各种化学元素对钢材性能的影响

各元素对钢材性能的影响
名词解释：
铁素体（Ferrite）：碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素。

常用符号F（或α）表示。

铁素体具有体心立方结构，由于它的间隙很小，因而溶碳能力较差。

在727℃时最大溶碳量为0.0218%，随着温度下降，其溶碳量逐步减少，在室温时仅溶碳0.0008%。

铁素体的强度低，其δσb为180-280MN/m2,HB约80，但塑性好，其δ为50%。

奥氏体（Austenitic）：碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。

常用符号A（或γ ）表示。

奥氏体具有面心立方晶格结构，由于它的有效晶格间隙较大，因此其溶碳能力较大，在1148℃时的最大溶碳量2.11%，随着温度的下降，其溶碳量逐步减少，在727℃是溶碳量为0.77%。

奥氏体的机械性能于其溶碳量及晶粒的大小有关。

一般来说奥氏体的硬度为170-220HBS，延伸率δ为40-50%，奥氏体存在于727℃以上的固态温度范围内。

奥氏体易于塑性成形。

渗碳体（Cementite）：C与Fe的化合物（Fe3C）称为渗碳体，其含碳量
6.69%，渗碳体的熔点为1227℃，其硬度很高，约800HB,塑性和冲击韧性几乎为零，脆性极大，因此它不能作为碳钢的基体相，却是碳钢中的主要强化相。

渗碳体是一种亚稳相，在一定条件下会发生分解，形成石墨自由碳。

马氏体（Martensite）：采用快速冷却的方法，由于过冷度大，铁和碳原子都不能进行扩散，奥氏体只能由非扩散的晶格切变，有γ-Fe的面心立方晶格改组为α-Fe的体心立方晶格。

这种奥氏体直接转变一种含碳过饱和α固溶体，称之为马氏体。

各元素对钢性能的影响：
锰（Mn）
锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留于钢中的，锰能清除钢中的FeO,改善钢的品质，降低钢的脆性；锰与硫化合生成MnS，消除硫的有害作用，改善钢的热加工性能。

在碳钢中锰的含量一般控制在0.25-0.80%之间，锰能溶于铁素体中，形成含锰的铁素体，起着强化铁素体的作用；锰还能溶于Fe3C中形成合金渗碳体，从而提高碳钢的强度，锰是有益的杂质元素，少量的锰对钢的性能影响不显著。

硅（Si）
硅也是作为脱氧剂而加入钢中的。

硅在碳钢中的含量通常控制在0.03-0.4%之间，大部分归溶于铁素体，形成含硅铁素体，起着强化铁素体的作用，是钢的强度和硬度得到提高。

但塑性、韧性有所下降。

少来的硅对钢的性能影响也不显著。

硫（S）
硫是在炼钢中由矿石、燃料带进钢中，硫不溶于铁，而异FeS的形式存在，FeS与Fe能形成熔点为985℃的共晶体，且分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000-1200℃进行轧制和锻造时，将会使晶界上的共晶体熔化，是钢变脆，这种现象称为热脆性，硫是有害杂质，因此，钢中的含碳量必须严格控制。

增加钢中的Mn的含量，可以消除硫的有害作用。

因为锰与硫能形成熔点为1620℃的MnS,MnS 在高温时有一定的塑性，因此可以避免钢的热脆现象。

磷（P）
磷是由矿石带入钢中的，磷在钢中全部溶于铁素体中，提高了铁素体的强度和硬度。

但同时也是钢的室温塑性急剧下降、变脆，这种现象称为冷脆性，磷也是一种有害杂质，也必须严格控制它在钢中的含量。

奥氏体的晶粒大小及影响因素：
钢的奥氏体晶粒的大小，对冷却后所得到的组织和性能有着非常大的影响。

奥氏体的晶粒越细，冷却后其组织也越细，强度、塑性和韧性就越好。

因此，通过热处理的方法获得细的奥氏体晶粒，对工件最后的性能和质量具有重要意义。

影响奥氏体晶粒的因素
奥实体化的温度越高，钢的晶粒度长大越明显。

在一定温度下，保温时间越长，越有利于奥氏体晶粒的长大。

随着钢中含碳量的增加，则晶粒长大倾向也增大。

但当渗碳体在奥氏体晶界时，将阻碍奥氏体晶粒长大。

除Mn、P等元素增加奥氏体晶粒长大的倾向外，其他形成碳化物元素（Ti、Nb、Zb等），形成氧化物和氮化物的元素（如Al），当他们形成化合物分布在奥氏体晶界上时，都会不同程度的阻碍奥氏体晶粒的长大。

合金钢中常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Ni、Al等。

其中Ni、Si、Al等元素不能与碳形成化合物。

Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn
等元素能与碳形成化合物。

合金元素由于在钢中的存在形式不一样。

因此在钢中的主要作用也有所差异。

主要作用有以下几方面：
1. 提高钢的强度不能形成碳化物的元素，主要是溶入铁素体中形成合金铁素体，起固溶强化；碳化物形成元素与碳形成合金碳化物，其硬度更高，弥散强化作用更大。

不管何种元素加入钢中都使强度得到提高。

2. 提高淬透性除Co以外，大多数合金元素加入钢中，都减慢了过冷奥氏体的分解，使C曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，（Ni、Cr、Co）这是合金元素加入钢中的主要目的之一。

但应指出，只有当合金元素溶入奥氏体中后，才能起到这种作用。

3. 阻止奥氏体晶粒长大除Mn等以外，合金奥氏体晶粒张大倾向较小，特别是强碳化物形成元素生成的碳化物（Ti、V、Zr、Nb等的碳化物）能强烈阻止奥氏体晶粒的长大，因而起细化晶粒的作用。

4. 增加钢的回火稳定性钢对回火时发生软化过程的抵抗能力称为回火稳定性。

许多合金元素都可使马氏体中碳化物析出及残余奥氏体分解的温度升高、速度减慢。

因此与碳钢相比，在同一温度回火时，合金钢的硬度和强度高。

反之，当回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，因此其内应力消除较彻底，塑性、韧性较高。

碳化物形成元素Cr、Mo、Nb、V等对回火稳定性有较强作用。

5. 产生二次硬化当W、Mo、Cr、V含量较高时，在500-600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高的现象称为二次回火硬化。

其原因有二：一是该温度回火时，马氏体中将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC等，起弥散硬化作用；二是该温度回火时，残余奥氏体中析出部分碳化物，从而降低了含碳量，提高了Ms点的温度，使残余奥氏体的冷却过程中可以较高的温度转变成马氏体（二次淬火）以增加钢的硬度。

6. 产生回火脆性合金钢淬火后，在某一温度范围内回火时，出现的脆性现象，称为回火脆性。

在350-400℃出现的韧性下降现象称为第一类回火脆性。

无论碳钢或合金钢，都会发生这类脆性，并且与冷却的速度快慢无关。

这种回火脆性产生后无法消除，又称不可逆回火脆性。

为了避免这类回火脆性的发生，一般不在此温度范围内回火。

在500-600℃回火后缓慢冷却出现的韧性下降称为第二类回火脆性（高温回火脆性）。

含有Cr、Mn、Ni元素的合金钢最容易发生这类回火脆性。

这类回火脆性如果回火后快冷就不会出现；如果回火后慢冷，脆性已发生，只要重新加热到回火温度进行回火并快冷，则回火脆性可完全消除，因而又称他为可逆回火脆性。

各种合金元素在钢中作用如下表
各种合金元素在钢中的作用概要
耐热钢
钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的性能。

金属的抗氧化性，通常是指在高温下迅速氧化后形成一层致密的氧化膜，覆盖在金属表面，使钢不再继续氧化。

碳钢在高温下氧化表面生成疏松多孔的FeO，容易剥落，而且氧原子不断通过FeO扩散，使钢继续氧化。

在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，使钢在高温下与氧接触时，在表面上形成致密的高熔点的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，使钢在高温气体中的氧化过程难以继续进行。

钢的高温强度（热强性）是指高温下的抗蠕变的能力。

提高钢的热强性，通常是往钢里加入Cr、Mo、V、Ni等合金元素，可溶入基体强化固溶体，提高再结晶温度，从而增强钢的高温强度。

加入Nb、V、Ti等合金元素还可以形成硬度高、热稳定性好的碳化物，分布在基体上起到弥散强化作用。

除此，奥氏体组织抗蠕变性比铁素体好，晶粒度比细晶粒好，当然亦不能过粗，过粗会影响强度。

马氏体耐热钢
加入Cr、Si是为了提高抗高温氧化性；加入Mo可以强化基体及避免回火脆性，加入V可形成弥散的碳化物，提高高温强度；加入W可析出稳定的碳化物，显著提高再结晶温度。

这类钢的工作温度不超过700℃。

奥氏体耐热钢
奥氏体耐热钢含Cr量高，可提高其高温强度和抗氧化性。

含Ni量也高，可形成稳定的奥氏体组织。

这类钢的耐热性能优于，马氏体耐热钢，而且冷变形和焊接性能都很好，一般工作在600-700℃。