总结金属成分及作用

常用金属材料中各种化学成分的作用及影响1、生铁生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。

这些元素对生铁的性能均有一定的影响。

碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。

石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。

硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。

锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。

在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。

磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。

然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。

硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性.减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。

铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。

2、钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。

这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。

这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

1）碳碳是影响铸钢强度、硬度、韧性及淬透性、耐磨性的至关重要的元素。

碳量过高，热处理后形成的高碳马氏体硬度高，但韧性低，且热处理时易形成裂纹；碳量过低，硬度低，耐磨性不佳。

低温回火的0．2．0．5％C低合金钢中，拉伸强度与C的重量百分含量保持线性关系o。

(MPa)=2940×C+820这些C在M体中引起间隙固溶强化而达到超高强度，低温回火时，从M体中共格沉淀出Fe碳化物，但并未引致高强度的再升高。

增加C量几乎伤害强度以外的所有性能，所以在保证强度前提下应尽可能降低其含量。

钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

2）硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。

它是钢中的一种有害元素。

硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。

而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。

含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。

高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。

硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

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。

3）磷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%。

在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。

由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。

锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。

因此，锰在钢中是一种有益元素。

一般认为，钢中含锰量在0.5%～0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。

技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。

锰是好的脱氧剂和脱硫剂。

显著提高淬透性。

锰对钢的硬度和冲击韧度影响很大，硬度随锰含量的提高而上升，冲击韧度则随之下降。

锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子，锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体作用，也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。

锰还能显著降低钢的心l温度和奥氏体分解速度。

但是作为合金元素锰也有它不利的一面。

锰含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆性敏感性。

冶炼浇铸和锻轧后冷却不当时，容易使钢产生白点。

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”，较一般钢量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。

锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。

硅与钢水中的FeO 能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。

硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。

由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。

硅在低合金高强度钢中显示出突出重要的作用。

硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。

它提高钢中固溶体的强度，其冷Dn-r变形硬化率的作用极强，仅次于磷，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。

硅的含量若超过％，将显著降低钢的塑性、韧性和延展性。

硅能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。

硅能提高钢的退火、正火和淬火温度，降低碳在铁素体中的扩散速度，增Dn$11的回火稳定性。

硅还会恶化焊接性。

在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。

在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。

含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

6）氧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）氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。

白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。

锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。

因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。

氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。

当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。

氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。

铬是耐磨材料的基本元素这一，主要作用是提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，细化组织，显著改善钢的抗氧化作用，增加其抗腐蚀的能力，铬和铁形成连续固溶体，与碳形成多种化合物，铬的复杂碳化物(Cr，Fe)7C3对于钢的性能有显著的影响，特别是提高耐磨性，Cr与F e形成金属间化合物6相(FeCr)。

铬能显著增加钢的淬透性，但亦有增加钢的回火脆性的倾向。

铬提高钢的回火脆性，降低钢的马氏体点Ms。

提高强度和硬度。

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢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。

10）镍镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。

在这方面的作用仅次于碳和氮。

镍与铁以互溶的形式存在于钢中的O 【相和丫相中，使之强化，并通过细化a相中的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性。

镍由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，提高钢的淬透性。

镍在高含量时可显著改善钢和合金的一些物理性能。

镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性能及其它工艺性能的损害较其它合金元素影响小。

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。

钼能显著提高钢的淬透性，其作用强于铬而次于锰。

提高钢的硬度和强度，冲击韧度在中等含量时取得最大值。

钼是中强碳化物形成元素，在钢中主要以碳化物的形式存在，弥散地分布在基体中强化基体，提高钢的硬度。

但是，随着钼含量的提高，钼碳化物的数量增多，分布在晶界处的碳化物对基体的割裂作用加强，导致钢的韧性下降。

钼在钢中还能够有效细化铸态组织，提高断面的均匀性；稳定提高回火稳定性，在相变过程中能减缓马氏体板状基体晶界碳化物的析出，从而改善钢的冲击韧度，提高综合性能。

与镍的添加相同，在其中一组成分中添加。

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。

在工具钢中可提高红性。

12）钛钛是钢中强脱氧剂。

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。

在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。

12）钒钒是钢的优良脱氧剂。