钢材中的合金元素含量对其性能的影响

钢材中的合金元素含量对其性能的影响
钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响
一、对钢材一般性能的影响
1、碳（C）：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、硅（Si）：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。

优点：(1)提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。

(2) 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。

(3)耐腐蚀性。

硅的质量分数为15%- 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。

缺点：使钢的焊接性能恶化。

3、锰（Mn）：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。

优点：（1）锰提高钢的淬透性。

（2）锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。

（3）锰对钢的高温瞬时强度有所提高。

缺点：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：③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。

4、磷（P）：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。

5、硫（S）：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。

6、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。

优点：（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。

7、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。

8、钼(Mo)：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。

9、钛(Ti)：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。

10、钒(V)：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。

11、钨(W)：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。

12、铌(Nb)：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。

13、钴(Co)：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。

14、铜(Cu)：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。

15、铝(Al)：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。

优点：（1）用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，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；（2）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%Al 即可改变氧化皮的结构，加入6%A1 可使钢在980℃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%- 55%、铬30% - 35%、铝10%-15%的合金，在1400℃高温时，仍具有相当好的抗氧化性。

由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

（3）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。

16、硼(B)：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。

17、氮(N)：氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。

18、稀土(Xt)：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。

二、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，还能使扩散氢很快逸出，有利于防止氢致裂纹。

但是铌对低合金高强度钢焊缝金属的韧性可产生有害的影响，使Mn-Si系焊缝金属韧性下降。

尤其是当针状铁素体少时，大大降低焊缝韧性，增加结晶裂纹的倾向。

因此，一般不在低合金高强度钢的焊接材料中加入铌。

焊缝中的铌主要是由母材过渡进入的。

如焊缝金属中含铌量不大于0.04%，不会使焊缝过于变脆。

为防止焊缝金属中铌的有害作用，应尽量使晶粒细化和提高细针状铁素体的比例。

⑧钒的影响。

钒是显著的强化元素，能提高焊缝金属的屈服点和抗拉强度。

在一定的含量范围内，能改善焊后状态焊缝金属的冲击韧性。

但是当含钒的焊缝金属进行消除应力处理时，由于形成了共格碳化物而使韧性急剧下降，强度性能大大提高。

应此，含钒的焊缝金属最好不作焊后消除应力处理。

如必要作消除应力处理，则必须严格控制焊件在消除应力处理时的温度。

为不使焊见的热处理工艺复杂化，焊缝金属中的钒含量应限制在0.08%一下。

⑨钛的影响。

钛也能显著地提高焊缝金属的抗拉强度，对改善塑性
和韧性有利。

但必须控制在一个适量的最佳范围内，钛过少不起作用，过多反而导致焊缝韧性大幅度下降。

最合适的钛含量取决于强度水平和氧含量。

如在中等强度焊缝金属中，最合适的钛含量的0.1%，而在高强度焊缝中，含钛0.015%的焊缝金属韧性最好。

钛对低合金高强度钢焊缝金属冲击韧性有利影响是与焊缝金属中的氮结合，减少固溶氮的有害作用，声称TiN作为结晶核心，促使焊缝成为细晶粒组织，其脱氧作用，减少了焊缝中的焊氧量。

其不利影响是强化铁素质，提高硬度，过多时可以晶界上析出TiC和TiN,还可出现马氏体组织。

⑩磷和硫的影响。

众所周知，磷在低合金钢焊缝中与在钢中起相似作用，是增加冷脆性的有害元素，易产生焊接裂纹。

焊缝金属中磷含量从0.01%提高到0.04%时，室温缺口冲击韧度从200J降低到20J。

为保证焊缝金属具有足够的韧性，磷含量不应高于0.025%。

硫会增加焊缝金属的热脆性，易使焊缝产生热裂纹和气孔，是有害杂质，其含量不应高于0.025%。

三、船舶与海洋工程用钢
船舶与海洋工程结构在运行和工作中必须承受风、浪、流、冰和气温变动，生物污染及海洋大气和海水的腐蚀。

此外，海洋环境中经常发生海水冲刷、飓风、地震、台风和泥石流等极端现象，故在船舶与海洋工程结构用钢材中，提高钢材的耐腐蚀性对减轻结构重量和降低结构的建造成本具有重要意义。

通常为提高低合金钢的抗大气、耐海水腐蚀性能是向钢中加入合金元素来达到。

合金元素对钢材腐蚀性能影响如下：
①Cr不但可显著改善钢材的抗海洋大气腐蚀能力，而且还能提高钢材的耐海水腐蚀性能。

当Cr和Cu或Cr和Al配合使用时效果更好。

当钢中含1%~2%Cr是可显著提高其抗大气的腐蚀能力，但含Cr多时（>5%），钢材点蚀很大。

因此一般Cr含量〈2%，
②Ni既能有效提高钢的抗大气腐蚀能力，而且还能提高钢材的耐海水腐蚀性能。

当Ni与Cr，Cu，P共同使用抗腐蚀效果更好，但不如Cr。

一般Ni含量>1%可有效提高耐大气腐蚀，含量为2%时在大气中的腐蚀速度可减慢50%。

③钢中Cu含量为0.1%~0.2%可使腐蚀速度显著减小，含量增加到
0.25%可使钢的耐海洋大气腐蚀能力提高一倍多。

Cu和P配合对海水中和飞溅区效果更好。

但含量过高效果不大。

（一般含量应该≤0.5%）
④P通常使钢材产生低温脆性，是一种有害元素。

但钢中含
0.06%~0.15%P可提高钢材的耐大气及海水腐蚀性能。

⑤Al能在钢表面形成致密的Al2O3保护膜，从而提高钢材的耐大气及海水腐蚀性能，钢中含Al0.2%可有效提高耐大气腐蚀。

当与Cr，Cu，Mo共存时耐海水腐蚀性能良好。

⑥Si和Cr共存，Si/Cr>1.5时，可在钢材表面形成以硅酸盐为主的保护膜，能提高钢材的耐孔腐蚀能力。

Si可作为钢材抗大气腐蚀的有效元素也，也可作为耐海水腐蚀的辅助元素。

在海水全浸区，Si与Al配合使用效果更好。

⑦Mo与Cr，Cu，Zr，Nb，Ti等配合使用能形成难溶性金属盐，从而抑制了阳极反应并增强了锈层的致密性和附着性，因此提高了钢材
的耐大气及海水腐蚀性能。

耐大气腐蚀用钢
根据具体情况，我国开发了Mn-Cu系和Cu-P系耐大气腐蚀用钢，如10CrMoAl，15NiCuP等。

钢中含铜不但能提高起耐腐蚀性能而且还能提高刚才对油漆的吸附力，因此在有涂层时可进一步延长其使用寿命。

美国的Cr-Cu-P钢是最早开发的一种耐大气腐蚀用钢，起成分为C≤0.12%，0.25%-0.75%Si，0.25%-0.5%Mn，0.07-0.15%P，S≤0.05%，0.25-0.55%Cu，0.3-1.25%Cr，Ni≤0.65%。

这种钢的耐腐蚀性能是普通碳素钢的5~8倍。

此外，美国开发了Cr-Cu-V钢，这类钢能在其表面形成一层致密而且附着力强的锈层防止腐蚀的进一步发展，因此可在无保护层的条件下使用，涂漆时涂层与钢材的吸着力较强，耐腐蚀性能可进一步提高。

法国则开发了Cr-Al耐大气腐蚀用钢。

3.2耐海水腐蚀用钢
为了提高钢材的耐海水腐蚀用钢，在全浸区使用的钢加Al。

在飞溅区使用的钢均加Cu，此外再辅助加入一些P、Si、Mo、Ni等。

我国开发的耐海水腐蚀用钢有：10MnPNbXt、10CrMoAl、15NiCuP。

美国在1967年开发了名为MariNer的耐海水腐蚀用钢（Ni-Cu-P）这种钢在海水飞溅区具有优良的耐腐蚀性。

能，同时点蚀也较轻，但在海水全浸区耐腐蚀性比碳素钢强不了多少。

这种钢含较多P，低温冲击韧性不好，故主要用于钢板和钢管桩。

3.3抗层状撕裂用钢（也称Z向钢）
海洋平台上一些结构截面积较大，结构上存在较多的T型、十字
型接头（如导管架接点）等，构件厚度方向（Z向）承受拉应力。

这些结构如果采用一般含硫量的钢材制造，在夹角焊接情况下，常常在其厚度方向出现难以修补的剥离性焊接裂纹，成为层状撕裂。

国际焊接学会第九委员会的调查结果表明：层状撕裂与钢材的含硫量有很大关系，几乎所有层状撕裂事故都发生在含硫量≥0.02%的钢材上。

此外，层状撕裂还与钢材的含氢量、Al2O3、SiO2的含量有关。

3.4不预热焊接无裂纹高强度钢
这类钢含碳量低，具有良好的塑性和冲击韧性；焊接碳当量低，具有良好的焊接性能；锰碳比（Mn/C）高，能有效的消除硫的危害作用。

因此，在海洋平台的关键部位联合采用抗层状撕裂用钢和抗裂纹钢，可获得比一般钢好的多的塑性和耐疲劳的焊接接头。