钢中常存的杂质元素

2．硫和磷的影响
硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。硫可以大量溶于液态钢中，而在固 态铁中的溶解度极小。硫和铁能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。 当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢 加热到高温，例如1100℃以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制 或锻造时的晶界碎裂（热脆）。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时 也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。此外硫还对钢的焊接性能 有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化 ，生成SO2 气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。
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3．氮、氢、氧的影响
➢ 氢在钢中的溶解度甚微，对钢的组织看不出什么影响。但 由于氢和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。钢中 较常见的是“白点”和氢致延迟断裂。
➢ 钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔 核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子，由于微孔核心等 很小，很少的氢气便可产生相当大的压力，这种内压力大 到足以通过塑性变形或解理使裂纹长大或使微孔长大、连 接时便产生氢脆断裂，呈白点特征。
3．氮、氢、氧的影响
➢ 氮是在冶炼时进入钢中的。氮在α-铁中的溶解度 在590℃时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至 0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮 含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形 后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将逐渐 以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度 、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为 机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不 利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌 等合金元素时，氮可以与之形成稳定的氮化物， 有细化晶粒和沉淀强化的效果。此外氮化钢就是 利用氮化物相强化钢铁材料零件的。
磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许 最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（＜0.06%），而在碱性 电炉和电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在α-铁中的最大溶 解度可达2.55%(1049℃)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中 的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度 显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此 外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。
1．锰和硅的影响ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢 中的。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%，主要固溶于铁中 。此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳 定的MnS 夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。因为FeS 熔 点较低（1190℃），与γ铁易于形成低熔共晶（989℃）而 且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。适量的锰和杂质硫 形成高熔点MnS（1600℃），MnS 在高温下具有一定的塑 性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰呈条状沿轧 向分布。必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和 塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢 板后会造成分层。硅在钢中的含量通常小于0.5%。由于铁 中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一 般均可溶入铁中。此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成 稳定的SiO2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。 必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁 素体基体。
2．硫和磷的影响
磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高 钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况 下，它的作用更加显著。例如09MnCuPTi、10MnPNbRE 等 低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合 理配合（如Cu-P-RE、Cu-P-Ti、Cu-P 等），并在保证取得 细晶组织的条件下（如用Al 脱氧的钢），磷的冷脆作用得 以抑制。故在σs、σb 升高的同时，低温韧性仍能保持所 要求的水平。
➢ 当氢在位错附近偏聚形成“气团”时，“氢气团”的运动 遇到障碍产生位错塞积的同时也就造成了氢的偏聚，当偏 聚在裂纹尖端的氢含量达到临界值时，该区域发生脆化， 裂纹向前扩展，到一定距离后裂纹扩展停止；当裂纹前方 的氢偏聚再次达到临界值时裂纹再次扩展，如此不连续式 的扩展，最后达到临界尺寸而失稳断裂。
3．氮、氢、氧的影响
➢ 氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物的形式存在， 如FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3 等，并且往往 形成复合氧化物或硅酸盐MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。这些 非金属夹杂物有易变形的，如2MnO•SiO2、MnO•SiO2，与 硫化物相似，沿加工方向伸长，呈线段状；也有不易变形 的，如各种氧化物、不同配比的Al2O3、SiO2 和FeO等，沿 加工方向呈链状分布。
➢ 非金属夹杂物对钢的质量有重要影响，这种影响不仅和夹 杂物的成分、数量有关，而且还和它的形状、大小，特别 是分布状况有关。为了保证钢材在使用中不出现问题，钢 材生产厂都必须严格按照国家标准控制杂质含量和夹杂物 的等级；钢材使用单位即用户也需对进厂钢材进行必要的 化学成分及杂质的化学分析，对组织和缺陷及夹杂物做金 相分析，对力学性能作力学试验。
此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含 磷量提高到0.08%~0.15%时，可使铁素体适当脆化，从而 提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢 的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加 工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削 过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的 磨损，延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要 用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力 不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等 。
钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子由于微孔核心等很小很少的氢气便可产生相当大的压力这种内压力大到足以通过塑性变形或解理使裂纹长大或使微孔长大连接时便产生氢脆断裂呈白点特征
碳钢中的常存杂质
碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业 生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而 且在一般情况下能满足使用性能的要求。碳 钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、 硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元 素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、 磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。它们对 碳钢的性能有一定的影响。