合金元素在钢中的作用(超级完整版)

1、钢的分类1.1一般分类碳钢也叫碳素钢，含炭量WC小于2%的铁碳合金。

碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。

碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC ≤ 0.25%）,中碳钢（WC0.25%——0.6%）和高碳钢（WC>0。

6%）。

合金钢种类很多，通常按合金元素含量多少分为低合金钢（含量＜5％），中合金钢（含量5％～10％），高合金钢（含量＞10％）；按质量分为优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢（如软磁钢、永磁钢、无磁钢）等。

2、钢中合金元素分类2.1 根据各种元素在钢中形成碳化物的倾向，可分为三类：强碳化物形成元素，如钒、钛、铌、锆等。

这类元素只要有足够的碳，在适当的条件下，就形成各自的碳化物;仅在缺碳或高温的条件下,才以原子状态进入固溶体中。

碳化物形成元素，如锰、铬、钨、钼等。

这类元素一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体,如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等,如果含量超过一定限度（除锰以外），又将形成各自的碳化物,如(Fe，Cr)7C3、(Fe，W)6C等。

不形成碳化物元素，如硅、铝、铜、镍、钴等。

这类元素一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶体中。

合金元素中一些比较活泼的元素，如铝、锰、硅、钛、锆等，极易和钢中的氧和氮化合，形成稳定的氧化物和氮化物，一般以夹杂物的形态存在于钢中。

锰、锆等元素也和硫形成硫化物夹杂。

钢中含有足够数量的镍、钛、铝、钼等元素时能形成不同类型的金属间化合物。

有的合金元素如铜、铅等，如果含量超过它在钢中的溶解度，则以较纯的金属相存在。

2.2 钢中主要合金元素主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。

其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。

现分别说明它们在钢中的作用。

碳（C）：是对钢的性能影响最大的基本元素，是决定钢力学性能的主要因素。

不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的。

一般说来，随着钢中碳含量的增加，屈服点和抗拉强度升高，碳钢在热轧状态下的硬度直线上升，塑性和韧性降低。

在亚共析范围内（碳含量小于0.80％时），碳对抗拉强度的影响是，随着碳含量增加，抗拉强度不断提高；超过共析范围后（当碳含量大于0.80％时），抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。

另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；同时碳也使碳钢的焊接性能变坏，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%；碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性使冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。

扩大以γ相区，但因渗碳体的形成，不能无限互溶。

在以及γ铁中的最大溶解度为0.02%和2.11%。

硅（Si）在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以在沸腾钢中，含硅量很低，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。

硅能增大钢液的流动性。

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。

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。

硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。

含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。

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。

硅能固溶于铁素体和奥氏体中，能提高钢的硬度和强度。

在普通碳钢中硅含量不超过0.40％，这时对力学性能影响不大。

当硅含量继续增加时，钢的强度指标，特别是屈服点有明显提高，在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%，但塑性及韧性降低，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。

硅能显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比以及疲劳强度和疲劳比等。

此外，硅还能提高钢的脆性转变温度，因而在低温用钢中应控制它的含量。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

缩小γ相区，形成γ相圈；在α铁以及γ铁中的最大溶解度分别为18.5%和2.15%，不形成碳化物。

为常用脱氧剂，对铁素体的固溶强化作用仅次于磷，提高钢的电阻率，降低磁滞损耗，对磁导率也有所改善，为硅钢片的主要合金化元素。

提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合力学性能，特别是弹性极限有利。

还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀性。

为弹簧钢和低合金高强度钢中常用的合金元素，含量较高时，对钢的焊接性不利，因焊接时飞溅严重，有损焊缝质量，并易导致冷脆，对中高碳钢回火时易产生石墨化。

锰（Mn）在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，锰作为脱氧除硫的元素加入到钢中的。

对于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，可以同硫形成硫化锰，相当程度上降低硫在钢中的危害。

锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。

因此，精炼过程中要按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量。

在一般碳钢中，锰含量在0.70％以下，对钢的性能影响不大，量加入在0.70%以上时就算“锰钢”，锰含量增加到1％～2％时，可使强度提高、塑性降低。

在耐热钢中锰还可提高钢的高温强度，作用与镍相似。

锰对钢的高温瞬时强度虽有所提高，但对持久强度和蠕变强度没有什么显著的作用。

提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。

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。

锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。

锰钢的主要缺点是，①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必须注意。

这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：⑧当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

扩大γ相区，形成无限固溶体，对铁素体及A均有较强的固溶强化作用，为弱碳化物形成元素，进入渗碳体代替部分铁原子，形成合金渗碳体。

与硫形成熔点较高的硫化锰，可防止因硫化亚铁而导致的热脆现象。

降低钢的下临界点，增加A冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其机械性能，为低合金钢的重要合金化元素之一，并为无镍及少镍A钢的主要A化元素。

提高钢的淬透性的作用强，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向。

磷（P）它来源于矿石和生铁等炼钢原料。

一般来说，磷是钢中的有害元素。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

它使焊接性能变坏；特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆性（低温变脆），使冷弯性能变坏，磷能提高钢的强度，但降低塑性和韧性；由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严格的控制。

但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。

在这种情况下，可以用磷来提高钢的强度，如生产的高强度IF钢就需要加入磷。

另外，在适当的情况下，还利用磷的其他一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，如集装箱用钢；提高磁性，如电工硅钢；改善钢材的易切削加工性，减少热轧薄板的粘结等。

硫（S）他主要来自于炼铁、炼钢时加入的原材料和燃烧产物，二氧化硫。

一般来说，硫是有害元素，硫最大的为危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓的热脆，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，能提高钢材的切削加工性，通常称易切削钢，这是硫的有益作用。

铝（Al）铝是钢中常用的脱氧剂。

用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。

抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；提高钢的抗氧化性能。

曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C 以下具有抗氧化性。

当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。

例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。

由于铝的这一作用，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

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。

此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。

缺点：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。

②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。

是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

铬（Cr）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。

在钢中的作用：（1）铬可提高钢的强度和硬度。

（2）铬可提高钢的高温机械性能。

（3）使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性（4）阻止石墨化（5）提高淬透性。

缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。

镍（Ni）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。

在钢中的作用（1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。

（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。

（3）改善钢的加工性和可焊性。

（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。

钼（Mo）钼对铁素体有固溶强化的作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利的影响。

结构钢中加入钼，能提高机械性能。

还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。

在工具钢中可提高红性。

在冷冲模具钢中加入钼能改善韧性。

在热锻模具钢中加入钼能使锻模保持比较稳定的硬度。

在调质钢中加入0.2O％～O.30％的钼，不仅可以提高钢的淬透性，从而提高钢的强度和延展性，而且可以减轻或消除因其他合金元素导致的回火脆性而大大有利于提高钢的冲击韧性。

钼是提高钢热强性最有效的合金元素之一，还能强烈地提高钢中铁素体对蠕变的抗力。

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)。

在钢中的作用（1）钼对铁素体有固溶强化作用。

（2）提高钢热强性（3）抗氢侵蚀的作用。