐蝕和抗高溫氧化的作用，可用于制造無鎳低鉻的不銹耐熱鋼。含硅1.0％～4.5％低碳和超低碳鋼，具有極高的導磁率，可做電氣制造業中的硅鋼片。在熱處理時硅易于促使石墨化、產生脫碳現象，故在彈簧中，常加入鎢、釩、鉻等元素來加以防止。也用于制造耐磨的石墨鋼或模具鋼。但鋼中含硅量較高時，在焊接時噴濺較嚴重，有損焊縫質量，并易導至冷脆，會增加鍍鋅時鋅對鐵的破壞作用

錳（Mn）

是良好的脫氧劑和脫硫劑。因此，鋼中含0.30％～0.50％的錳是經常的。在碳素鋼中加入0.7％～1.8％或以上的錳時，就算是特殊鋼“錳鋼”了。這種含錳量較高的碳素鋼的力學性能，要比一般含錳量的好得多，不但有足夠的韌性(在適當的熱處理條件之下)，且有較高的強度和硬度，能提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能。故在低合金結構鋼中，含錳鋼種發展十分迅速。利用錳和硫化合所生成的硫化錳(MnS)夾雜，有使切屑易于碎斷的作用。所以在鋼中可加適量的錳和硫來生產易切削鋼。此外，錳在合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼，工具鋼、耐磨鋼、無磁鋼、不銹鋼、耐熱鋼中，也獲得廣泛的應用。但錳能使鋼的抗腐蝕能減弱，對鋼的焊接性能也有不利的影響

鎳（Ni）

能使鋼強化，改善鋼的低溫性能，特別是韌性，還可以提高鋼的淬透性。鎳鋼的抗銹性也很強，具有較高的對酸、堿和海水的耐腐蝕能力，但在高溫高壓下對氧介質的抗腐蝕能力無明顯效果，反會造成脫碳促使鋼腐蝕破裂 一般國產低合金結構鋼中不加入鎳。鎳在高含量時，可顯著改變鋼和合金的一些物理性能。但鎳是一種重要的戰略物資，在全世界范圍內比較稀缺，所以作為鋼的一種合金元素，應該只在不能用其他元素來獲得所需的性能時，才考慮使用鎳。譬如需要在高強度時具有高韌性的重要用途的結構鋼，在低溫工作條件下具有高韌性的鋼，高合金鉻鎳奧氏體不銹耐熱鋼，以及要求具有特殊物理性能的鋼等

鉻(Cr)

加入鋼中能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力。并能提高鋼的強度和耐磨性。由于鉻加入鋼中能改善鋼的力學性能及物理和化學性能，因此在各種用途的合金鋼中，普遍含有不同數量的鉻。由于目前我國鉻資源較少，故因盡量節約使用，特別是在大量生產的結構鋼中，應當少用或不用鉻

鉬(Mo)

是一種貴重的合金元素，在我國是富產，但在整個世界范圍內的儲量卻并不豐富。鉬在鋼中的作用，可歸納為提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，提高剩磁和矯頑力，提高在某些介質中(如硫化氫、氨、一氧化碳、水等介質)的抗蝕性與防止點蝕傾向等。故在結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、不銹耐酸鋼、耐熱鋼(也稱熱強鋼)、磁鋼等一系列的鋼種中，得到廣泛的應用。鉻鉬鋼在很多情況下，可以代替較貴重的鉻鎳鋼來制造各種重要的機件，由于鉬增加鋼的熱強性，所以鉬含量較高時，也會增加熱加工的困難

鋁（Al）

是煉鋼時的脫氧定氮劑，并且能細化鋼的晶粒，提高鋼在低溫下的韌性，鋁對氮有極大的親和力，含鋁的鋼滲氮后，在鋼種表面牢固地形成一層薄而硬的彌散分布的氮化鋁層，從而提高其硬度和疲勞強度，并改善其耐磨性。鋁還具有耐腐蝕性和抗氧化性，可作為不銹耐酸鋼的主要合金元素。在鋼的表面鍍鋁或滲鋁，可提高其抗氧化性 鋁和鉻、硅復合應用，可以顯著提高鋼的高溫不起皮性和耐高溫腐蝕能力。鋁還適用于作電熱合金材料和磁性材料。但是，鋁會影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能

銅（Cu）

在鋼中加入0.20％～0.50％的銅，特別是和磷配合使用時，可以使低合金結構鋼和鋼軌鋼獲得優良的抗大氣腐蝕性能，并且也有利于提高鋼的強度、耐磨性和屈強比，而對鋼的焊接性并沒有不良的影響，是目前建造橋梁、船舶、汽車、機車車輛、化工石油設備及高壓容器等的主要鋼類。在奧氏體不銹鋼中加入2％～3％的鋼，可以提高其在酸性介質中的抗蝕性。但銅是稀缺金屬之一，也是戰略物資，因此一般不應在煉制中有意地加入。不過由于鋼中含銅無法從冶煉過程中去除，而我國又有豐富的含銅鐵礦，所以可以利用含銅鐵礦來發展含銅鋼

鉛（Pb）

不溶于鋼中，它的沸點又很低，因此，為了特殊用途需要而專門加入少量的鉛時，需在冶煉完了，在澆注過程中加入。其作用是在不顯著地影響鋼的其他性能的情況下，能顯著提高鋼的切削加工性

鎢（W）

具有熔點高、密度大的特點，和鉬相似，也是一種貴重的金屬元素。它在鋼中的用途，主要是增加鋼的回火穩定性，熱硬性和熱強性，以及由于形成的特殊碳化物而增加的耐磨性。如當鎢加入高碳鋼中時，可以顯著提高其耐磨性和切削性。因此，它主要用于工具鋼，如高速鋼、熱鍛模具等，而只在個別特殊情況下，才用于機械制造用的滲碳和調質結構鋼中去。但這時必須和其他元素如硅、錳、鋁、鉬、釩、鉻、鎳等同時加入，單一含鎢的結構鋼，在力學性能上與碳素鋼相比，得不到多少改善，故很少采用。鎢能耐高壓氧氣的侵入，還能提高鋼在高溫下的蠕變抗力，當與鉬復合應用時，效果更加顯著

釩（V）

是我國富有元素之一，也是目前發展新鋼種最常用的合金元素之一。它和碳、氮、氧都有極強的親和力，與之形成相應的極為穩定的化合物。少量的不到0.5％的釩能細化鋼的晶粒，提高鋼的強度、屈強比和低溫韌性，改善鋼的焊接性能，也能增加鋼的熱強性和蠕變的抗力。此外釩對碳的固定作用，還可以提高鋼在高溫下的抗氫侵蝕。但是，釩總是和其他合金元素如錳、鉻、鎢、鉬等配合使用。常用于低溫用鋼、高壓抗氫鋼、高級優質彈簧鋼、新型軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、耐熱鋼等。但釩含量不宜過高，過高則降低鋼的韌性，不利于鋼的蠕變性能

鈦（Ti）

是化學上極為活潑的金屬元素之一，它和氮、氧、碳都有極強的親和力。因此，鈦也是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。鈦能使鋼的內部組織致密，提高鋼的強度，含鈦量為0.06％～0.12％的低合金結構鋼，具有良好的力學性能和工藝性能，但主要缺點是淬透性稍差。在含鉬鍋爐鋼中，鈦可以阻止在高溫(大于500℃)下長期使用時出現的石墨化現象；在含鉻4％～6％的耐熱鋼中，加人大于4倍碳含量的鈦，可以避免鋼的淬硬傾向，還可以顯著提高鋼的焊接性能。鈦還能提高鋼在高溫高壓下抗氫、氮、氨腐蝕的能力。與其他元素配合使用，能提高鋼的抗大氣、海水及抗硫化氫(H2S)腐蝕的能力。此外，一定量的鈦加入Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼中，可完全避免晶間腐蝕，從而被廣泛地應用。目前鈦越來越多地被應用于夾端工業材料，成為重要的戰略物資

鈮（Nb）和鉭（Ta）

均是難熔的稀有元素，價格較昂貴，在鋼中的作用和釩、鈦、鋯等類似，和碳、氮、氧都有極強的親和力，與之形成相應的極穩定的化合物。鈮和鉭均能細化鋼的晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性，在一定的存在條件下，也能提高鋼的強度和韌性及對蠕變的抗力等。在低合金結構鋼中加鈮，既能提高鋼的抗大氣、海水腐蝕能力，及在高溫高壓下抗氫、氮、氨腐蝕能力，也能提高鋼的屈服強度和沖擊韌性，降低其脆性轉變溫度，并改善其焊接性能；在高鉻耐熱不銹鋼中加鈮，可以降低鋼的空冷硬化性，提高鋼的熱強性，避免回火脆性，提高其蠕變強度，并改善鋼的高溫不起皮性，在奧氏體鋼如Cr18Ni8型不銹耐熱鋼中加鈮，可以防止不銹鋼晶間腐蝕現象的發生，但這類鋼冷變形比較困難，焊接性也較差

鎬（Zr）

是稀有金屬，為碳化物形態元素。在煉鋼過程中，鋯是強有力的脫氧和脫氮元素。鈷能細化鋼的奧氏體晶粒，它和硫能化合成硫化鋯，因此能防止鋼的熱脆性。鋯還能改善鋼的藍脆現象，降低鋼的回火脆性，在低合金結構鋼中改善鋼的低溫韌性，作用比釩好。但由于鋯在鋼中的溶解度很小，且價格昂貴，因此很少在一般鋼中應用，而多用于特殊用途。目前，鋯主要用于原子能工業，廣泛用作核反應堆的包套材料和結構材料。此外，在化工方面，鋯和鉿一起用于制造耐腐蝕性很高的設備

鈷（Co）

是世界上稀有的貴重金屬，因此多用于特殊鋼和合金中。如在高速鋼中加入鈷，可以提高它的高溫硬度。鈷加入含鎳(18％～25％)的馬氏體時效鋼中，可以獲得很高的硬度和強度，很好的綜合力學性能。尤其是隨著鈷和鉬含量的增多，時效后硬度和強度的增高就更為顯著。而與此同時，如再加入適量的鈦、鋁、硼和鈷，則對時效后的性能更好。此外，鈷在熱強鋼和磁性材料中，也是重要的合金元素

稀土元素(RE)

是很好的鋼中脫硫去氣劑，可用于清除其他如砷、銻、鉍等有害雜質，可以改變鋼中夾雜物的形態和分布情況，從而改善鋼的質量。在低合金結構鋼中加入適量的稀土，有良好的脫氧、脫硫作用，可以提高沖擊韌性（特別是低溫韌性），耐大氣腐蝕，并有良好的焊接性能和冷加工性能，在高合金的不銹耐熱鋼和電熱合金中加入稀土，既可以提高鋼的抗氧化性和抗蝕性，也可以改善鋼和合金的鑄態組織，從而改善其熱加工性能并提高其使用壽命。但由于稀土加入方法以及分析檢驗方法尚未能很好地掌握，以致使用效果波動頗大，甚至有時反會產生不利的影響，有待今后進一步研究。一般所說的稀土元素，是指鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔、鈧共17個元素

鈹（Be）

是稀有輕金屬之一。和氧、硫都有極強的親和力，是一種理想的脫氧去硫劑。鈹是極強的鐵索體固溶強化元素之一，鋼中加鈹，能增加鋼的淬透性，也可以使鋼具有較高的溫度強度和蠕變性能。但由于鈹供給困難，價格昂貴，目前除了特殊用途(如原子能工業、導彈等)外，在一般合金鋼中尚難于普遍使用

硫在鋼中一般認為它是殘存在鋼中的有害元素之一。它降低鋼的延展性及韌性，損害鋼的抗蝕性，對焊接也有不利影響等。所以在優質鋼中，其含量控制在0.045％以下，就是在普通鋼中也不得大于0.055％(在側吹堿性轉爐鋼中，放寬為不大于0.065％)。但在某種條件下，害處可以轉化為益處，如在含硫易切鋼中，就是提高其硫和錳的含量，使形成較多的硫化錳(MnS)微粒，以改善鋼的切削加工性，硒和碲在周期表中和硫同族，性能頗相似，在鋼中的作用也相似

是屬于元素周期表中同一族的元素。因此這三種元素在鋼中有一些類似的作用。它們加入鋼中都有不同程度的抗腐蝕能力。磷和砷，尤其是磷對提高鋼的抗拉強度有顯著的作用，也能改善鋼的切削加工性，但它們又都增加鋼的脆性，尤其是低溫脆性。此外，磷和砷都是造成鋼較嚴重偏析的有害元素，砷和銻都有抗蝕作用，但如何在鋼中予以應用，尚需研究

硼（B）

硼和氮及氧都有很強的親和力，它在鋼中突出的作用是微量(0.001％)的硼就可以成信地增加鋼的淬透性，從而節約其他較稀缺、貴重的合金元素，如鎳、鉻、鉬等。在珠光體耐熱鋼中，微量硼可以提高鋼的高溫強度，并提高鋼的抗硫化氫(H2S)腐蝕能力；在奧氏體鋼中加入0.025％的硼，可以提高其蠕變強度.至于硼含量較高(大于1％)的鋼，在原子能方面的應用，則是近十幾年的事

氮（N）

在鋼中的作用主要為：①固溶強化及時效沉淀強化；②形成和穩定奧氏體組織；③改善高鉻和高鉻鎳鋼的宏觀組織，使之致密堅實，并提高其強度；④借滲入方法與鋼表面層中的鉻、鋁等合金元素化合形成氮化物，增加鋼表面層的硬度、強度、耐磨性及抗蝕性等。但氮在鋼中的作用，也有其不利的一面，如對低碳鋼，由于氮化鐵(Fe4N)的析出，導致時效和藍脆現象；含量超過一定限度時，易在鋼中形成氣泡和疏松，與鋼中的鈦、鋁等元素形成帶棱角而性脆的夾雜群等。氮的使用，不受資源的跟制，如能用其所長，避其所短，充分發揮其作用，含氮鋼是有其廣泛發展前途的

氫（H）

以原子或離子形成溶于鋼中，形成間隙固溶體，因而也起到某些合金化的作用，有穩定奧氏體，增加鋼淬透性的好處。但它在鋼中造成很多嚴重的缺陷，如產生白點、點狀偏析、氫脆，以及焊縫熱影響區內的裂縫等。這些缺陷的危害性，遠遠超過它作為合金化元素所帶來的好處，所以一般把它看做是一種有害的元素，而采取種種措施，以降低其在鋼中的含量

氧（O）

鋼中的氧對鋼的力學性能有不利的影響，是作為有害元素來看待的。但氧在冶煉過程中卻是不可缺少的主要因素之一，特別是在吹氧煉鋼中，它起著主要的作用。其次，在煉制沸騰鋼和半鎮靜鋼時，鋼液中還必須保留適量的氧，以便鋼液在鋼錠模中發生適度的沸騰作用，使鋼錠有一個較純凈堅實的外殼層，使軋成的鋼板和鋼材具有光滑優良的表面層。同時，由于沸騰過程中產生的一氧化碳(CO)氣泡，在鋼錠中占有一定體積，壓縮或消除鋼錠中的縮孔，這可以增加鋼的收得率和成材率。這些也可以說是氧在鋼中的有利作用