钢中元素的作用

钢中元素的作用

工业纯铁的塑性很好，但强度很低，一般不能满足实际需要。通常加入Si、Mn等合金钢元素改善钢材性能，以满足实际要求。另外，钢材在冶炼的过程中不可避免的含有C，S，P等杂质元素。它们的存在，对钢材的性能也有很大影响。

1 对钢材力学性能的影响1.1 杂质的影响

1.1.1 碳的影响碳与铁可以形成一系列化合物：Fe3C，Fe2C，FeC等。碳能提高钢材的强度和硬度，但会降低钢材的塑性。碳含量增加0.1%，钢材的抗拉强度可提高70MPa，屈服点提高28 MPa。含碳量大于6.67%的合金脆性大，不具有实际使用价值。海洋工程用钢根据碳的含量一般可分为三类（Section 8, API RP-2A-WSD, 1994）：①普通钢。含碳量小于或等于0.4%。最小屈服应力为280MPA。②高强度钢。碳含量为0.45%或更高。屈服应力在280MPA 和360MPA之间。③对于屈服应力大于360MPA的超高强度钢要限制使用。

1.1.2 硫的影响硫通常以FeS的形式存在于钢材中。FeS塑性差，熔点低。钢水结晶时FeS分布于晶界周围。在800 0C~1200 0C时，轧制或铸造会导致晶界开裂，此现象即通常所说的钢的热脆现象。若钢材中有Mn，则可形成高熔点的MnS（1600 0C）。钢水在结晶时，MnS呈颗粒分布于晶内，这样就可以大大降低硫的危害。作为有害杂质，钢材中的硫含量通常限制在≤0.04%。

1.1.3 磷的影响钢材中的磷能全部溶于中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。除上述有害方面外，磷对钢材有很高的强化作用。磷提高钢材的屈服强度比镍高10倍，比锰高5倍，比铬高5倍，比铜高

2.5倍，比硅高2倍，比钛高1.7倍。磷提高钢材的极限强度比镍高6倍，比锰高5倍，

比铬高3倍，比铜高1.1倍，比硅高1.3倍，比钛稍低。此外，磷、铜共存可大大提高抗腐蚀性。针对磷使钢脆化，冲击韧性降低，生产中一般把磷控制在0.12%以下。钢中加如铝、钛细化晶粒，这样既可消除冷脆，又能提高钢的塑性和韧性。传统上把磷含量控制在≤0.04%。而我国针对磷的有害和有益两方面作用研究出一系列含磷量为0.07%~0.15%的磷钢。

1.1.4 ．氮的影响氮在中的溶解能力差，在200~300 0C加热过程中常呈氮化合物析出（时效现象），使钢的强度极限升高，塑性下降，这种现象称为钢的兰脆。除氮的有效方法是在钢中加入铝中进行脱氮处理，是氮固定在氮化铝（AlN）中，这样就消除了产生时效的可能。

1.1.5 氧的影响炼钢的过程就是氧化过程，氧化钢中的杂质调整钢中各元素的含量。在氧化的过程中，钢中的一部分氧化成FeO。氧主要以FeO的形式存在于钢中。钢中由于FeO的存在，致使其强度、塑性下降。一般脱氧程度差的沸腾钢比镇静钢具有更大的时效倾向。通常使用锰钢、硅钢或铝进行脱氧。

1.1.6 氢的影响氢在中的溶解能力差，在中的溶解能力大。在钢水的结晶过程中，如果冷却速度太快，氢来不及扩散到金属外部而只能聚集在晶体的缺陷处（空位，滑移线，晶界）。聚集的氢将产生很大的压力，是钢材内部出现裂纹（所谓白点）。对于合金钢，氢的影响尤其显著。1.2 合金元素的影响最常见的合金元素有Mn(>0.08%)、Si(>0.5%)、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等。它们对钢材性能的影响见下表：合金元素的影响元素晶粒大小过热的可能性淬透性退火、正火淬火的温度强度和硬度塑性C 增增降增降Mn 稍增稍增增降含量增加1%，抗拉强度增加90MPa，屈服点上升82MPa。低碳钢中〈1%C不降，高碳钢中降Si 低含量时减小，2%时增大影响小增增含

量增加1%，抗拉强度增加10MPa，屈服点上升55MPa。降；含量超过0.5%，对冲击韧性不利。Mo 减小影响小急增增增<6%时增大Al <0.1%时减小显著减小影响小显著增增小含量时增Co 影响小影响小减小影响小稍增降Ti 减小减小减小增含量增加0.01%，抗拉强度增加5MPa，屈服点上升7.5MPa。稍增V 显著减小显著减小急增增含量增加0.1%，抗拉强度增加30MPa，屈服点上升35MPa。增W 减小减小增增增1%时稍增Cr 减小稍减小增增含量增加1%，抗拉强度增加10MPa，屈服点上升35MPa <1.5%时不降Ni 影响小增减小降含量增加1%，抗拉强度增加

34MPa，屈服点上升45MPa 稍增；改善钢的缺口韧性Cu 影响小影响小稍增稍降增含量增加1%，抗拉强度增加55MPa，屈服点上升80MPa 0.5%时稍增，含量高时降Nb 急减减小小含量时增，大时减显著增稍增1%时稍增

2 对钢材焊接性能的影响合金元素在焊缝金属中的作用是非常复杂的，尤其在多种元素的情况下，其作用往往不是简单的叠加关系。下面简单叙述单一元素对焊缝金属性能的影响。①碳的影响。碳是主要的强化元素，可显著提高各种低合金钢焊缝金属的抗拉强度，但随着含碳量的提高，使焊缝金属焊后的淬硬性增加，并降低了韧性，使焊缝热裂倾向性和焊接热影响区冷裂倾向性增大。因此在低合金钢焊缝中，碳含量高于0.09%，在抗拉强度和屈服点得到提高的同时，韧性则下降。碳的极限含量应控制在0.12%以下。②锰的影响。在低碳（~0.1%）的焊缝金属中，锰的含量在2.2%以下在提高焊缝金属强度的同时降低了脆性转变温度。焊缝金属的碳含量达到0.2%时，锰对韧性也产生有利影响。锰的另一作用在于它能与硫结合形成硫化锰，并使焊缝金属中的硫部分进入溶渣，

残留的硫化锰并不沉淀于晶界。在低合金钢自动埋弧焊缝中，锰的含量在

0.6~1.8%范围内增高，缺口冲击韧性提高，当锰含量超过1.8%，韧性则降低。锰在焊缝金属中的作用还取决于硅的含量。在低锰硅比下，焊缝内氧含量较高并使焊缝金属组织发生变化，使韧性明显下降。当Mn/Si比低于2%，特别是1%时，焊缝金属中还可观察到不同长度的裂纹。③硅的影响。焊缝金属中硅的主要作用是使焊接熔池金属脱氧，硅对低强度焊缝金属有轻微的强化作用。如硅含量从较低的含量逐渐增加，也能改善韧性。在埋弧焊缝中，0.15% ~ 0.3%的硅含量能使焊缝金属获得最高的缺口冲击韧度。气体保护焊焊缝，硅的含量应该控制才0.4%以下。④镍（Ni）的影响。镍是提高焊缝金属低温缺口韧性最需要的合金元素之一。提高镍含量是保证焊缝金属在较高的抗拉强度下获得韧性的有效手段。镍对高强度焊缝金属具有一定的强化作用。附加1%的镍，焊接金属的屈服点可提高20~50MPa。此外，镍对各种气体（包括氢），具有较高的溶解度，如焊条和焊剂中水分较高，则焊缝金属冲击韧性会出现较大的波动，因此含镍的焊心和焊丝焊接时，焊条和焊剂必须烘干。在低合金高强度钢焊缝中，镍含量的最佳范围是0.8%~1.6%。⑤铬的影响。铬能固溶于铁素提中而产生固溶强化效应，提高焊缝金属的抗拉强度和屈服点。铬于碳能化合成Cr7C3，能显著提高钢的抗氧化性能。在低合金结构钢焊缝中铬能提高强度、硬度和塑性，但含量超过0.8%，会使焊缝金属韧性明显下降。] ⑥钼的影响。钼在低合金钢焊缝中含量小于0.6%时，能提高强度和硬度，能细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向，还能提高焊缝金属的塑性，减少产生裂纹的倾向。当钼含量超过0.6%时，会影响焊缝金属的塑性。在低合金耐热钢焊缝金属中，钼是保证高温强度不可缺少的元素。⑦铌（Nb）的的影响。铌在钢中能起细化晶粒和析出强化作用，